師 寧， 劉 輝， 周 琳

（1.北京電子科技職業(yè)學院， 北京 100176； 2.中國航空制造技術(shù)研究院， 北京 100024）

0 引言

冷床是冶金軋鋼行業(yè)中小型棒材車間不可缺少的輔助設備之一，它的主要作用是對軋制產(chǎn)品，如螺紋鋼、園鋼、 鋼管等進行有效冷卻， 使其溫度由900℃降至100～300℃，再由輸出輥道將其送到冷剪剪切成定尺成品。 冷床的設計質(zhì)量與安裝精度直接決定著產(chǎn)品的最終質(zhì)量。

某鋼集團決定在煉鋼車間轉(zhuǎn)爐工序連鑄出坯跨內(nèi)南側(cè)修建一條鐵路運輸線，聯(lián)通煉鋼車間和軋鋼車間，以解決目前煉鋼與軋鋼之間鑄坯汽運成本高、 輥道運輸工藝復雜等問題。目前轉(zhuǎn)爐工序連鑄機的冷床在三軋車間內(nèi)，其位置影響到了鐵路運輸線的規(guī)劃。 根據(jù)公司總體規(guī)劃及新建鐵路運輸線的要求， 需拆除連鑄機在三軋車間內(nèi)的冷床，并在連鑄出坯跨連鑄機東側(cè)新建冷床系統(tǒng)。

在新建冷床系統(tǒng)之際，對原有系統(tǒng)進行升級改造。本設計主要采用西門子S7-300 PLC 配合使用ET200M 分布式I/O 模塊對系統(tǒng)進行控制， 這種方式改善了控制系統(tǒng)性能，節(jié)省維護成本，增強系統(tǒng)可靠性，在實際生產(chǎn)過程中提高了工作效率。

1 冷床系統(tǒng)現(xiàn)實問題分析

根據(jù)集團提出的冷床系統(tǒng)改造的總體要求， 確定連鑄機冷床系統(tǒng)改造后鑄坯下線及運輸方案如圖1 所示。

圖1 連鑄機冷床系統(tǒng)改造后鑄坯下線及運輸方案

其中，單線框內(nèi)設備為需改造或新增設備， 雙線框內(nèi)設備為現(xiàn)有設備。 原鑄坯提升機下線的鑄坯滑到熱送輥道， 由熱送輥道送到旋轉(zhuǎn)輥道。

由于現(xiàn)有的輥道外側(cè)裝有傳動裝置及鏈條，影響側(cè)面出坯。因此，熱送輥道將改造。為了減小鑄坯下滑對設備的沖擊，在輥道外側(cè)，設置4 個升降擋板，用于鑄坯緩沖，同時用于鑄坯定位。 熱送輥道上的鑄坯通過步進式拉鋼機移到翻轉(zhuǎn)冷床，由冷床冷卻，并出坯。冷床的端部，設置鑄坯收集臺，將冷卻下線的鑄坯集中，等待吊運。

2 控制系統(tǒng)整體要求

原冷床裝置電氣控制系統(tǒng)由于設備老舊， 系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性較差，無法滿足目前生產(chǎn)工藝要求，急需對設備進行升級改造。在深入了解生產(chǎn)過程、分析工藝要求及生產(chǎn)環(huán)境，通過調(diào)查研究，從安全性、可靠性、經(jīng)濟性、合理性等方面，確定冷床控制系統(tǒng)目標，形成最終控制方案，將原來的交流調(diào)速系統(tǒng)用全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)取代。 經(jīng)過前期多次論證， 我們采用了SIEMENS 公司S7-300 控制系統(tǒng)配以ET-200M 分布式I/O 對整個系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的采集、狀態(tài)監(jiān)視和過程控制，采用WINCC 7.0 上位軟件進行畫面制作， 操作員通過這些畫面完成現(xiàn)場工藝參數(shù)和設備運行狀態(tài)的監(jiān)視和操作。 同時控制系統(tǒng)配備具有旁路功能的不間斷電源（UPS 電源） 供電。 每套PLC控制系統(tǒng)的ET200 遠程站通過PROFIBUS 總線網(wǎng)絡對控制系統(tǒng)進行較遠距離的通訊，實現(xiàn)了分布式控制。該項目自2020 年8 月實施以來，效果明顯，達到了預期目的。

本次設計的自動控制系統(tǒng)為多級分散式控制系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)的功能分配如下：

（1）一級（L1）是電氣、儀表系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)自動化級。

（2）基礎(chǔ)自動化級的主要功能。

（3）驅(qū)動系統(tǒng)的聯(lián)鎖和控制。

（4）儀表系統(tǒng)的聯(lián)鎖和控制。

（5）基礎(chǔ)自動化級控制計算和設定。

（6）過程實際值數(shù)據(jù)收集。

（7）過程狀態(tài)信息檢測及顯示。

（8）故障報警及故障打印。

具體控制要求如表1 所示。

表1 控制要求

同時考慮到安全生產(chǎn)實際情況， 按區(qū)域劃分設置了冷床區(qū)急停和液壓系統(tǒng)急停，具體方式如下：

（1）硬件急停：在各操作臺箱上設有急停按鈕，信號接入專用急停繼電器， 由急停繼電器節(jié)點按區(qū)域直接切斷設備控制回路電源。 達到很高的可靠性。

（2）軟件急停：由急停繼電器節(jié)點進入PLC，由PLC控制設備停止，達到雙重保護。

3 具體設備控制功能

連鑄機冷床改造的基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)為電儀（EI）一體化系統(tǒng)， 設計考慮按區(qū)域來設置PLC， 系統(tǒng)設1 臺冷床PLC。冷床PLC 的主要控制內(nèi)容包括主液壓站、升降擋板、拉鋼機、翻轉(zhuǎn)冷床、鑄坯收集臺等。 各部分具體功能如下：

（1）翻轉(zhuǎn)冷床。液壓步進翻轉(zhuǎn)冷床用于把拉鋼機送來的鑄坯步進移送到鑄坯收集臺；同時冷卻鑄坯。液壓步進冷床通過固定板和移動板的動作使鑄坯步進向前移動，保證鑄坯在移送的過程中均勻冷卻。

（2）拉鋼機。拉鋼機用于將熱送輥道上的鑄坯拉到冷床。

（3）升降擋板。升降擋板用于緩沖鑄坯下滑對設備及土建基礎(chǔ)的沖擊。并對在熱送輥道上的鑄坯進行定位，鑄坯熱送時，也起到導向作用。

（4）液壓站。 液壓站的高壓泵和循環(huán)泵均設備用泵，可以在機旁起停。 自動狀態(tài)下，當正常運轉(zhuǎn)的泵故障時，備用泵自動起動。液壓系統(tǒng)配備有水冷卻器，可以在機旁起停。自動狀態(tài)下，當油溫過高時，自動起動。油溫，液位，水泵出口壓力和過濾器狀態(tài)等液壓站相關(guān)系統(tǒng)報警信息均在操作箱面進行顯示。液壓站電機采用直接啟動方式。

（5）熱送輥道。 熱送輥道由原有熱送PLC 系統(tǒng)控制。與冷床PLC 系統(tǒng)之間有硬線安全信號聯(lián)鎖。 熱送輥道用于將鑄坯提升機送來的鑄坯運到旋轉(zhuǎn)輥道， 也用于將鑄坯定位，等待步進式拉鋼機將鑄坯拉到步進翻轉(zhuǎn)冷床。

4 液壓控制系統(tǒng)實施方案

根據(jù)連鑄機工藝設備情況， 按主要設備或工藝區(qū)域我們采用PLC 來實現(xiàn)冷床控制系統(tǒng)。考慮實際系統(tǒng)要求，控制系統(tǒng)主機本體PLC 采用SIEMENS S7-300 CPU 315-2DP，所有I/O 模塊采用ET200 系列產(chǎn)品，包括上、下卸鋼、冷床同步等控制分站，通過Profibus-DP 網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)將PLC 控制系統(tǒng)、遠程I/O 站及變頻器、現(xiàn)場儀表、設備控制站等共同組成控制系統(tǒng)。具體模塊參數(shù)如表2 所示，控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

表2 模塊參數(shù)

圖2 液壓系統(tǒng)控制原理圖

控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)初步采用星型及環(huán)型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，具體通訊參數(shù)如表3 所示。

表3 通訊參數(shù)

表4 升降換向閥控制要求

表5 平移換向閥控制要求

4.1 步進冷床控制閥臺

冷床出坯方式分四步進行，上升→前進→下降→返回，并且每四步為一根鑄坯步進一齒的動作循環(huán)，依次往復，逐步出坯。

（1）冷床的升降。 冷床的升降由比例換向閥控制，執(zhí)行器由2 個液壓缸組成， 冷床的升降位置檢測由主令控制器控制?？紤]減少液壓沖擊，比例閥的加減速設斜坡控制，具體控制如下：

升降行程：S=640mm；t上升＝18s；t下降=13s。

上升斜坡控制如圖3 所示，下降斜坡控制如圖4 所示。

圖3 上升斜坡

圖4 下降斜坡

（2）冷床的平移。 冷床的平移由比例換向閥控制，執(zhí)行器由2 個液壓缸組成，冷床的平移位置檢測由主令控制器控制?？紤]減少液壓沖擊，比例閥的加減速設斜坡控制，具體控制如下：

升降行程：S=470mm；t上升＝6s；t下降=6s。

前進、返回斜坡控制如圖5 所示。

圖5 前進、返回斜坡

4.2 過濾站控制

本系統(tǒng)配置有3 套過濾器即回油雙筒過濾器， 循環(huán)泵系統(tǒng)雙筒過濾器，和高壓過濾器。 過濾器被污染后，各過濾器的進出口壓差超過0.35MPa 或0.5MPa 時，給出事故閃光信號，以使手動轉(zhuǎn)換備用過濾器或啟動備用泵，并對污染的過濾器進行清洗，過濾器參數(shù)見表6。

表6 過濾器參數(shù)

4.3 循環(huán)冷卻泵站

循環(huán)泵共2 臺電機（N=7.5kW，n=1440r/min），其中1臺正常工作，1 臺備用。 循環(huán)泵啟動條件為：

（1）蝶閥開啟由接近開關(guān)監(jiān)控。

（2）工作油液的溫度，液位均應滿足油箱系統(tǒng)的控制要求。

如不能滿足以上條件循環(huán)泵不能啟動， 或立即停止工作。

注：每臺泵設置自動、手動開關(guān)，手動操作又分為運行及停機維修兩個狀態(tài)。

用壓力繼電器作為循環(huán)泵壓力監(jiān)控和連鎖、 如果循環(huán)泵啟動后30s～1min， 或工作過程中壓力低于0.5MPa時，則備用泵自動啟動，同時給出事故閃光信號，原工作泵停泵。 非報警狀態(tài)下主泵可啟動。

4.4 高壓泵站

高壓泵站有3 臺油泵（N=45kW；n=1450r/min），其中2 臺工作，1 臺備用，工作泵開啟條件：

（1）蝶閥開啟，由接近開關(guān)監(jiān)控。

（2）工作油溫、液位均應滿足油箱單元的控制要求。

（3）循環(huán)泵先啟動。

（4）工作泵啟動前2～5s，電磁溢流閥通電；工作泵啟動后2～5s，電磁溢流閥斷電。

注：每臺泵設備的操作開關(guān)及顯示同循環(huán)泵要求。

每臺泵出口設有壓力傳感器，4～20mA 輸出， 作為高壓泵的壓力監(jiān)控和連鎖。 如果工作泵啟動30s～1min 仍不能建立起工作壓力（14MPa）；或主泵運行期間其出口壓力〈8MPa 狀況持續(xù)10～30s 時，備用泵自動啟動，原工作泵停泵，同時給出事故聲光信號和顯示。

4.5 升降擋板及拉鋼機控制閥臺

（1）升降擋板。升降擋板由一個電磁閥WDF4-1 控制，其信號來源于PLC 控制或人工操作，其控制要求見表7。

表7 升降擋板電磁閥控制要求

（2）拉鋼機。 拉鋼機由一個電磁閥WDF4-2 控制，其信號來源于PLC 控制或人工操作，詳見工藝要求，其控制要求見表8。

表8 拉鋼機電磁閥控制要求

5 結(jié)論

冷床是冶金工業(yè)生產(chǎn)中重要的冷卻設備， 其生產(chǎn)效率直接影響企業(yè)效益。 本文在對冷床自動控制技術(shù)進行大量研究的基礎(chǔ)上，提出了一種高效、便捷、節(jié)能、可靠、全新的自動控制方法， 解決了原電氣控制系統(tǒng)在生產(chǎn)和維護中暴露的突出問題。改控制系統(tǒng)自投入生產(chǎn)以來，運行穩(wěn)定、操作簡單、故障率低，提高了企業(yè)生產(chǎn)率，減低了生產(chǎn)成本，延長了設備使用壽命，該控制系統(tǒng)很好的滿足了冷床設備工藝控制要求，具有較好的推廣應用價值。