西门子S7系列PLC在小方坯连铸机中的应用

一、引言
　　进入21世纪以来，随着连铸机技术的不断进步，使得冶金行业对连铸的高效化也有了更高的要求。连铸是紧凑型的控制，因此引入高性能计算机是提高产量和质量的必要条件。小方坯连铸机主要为弧形渐进矫直型，铸坯半径R为8000mm，铸机作业率可达65%~85%。本文以四机四流小方坯连铸机为例介绍西门子S7 系列PLC在自动化控制方面的应用。
　　二、系统简介
　　根据小方坯连铸机生产工艺特点，该自动化控制系统由七套西门子S7系列PLC控制器和三台监控站组成。
　　铸流(四流)系统、公用系统、出坯系统各自一套独立的S7-400 PLC，配水系统一套S7-300 PLC，通讯网络采用Sinec H1高速以太网络。利用H1网络扩展连接到热送辊道控制系统。
　　S7系列PLC的CPU具有高速的数据处理能力和逻辑运算能力，而且拥有梯形图、语句表和流程图三种编程语言和可视化窗口界面，易于使用，方便灵活。
　　所选用的模板类型如下：
　　(1) 数字量输入(DI)/输出(DO)模板
　　DI模板选用DC24×32，DO模板选用DC24V×32， 用于控制铸机在线及离线设备，使用I/O点数总和为 1100点。
　　(2) 模拟量输入(AI)/输出(AO)模板
　　AI模板可自由组态为各类信号输入，AO信号为 4-20mA主要用于结晶器。拉矫机速度给定及剪前辊道的速度给定，反馈以及各仪表显示等功能，设定工艺参数，检测及监控等。
　　(3) 中央处理器和通讯处理器
　　S7-400中央处理器为CPU413，S7-300为CPU315，控制程序的执行、运算和储存，通讯处理器为CP443以太网处理器，用于网络连接和数据通讯从而分担CPU的通讯负担，通过CP443与热送辊道及连铸机本地PLC和监控站进行通讯。
　　(4) 监控站
　　监控系统由3台PⅢ800工控机及相应的Sinec H1网卡组成。其中2台主要用于监控铸机生产在线设备系统，另1台监控配水系统、参数设置，水量及各有关参数。
　　由于铸机每一流的控制设备和控制时序相同，因此其硬件配置也都一样。
　　三、计算机控制功能
　　从用户软件功能上看软件可分为四大部分:设备控制功能、程序通讯处理功能、铸坯数据管理程序、监控和故障报警程序， 而控制功能又包括公用设备的连锁启停， 流系统的设备联锁控制及出坯系统联锁控制以及二冷段配水控制。
　　1、公用系统的控制
　　主要完成中间罐车自动定位和大包回转台的旋转定位，剪机液压站的自动控制以及蒸汽风机的自动控制。
　　2、铸流系统的控制
　　(1) 液压剪定尺切割
　　(2) 结晶器.拉矫机变频调速控制；
　　(3) 送引锭/脱引锭控制；
　　(4) 剪切液压站的自动控制。
　　剪机液压站油泵的自动控制，故障切换，油压控制。
　3、出坯系统
　　完成推钢机的自动推钢控制以及翻钢冷床的自动控制和冷床液压站的控制以及其他在线设备的联锁控制。
　　4、二冷段冷却水控制
　　完成铸坯的二次水冷却，经过二次冷却水的冷却后，使铸坯完全固化。
　　5、连铸机与热送辊道的数据通讯
　　该通讯的建立不仅实现了连铸机的热装热送功能，而且也能够进行铸坯的跟踪，从而保证每一支钢坯的各成分参数准确无误和生产钢坯的总数。
　　6、控制软件
　　整个连铸机生产控制的软件采用STEP7完成，具体内容如下:
　　(1) 确定模板的槽位以及各个模块的I/O地址
　　编程的首要工作是对PLC的硬件配置，确定各个模板在S7-400站中的位置，对I/O模板分配地址，并确定以太网地址，以及网站间通讯作业的定义。
　　(2) 编制梯形图以及语句表程序，完成各种设备的控制
　　a) 采用模块化思想，将每套设备的动作情况以及有一定独立性的动作顺序编写在独立的程序块或功能块中，由组织块调用这些块。这样便于查找故障，也能了解设备的功能情况。
　　b) 可用梯形图完成开关量的动作，用语句表完成拉矫机变频器和结晶器振动变频器的动作。
　　(3) 操作界面组态设计
　　根据工艺要求编制工艺画面，包括各设备的画面，对主要数据:拉矫机的给定速度、实际速度、给水量等历史趋势，完成对各个设备的操作运行情况的监控，以便出现故障后能快速查找故障发生的时间，以及故障的原因。
　　四、自动化控制系统功能的实现
　　1、结晶器、拉矫机变频调速控制
　　拉矫机和结晶器振动装置采用变频器调速系统，拉矫机变频器的启动、停止以及调速由PLC发送给拉矫机变频器，拉矫机的实际速度FM经光电隔离后再反馈给PLC，然后由PLC传送给相应仪表显示实际值。结晶器振动采用同调方式，即振动频率随拉速变化而变化，即根据下面的公式，来控制结晶器振动频率f:
　　计算出振动频率f由PLC发送给结晶器振动变频器，使结晶器的振动适应于拉速变化，系统框图如图1所示。

图1 结晶器、拉矫机变频调速控制系统框图
　　2、二冷段的配水
　　二冷水系统分四段配水即零段、Ⅱ段、Ⅱ段、Ⅲ段，具有手动和自动控制功能，包括水量分配，水表设定，跟踪调节，水流量、压力、温度等的显示。配水系统有两部分组成，现场的连续跟踪调节由PLC完成;水表的设定及修改，记录、打印由监控系统完成。
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