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自动控制专业转正定级论文

评审论文

出坯系统钩钢机PLC控制

吴桂林

技术中心设计研究所

摘要：

本文在介绍攀钢方圆坯连铸机出坯系统的工艺构成及功能的基础上，阐述了出坯PLC系统的硬件组成和网络结构以及编程软件，重点详细分析了出坯系统钩钢机的工作流程、控制策略、走行速度及定位、提升速度及定位等控制功能的实现。

对钩钢机的高效、稳定、有序的自动控制，可以提高连铸机钩钢机的出坯效率，对提高生产效率也有重要意义。

关键词：

钩钢机连铸机出坯PLC

1引言

攀钢新上的6机6流200mmX200mm/R200mm方圆坯连铸机，设计年产方、圆坯100万吨，用于向攀成钢、攀长特提供齿轮钢、轴承钢、优质管坯钢等低成本原料，有利于实现（集团）公司整体效益最大化。

工程投产后，将解决攀钢炼钢厂连铸机产能小于转炉产能的问题，优化了工艺流程，从而释放炼铁、炼钢现有设施生产能力，减少了生产成本，进一步提升了产品质量。

钩钢机是方圆坯连铸机的重要设备之一，也是试生产期间故障多发设备。

从事故统计情况来看，钩钢机一旦发生故障而不能及时排除就会造成少流断浇事故。

因此对钩钢机进行高效、稳定、有序的自动控制，可以提高连铸机的出坯效率。

2方圆坯连铸机出坯系统工艺构成及功能

六道铸坯

图1出坯系统工艺流程图

方圆坯连铸机出坯系统由翻钢机、横向移钢机、翻转冷床、钩钢机、过跨辊道、拉钢机、出坯液压站等七部分组成，其工艺流程如图1所示。

该系统中各部分的功能及工艺介绍如下：

1）翻钢机

停止在出坯辊道上的铸坯打号完成后，翻钢机将铸坯从标高+0.5m的出坯辊道翻转提升到标高+1m滑道上，以便于横向移钢机移坯。

2）横向移钢机

移钢机前行将滑道上的铸坯推至冷床前的收集台架上。

横向移钢机的走行电机由1台变频器控制，其光电编码器信号进入变频器，由变频器进行脉冲计数，再通过DP网传给出坯PLC，由PLC控制移钢机的走行速度及走行定位。

3）翻转冷床

翻转冷床由床前收集台架、步进式翻转冷床、拨钢机及床后收集台架组成。

床前收集台架为固定台架，位于冷床前，横向移钢机将铸坯推到此处后，冷床的活动齿条在此取坯送到冷床固定齿条上。

通过活动齿条的升降、平移，铸坯在冷床上缓慢翻转前行，达到均匀冷却的目的。

床后收集台架、拨钢机位于冷床后侧，冷床活动齿条将铸坯依次放到台架上，拨钢机将铸坯推往台架后侧，集满6根后，由钩钢机移送至过跨辊道。

4）钩钢机

钩钢机用于铸坯运输，从床后收集台架至过跨辊道。

钩钢机的走行及吊钩提升分别由1台变频器控制，行走编码器、提升编码器信号进入出坯PLC，由PLC控制钩钢机的走行速度、走行定位、提升速度及提升定位。

5）过跨辊道

过跨辊道用于将铸坯从机械维修跨输送至出坯跨。

由22个辊组成，其中前21个辊分别由1台电机单独传动，最后1个辊为自由辊，21台电机分2组（11+10），每组用1台变频装置控制。

6）拉钢机

拉钢机位于出坯跨过跨辊道旁，用于临时存放铸坯，等待车间吊车起吊下线。

拉钢机旁过跨辊道有坯时，拉钢机动作，将铸坯由辊道拉至收集台架上。

如果收集台架上已放满铸坯，辊道继续来坯，拉钢机将继续动作，将铸坯推至收集台架旁的地面上堆放。

7）出坯液压站

出坯区液压系统由如下设备组成：

油箱、给油循环泵、高压泵、过滤器、吸油口蝶阀及电气监控设备等等。

液压油存贮在带有液位监视的油箱内，油箱的温度由温度变送器检测和显示。

给油循环泵用来把油从油箱通过过滤器泵出供给高压泵。

高压泵用来把油通过过滤器泵出供给各阀站，再通过返回管路的过滤器回到油箱。

压力开关用来检测监控管路的压力。

3出坯PLC控制系统

3.1PLC系统硬件组成

考虑到先进性、可靠性和经济性，备件来源，技术支撑等因素，方圆坯连铸机出坯系统选用了SIMATIC公司的S7-400PLC控制器。

因为S7-400有极高的处理速度、强大的通讯性能和卓越的CPU资源裕量，为保证控制系统安全稳定运行，本系统选用的CPU型号为CPU414-3PN/DP。

CPU414-3PN/DP是用于对编程、处理速度和通讯有较高要求的中型设备。

CPU414-3PN/DP的主要技术性能如下：

（1）CPU处理速度快，执行每个二进制指令仅需0.04微秒；

（2）最多可支持131072点数字量和81932点模拟量输入/输出；

（3）通过MPI，可简单地将最多32个站连成网络，数据传输速率高达12Mbit/S。

CPU可与通讯总线（C总线）和MPI的站之间建立最多32个连接；

（4）通过使用IF964-DP接口模板，还可以将其他DP主站系统连接到CPU414-3PN/DP上；

（5）通过PROFIBUSDP主站接口，可以实现分布式自动化组态，从而提高了速度，便于利用。

本系统考虑到各个模块的耗电量，则采用的电流较大的电源模块，其型号为PS40710A。

还采用了一个计数器模块，其型号为FM450-1。

FM450-1是智能的、双通道计数器模板，用于简单的计数任务，它的每一通道直接连接一个增量型编码器。

该模块通过集成的数字量输出模板实现了比较功能和输出响应信号，减轻了CPU的负担。

出坯控制系统模块选型表及硬件配置图如下所示。

表1模块选型

模块名称

型号

电源模块

PS40710A

CPU模块

CPU414-3PN/DP

DP网模块

IF964-DP

数字量输入模块

DI32×DC24V

数字量输出模块

DO32×DC24V/0.5A

模拟量输出模块

AO8×13Bit

计数器模块

FM450-1COUNTER

图2出坯PLC系统配置图

3.2PLC系统网络结构

方圆坯连铸机自动化控制系统由两级系统组成，即基础自动化系统（L1级）和过程计算机系统（L2级）。

L1基础自动化系统网络由三层网络构成：

HMI监控光纤以太网、PLC控制光纤以太环网和现场总线网。

出坯系统的监控站接入L1级HMI监控光纤以太网，再经L1级HMI数据服务器与PLC光纤以太环网进行通讯。

出坯系统的现场总线网有两层网络，第一层为工业以太网，由CPU414-3PN/DP的PN口进行通讯；第二层为PROFIBUS-DP网，由414-3PN/DP的DP口进行通讯。

建立两层网络可以实现下层分布式DP总线网连接通讯和上层工业以太网通讯，进而使网络层次分明，易于维护和通讯资源利用最大化。

该系统的控制器有一个本地站（即主站）和若干远程I/O站（即RIO），本地站与RIO之间用PROFIBUS-DP现场总线连接。

PROFIBUS-DP是SIEMENS专用的现场总线协议，通过该总线实现主从轮询方式的数据通讯，本地站作为PROFIBUS-DP的主节点，RIO站使用CPU414-3PN/DP自带的PN口和DP口进行通讯，其出坯系统网络配置图如图3所示。

图3出坯系统PLC网络配置图

3.3编程软件

方圆坯连铸机出坯系统使用STEP7软件对PLC进行开发，上位机采用C/S结构的Intouch监控软件，其中PLC对整个系统进行全自动控制，Intouch则提供良好的人机界面和监控管理视窗，它们之间的通信采用以太网。

STEP7软件是SIEMENS公司开发的用于SIMATICS7、C7和WinAC自动化系统的标准工具，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。

它的基本功能包括：

◆组态和参数化硬件

◆定义通信

◆编程

◆仿真测试

◆编制文件及归档

◆监视及诊断功能

STEP7包含梯形图（LAD）、语句表（STL）、功能块图（FBD）等编程语言，并且所有这些编程语言可在同一项目中一起使用。

STEP7的编程界面如图4所示。

图4STEP7的用户界面

梯形图（LAD）的英语全称是LadderLogic。

梯形图（LAD）是用得最多的可编程序控制器梯编程语言，是融逻辑操作、控制于一体，面向对象的、实时的、图形化的编程语言，主要由触点、线圈和用方框表示的功能块组成，具有直观易懂、易于调试、易于移植的优点，特别适用于开关量逻辑控制，有时把梯形图称为电路或程序。

在方圆坯出坯系统中，需要控制的设备很多，设备之间的逻辑连锁条件也较多，控制时序复杂，因此出坯PLC控制系统采用梯形图（LAD）语言进行编程。

InTouch软件是Wonderware公司开发的一套人机界面（HMI）自动化软件，用于可视化和控制工业生产过程。

InTouch软件负责与PLC控制器通讯，实现数据采集、各种工艺参数的监视、报警、设置、实时/历史趋势显示及记录，以及工艺设备的操作及控制等。

其易用的配置工具和强大的功能特性适用于各种大小的控制系统。

本系统为一个基于windowsXP多任务操作平台，操作方便，使用简单的监控系统。

操作员通过监控画面能对出坯系统的翻钢机、横向移钢机、翻转冷床、钩钢机、过跨辊道电机、拉钢机等设备进行远程控制，并自动显示、记录各设备运行状态、报警状态及运行参数。

同时，可通过对变频器状态的检测，来实现对电动机的监测，减轻了维护人员的负担，提高了生产效率。

出坯系统的监控画面如图5所示。

图5出坯系统监控画面

4钩钢机的控制功能实现

钩钢机是方圆坯连铸机的重要设备之一，其动作较多，控制尤为复杂。

能否对钩钢机做出高效、稳定、有序的控制，直接影响了出坯系统的出坯效率。

4.1钩钢机的工作流程

钩钢机的动作有冷床前取坯和冷床后取坯。

正常运转下，钩钢机都会在冷床后取坯；当冷床发生故障或冷床上没有钢坯时，钩钢机会在冷床前取坯。

当钩钢机在冷床后取坯时，既可以自动控制，也可以手动控制；手动方式下，由操作人员在操作台上手动启动执行一个工作周期；自动方式下，由程序根据联锁条件，自动循环执行多个工作周期。

当钩钢机在冷床前取坯时，只可以手动控制，每执行一次操作，钩钢机运行一个周期回到非正常待机位。

钩钢机冷床前取坯和冷床后取坯的工作流程如图6、图7所示。

图6钩钢机冷床后取坯图7钩钢机冷床前取坯

为了对钩钢机做出稳定有序地控制，本系统把钩钢机的整个运行过程分成很多步来进行控制，钩钢机按照设定的步，一步一步地按顺序动作，增强了钩钢机运行的稳定性。

钩钢机床后取坯和床前取坯按步动作的走行示意图如图8、图9所示。

图8钩钢机床后取坯走行示意图图9钩钢机床前取坯走行示意图

钩钢机冷床后取坯的工作流程：

冷床后收集台架上的铸坯达到预定数目后，钩钢机在正常待机位接到床后钩坯指令后，按图8所示的步执行。

①进钩，钩钢机从待机位行走，停在床后取坯位置；②钩坯，提升钩上升取坯；③运坯，当提升钩上升到设定高度后，钩钢机驶向过跨辊道，并停在放坯位置；④放坯，提升钩下降将铸坯放在辊道上；⑤退空钩，钩钢机继续向东行走退钩，停止；⑥升空钩，提升钩空钩上升；⑦返回正常待机位，钩钢机向西行驶并停在正常待机位；⑧落空钩，提升钩下降，等待下次取坯。

钩钢机冷床前取坯的工作流程和冷床后取坯的工作流程类似，钩钢机在正常待机位接到床前钩坯指令后，按图9所示的步执行。

升空钩，提升钩上升；

行走至非正常待机位，钩钢机由正常待机位行走至非正常待机位，停止；

落空钩，提升钩下降到设定高度；

进钩，钩钢机向西行走，并停在床前取坯位置；

钩坯，提升钩上升取坯；其后和床后取坯工作流程相同，按③④⑤⑥⑦步行走，最后返回非正常待机位，等待下次取坯。

4.2钩钢机PLC最优化控制

由于钩钢机的动作很多，控制复杂，并且有很多重复和相似的动作。

所以，在PLC控制程序里，把钩钢机需要重复执行的动作都作为一个单独的功能块，如回零位、空钩上升、空钩下降、走行控制、手动卸坯、按步运行控制等功能块。

然后在执行某一操作时只需要调用相应的功能块，避免了重复写相同的程序，实现了控制程序的最优化。

图10则为钩钢机（hook）控制结构图。

由图10可以看出，在控制钩钢机运行时，程序中设有4个标识位，首先进行冷床前取坯、冷床后取坯、卸坯和复位/回零的判断，当选择冷床后自动取坯时，则调用钩钢机按步运行控制功能块（FC92），钩钢机自动按规定的八个步进行自动循环运行；当选择复位/回零操作时，调用钩钢机回零位功能块（FC104），钩钢机执行回零位操作；当选择卸坯操作时，则调用卸坯功能块（FC105），钩钢机执行卸坯操作。

图10钩钢机控制结构图

4.3钩钢机的走行速度及定位控制

图11钩钢机走行定位示意图

对钩钢机走行速度及定位的控制示意图如图11所示，钩钢机走行轨道的东、西两侧分别布置2个行程开关，作为钩钢机的工作停止位和极限位；在钩钢机的正常待机位，设置1个行程开关，作为零位。

钩钢机每次经过正常待机位时，行走编码器自动归零；当钩钢机行走到工作停止位，则自动给钩钢机发停止命令；如果停止命令没有发出或钩钢机不能停止，当钩钢机行走至极限位，则自动对钩钢机做急停操作，直接断电。

钩钢机行走的距离通过增量编码器检测，信号进入PLC进行数据处理并作出控制。

为了让钩钢机在行走时能够准确定位，则钩钢机的走行速度设置了三个档位，即高速、中速、低速。

以钩钢机从正常待机位向放坯位行走为例，作如下说明。

以正常待机位为参考零位；X表示正常待机位到放坯位的距离，即X=-14200mm；L表示钩钢机行走的距离，即钩钢机偏离零点的距离，L值有正负，设置向西为正（+）、向东为负（－），其具体控制模式为：

当

时，设置变频器输出频率为45Hz，钩钢机高速行走；

当

时，设置变频器输出频率为20Hz，钩钢机中速行走；

当

时，设置变频器输出频率为5Hz，钩钢机低速行走；

当钩钢机行走到停止位时，设置变频器输出频率为0，钩钢机停止行走。

图12钩钢机高速行走控制程序

如图12所示，SUB_R模块和ABS模块的作用是计算钩钢机当前位置和目标位置的距离

，CMP＞＝R模块是比较

是否大于等于2000mm。

若

大于等于2000mm，则第一个MOVE模块的作用启动变频器，第二个MOVE模块的作用是让变频器输出频率为45Hz，控制钩钢机高速行走。

4.4钩钢机的提升速度及定位控制

图13钩钢机走行定位示意图

对钩钢机提升速度及定位的控制示意图如图13所示，钩钢机升降的上下各有一个光电开关，作为钩钢机升降的极限位；中间有一个光电开关，作为钩钢机升降的零位，用于升降编码器归零。

如果钩钢机在上升或下降停止位不能停止，则钩钢机升降至极限位时，程序自动对钩钢机做急停操作，直接断电。

钩钢机的提升高度通过增量编码器检测，编码器数据先进入变频器实现提升速度闭环控制，同时该数据由变频器送入PLC进行提升定位控制。

为了让钩钢机在升降时能够准确定位，则钩钢机的提升速度设置了三个档位，即高速、中速、低速，并在钩钢机提升钩的上升行程及下降行程中各设置一个减速位和停止位，其位置由编码器测得。

提升定位的具体控制模式为：

空钩上升：

起步时，设置变频器输出频率为30Hz，钩钢机高速提升，当提升至上升减速位时，设置变频器输出频率为7Hz，钩钢机低速提升，当提升至上升停止位时，设置变频器输出频率为0，钩钢机停止上升。

空钩下降与此控制模式相同。

有坯上升：

起步时，设置变频器输出频率按一定斜率从1Hz增加到10Hz，以使变频器建立起足够的提升力矩，当提升至下降减速位时再设置变频器输出频率为30Hz，钩钢机高速提升，当提升至上升减速位时，设置变频器输出频率为7Hz，钩钢机低速提升，当提升至上升停止位时，设置变频器输出频率为0，钩钢机停止上升。

有坯下降：

起步时，设置变频器输出频率为20Hz，钩钢机中速下降，当下降到下降减速位时，设置变频器输出频率为7Hz，钩钢机低速下降，当下降到下降停止位时，设置变频器输出频率为0，钩钢机停止下降。

图14钩钢机提升控制部分程序

如图14所示，钩钢机提升启动时，第二段程序中，CMP＜R模块首先比较提升距离是否到达上升减速位，若没到上升减速位，则MOVE模块启动变频器，并设定变频器输出频率为30Hz，钩钢机高速提升。

第二段程序中，CMP＞R模块首先比较提升距离是否到达上升减速位，若已到达上升减速位，然后CMP＜R模块又比较提升距离是否到达上升停止位，若还未到上升停止位，则MOVE模块启动变频器，并设定变频器输出频率为7Hz，钩钢机减速并低速速提升。

4.5钩钢机床后取坯的控制流程及连锁

图15为钩钢机床后取坯的控制流程图，钩钢机启动后，首先检查各设备是否故障，若无故障再进行手动/自动判断，如在自动方式下，则再检测床后收集台架上的铸坯数是否多于4根（包括4根），当铸坯数达到4根或以上，钩钢机才会动作，按预先设定的八个步顺序运行，自动方式下钩钢机可以重复执行多个周期；如在手动方式下，则钩钢机无需检测床后收集台架上的铸坯数，直接按预先设定的八个步顺序运行，手动方式下钩钢机只执行一个周期后停在正常待机位，钩钢机一次最多可钩6根铸坯。

图15钩钢机床后取坯控制流程图

钩钢机动作时，在程序中设有两个步完成标识，即当前步（step）和完成步（achieve），当前步从1开始计数，完成步从0开始计数。

在每个步序执行时调用的功能块中随时检测判断该步序是否完成，当钩钢机走行定位或提升钩位置及电机状态达到步完成条件，则当前步和完成步计数信号将分别加1，当前步执行结束，转入执行下一步。

以钩钢机执行运坯步为例，在东侧设有2个行程开关作为工作停止位和极限位，若出现故障，钩钢机没有在放坯位停止，则当其行走至工作停止位时，程序会自动发停止指令；若仍行走到了极限位，则系统的纯电气急停联锁起效，直接切断电机电源，从而避免钩钢机不能安全停止而造成事故。

如图16所示，图中ADD模块的作用即为给当前步（step）和完成步（achieve）计数值加1，每完成一个周期回到正常待机位时自动将当前步和完成步的计数值清空，重新开始新一轮计数。

图16当前步完成，转入下一步

如钩钢机在运行过程中发生意外停止或人为停止，则程序会自动存储当前步（step）的计数值，并且将完成步（achieve）的计数值赋为100，以免影响其它程序执行。

当钩钢机恢复运行时，程序调出当前步（step）的值，并且将当前步计数值减1赋值给完成步，因为程序默认为完成步计数值比当前步小1，程序则由完成步继续向下执行，实现了断点继续运行。

如在钩钢机运行过程中按下了“急停”，则程序不会存储当前步的值，当钩钢机恢复运行时，需要按下“回位”或“卸坯”按钮，钩钢机回到正常待机位后才会重新开始工作。

5系统功能特点

（1）PLC系统采用基于PROFIBUS-DP的远程I/O配置（RIO），性能稳定，易于组态、维护及系统扩展。

（2）采用PROFIBUS-DP现场总线联接PLC与变频传动装置，实现了计算机与电气的一体化控制。

（3）编程软件功能强大，使用方便。

（4）HMI人机界面系统采用C/S结构，使网络层次分明，通讯负荷分配合理，通讯性能更稳定可靠。

（5）光纤及工业交换机组成的工业以太环网，通讯速率高、抗干扰能力强、性能稳定、可靠性高，适宜工业环境。

6总结

攀钢炼铁厂方圆坯连铸机项目于2009年2月开始建设，10月18日一次性热负荷试车成功，12月实现了达产达效。

该系统目前运行良好，可靠性高，故障率低。

HMI界面视图效果好，操作简便，满足了连铸机生产控制要求。

出坯系统中对钩钢机做到了高效、稳定、有序的控制，钩钢机故障率低，提高了出坯系统的出坯效率。

参考文献

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