摘要：简要介绍济钢一炼钢5#板坯连铸机自动控制及自动跟踪系统的研究、开发及应用，由此带来的浇铸节奏大大提高，工人的劳动强度大大降低。
关键词：大板坯连铸机 自动送引锭 双以太网 全数字矢量变频器 自动跟踪
1 前言
第一炼钢厂原1#、2#小板坯连铸机生产断面为165×800mm的普碳钢铸坯，且两台小板坯产能仅为40万t，品种单一，仅能生产165mm×800mm断面的普碳钢；两台小板坯连铸机均为七十年代机型，工艺、技术、设备非常落后；检修维护量大，备品备件消耗高，生产效率低，严重制约着一炼钢产能的进一步提高。公司决定将一炼钢1#、2#小板坯连铸机拆除，改建为一座大板坯连铸机，即5#大板坯连铸机，铸造钢种有普炭钢、优质炭素钢、低合金钢、压力容器钢、造船用钢和锅炉钢等，铸坯断面最大为200mm×l400㎜，拉坯速度0.8～1.2m/min，设计能力70万t，该项目的实施使一炼钢的潜能得到充分的发挥，产能得到进一步的释放。
2 连铸工艺
钢水经精炼处理后，吊放在钢包回转台上，然后用钢包盖操作机构盖上包盖，转入浇注位等待开浇。开浇前，拉矫机、振动台检查合格后，将引锭杆从收纳装置推入辊道并自动送人连铸机；密封引锭杆头部；中间包、浸入式水口预热烘烤完毕；中包转到浇注位置；浸入式水口与结晶器对中并下降。长水口套管连接到滑动水口上。打开钢包滑动水口，钢水注人中间包，钢水液面到达一定高度和吨位后，启动中间包塞棒，钢水注入结晶器。当结晶器内钢水液面没过水口侧孔并加渣后，启动拉坯和振动装置，同时开启二冷水，开始拉坯。当引锭杆头离开铸坯导向后，脱引锭电磁阀带动脱引锭装置把引锭杆头从铸坯上脱开，引锭杆被快速送到收纳辊道进入收纳装置后存放。在一次切割机处将铸坯切成倍尺坯，喷号后进入二次切割机，根据需要切成定尺坯，然后由运输辊道运出。直接热装送人厚板或中板加热炉。可能有缺陷的铸坯需下线处理。
3 控制系统组成及各部分的主要功能
3.1 控制设备概述
主机区控制系统包括9台传动柜，75kW安川变频器2台，110kW安川变频器3台；3台PLC柜，4个机架；一个操作台；一个抽引风机操作箱；一个悬挂式操作箱。其中控制设备有：拉矫电机10台；振动电机2台；抽引风机1台；脉冲发生器2台；脱引锭电磁阀一个；拉矫电磁阀20个；扇形段抬起、压下电磁阀14个。
其中PLC控制系统采用施耐德公司的昆腾系列控制器，包括一个本地机架，一个本地扩展机架及两个远程扩展机架。其中：
开关量DI 32点输入模块 4块
开关量DC 16点输出模块 1块
开关量DC 32点输出模块 4块
模拟量8通道输入模块 5块
模拟量8通道输出模块 3块
高速计数模块 2块
CPU模板 1块
以太网摸板 2块
远程通讯模板 1块
远程I/O模板 1块
3.2 连铸机主机区系统构成
连铸机主机区系统由如下系统构成：(1)结晶器振动交流传动系统；(2)拉矫机交流传动系统；(3)扇形1—7段的框架拉紧系统；(4)28#、34#驱动辊压下系统(E阀组)；(5)41#、47#、53#驱动辊压下(F阀组)；(6)扇形段蒸汽抽引风机系统。
3.3 主机区控制设备基本配置
(1)拉坯和矫直设备 5#大板坯连铸机的驱动辊由10台变频电机组成，驱动辊的作用是，在浇铸准备阶段支持引锭链并将它送到结晶器内。浇铸开始后，将引锭链和铸坯一起拉出。随着浇铸的进行，驱动辊的作用只是支持铸坯自重和控制拉速，矫直辊的作用是对铸坯进行坯面平整。
(2)结晶器振动装置 结晶器振动机构包括QC振动台、无磨损振动导板。它能够在线自动进行振幅和频率调整，并实现正弦和非正弦振动，使保护渣消耗最佳化。
(3)结晶器 结晶器是连铸机的最重要的部件，其主要任务是保证钢液迅速冷却，形成足够强度的外壳，以免铸坯由结晶器中拉出时受钢液静压力作用而破裂。
(4)蒸汽抽引风机 冷却室密封外壳直接安装在扇形段上，从而使液压缸、液压和油脂接头位于潮湿环境的外侧。产生的蒸汽通过风机和管道排放。
(5)驱动辊的压下和抬起 28#、34#、41#、47#、53#辊的压下和抬起靠20个液压缸的升、降来完成。
(6)扇形段的压下和抬起 辊缝的调整靠扇形段的压下和抬起来完成。
(7)脱引锭装置 自动脱引锭位置判定依靠PLC程序内的设定值与板坯跟踪值进行比较，位置基准值到进行自动脱引锭，引锭的脱开靠电磁阀的动作加延时来完成。脱引锭还可以靠人工干预来完成。
3.4 主机区系统功能
整个主机区控制系统结构见图2。
5#板坯连铸主机区PLC控制系统，其控制器为单机配置，采用Schneider Quantumn系列PLC CPU515A，系统由1个本地站和一个本地扩展机架及2个远程站组成。4个机架分别安装在2APl、2AP2、2AP3控制柜内，1#本地站位于主电室内，2#远程站位于主控室内2AP2柜，3#远程站位于液压站内2AP3柜内。
监控站4个，分别安装在主控室、主电室、液压站内。4台监控站，通过以太网实现PLC与监控站以及PLC系统之间的通讯。3台监控站的功能完全相同，液压站监控站通过鼠标或键盘完成相关设备的操作、数据设定等任务。技术人员办公室可对程序进行修改、在线查找故障，也可在线监视现场运行情况，调度值班室可有选择的监视现场数据，也可监视整个生产线的全部运行状况。主机区系统功能：主机区系统主要完成以下功能：(1)拉矫机的单动与联动功能；(2)QC台单动与联动功能；(3)拉速的控制与计算功能；(4)QC台振频的控制与计算功能；(5)自动送引锭与手动送引锭功能；(6)送引锭跟踪功能；(7)自动浇铸与跟踪功能；(8)尾坯模式自动跟踪功能；(9)自动浇铸方式下的二冷水的控制与跟踪功能；(10)尾坯模式下对二冷水的自动控制与跟踪功能；(11)高速计数功能。
3.5 控制系统开发软件组成
操作系统选用中文Win2000 Professional版本；监控软件选用Ifix监控软件；编程软件选用Concept2.6，编程软件是基于Windows的集成开发环境；含有全部的IEC一1131规定的编程语言；用户可创建自己的函数块，并可重复使用；内置的模拟仿真调试器可离线仿真，加快应用软件的开发和调试；提供多达7层的软件存取保护，防止非法访问，安全、可靠；具有强大的在线帮助功能，界面友好，信息量大，极大方便应用开发人员的使用。
3.6 HMI画面功能说明
一炼钢5#板坯连铸机主机区控制系统包括4台HMI，分别位于主控室和主电室和液压站，主要完成以下功能：1、扇形段各拉紧缸的操作及状态显示；2、拉速显示；3、中包温度显示、大包温度显示；4、QC振动台的振频显示；5、压下操作模式显示；6、生产模式显示；7、10台拉矫辊的电流显示及总电流显示；8、各拉矫辊的压下、抬起操作及状态显示；9、结晶器蒸汽抽引风机运行状态显示；10、报警信息的显示与记录。
根据主机区工艺控制要求，HMI设置了内容丰富、生动形象主机区监控主画面。
当HMI显示压下手动、拉矫手动、送引锭准备状态时，P4台操作工可以手动点击l～7段扇形段压下和抬起按钮，测试扇形段液压缸及电磁阀的动作情况。此状态下P4台操作工可以手动点击28#、34#、41#、47#、53#拉矫辊的一压压下、二压压下、抬起按钮。
当HMI显示压下自动、拉矫自动、送引锭状态时，引锭链将自动送入结晶器下方一米的位置，自动停下。
上图为自动浇铸两炉钢后的状态显示，画面清晰、生动，数据可靠。
3.7 传动控制系统组成
传动控制部分选用5台日本安川变频器，10台拉矫电机由两台型号为CIMR—G7A4110的变频器来控制，两台互为备用。QC台振动电机由两台型号为CIMR—G7A4075的变频器来控制。抽引风机采用CIMR-G7A4110型变频器来控制。下图为10台拉矫电机变频器驱动控制系统主回路结构图。
传动控制技术特点：(1)采用无转速反馈全数字矢量控制，满足了生产工艺要求，节约了投资，减少了速度反馈环节，减少了系统的不可靠因素。(2)在变频器的输入侧设置AC电抗器，防止进线侧很大的峰值电流输入主回路而破坏整流部分，还能有效改善电源侧的功率。(3)在变频器的输出侧，设计上AB公司的噪声滤波器，可以去除从电源入侵变频器的噪声，也可以减低从变频器向电源线流出的噪声。(4)在变频器的输出侧连接AB公司噪声滤波器，可降低无线电干扰和感应干扰。在保护部分增设制动单元，制动电阻，并通过参数失速防止功能的设置，缩短减速时问。(5)当变频器运行时，通过在一定范围内调整载波频率，降低电机噪声声或减少变频器对同一控制柜内的其他控制设备和邻近数字控制设备的干扰。(6)变频器接受来自可编程控制器的联锁指令及给定基准值后，按照变频器本身的程序进行启动、运行和停止动作。并且变频器的运行、故障信号送到PLC进行联锁控制，同时在HMI上位机上进行显示。
3.8 板坯连铸机工作模式
5#板坯连铸机有以下5种工作模式：(1)送引锭准备。该方式下，所有联锁解除，各子系统处于单动或手动状态，在此方式下进行设备检修维护。(2)送引锭。该方式下的程序功能为引锭杆送入结晶器的过程。可选择自动送入或手动送入。(3)浇铸准备。是把引锭杆固定在结晶器内，等待铸造的模式，从插入模式结束开始，到钢水开浇铸造开始为止。引锭杆插入完了，引锭杆收纳装置准备好，全部拉娇辊处于停止状态是建立该模式的条件。(4)浇铸。这种模式用于铸造，这时全部驱动辊的联锁禁动信号自动解除，选择铸造模式的同时，跟踪计数也设定于初始状态。该方式下程序的功能为引锭杆的引出跟踪及红坯头的跟踪及浇铸计长。并向二冷水控制系统提供相关的配水联锁信号。此方式下，程序禁止拉矫机、结晶器振动、拉紧缸、驱动辊压下缸单动与手动。(5)尾坯输出。此方式下仍禁止设备单动与手动。按P3箱的“浇铸停止”按钮可停运拉矫机和结晶器振动系统。关闭各扇形段冷却水。
3.9 技术特点
(1)全数字矢量变频传动控制技术，达到了快速制动、平稳正、反转的控制目标，满足了工艺要求。(2)高档可编程控制器完成自动送引锭、自动浇铸、自动拉尾坯与自动跟踪控制功能。(3)先进的人机界面软件的使用，使整个铸机的生产运行情况得到实时监控、显示。(4)HMI操作，减少了操作台的设置与配备，降低了工人的劳动强度，节约了投资。(5)高速双以太网的使用，实现了连铸机的区域自动化功能、生产数据的实时采集及远传功能，在办公室或调度室就能很方便的了解整个铸机的运行情况及每时每刻的生产产量。(6)通过反复试验和计算，攻克了连高速计数模块厂家高级技术支持人员都解决不了的远距离、长时间连续计数难以实现的难题。开发出高速智能计数模型，满足了用户坚持连续拉坯一个月连续跟踪、计数的要求。(7)现场调试期间，创造性地解决了不用激光检测器实现自动送引锭的难题，节约了投资。使操作人员在送引锭时，就不用专人弯腰站在扇形段附近目视引锭链的前进，指挥操作工手动抬起和压下操作，解除了安全隐患，降低了工人的劳动强度。(8)解决了影响系统稳定运行的干扰问题，增强了系统的稳定性。
4 结束语
该系统自投运以来一直稳定、可靠，5#铸机的三电系统达到国内同类铸机先进水平，实现了主控室对铸机全程控制、自动送引锭、自动浇铸、自动定尺切割、自动出坯、自动图像定位等多项功能，整个连铸机达到全线自动化。创造出板坯连铸机建设速度和运行质量的新纪录。该系统的研制、开发、与投用，都体现了一个快速、可靠的特点，这在冶金行业中同类连铸机中处于领先水平，为短、平、快的大板坯连铸机的建设，积累了宝贵的经验，整个系统的电气安装调试，仅用了十几天的时间，因此该系统有着强有力的可移植性。可在小范围内、短时间内建设大板坯连铸机工程中进行广泛推广使用。
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