馬鋼第三煉鋼廠六機(jī)六流方坯連鑄機(jī)采用高效連鑄技術(shù)，其生產(chǎn)能力與轉(zhuǎn)爐、LF—VD精煉爐生產(chǎn)相匹配，并可向下游的棒材、高線軋機(jī)提供高質(zhì)量無缺陷鑄坯。連鑄機(jī)的在線設(shè)備，包括結(jié)晶器、結(jié)晶器液面檢測與塞棒控制系統(tǒng)、結(jié)晶器電磁攪拌系統(tǒng)（含冷卻水系統(tǒng)）和液壓振動(dòng)裝置，均從奧地利的奧鋼聯(lián)（VAI）引進(jìn)。

馬鋼第三煉鋼廠高效方坯連鑄機(jī)采用全弧型漸近矯直機(jī)型，連鑄半徑為8m，鑄坯斷面為140mm×140mm，定尺長度為16000mm，單爐澆注鋼水量為65t，澆注時(shí)間為28min/爐，年產(chǎn)合格鋼坯量70.93萬噸，鋼水收得率97%。

連鑄機(jī)控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)和過程控制級(jí)組成，其中基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)配備一套公用PLC、6套鑄流PLC，分別對(duì)連鑄機(jī)實(shí)施順序和邏輯控制?？刂葡到y(tǒng)采用了西門子S7-400系列PLC，下掛Profibus-DP網(wǎng)，并通過DP/PA鏈接器將總線儀控設(shè)備接入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，真正實(shí)現(xiàn)了“集中管理，分散控制”的目的。同時(shí)，全數(shù)字化通信模式的抗干擾能力強(qiáng)、測量控制精確度高，借助數(shù)字雙向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)和先進(jìn)的設(shè)備管理軟件，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)定，采集豐富的儀表信息，有利設(shè)備故障診斷，改善管理狀況。過程控制級(jí)由二級(jí)計(jì)算機(jī)構(gòu)成，通過工業(yè)以太網(wǎng)與基礎(chǔ)級(jí)的PLC相連，并依靠控制模型和數(shù)據(jù)庫對(duì)一級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)施指導(dǎo)、管理和跟蹤。人機(jī)界面可顯示運(yùn)行圖、棒圖、趨勢圖、報(bào)警、設(shè)定等畫面和圖表，并進(jìn)行系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖和數(shù)據(jù)管理。

一 、系統(tǒng)組成

基礎(chǔ)級(jí)采用7套S7-400 PLC作為連鑄機(jī)的控制器，其CPU類型是416-2DP，并帶有通信功能，可與擴(kuò)展單元的IM-153、IM-157通信卡以及變頻器通過Profibus-DP控制網(wǎng)相聯(lián)，其中擴(kuò)展單元采用ET-200M和鏈接器（DP/PA）作為子站。控制軟件為STEP 7，并集成西門子過程設(shè)備管理軟件PDM?？刂萍?jí)采用西門子工控機(jī)作為監(jiān)控站，與PLC通過快速工業(yè)以太網(wǎng)（基于TCP/IP協(xié)議）連接，系統(tǒng)運(yùn)行西門子公司基于Windows NT 4.0的WinCC軟件。

1. 硬件構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成如附圖所示（因篇幅限制，圖中僅給出了公用系統(tǒng)的配置，鑄流部分與之類似）。

圖中PC1、PC2、PC3分別為上位機(jī)監(jiān)控站；PLC0至PLC6分別為公用系統(tǒng)控制站和一至六流的主PLC；6個(gè)ET200為電控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程站，分別為MCC站、結(jié)晶器振動(dòng)液壓站、拉矯液壓站、出坯和火切站、兩個(gè)主控站；大包回轉(zhuǎn)變頻器、中間包行走變頻器、移鋼機(jī)變頻器、U/V冷床變頻器均通過Profibus-DP接口掛在DP總線上。DP/PA鏈接器為S7-400 PLC的從站之一，同時(shí)又是現(xiàn)場總線儀控設(shè)備的PA主站，由網(wǎng)絡(luò)部件耦合器實(shí)現(xiàn)所有Profibus-PA總線檢測儀表與DP總線的鏈接，在傳輸更多檢測、控制信息的同時(shí)亦可獲取總線設(shè)備自診斷信息。

2. 軟件配置

操作站軟件為WinCC （5.0SP1版）軟件，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為Windows NT 4.0，WinCC自帶數(shù)據(jù)庫，并提供監(jiān)控畫面和PLC組態(tài)工具。S7組態(tài)軟件為STEP7（5.1SP），內(nèi)嵌西門子過程設(shè)備管理軟件PDM。

二 、連鑄機(jī)主要的控制系統(tǒng)

1. 鋼水溫度測量系統(tǒng)

經(jīng)轉(zhuǎn)爐爐外精煉處理后的合格鋼水到達(dá)鋼水接收跨，由起重機(jī)將鋼包吊運(yùn)到鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)受包側(cè)，回轉(zhuǎn)180°過跨至澆注側(cè)定位。然后由人工使用一次性快速S型熱電偶測出鋼水溫度，并將溫度信號(hào)同時(shí)傳至PLC和大屏幕顯示器。

工藝工程師根據(jù)鋼水溫度和所要澆注的鋼種，通過HMI從二級(jí)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫中調(diào)出相應(yīng)鋼種的澆注參數(shù)，并可根據(jù)需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

2. 鋼水稱量系統(tǒng)

大包和中間包稱重裝置采用德國Schenck公司產(chǎn)品，其稱重梁式傳感器DWB具有安裝、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其內(nèi)置的溫度檢測元件還可給系統(tǒng)提供稱重傳感器的實(shí)時(shí)工作溫度。大包每側(cè)回轉(zhuǎn)臂和中間包均配置了4個(gè)傳感器，測量信號(hào)經(jīng)控制器DISOMAT-S處理后，通過控制器自帶的Profibus-DP接口，將鋼水重量信號(hào)由DP總線傳輸至PLC，PLC則以BCD碼的形式將重量信號(hào)傳輸給大屏幕進(jìn)行顯示。稱重控制器具有去皮、參數(shù)設(shè)定、校驗(yàn)等功能。

3. 結(jié)晶器液面自動(dòng)檢測及塞棒控制系統(tǒng)

結(jié)晶器液面采用全色137（Cs137）液面檢測裝置，與直流伺服電動(dòng)機(jī)塞棒執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成閉路自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)液面波動(dòng)情況自動(dòng)調(diào)節(jié)塞棒開口度，從而控制流入結(jié)晶器內(nèi)的鋼水量，穩(wěn)定澆注操作。結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置采用仿弧精確度高、維護(hù)量小、使用壽命長的全液壓板簧導(dǎo)向振動(dòng)器，其線性及非線性振動(dòng)曲線、頻率、振幅實(shí)時(shí)在線可調(diào)，以適應(yīng)高拉速和高鑄坯表面質(zhì)量的要求?？刂葡到y(tǒng)采用西門子C7 633DP的PLC，通過DP總線與主PLC通信。

4. 二冷水動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)

a. 控制原理

連鑄機(jī)二冷區(qū)是連鑄坯冷卻唯一可控制的區(qū)域，二冷區(qū)配水?dāng)?shù)學(xué)模型采用鑄坯表面溫度控制法實(shí)施冷卻水量分布與動(dòng)態(tài)控制，保證在任一澆注條件下，使冷卻水量隨拉速連續(xù)變化，且水量沿拉速方向按最佳狀態(tài)分布，以控制鑄坯表面溫度符合目標(biāo)溫度。

當(dāng)輸入工藝及介質(zhì)參數(shù)、各鋼種的熱物性參數(shù)及計(jì)算條件、設(shè)備及鑄坯參數(shù)后，通過計(jì)算，可得到各段的水流密度、表面溫度、凝固殼厚度、液相穴深度和水量參數(shù)。根據(jù)鑄坯表面目標(biāo)溫度分布和數(shù)學(xué)模型計(jì)算，在其他因素確定的條件下，確定二冷區(qū)各段冷卻水量Qi與鑄坯拉速V的關(guān)系為：

Qi=aiV2+biV+Ci （i=1，…， 12）式中， ai、bi、ci——由鋼種和鑄坯斷面尺寸等各項(xiàng)因素所確定的系數(shù)，i——冷卻回路序號(hào)。

二冷配水?dāng)?shù)學(xué)模型設(shè)置在上位機(jī)里，根據(jù)鋼種、斷面尺寸等輸入?yún)?shù)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)數(shù)學(xué)模型運(yùn)算得到的各回路配水參數(shù)ai、bi、ci傳送至PLC控制器，由PLC通過DP總線將各回路配水參數(shù)傳至現(xiàn)場總線控制器進(jìn)行配水的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制。

b. 過程現(xiàn)場總線配置

儀控系統(tǒng)全部通過Profibus-PA現(xiàn)場總線方式完成檢測與控制。Profibus是國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的8個(gè)子集之一，其通信模型為7層結(jié)構(gòu)，協(xié)議包括3種規(guī)格：Profibus-FMS、Profibus-DP、Profibus-PA。其中Profibus-FMS屬于系統(tǒng)總線，主要應(yīng)用于車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，物理結(jié)構(gòu)為RS485，傳輸速率為9.6kb/s～12Mb/s。Profibus-DP屬于設(shè)備總線，主要應(yīng)用于復(fù)雜現(xiàn)場設(shè)備和分布式I/O，物理結(jié)構(gòu)為RS-485，傳輸速率為9.6kb/s～12Mb/s。Profibus-PA也屬于設(shè)備總線，主要應(yīng)用于兩線制供電和本安的過程控制儀表，傳輸速率為31.25kb/s，它在保持DP傳輸協(xié)議的同時(shí)，增加了對(duì)現(xiàn)場儀表的饋電功能，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)是IEC61158-2。

如附圖所示，公用部分的結(jié)晶器進(jìn)水總管的溫度、壓力、流量檢測儀表，二冷水總管的壓力、流量檢測儀表，以及結(jié)晶器進(jìn)水總管的流量控制閥，經(jīng)過DP/PA 鏈接器與DP總線連接。雖然耦合器可以直接掛在DP總線上，但要占用一個(gè)DP地址，且無法擴(kuò)充，而每個(gè)鏈接器可以擴(kuò)充5個(gè)耦合器，并且在非防爆區(qū)每個(gè)耦合器最多可掛接30臺(tái)非防爆現(xiàn)場總線儀表，所以在平衡經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)可擴(kuò)充性的前提下，鑄流部分和公用部分均采用了一個(gè)鏈接器配一個(gè)耦合器的硬件配置模式。整個(gè)系統(tǒng)采用了Profibus-PA總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總共有7個(gè)鏈接器和7個(gè)耦合器，分別對(duì)應(yīng)公用系統(tǒng)和六流鑄機(jī)的每一流。在這種模式下，PA總線上的智能總線儀表的地址編號(hào)將不受DP地址編號(hào)的限制，可以在相應(yīng)的耦合器下任意編址，有利于總線設(shè)備的擴(kuò)充和維護(hù)。

5. 尾坯優(yōu)化切割控制系統(tǒng)

二級(jí)計(jì)算機(jī)根據(jù)中間罐自動(dòng)稱量信號(hào)、定尺優(yōu)化模型和尾坯優(yōu)化切割模型，通過DP總線將控制參數(shù)下傳到出坯和火切遠(yuǎn)程站，自動(dòng)對(duì)尾坯進(jìn)行優(yōu)化切割操作，提高鋼水收得率和成坯率。

三、 結(jié)束語

馬鋼第三煉鋼廠六機(jī)六流高效方坯連鑄機(jī)控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)“三電一體化”的基礎(chǔ)上，成功地將Profibus總線技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)全過程，提高了系統(tǒng)的控制水平和可靠性，同時(shí)降低了運(yùn)行成本。由于采用Profibus-PA總線，節(jié)省了儀控系統(tǒng)的相關(guān)硬件費(fèi)用，如I/O模塊、電源隔離器、控制柜、控制室方面的費(fèi)用和施工布線的費(fèi)用，與常規(guī)系統(tǒng)相比，僅儀控系統(tǒng)就比原概算節(jié)省30%的投資。另外，內(nèi)嵌的過程設(shè)備管理軟件PDM，減少了所需其他軟件的種類，也降低了相關(guān)軟件費(fèi)用。尤為重要的是，由于現(xiàn)場總線儀表具有自診斷功能，因此，可以預(yù)先診斷和維護(hù)在線設(shè)備，提前排除故障，減少停機(jī)時(shí)間，提高了生產(chǎn)的安全性，同時(shí)大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用，為整個(gè)高效連鑄機(jī)的安全順產(chǎn)提供了重要的技術(shù)保障。

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