韓志民

(安陽鋼鐵股份有限公司)

板坯連鑄機控制系統(tǒng)改進

韓志民

(安陽鋼鐵股份有限公司)

介紹了安鋼第一煉軋廠板坯連鑄機自動控制系統(tǒng)的組成及各系統(tǒng)的功能，針對系統(tǒng)存在的問題進行了分析，并提出了相應的改進措施。通過改進使該系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，鑄坯質(zhì)量得到顯著提高，設(shè)備事故明顯減少、預防突發(fā)事故能力明顯增強。

板坯連鑄機 自動控制系統(tǒng) 網(wǎng)絡系統(tǒng) 改進

AbstractThe composition and functions of the automatic control system of slab continuous caster in No.1 steel making and rolling plnat of Anyang Steel are introduced. The problems existing in the system are analyzed and corresponding improvement measures are put forward. Through the improvement, the system runs more stably, the slab quality is improved remarkably, the equipment accidents are obviously reduced, and the ability to prevent sudden accidents is obviously enhanced.

KEYWORDSslab continuous casting machine automatic control system network system improvement

0 前言

第一煉軋廠板坯連鑄機，鑄坯斷面規(guī)格：(150～250) mm×(950～1 540) mm，最大拉速2.2 m/min。目前，100 t轉(zhuǎn)爐-板坯連鑄-中板生成線是集團公司的精品線路之一，也是最為重要的效益生命線之一。該板坯連鑄機自投產(chǎn)至今，經(jīng)過多年的品種開發(fā)和技術(shù)攻關(guān)，目前已經(jīng)能夠生產(chǎn)普通碳素鋼、普通低合金綱、低合金高強度鋼、船板鋼(包括普通船板鋼和高強度船板鋼)、橋梁鋼、壓力容器鋼、鍋爐鋼、塑料模具鋼等幾大系列幾十個品種，同時還開發(fā)出多品種厚規(guī)格保性能鋼板用坯，為公司多年來的品種創(chuàng)效工作做出了卓有成效的工作。

1 板坯控制系統(tǒng)組成

1.1 控制系統(tǒng)的組成

板坯連鑄機自動控制系統(tǒng)在功能分配上為分級式層次結(jié)構(gòu)屬，兩級控制三電一體化控制系統(tǒng),L1級是基礎(chǔ)自動化級(包括設(shè)備控制級和檢測驅(qū)動級)；L2級是過程控制級。采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，以PLC作為主干控制裝置，按設(shè)備區(qū)域包括相應的電氣、儀表控制。設(shè)置有計算機監(jiān)控操作站及上位過程計算機，過程計算機采用DEC Alpha station 600 5/266小型機，基礎(chǔ)自動化級PLC選用德國西門子公司S5系列PLC產(chǎn)品，現(xiàn)場總線遠程站使用ET200U系列，驅(qū)動裝置使用6SE7 MASTER DRIVES系列全數(shù)字化交流變頻器等產(chǎn)品。網(wǎng)絡系統(tǒng)按照分散控制的設(shè)計原則，共配置了4臺工業(yè)以太網(wǎng)SSV104交換機，將各個功能PLC組網(wǎng)。原系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 原控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

1.2 控制系統(tǒng)的功能描述

公用PLC，用于連鑄機模式選擇及平臺公用設(shè)備，實現(xiàn)大包回轉(zhuǎn)臺動作(旋轉(zhuǎn)、上升、下降)、大包蓋動作(上升、下降、旋轉(zhuǎn))、中間包車動作(走行、移動、調(diào)平)、結(jié)晶器排煙排蒸汽系統(tǒng)、中包預熱系統(tǒng)、主液壓系統(tǒng)、各潤滑系統(tǒng)等功能，包括與其他PLC的數(shù)據(jù)交換等；鑄流PLC，用于鑄坯跟蹤系統(tǒng)，包括引錠桿控制、拉矯驅(qū)動、驅(qū)動輥控制、結(jié)晶器振動系統(tǒng)接口、出坯輥道等；液面PLC，用于結(jié)晶器液面自動控制，后經(jīng)過改造，增加鐳目液面控制系統(tǒng)并列運行；結(jié)晶器調(diào)寬PLC，用于結(jié)晶器的窄面自動調(diào)整與測量；儀表PLC，實現(xiàn)結(jié)晶器冷卻控制，包括噴淋水、設(shè)備開環(huán)冷卻水、閉環(huán)冷卻水，以及相應的水、氣測量與儀表控制；一切PLC，完成母坯定尺切割，控制一次火焰切割車動作；二切PLC，完成長條坯定尺切割分段，控制二次火焰切割車動作；打號機PLC，用于二次切割后的鑄坯標記，后改造以去毛刺機功能代替，用于坯料去除毛刺，為下一步工序做好準備；現(xiàn)場總線為sinec-L2網(wǎng)絡，各PLC使用數(shù)量不等IM308模板，組成4條網(wǎng)絡，連接現(xiàn)場各ET200U遠程站，完成現(xiàn)場設(shè)備的控制、操作、顯示等功能。

2 控制系統(tǒng)存在的問題

原設(shè)計控制系統(tǒng)采用常規(guī)的西門子S5PLC+PC技術(shù)，然而隨著技術(shù)的創(chuàng)新、成本的考核、生產(chǎn)工藝的需要，板坯連鑄機設(shè)備的控制方面表現(xiàn)出許多不足之處，存在的主要問題有：

2.1 現(xiàn)場使用的自動化通訊網(wǎng)絡不適合控制及設(shè)備更新需要

原來自動化控制中心是選用德國西門子公司S5系列PLC產(chǎn)品，使用SSV104交換機構(gòu)建的總線型網(wǎng)絡，在硬件上，使用同軸電纜為介質(zhì)，傳輸速率受到限制，同時總線網(wǎng)絡對兩端的終端電阻有較高要求，電纜本身抗干擾能力不強、對現(xiàn)場防護要求高，都是隱性的故障源點。一旦電阻或者網(wǎng)線出現(xiàn)故障，會造成網(wǎng)絡立刻癱瘓。原系統(tǒng)使用時，由于后加了物流跟蹤系統(tǒng)及現(xiàn)場增設(shè)DP遠程站等網(wǎng)絡組件，一級網(wǎng)通訊緊張，響應慢，對生產(chǎn)造成了很大影響。

2.2 電磁攪拌系統(tǒng)磁攪拌輥的電源接線方式存不足

板坯二冷區(qū)電磁攪拌裝置是改善板坯鑄坯質(zhì)量，提高連鑄成才率的重要設(shè)備，板坯電磁攪拌采用輥式電磁攪拌器，2根對置，一共4根2組，分別安裝在板坯二冷區(qū)扇形段的1段和3段中，為了便于接線，電磁攪拌輥的電源接線方式采用了快速插頭的連接方法，由于電磁攪拌輥工作電流大(420 A)，工作環(huán)境高溫潮濕，在實際投用過程中經(jīng)常出現(xiàn)電源的快速接頭由于連接不緊固，出現(xiàn)接地打火現(xiàn)象 ，甚至引發(fā)擊穿逆變電路中的功率元件的事故 。

2.3 板坯一切車設(shè)備實際生產(chǎn)中切割質(zhì)量不理想，設(shè)備維護困難

板坯一切車設(shè)備是我廠以前改造項目，現(xiàn)在上海新中設(shè)計并安裝的這套設(shè)備系統(tǒng)，達到了國內(nèi)甚至國際上先進水平，但在使用過程中也暴露出一些不足之處。

1)由于其PLC控制器的供應電源和OP270，以及現(xiàn)場地一些電氣元件共用，這就造成了一旦現(xiàn)場一處電路接地，電源跳閘，導致PLC停機，OP270停機．如果在短時間故障不能排除，將直接導致板坯停澆事故。

2)現(xiàn)場電器元件接線不明了，由配電柜供給一切車現(xiàn)場的電源線只有一路，這一路電源線到現(xiàn)場后也沒有進分開關(guān)，直接由端子跳線供給各現(xiàn)場電器元件，這就導致了一旦有一處電器元件電路燒損電源接地，控制室的電源供應開關(guān)將會跳閘，同時，所有一切車上的電器元件全部失電，一切車同樣無法運行，也同樣很快導致板坯斷澆。

3)一切車在切割過程中使鋼坯出現(xiàn)切縫不齊，影響表面鑄坯質(zhì)量，而且給下道軋制工序帶來過多的切邊廢，造成浪費，不利于成本的降低。

2.4 毛刺機運行故障率高

去毛刺輥定位不準，在下位時找不著位，往復轉(zhuǎn)動，無法進行下一步的動作。去毛刺輥與輸送輥道速度不匹配，使去毛刺輥電機所受負荷增大，導致變頻器經(jīng)常性保護動作，嚴重影響去毛刺輥電機壽命，影響去毛刺效果。在原設(shè)計中，頭部去毛刺成功率為百分之百，對于尾部去毛刺，由于沒有考慮我廠板坯尺寸范圍大，重量不同等原因，對于重量大的鑄坯成功率較高，對于短尺，重量較輕的鑄坯成功率幾乎為零。且毛刺輥動作頻繁，延長了鑄坯去毛刺的周期，在連鑄高拉速下，毛刺機明顯有力不從心的感覺。

板坯輥道間距750 mm，板坯定尺范圍從1.6 m ～ 6 m，根據(jù)生產(chǎn)的需要，經(jīng)常性改變定尺長度，有時一個班就要改變幾次。板坯尺寸變化范圍寬，尺寸變化頻率快，要求去毛刺機適應性強。當板坯尺寸1.6 m時，去毛刺時會栽頭，幾乎無法使用，大于6 m時，原輥道長度不夠。這些情況都制約了去毛刺機順利使用。壓推桿推動鋼坯，依靠鋼坯動力除去毛刺。液壓推桿行程固定，對于定尺長度短，重量輕的鋼坯，在去頭部毛刺時較為順利，在進行尾部去毛刺時，由于推力大，鋼坯輕，相對移動距離遠，鋼坯滑離刀頭，尾部毛刺清理不徹底，有時甚至清理不到，達不到工藝的要求。去毛刺機刀頭是去毛刺的主要主要設(shè)備，由汽缸驅(qū)動。由于刀頭工作環(huán)境惡劣，板坯溫度高，汽缸損耗快，毛刺機只要使用，每天每班都要對刀頭進行處理，更換汽缸，嚴重時毛刺機無法使用。

2.5 輸出輥道出坯區(qū)輥子損壞嚴重

移動框架輥道時常有切輥子現(xiàn)象，輥子壽命短、維修強度大、備件費用高；二切輥道在躲輥子時，常有找不到位、時間長，影響切割速度及后續(xù)處理；加長輥道電控不合理，經(jīng)常出現(xiàn)輥道堆坯子以致降拉速、甚至停澆，對連鑄生產(chǎn)影響較大，正反轉(zhuǎn)頻繁、輥道使用壽命短、備件成本高。

3 改進及優(yōu)化措施

3.1 自動化設(shè)備PLC之間網(wǎng)絡系統(tǒng)改進

1)網(wǎng)絡改造使用光纖交換機構(gòu)建環(huán)形網(wǎng)絡。交換機使用西門子產(chǎn)品OSM ITP62，交換機可以連接6個10/100 M自適應以太網(wǎng)口，兩個光纖口光纖連接可達3 000 m，多個OSM最遠距離150 km，可以監(jiān)視網(wǎng)絡狀態(tài)并可輸出報警。根據(jù)技術(shù)資料，含有50個OSM的以太環(huán)網(wǎng)，當冗余管理器檢測到兩側(cè)網(wǎng)絡斷線時，它重建網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的時間不大于0.3 s；左上角3個燈分別為OSM故障，stand-by功能是否激活，和冗余管理是否激活；如果第3個燈閃爍，說明環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡工作在重建的冗余模式下。使用交換機的port7和port8兩個光纖口，連接成環(huán)網(wǎng)，同時把PLC室內(nèi)OSM設(shè)置為冗余管理器，實現(xiàn)冗余控制。設(shè)置方式是將撥碼開關(guān)打至ON位置，注意改變撥碼后要重啟裝置。

首先敷設(shè)4個站所間4根光纖，現(xiàn)場就位交換機，連接光纖，注意依次按端口7、端口8的順序組成環(huán)網(wǎng)，然后將PLC室OSM撥碼設(shè)定為冗余管理器后送電。網(wǎng)絡中去掉了新網(wǎng)絡下不需要的網(wǎng)橋,對原來使用的AUI/ITP 15針接口的接線在PLC側(cè)和交換機側(cè)都予以保留。改造完成后上線試車一次成功，整個工控網(wǎng)絡的穩(wěn)定性、抗干擾性、傳輸速度、設(shè)備可靠性都獲得極大提升。改造實施后網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改造后環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2)數(shù)顯大屏增設(shè)DP遠程站現(xiàn)場總線改造。原澆鑄平臺上有6塊進口大屏，集中顯示拉速、大包溫度、中包溫度、大包稱重、中包稱重、鑄坯長度，都使用20 mA電流環(huán)連接PLC。長時間使用后，出現(xiàn)故障率高、備件難以組織的現(xiàn)狀，因為恢復不及時，對澆鑄平臺工人實時了解上述各參數(shù)造成極大困擾。經(jīng)過審議，針對目前通用信號4 mA～20 mA普通顯示大屏擬增加一路總線站點，遠程站上使用通用4 mA～20 mA普通電流信號模板，從而能夠?qū)F(xiàn)場電流環(huán)大屏全部改型，改為通用型4 mA～20 mA普通顯示大屏，現(xiàn)場配置ET200M遠程站，連接至結(jié)晶器調(diào)寬PLC，澆鑄大屏的遠程站的設(shè)計實施，節(jié)約了備件消耗，解決了備件難組織的制約，并且使用效果非常穩(wěn)定。

3.2 電磁攪拌設(shè)備的動力電纜接線方式的改進

針對動力電纜接線方式缺陷，我們對攪拌輥電源的接線方式進行了改進， 把快速插頭的連接方式改為滾內(nèi)接線的方式，避免了因為電源接線不牢和惡劣工作環(huán)境對電源接頭的影響，經(jīng)過實際生產(chǎn)的檢驗，這個改進非常有效，很好解決了電磁攪拌輥電源接頭打火現(xiàn)象，降低了電磁攪拌故障率，提高了電磁攪拌的利用率，從而提高鑄坯質(zhì)量。

3.3 一切車控制系統(tǒng)線路及PLC程序完善

1)針對控制電器元件電源，分類分級整理。我們在配電柜內(nèi)安裝了數(shù)個控制電源開關(guān)，供應現(xiàn)場的電器元件電源，把現(xiàn)場電器元件分成數(shù)個組來供電，這樣一旦某個電器元件電線接地，相應供電組地開關(guān)將跳電，使維修人員很快的將目標鎖定在有限地二、三個電器元件上，極大的提高了維修縮短排除故障時間，并能有效的將故障影響縮小在局部范圍。把PLC和OP270操作面板單獨由主體設(shè)備上的UPS電源供電，這樣即使現(xiàn)場某一限位接地，拉下分開關(guān)電源后，一切車地其它功能還可正常進行，最大限度的為故障地排除贏取了時間。

2)為了解決一切車在切割過程中使鋼坯出現(xiàn)切縫過大而且不齊問題，我們充分利用現(xiàn)有控制設(shè)備，通過PLC程序的優(yōu)化完善，做了以下改進：原設(shè)計在切割過程中向后躲輥時只關(guān)閉切割氧，但是這時在切割槍靜止狀態(tài)時，預熱氧和預熱煤氣會對割縫有損傷。在程序上改為三路氣全關(guān)。在兩槍相遇后，主槍繼續(xù)切割，由于切割槍定位控制精度不夠，為了保證完全切斷鑄坯，往往會有一定的重復切割位置，這樣致使割縫中間出現(xiàn)一道深溝。為了解決這個問題，通過修改程序?qū)崿F(xiàn)在鑄坯實際切斷之前就啟動輥道，保證鑄坯一旦切斷母坯就被帶走。

3.4 簡化毛刺機動作過程，減少毛刺輥空轉(zhuǎn)時間和次數(shù)，提高去毛刺速度

1)新增鑄坯分離光柵，在去毛刺前先通過輥道不同的速度，將二切車切好的鑄坯 一一分離開來，為下一步去毛刺作好準備。

2)改變?nèi)ッ梯伒墓ぷ鞣绞剑O(shè)計去毛刺輥動作順序為：光柵檢測到鑄坯，去毛刺輥抬起，以輥道速度旋轉(zhuǎn)，鑄坯進入頭部去毛刺位，輥道及去毛刺輥停止，去毛刺輥下降同時頭部定位，去毛刺輥定位好后抬起，伸出刀頭，推桿推動，頭部去毛刺完成，去毛刺輥旋轉(zhuǎn)清渣，重新定位，伸出刀頭，推桿反向推動，完成尾部去毛刺，輥道運行，鑄坯離開去毛刺機，去毛刺動作結(jié)束。

改造優(yōu)化后的去毛刺順序：通過分離光柵將鑄坯分離，分離出的鑄坯進入去毛刺區(qū)，去毛刺光柵檢測到鑄坯，推桿進入頭部去毛刺位，同時去毛刺輥頭部定位，鑄坯至去毛刺位，去毛刺輥抬起，刀頭伸出，推桿推動，頭部毛刺去除，去毛刺輥下降，輥道反轉(zhuǎn)同時推桿進入尾部去毛刺位，鑄坯至去尾部毛刺位，去毛刺輥抬起，刀頭伸出，推桿推動，輥道啟動，鑄坯移出去毛刺機，鑄坯去毛刺過程結(jié)束。改造后，刀頭清渣時間減少1/2，約5 s，同時減少了由于清渣后重新進行刀頭定位、毛刺輥升降動作等時間，提高了定位的命中率。反轉(zhuǎn)定位增加約5 s，整個去毛刺過程共計縮短時間40 s～50 s，大大提高了去毛機的使用效率和使用效果，滿足了生產(chǎn)的需要。

3.5 出坯輥道系統(tǒng)的控制優(yōu)化

1)針對切輥現(xiàn)象在不影響正常切割的情況下，對躲輥程序優(yōu)化放大躲輥區(qū)間、延長切割氧關(guān)閉時間，經(jīng)過在生產(chǎn)時的跟蹤調(diào)試，已經(jīng)基本杜絕了切輥現(xiàn)象；

2)因二切輥道間隔小，調(diào)躲輥區(qū)間不現(xiàn)實，只有降低爬行速度，必要時增加人為干預，實現(xiàn)快速找位，提高切割速度；

3)結(jié)合工藝需要，對加長輥道控制進行改造重新放電纜增加電氣控制柜，將現(xiàn)在的整組20支輥子分為前后兩組各10支、實現(xiàn)單獨控制，后10支在控制上不變化，對前10支新增的控制柜既可單獨操作、又能成組控制，這樣以來，解決了由于去毛刺與二切不同步引起的堆坯情況。

4 改造后的使用效果

4.1 電磁攪拌設(shè)備的改進鑄坯質(zhì)量得到了提升

電磁攪拌設(shè)備的改進提高了電磁攪拌的利用率，降低了電磁攪拌故障率，提高了電磁攪拌的利用率，從總體上而提高鑄坯質(zhì)量。

4.2 現(xiàn)有設(shè)備功能完善使用效果

1)出坯區(qū)一切、輥道、毛刺機的控制優(yōu)化提高了設(shè)備整體運行水平，各類設(shè)備事故的預案的改進實施，減少了設(shè)備帶來的故障停機，避免了惡性事故的發(fā)生。一切車控制程序的優(yōu)化，縮小了鑄坯切割縫，坯型更加整齊，減少后續(xù)產(chǎn)品的退費；毛刺機的利用率的提高，使得板坯熱送率上升，熱送結(jié)疤廢品率顯著降低；

2)整個控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡的改進，增加了現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜏蚀_性，將原來的昂貴進口的電流環(huán)大屏全部改型為通用型4 mA～20 mA普通顯示大屏，現(xiàn)場配置ET200遠程站，澆鑄大屏的遠程站的設(shè)計實施，節(jié)約了備件消耗，解決了備件難組織的制約，并且使用效果非常穩(wěn)定。

4.3 鑄坯質(zhì)量低倍檢驗效果

通過分鋼種調(diào)整攪拌電流試驗，所有經(jīng)過電磁攪拌的低倍均有明顯的攪拌效果：“白亮帶”明顯減輕(“白亮帶”區(qū)域在整個橫截面呈“啞鈴”形狀，與坯殼的凝固形狀相似)，內(nèi)部裂紋基本消除，中心疏松得到明顯改善，同時中心偏析得到很好的控制，有很大程度的降低，高強度板的中心偏析也基本能達到C級水平，完全滿足軋制需要。鑄坯質(zhì)量低倍校驗結(jié)果見表1。

表1 鑄坯質(zhì)量低倍校驗 / %

5 結(jié)束語

板坯連鑄機控制系統(tǒng)改進及優(yōu)化后，鑄坯質(zhì)量得到顯著提高，鑄坯軋后廢品率、協(xié)議材率、質(zhì)量異議同比都有顯著降低；設(shè)備事故明顯減少、預防突發(fā)事故能力明顯增強，降低了備件消耗，穩(wěn)定了生產(chǎn)。項目的完成在降本增效的大趨勢下為公司節(jié)約了生產(chǎn)成本、鑄坯質(zhì)量得到進一步的提升，創(chuàng)造了明顯的經(jīng)濟效益，同時也為國內(nèi)同類型連鑄機的控制系統(tǒng)提供了經(jīng)驗和借鑒。實踐表明，板坯控制系統(tǒng)改進不僅提高了生產(chǎn)工藝的自動化水平,而且對于綜合提高生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性同樣具有重要意義，該控制系統(tǒng)的改進及優(yōu)化完善在同行業(yè)中具有極大的推廣和應用價值。

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Han Zhimin

(Anyang Iron and Steel Stock Co.,Ltd)

2017—3—17