板坯连铸机控制系统改进

韩志民

(安阳钢铁股份有限公司)

板坯连铸机控制系统改进

韩志民

(安阳钢铁股份有限公司)

介绍了安钢第一炼轧厂板坯连铸机自动控制系统的组成及各系统的功能，针对系统存在的问题进行了分析，并提出了相应的改进措施。通过改进使该系统运行更加稳定，铸坯质量得到显著提高，设备事故明显减少、预防突发事故能力明显增强。

板坯连铸机 自动控制系统 网络系统 改进

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

第一炼轧厂板坯连铸机，铸坯断面规格：(150～250) mm×(950～1 540) mm，最大拉速2.2 m/min。目前，100 t转炉-板坯连铸-中板生成线是集团公司的精品线路之一，也是最为重要的效益生命线之一。该板坯连铸机自投产至今，经过多年的品种开发和技术攻关，目前已经能够生产普通碳素钢、普通低合金纲、低合金高强度钢、船板钢(包括普通船板钢和高强度船板钢)、桥梁钢、压力容器钢、锅炉钢、塑料模具钢等几大系列几十个品种，同时还开发出多品种厚规格保性能钢板用坯，为公司多年来的品种创效工作做出了卓有成效的工作。

1 板坯控制系统组成

1.1 控制系统的组成

板坯连铸机自动控制系统在功能分配上为分级式层次结构属，两级控制三电一体化控制系统,L1级是基础自动化级(包括设备控制级和检测驱动级)；L2级是过程控制级。采用模块化结构设计，以PLC作为主干控制装置，按设备区域包括相应的电气、仪表控制。设置有计算机监控操作站及上位过程计算机，过程计算机采用DEC Alpha station 600 5/266小型机，基础自动化级PLC选用德国西门子公司S5系列PLC产品，现场总线远程站使用ET200U系列，驱动装置使用6SE7 MASTER DRIVES系列全数字化交流变频器等产品。网络系统按照分散控制的设计原则，共配置了4台工业以太网SSV104交换机，将各个功能PLC组网。原系统网络结构如图1所示。

图1 原控制系统网络结构

1.2 控制系统的功能描述

公用PLC，用于连铸机模式选择及平台公用设备，实现大包回转台动作(旋转、上升、下降)、大包盖动作(上升、下降、旋转)、中间包车动作(走行、移动、调平)、结晶器排烟排蒸汽系统、中包预热系统、主液压系统、各润滑系统等功能，包括与其他PLC的数据交换等；铸流PLC，用于铸坯跟踪系统，包括引锭杆控制、拉矫驱动、驱动辊控制、结晶器振动系统接口、出坯辊道等；液面PLC，用于结晶器液面自动控制，后经过改造，增加镭目液面控制系统并列运行；结晶器调宽PLC，用于结晶器的窄面自动调整与测量；仪表PLC，实现结晶器冷却控制，包括喷淋水、设备开环冷却水、闭环冷却水，以及相应的水、气测量与仪表控制；一切PLC，完成母坯定尺切割，控制一次火焰切割车动作；二切PLC，完成长条坯定尺切割分段，控制二次火焰切割车动作；打号机PLC，用于二次切割后的铸坯标记，后改造以去毛刺机功能代替，用于坯料去除毛刺，为下一步工序做好准备；现场总线为sinec-L2网络，各PLC使用数量不等IM308模板，组成4条网络，连接现场各ET200U远程站，完成现场设备的控制、操作、显示等功能。

2 控制系统存在的问题

原设计控制系统采用常规的西门子S5PLC+PC技术，然而随着技术的创新、成本的考核、生产工艺的需要，板坯连铸机设备的控制方面表现出许多不足之处，存在的主要问题有：

2.1 现场使用的自动化通讯网络不适合控制及设备更新需要

原来自动化控制中心是选用德国西门子公司S5系列PLC产品，使用SSV104交换机构建的总线型网络，在硬件上，使用同轴电缆为介质，传输速率受到限制，同时总线网络对两端的终端电阻有较高要求，电缆本身抗干扰能力不强、对现场防护要求高，都是隐性的故障源点。一旦电阻或者网线出现故障，会造成网络立刻瘫痪。原系统使用时，由于后加了物流跟踪系统及现场增设DP远程站等网络组件，一级网通讯紧张，响应慢，对生产造成了很大影响。

2.2 电磁搅拌系统磁搅拌辊的电源接线方式存不足

板坯二冷区电磁搅拌装置是改善板坯铸坯质量，提高连铸成才率的重要设备，板坯电磁搅拌采用辊式电磁搅拌器，2根对置，一共4根2组，分别安装在板坯二冷区扇形段的1段和3段中，为了便于接线，电磁搅拌辊的电源接线方式采用了快速插头的连接方法，由于电磁搅拌辊工作电流大(420 A)，工作环境高温潮湿，在实际投用过程中经常出现电源的快速接头由于连接不紧固，出现接地打火现象 ，甚至引发击穿逆变电路中的功率元件的事故 。

2.3 板坯一切车设备实际生产中切割质量不理想，设备维护困难

板坯一切车设备是我厂以前改造项目，现在上海新中设计并安装的这套设备系统，达到了国内甚至国际上先进水平，但在使用过程中也暴露出一些不足之处。

1)由于其PLC控制器的供应电源和OP270，以及现场地一些电气元件共用，这就造成了一旦现场一处电路接地，电源跳闸，导致PLC停机，OP270停机．如果在短时间故障不能排除，将直接导致板坯停浇事故。

2)现场电器元件接线不明了，由配电柜供给一切车现场的电源线只有一路，这一路电源线到现场后也没有进分开关，直接由端子跳线供给各现场电器元件，这就导致了一旦有一处电器元件电路烧损电源接地，控制室的电源供应开关将会跳闸，同时，所有一切车上的电器元件全部失电，一切车同样无法运行，也同样很快导致板坯断浇。

3)一切车在切割过程中使钢坯出现切缝不齐，影响表面铸坯质量，而且给下道轧制工序带来过多的切边废，造成浪费，不利于成本的降低。

2.4 毛刺机运行故障率高

去毛刺辊定位不准，在下位时找不着位，往复转动，无法进行下一步的动作。去毛刺辊与输送辊道速度不匹配，使去毛刺辊电机所受负荷增大，导致变频器经常性保护动作，严重影响去毛刺辊电机寿命，影响去毛刺效果。在原设计中，头部去毛刺成功率为百分之百，对于尾部去毛刺，由于没有考虑我厂板坯尺寸范围大，重量不同等原因，对于重量大的铸坯成功率较高，对于短尺，重量较轻的铸坯成功率几乎为零。且毛刺辊动作频繁，延长了铸坯去毛刺的周期，在连铸高拉速下，毛刺机明显有力不从心的感觉。

板坯辊道间距750 mm，板坯定尺范围从1.6 m ～ 6 m，根据生产的需要，经常性改变定尺长度，有时一个班就要改变几次。板坯尺寸变化范围宽，尺寸变化频率快，要求去毛刺机适应性强。当板坯尺寸1.6 m时，去毛刺时会栽头，几乎无法使用，大于6 m时，原辊道长度不够。这些情况都制约了去毛刺机顺利使用。压推杆推动钢坯，依靠钢坯动力除去毛刺。液压推杆行程固定，对于定尺长度短，重量轻的钢坯，在去头部毛刺时较为顺利，在进行尾部去毛刺时，由于推力大，钢坯轻，相对移动距离远，钢坯滑离刀头，尾部毛刺清理不彻底，有时甚至清理不到，达不到工艺的要求。去毛刺机刀头是去毛刺的主要主要设备，由汽缸驱动。由于刀头工作环境恶劣，板坯温度高，汽缸损耗快，毛刺机只要使用，每天每班都要对刀头进行处理，更换汽缸，严重时毛刺机无法使用。

2.5 输出辊道出坯区辊子损坏严重

移动框架辊道时常有切辊子现象，辊子寿命短、维修强度大、备件费用高；二切辊道在躲辊子时，常有找不到位、时间长，影响切割速度及后续处理；加长辊道电控不合理，经常出现辊道堆坯子以致降拉速、甚至停浇，对连铸生产影响较大，正反转频繁、辊道使用寿命短、备件成本高。

3 改进及优化措施

3.1 自动化设备PLC之间网络系统改进

1)网络改造使用光纤交换机构建环形网络。交换机使用西门子产品OSM ITP62，交换机可以连接6个10/100 M自适应以太网口，两个光纤口光纤连接可达3 000 m，多个OSM最远距离150 km，可以监视网络状态并可输出报警。根据技术资料，含有50个OSM的以太环网，当冗余管理器检测到两侧网络断线时，它重建网络结构的时间不大于0.3 s；左上角3个灯分别为OSM故障，stand-by功能是否激活，和冗余管理是否激活；如果第3个灯闪烁，说明环网出现故障，网络工作在重建的冗余模式下。使用交换机的port7和port8两个光纤口，连接成环网，同时把PLC室内OSM设置为冗余管理器，实现冗余控制。设置方式是将拨码开关打至ON位置，注意改变拨码后要重启装置。

首先敷设4个站所间4根光纤，现场就位交换机，连接光纤，注意依次按端口7、端口8的顺序组成环网，然后将PLC室OSM拨码设定为冗余管理器后送电。网络中去掉了新网络下不需要的网桥,对原来使用的AUI/ITP 15针接口的接线在PLC侧和交换机侧都予以保留。改造完成后上线试车一次成功，整个工控网络的稳定性、抗干扰性、传输速度、设备可靠性都获得极大提升。改造实施后网络结构如图2所示。

图2 改造后环网结构

2)数显大屏增设DP远程站现场总线改造。原浇铸平台上有6块进口大屏，集中显示拉速、大包温度、中包温度、大包称重、中包称重、铸坯长度，都使用20 mA电流环连接PLC。长时间使用后，出现故障率高、备件难以组织的现状，因为恢复不及时，对浇铸平台工人实时了解上述各参数造成极大困扰。经过审议，针对目前通用信号4 mA～20 mA普通显示大屏拟增加一路总线站点，远程站上使用通用4 mA～20 mA普通电流信号模板，从而能够将现场电流环大屏全部改型，改为通用型4 mA～20 mA普通显示大屏，现场配置ET200M远程站，连接至结晶器调宽PLC，浇铸大屏的远程站的设计实施，节约了备件消耗，解决了备件难组织的制约，并且使用效果非常稳定。

3.2 电磁搅拌设备的动力电缆接线方式的改进

针对动力电缆接线方式缺陷，我们对搅拌辊电源的接线方式进行了改进， 把快速插头的连接方式改为滚内接线的方式，避免了因为电源接线不牢和恶劣工作环境对电源接头的影响，经过实际生产的检验，这个改进非常有效，很好解决了电磁搅拌辊电源接头打火现象，降低了电磁搅拌故障率，提高了电磁搅拌的利用率，从而提高铸坯质量。

3.3 一切车控制系统线路及PLC程序完善

1)针对控制电器元件电源，分类分级整理。我们在配电柜内安装了数个控制电源开关，供应现场的电器元件电源，把现场电器元件分成数个组来供电，这样一旦某个电器元件电线接地，相应供电组地开关将跳电，使维修人员很快的将目标锁定在有限地二、三个电器元件上，极大的提高了维修缩短排除故障时间，并能有效的将故障影响缩小在局部范围。把PLC和OP270操作面板单独由主体设备上的UPS电源供电，这样即使现场某一限位接地，拉下分开关电源后，一切车地其它功能还可正常进行，最大限度的为故障地排除赢取了时间。

2)为了解决一切车在切割过程中使钢坯出现切缝过大而且不齐问题，我们充分利用现有控制设备，通过PLC程序的优化完善，做了以下改进：原设计在切割过程中向后躲辊时只关闭切割氧，但是这时在切割枪静止状态时，预热氧和预热煤气会对割缝有损伤。在程序上改为三路气全关。在两枪相遇后，主枪继续切割，由于切割枪定位控制精度不够，为了保证完全切断铸坯，往往会有一定的重复切割位置，这样致使割缝中间出现一道深沟。为了解决这个问题，通过修改程序实现在铸坯实际切断之前就启动辊道，保证铸坯一旦切断母坯就被带走。

3.4 简化毛刺机动作过程，减少毛刺辊空转时间和次数，提高去毛刺速度

1)新增铸坯分离光栅，在去毛刺前先通过辊道不同的速度，将二切车切好的铸坯 一一分离开来，为下一步去毛刺作好准备。

2)改变去毛刺辊的工作方式，原设计去毛刺辊动作顺序为：光栅检测到铸坯，去毛刺辊抬起，以辊道速度旋转，铸坯进入头部去毛刺位，辊道及去毛刺辊停止，去毛刺辊下降同时头部定位，去毛刺辊定位好后抬起，伸出刀头，推杆推动，头部去毛刺完成，去毛刺辊旋转清渣，重新定位，伸出刀头，推杆反向推动，完成尾部去毛刺，辊道运行，铸坯离开去毛刺机，去毛刺动作结束。

改造优化后的去毛刺顺序：通过分离光栅将铸坯分离，分离出的铸坯进入去毛刺区，去毛刺光栅检测到铸坯，推杆进入头部去毛刺位，同时去毛刺辊头部定位，铸坯至去毛刺位，去毛刺辊抬起，刀头伸出，推杆推动，头部毛刺去除，去毛刺辊下降，辊道反转同时推杆进入尾部去毛刺位，铸坯至去尾部毛刺位，去毛刺辊抬起，刀头伸出，推杆推动，辊道启动，铸坯移出去毛刺机，铸坯去毛刺过程结束。改造后，刀头清渣时间减少1/2，约5 s，同时减少了由于清渣后重新进行刀头定位、毛刺辊升降动作等时间，提高了定位的命中率。反转定位增加约5 s，整个去毛刺过程共计缩短时间40 s～50 s，大大提高了去毛机的使用效率和使用效果，满足了生产的需要。

3.5 出坯辊道系统的控制优化

1)针对切辊现象在不影响正常切割的情况下，对躲辊程序优化放大躲辊区间、延长切割氧关闭时间，经过在生产时的跟踪调试，已经基本杜绝了切辊现象；

2)因二切辊道间隔小，调躲辊区间不现实，只有降低爬行速度，必要时增加人为干预，实现快速找位，提高切割速度；

3)结合工艺需要，对加长辊道控制进行改造重新放电缆增加电气控制柜，将现在的整组20支辊子分为前后两组各10支、实现单独控制，后10支在控制上不变化，对前10支新增的控制柜既可单独操作、又能成组控制，这样以来，解决了由于去毛刺与二切不同步引起的堆坯情况。

4 改造后的使用效果

4.1 电磁搅拌设备的改进铸坯质量得到了提升

电磁搅拌设备的改进提高了电磁搅拌的利用率，降低了电磁搅拌故障率，提高了电磁搅拌的利用率，从总体上而提高铸坯质量。

4.2 现有设备功能完善使用效果

1)出坯区一切、辊道、毛刺机的控制优化提高了设备整体运行水平，各类设备事故的预案的改进实施，减少了设备带来的故障停机，避免了恶性事故的发生。一切车控制程序的优化，缩小了铸坯切割缝，坯型更加整齐，减少后续产品的退费；毛刺机的利用率的提高，使得板坯热送率上升，热送结疤废品率显著降低；

2)整个控制系统通讯网络的改进，增加了现场数据传输的速度和准确性，将原来的昂贵进口的电流环大屏全部改型为通用型4 mA～20 mA普通显示大屏，现场配置ET200远程站，浇铸大屏的远程站的设计实施，节约了备件消耗，解决了备件难组织的制约，并且使用效果非常稳定。

4.3 铸坯质量低倍检验效果

通过分钢种调整搅拌电流试验，所有经过电磁搅拌的低倍均有明显的搅拌效果：“白亮带”明显减轻(“白亮带”区域在整个横截面呈“哑铃”形状，与坯壳的凝固形状相似)，内部裂纹基本消除，中心疏松得到明显改善，同时中心偏析得到很好的控制，有很大程度的降低，高强度板的中心偏析也基本能达到C级水平，完全满足轧制需要。铸坯质量低倍校验结果见表1。

表1 铸坯质量低倍校验 / %

5 结束语

板坯连铸机控制系统改进及优化后，铸坯质量得到显著提高，铸坯轧后废品率、协议材率、质量异议同比都有显著降低；设备事故明显减少、预防突发事故能力明显增强，降低了备件消耗，稳定了生产。项目的完成在降本增效的大趋势下为公司节约了生产成本、铸坯质量得到进一步的提升，创造了明显的经济效益，同时也为国内同类型连铸机的控制系统提供了经验和借鉴。实践表明，板坯控制系统改进不仅提高了生产工艺的自动化水平,而且对于综合提高生产过程和产品质量的稳定性同样具有重要意义，该控制系统的改进及优化完善在同行业中具有极大的推广和应用价值。

[1] 王剑虎，王磊．冶金企业MES和ERP技术实践[M].北京：冶金工业出版社，2005:81-84.

[2] 郭戈，王伟，柴天佑．连铸过程中几个关键环节的设计与实现[J].自动化学报，2002(4)：14-18.

[3] 段念．软件性能测试过程详解与案例剖析[M].北京：清华大学出版社，2006:80-86.

IMPROVEMENTOFCONTROLSYSTEMINSLABCONTINUOUSCASTINGMACHINE

Han Zhimin

(Anyang Iron and Steel Stock Co.,Ltd)

2017—3—17