步进冷床PLC自动控制改造分析

程宗强 贾建红 安晓钢 李海锋

摘要    本文介绍了 1#连铸机步进冷床来用传统的继电器控制存在的一些缺陷，并详细阐述了PLC自动控制改造的一些思路，使步进冷床电控系统的稳定性大大提高，同时控制性能较原系统更强，操作与维护变得更简单。

关键词： 步进冷床  捞钢  放钢  翻钢  PLC自动控制

一、前言

连铸机步进冷床是我公司高速线材的配套工程之一，生产多年后，原电气控制系统的一些缺陷逐步显现出来，给生产和维护均带来了许多麻烦。

二、步进冷床原电控系统存在的缺陷

控制元器件本身存在的缺陷主要有三个方面：

① 由于二次控制回路电压为DC220V，直流型，备品备件的采购不便，使步进冷床的电控备件一直较为紧张。

② 用传统的继电器控制来实现较强的自动控制功能，继电器的使用量较多，控制线路复杂，故障处理时间长。而继电器的使用量越多，无形中就降低了电控系统的稳定性和可靠性。在近年的生产运行中，因中间继电器、时间继电器本身的原因而造成的电气和设备事故也是屡见不鲜。

③ 控制电机工作的接触器为交流型的。面该接触器的控制线圈电压等级为DC220V ，使用中存在的一些缺陷。该控制线圈为双线图串联，如图1串联线圈控制中，接触器本体的常闭辅助触点KM先处于闭合状态，L2被短路，L.1 的线圈匝数较少、内阻较小，在外加电压下短时大电流从而产生 大的电磁吸力，保证接触器靠吸合：接触器吸合后， KM处于打开状态，L2中联的匝数多线径细，内阻大，使回路的电阻增大，LI 与L2串联，从而电流减小，达到小电流保持的效果。实际上由于交流接触器工作在直流回路中，控制能力大大降低，已达不到额定容量，我们知道，触头分断电流时会产生电弧，在分断同样大小电流时，交流电弧的强度远小于直流电弧，且工频电弧每秒100次过零点而直流电弧几乎是恒定的，直流电弧比交流电弧难熄灭，直流接触器具有纵缝和串激线圈磁吹灭弧结构，而交流接触器连最简单的灭弧罩都不用，由于串联线圈在吸合过程中存在电流过零点，释放过程中反激电压过高、交流接触器的常闭辅助触头易损坏，在实践中该触头工作时间不长便出现严重的烧蚀现象。轻微的烧蚀可造成触点接触面积变小，有时可能造成闭合不好，使接触器的L1和L2在未动作前便同时接入回路，吸力变小而使接触器无法正常动作。严重的烧蚀可造成该触头粘接而使DC220V电压长时间加于L1线圈上，最终使接触器线圈L1烧毁。由于该接触器故障率较高，严重打乱了连铸机正常的生产秩序。

另外，步进冷床电气设计方面还存在一些不合理：

①原捞钢车自控系统的安保系统不完善，极易造成设备事故。当其自动流程还在进行中，只要接收到返回按钮信号，不管车和捞钢钩子的位置是否具备返回条件，车便会停止现有的工作而执行返回动作。这样极易发生捞钢钩子被辊道上停放的钢坯顶坏变形的事故。

②由于冷床自动翻钢设计上的不尽合理，冷床翻钢一直由操作工用手动操作。每放一次钢就要执行一次手动翻钢动作，一旦操作工偶尔工作疏忽少翻一次钢，就会发生捞钢车放钢时被冷床上的钢坯顶坏捞钢钩子的现象。

③该自动系统没有防止捞长坯的功能。前区火焰切割系统故障，开浇或停浇的头、尾坯极易出现超长坯现象，由于生产现场的特殊情况，操作室无法正对辊道，造成操作工的视线受影响，对长坯的判断有一定的困難。这样一旦操作工失误捞起长坯，车辆往冷床执行送钢的动作，钢坯长度超出了捞钢车的长度，造成红钢坯后部撞到捞钢车底梁立柱上，极易造成钢坯弯曲报废和捞钢车的损坏。

三PLC改造思路

由于在原电控系统上进行改造很难解决原系统器件方面固有的缺陷，同时在功能及可靠性上难有大的改观，我们彻底放弃了传统的继电器电控系统，决定采用PLC控制系统。

首先要对PLC的机型进行选择，由于步进冷床的控制为纯开关量的控制。且所需要的I/O点数也不太多，因此选用一般的小型机即可。为了实现设备通用、资源共享，我们认为选用目前公司通用的S7-200 PLC 较为合适。

对步进冷床的输入、输出点经一再压缩后，输入点最少为30个，输出点为15个。因为6ES7 214- 1BD21- OXBO的基本单元有输入点14个，输出点为10个.因此必须选择扩展单元。如果选择一个16点输入，16点输出的扩展单元，刚好能达到设计要求，但没有留下一点裕量，无法实现捞到位、放到位及放钢位等关键控制位置的双重保护。因此又选取了一块16点输入、16点输出的扩展单元。为了便于维护，将现场的位置开关输入放在一组，冷床的输入放在另外一组，这两组同在基本单元上;所有的辊道输入放在第二块扩展单元上，剩余的输入均放在第一块扩展单元。输出的配置是：第一块扩展单元是捞钢车与冷床的输出，第二块扩展单元是所有辊道的输出，基本单元上无输出线路。这样该系统无论输人、输出均有足够的裕量，可满足扩充和改进的需要。

根据生产的实际情况，将捞钢车的状态定为手动/半自动/全自动，冷床设手动/自动两个状态。冷床和捞钢车的状态彼此独立，即二者有六种组合可供操作人员选择使用。因所有的手动程序都很简单，半自动程序与全自动只是在捞钢车、冷床的启动方面有所不同，其余完全一致，现只举例介绍捞钢车全自动+冷床自动状态下的操作控制：

①PLC首先接收到辊道上有坯到来的电信号，用一定的逻辑关系判断坯是否到位。为了全自动启动无误，要判断是单流坯到位，还是两流坯都到位，如果是双流坯到位，确立一个流的优先权。在程序中2流的优先权高于1流的。

②若坯已到位，并且捞钢车的状态是放完钢之后的等待位置，符合上述条件后，车才能启动返回至相应的位置。车启动后，程序将停止辊道继续送坯。

③车到达相应的捞钢位置后，再进行一次判断，判断即将捞的坯是否为长坯。若是长坯，车将在此位置停留，而不再进行捞钢操作，直至无长坯信号为止。若判断坯正常，执行捞钢动作，捞到位后捞钢动作结束，启动行走机构向放钢位送钢。

④送钢至放钢位后，判断“冷床自动”是否处于运行状态。若运行，说明上次自动流程与本次自动流程的时间隔过短，若此时放钢可能会因两根坯间距较小而碰坏捞钢钩子，程序将不进行放钢操作，直至“冷床自动”运行停止。这样可使冷床上钢坯间距恒定，既有利于钢坯的冷却，又可避免一些设备事故的发生。

⑤放钢到位后，停止放钢动作，启动车返回，同时启动冷床自动翻钢，冷床在翻钢19S后，停止翻钢动作。

⑥车自动返回5S后停止，整个车的自动流程全部结束。车停下后重新启动辊道继续送坯，待条件符合后，执行下一次自动流程。

这里需要对2流的优先权问题做详细说明。优先权在程序的设计中是相对的，而非绝对的。为了不使全自动控制下出现车误动作，只要1流坯符合条件并已启动车运行，2流坯才刚刚满足捞钢条件，这种情况下程序先捞1流坯，然后再捞2流坯，除此之外2流坯均具有先捞的优先权。

四、改造后的PLC电控系统与原电控系统的比较

①改造后的PLC电控系统与原电控系统相比，控制线路变得非常简单。由于在编程时启用了PLC内部标志位和计时器等功能，使原电控系统中的所有中间继电器和时间继电器在PLC电控系统中不再有使用价值。在新的电控系统中仅保留了具有保护电机作用的堵转继电器（线图电压为AC380V）。继电器的使用量减少许多，提高了系统的稳定性。

② 改造后PLC电控系统的功能较原电控系统有较大的改进和提高。PLC电控系统设置的半自动控制功能与原电控系统自动功能等同，但新的系统增加了许多保护功能，如防止误操作、误动作的功能。新系统还具备全自动功能，即无需人工操作，由PLC根据严谨的逻辑关系实现自动捞钢、放钢、冷床翻钢、停走辊道等一系列动作的准确执行，新电控系统使操作变得更简单。

③ 改造后的PLC电控系统操作台和生产现场所有的二次控制线路电壓均为DC24V，而原电控系统的电压多为DC220V。系统更安全，维护更方便。

④PLC电控系统的备件与连铸机常用的备品备件完全一致，可互备互用，方便维修和管理。

⑤ PLC电控系统的改造成本较小，仅仅是新增电控器件的费用，有更为优越的性能价格比。

五、结语

连铸机步进冷床PLC控制改造是成功的，与原电控系统相比具有很多优点。当然，在以后的生产中，还要根据具体情况对其不断完善和发展。

1、《节能交流接触器线圈控制分析》李强、胡景泰、潘志刚

2、《交流接触器在直流电路中使用应注意的问题》范福康