1 引言
提高連鑄自動(dòng)化水平，對(duì)保證鑄坯質(zhì)量、提高連鑄機(jī)的勞動(dòng)生產(chǎn)率、增加連鑄機(jī)的金屬收得率起著至關(guān)重要的作用。為了提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力以及與世界接軌，某煉鋼廠(chǎng)于1999年新上兩臺(tái)8流方坯連鑄機(jī)。這種連鑄機(jī)一次可拉出8條鋼坯，成材率高，是世界冶金生產(chǎn)的發(fā)展方向。由于該連鑄機(jī)流數(shù)多，設(shè)計(jì)拉速高，生產(chǎn)場(chǎng)地狹小，如果由人工手動(dòng)控制生產(chǎn)流程，容易造成鑄坯輸送不暢，這一問(wèn)題在短鑄坯生產(chǎn)中尤為嚴(yán)重。因此，在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制非常重要。
2 控制對(duì)象及控制任務(wù)
連鑄電氣控制系統(tǒng)由公用PLC和流用PLC兩部分組成。公用PLC的控制對(duì)象包括拉矯液壓站、推鋼機(jī)及步進(jìn)式翻轉(zhuǎn)冷床。其中，拉矯液壓站的控制包括油泵啟/?？刂?、電磁溢流閥得電/失電控制、油箱油溫控制以及液位高低限和油泵起動(dòng)故障的聲光報(bào)警；對(duì)于推鋼機(jī)及步進(jìn)式翻轉(zhuǎn)冷床，主要是控制推鋼機(jī)的前進(jìn)/退回及冷床的正反轉(zhuǎn)及啟/停動(dòng)作。流用PLC的控制對(duì)象為引錠桿、火焰切割機(jī)、輥道及翻鋼機(jī)，主要控制自動(dòng)送引錠過(guò)程、切割機(jī)全自動(dòng)/半自動(dòng)切割、輸送輥道啟動(dòng)/停止、翻鋼機(jī)翻起/退回以及翻鋼活動(dòng)擋板的升/降動(dòng)作等。
3 控制系統(tǒng)的硬件組成
連鑄電氣控制系統(tǒng)的上位機(jī)采用兩臺(tái)研華工控機(jī)，下位機(jī)采用18套西門(mén)子S7-300PLC，分別完成兩臺(tái)連鑄機(jī)公用設(shè)備和流用設(shè)備的控制任務(wù)。
公用PLC采用CP314中央處理單元，由接口模板IM360和IM361實(shí)現(xiàn)中央機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架之間的數(shù)據(jù)傳送，由CP342-5通訊模板建立S7-300PLC與Profibus-S7網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接。I/O模塊為9塊SM321-1FF數(shù)字輸入模塊及6塊SM322-1HF數(shù)字量輸出模塊。流用PLC設(shè)計(jì)為一套PLC單獨(dú)控制一流生產(chǎn)設(shè)備，其構(gòu)成與公用PLC的不同之處在于：(1)流用PLC使用2個(gè)擴(kuò)展機(jī)架；(2)I/O模塊為10塊SM321-1FF、1塊SM321-1BH和9塊SM322-1HF。
4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略
4.1拉矯液壓站
拉矯液壓站為自動(dòng)工作方式時(shí)，首先進(jìn)行工作油泵的選擇。當(dāng)系統(tǒng)壓力≤5.5Mpa時(shí)，工作油泵啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)1分鐘延時(shí)后相應(yīng)的電磁閥得電，油泵向系統(tǒng)供油；當(dāng)系統(tǒng)壓力≥7Mpa時(shí)，電磁閥失電，油泵停止供油。為了保障異常狀況時(shí)的設(shè)備安全，在油泵和電磁閥的控制回路中串入了油箱液位低限信號(hào)，以保證在管路嚴(yán)重泄漏而造成低液位報(bào)警時(shí)，延時(shí)一段時(shí)間后系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉油泵和電磁閥。此時(shí)，不但在拉矯液壓站進(jìn)行聲光報(bào)警，而且相應(yīng)的報(bào)警信息也將顯示在上位機(jī)的監(jiān)控畫(huà)面中。
4.2自動(dòng)送引錠過(guò)程
自動(dòng)送引錠過(guò)程的控制主要是引錠桿存放電機(jī)和拉矯機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)/停止以及拉矯輥和脫矯輥的自動(dòng)抬起/壓下。在連鑄生產(chǎn)中要切實(shí)保證操作的安全，這一點(diǎn)在引錠桿工作過(guò)程的控制中尤為突出，因?yàn)槿绻V桿控制不當(dāng)，不但會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重的還會(huì)危及人身安全，因此在程序設(shè)計(jì)中采用了限位開(kāi)關(guān)和時(shí)間聯(lián)鎖的雙重控制方案，即在正常情況下，由限位開(kāi)關(guān)完成設(shè)備的控制；如果限位開(kāi)關(guān)發(fā)生故障，則由計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)控制功能，從而確保了控制的可靠性和操作的安全性。
4.3鑄坯切割過(guò)程
在自動(dòng)工作狀態(tài)下，鑄坯切割分為全自動(dòng)和半自動(dòng)兩種方式。全自動(dòng)方式的切割指令為定尺儀發(fā)出的定尺信號(hào)；半自動(dòng)切割方式為當(dāng)鑄坯達(dá)到定長(zhǎng)時(shí)，人為發(fā)出切割指令。在接收到切割指令后，抱夾缸電磁閥及預(yù)熱燃?xì)狻㈩A(yù)熱氧、切割氧電磁閥分別得電，切割機(jī)開(kāi)始進(jìn)行鑄坯切割。當(dāng)鑄坯切斷后，上述電磁閥一并失電，回程缸電磁閥得電，切割機(jī)返回至初始位置。經(jīng)延時(shí)后回程缸電磁閥失電。至此，鑄坯的自動(dòng)切割過(guò)程結(jié)束。
4.4輥道輸送及翻鋼過(guò)程
輥道輸送系統(tǒng)包括剪前I組輥道、剪后II組III組輥道及冷床IV組輥道。在冷床IV組輥道上，按鑄坯輸送方向依次布置了1#～3#控制擋板及1#～3#活動(dòng)擋板。剪前I組輥道主要用于連鑄澆鋼結(jié)束時(shí)的尾坯處理，在程序中僅做正反轉(zhuǎn)互鎖設(shè)計(jì)。因此，該部分的控制對(duì)象是剪后II組、III組輥道、冷床IV組輥道及翻鋼機(jī)，而且生產(chǎn)鑄坯的長(zhǎng)度不同，程序設(shè)計(jì)亦有所不同，即12米長(zhǎng)鑄坯的輸送及翻鋼控制僅使用3#控制擋板及1#活動(dòng)擋板的動(dòng)作信號(hào)，3.2米短鑄坯的輥道及翻鋼控制設(shè)計(jì)則需要使用1#～3#控制擋板及1#～3#活動(dòng)擋板的動(dòng)作信號(hào)。
4.5推鋼機(jī)
推鋼機(jī)的工作行程由主令控制器的推鋼接點(diǎn)和退回接點(diǎn)控制，其控制設(shè)計(jì)主要基于安全聯(lián)鎖方面的考慮：（1）步進(jìn)式翻轉(zhuǎn)冷床工作時(shí)，禁止推鋼機(jī)推鋼；（2）為了避免推鋼機(jī)動(dòng)作時(shí)推頭與正在翻鋼過(guò)程中的翻鋼機(jī)沖突，在推鋼機(jī)進(jìn)行推鋼時(shí)，翻鋼機(jī)禁止翻鋼；（3）推鋼機(jī)完成一個(gè)推鋼周期后，解鎖對(duì)翻鋼機(jī)的動(dòng)作封鎖，翻鋼機(jī)可以進(jìn)行下一個(gè)翻鋼過(guò)程。
4.6步進(jìn)式翻轉(zhuǎn)冷床
步進(jìn)式翻轉(zhuǎn)冷床的反轉(zhuǎn)一般僅用于縮短冷床上鑄坯的存放間隔，冷床的正轉(zhuǎn)動(dòng)作則可以實(shí)現(xiàn)鑄坯輸送。冷床的正反轉(zhuǎn)停止動(dòng)作由安裝在減速機(jī)軸上的主令控制器的正反轉(zhuǎn)接點(diǎn)進(jìn)行控制。由于停止在上齒位的冷床會(huì)阻礙推鋼機(jī)的推鋼操作，因此要保證冷床停止時(shí)停在下齒位，這一控制任務(wù)通過(guò)精確調(diào)整主令控制器接點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
冷床處于自動(dòng)工作方式時(shí)，如果冷床在推鋼機(jī)退回后馬上動(dòng)作，則會(huì)與推鋼機(jī)發(fā)生碰撞，造成設(shè)備損壞，所以，程序中設(shè)計(jì)推鋼機(jī)退回動(dòng)作一段時(shí)間后，冷床方可連續(xù)正轉(zhuǎn)。另外，應(yīng)根據(jù)冷床電機(jī)轉(zhuǎn)速、減速機(jī)減速比及主令控制器減速比等技術(shù)參數(shù)精確計(jì)算冷床正轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)間，以確保冷床連續(xù)正轉(zhuǎn)8周，從而完成一次最多8根鑄坯的輸送工作。程序設(shè)計(jì)還保證了主令接點(diǎn)的閉合動(dòng)作將立即停止冷床，從而避免了在控制冷床停止時(shí)，電機(jī)的慣性造成主令接點(diǎn)旋即打開(kāi)從而使得冷床繼續(xù)動(dòng)作而無(wú)法停下來(lái)的情況。
5 結(jié)束語(yǔ)
連鑄系統(tǒng)的控制要點(diǎn)及難點(diǎn)主要有兩個(gè)方面：（1）確保操作安全。如前所述，在引錠桿的控制中著重考慮了這一點(diǎn)，因此在程序設(shè)計(jì)中采用了限位開(kāi)關(guān)和時(shí)間聯(lián)鎖的雙重控制方案，即在正常情況下，由限位開(kāi)關(guān)的動(dòng)作控制引錠桿存放電機(jī)停止；當(dāng)限位開(kāi)關(guān)失靈時(shí)，則由計(jì)時(shí)器完成這一功能，從而確保了控制的可靠性。S7-300PLC功能齊全的計(jì)時(shí)器指令為這一功能的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)設(shè)計(jì)上的便利。（2）各部分之間存在著復(fù)雜的聯(lián)鎖關(guān)系。如必須在閉鎖現(xiàn)場(chǎng)操作箱和平臺(tái)操作箱的前提下才能在操作臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)送引錠操作，而當(dāng)引錠桿工作方式轉(zhuǎn)為手動(dòng)時(shí)，應(yīng)該自動(dòng)解除對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作箱和平臺(tái)操作箱的操作閉鎖；又比如，為了避免推鋼機(jī)推頭動(dòng)作時(shí)與正在翻鋼過(guò)程中的翻鋼機(jī)沖突，在翻鋼機(jī)的控制中，設(shè)計(jì)了翻鋼機(jī)翻鋼后的動(dòng)作自鎖和推鋼機(jī)完成一個(gè)推鋼周期后對(duì)翻鋼機(jī)的操作解鎖。諸如此類(lèi)的復(fù)雜聯(lián)鎖關(guān)系還有很多，在此不作一一贅述。借助于S7-300PLC的閉鎖及解鎖指令可以很方便、靈活地實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的聯(lián)鎖任務(wù)，從而確實(shí)保證了控制的嚴(yán)謹(jǐn)與可靠。
另外，S7-300PLC豐富的網(wǎng)絡(luò)功能可以充分滿(mǎn)足不同控制系統(tǒng)的需求。S7-300PLC既有快速響應(yīng)遠(yuǎn)程I/O的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，又有采用西門(mén)子內(nèi)部?jī)?yōu)化協(xié)議─S7functions協(xié)議的Profibus-S7網(wǎng)絡(luò)，等等。在該系統(tǒng)中，由于公用PLC與流用PLC在控制功能上相對(duì)獨(dú)立，而且彼此之間需要互相傳送數(shù)據(jù)，因此不宜于采用主從方式的DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，故采用了Profibus-S7網(wǎng)絡(luò)。公用PLC與流用PLC的CP314中央處理單元均由CP342-5模塊建立與網(wǎng)絡(luò)的連接，因此，2臺(tái)公用PLC、16臺(tái)流用PLC及2臺(tái)上位機(jī)均為Profibus-S7上的主站，各站之間的通信由FDL（fieldbusdatalink）完成，通過(guò)FDL便利的連接組態(tài)和簡(jiǎn)單的編程工作，很容易地實(shí)現(xiàn)了連鑄控制系統(tǒng)的要求。
實(shí)踐證明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，安全可靠，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為唐鋼取得良好的經(jīng)濟(jì)效益以及通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提供了技術(shù)上的保障。同時(shí)也充分地表明，西門(mén)子S7-300PLC在唐鋼連鑄電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是非常成功的。
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