概述
天鐵集團(tuán)煉鋼廠四機(jī)四流3#方坯連鑄機(jī)采用高效連鑄技術(shù)，其生產(chǎn)能力與轉(zhuǎn)爐、LF精煉爐生產(chǎn)相匹配，連鑄機(jī)采用全弧型漸近矯直機(jī)型，連鑄半徑為6m，鋼坯定尺長度為12000mm，可以有效保證向帶鋼、天津軋二等用戶提供多規(guī)格高質(zhì)量無缺陷鑄坯。
升級(jí)改造所要求達(dá)到的技術(shù)目標(biāo)：
(1) 保留原有現(xiàn)場(chǎng)各類儀表同時(shí)要求將分布于現(xiàn)場(chǎng)中的所有儀表量全部進(jìn)PLC設(shè)備進(jìn)行模擬量線性化處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警、參與控制。
(2)為了便于工藝監(jiān)督部門對(duì)一些重要數(shù)據(jù)的監(jiān)督、分析，對(duì)所提出的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)作連續(xù)不間斷的曲線記錄，以便分析查詢。
(3) 改善二冷水配水調(diào)節(jié)方案及冷床區(qū)液壓改造。
(4) 拉矯機(jī)與結(jié)晶器連鎖控制，閉環(huán)調(diào)節(jié)滿足工藝函數(shù)要求，提高鋼坯質(zhì)量。
(5) 故障查詢系統(tǒng)的建立，提高快速查詢和排除電器故障的能力。
(6) 優(yōu)化3#連鑄機(jī)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的配置，為煉鋼廠CIMS工程的開展準(zhǔn)備條件。
CIMS工程的提出，為3#高效連鑄機(jī)的改造提出了更高要求：
CIMS體系結(jié)構(gòu)及工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層次劃分
根據(jù)工廠管理、生產(chǎn)過程及功能要求，簡(jiǎn)化的CIMS體系結(jié)構(gòu)可分為3層，即工廠級(jí)、車間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。如下圖1所示。
工廠底層自動(dòng)化系統(tǒng)及信息集成技術(shù)
現(xiàn)場(chǎng)總線是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信向現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的延伸：傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備與控制器之間的通信采用一對(duì)一連線的方式，傳輸4-20mA/24VDC信號(hào)。這種通信技術(shù)信息量有限，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的"信息孤島"，嚴(yán)重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)，使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò)， 成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。
1． 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工廠底層信息集成的關(guān)鍵技術(shù)：
要成功的實(shí)施CIMS，各層次的信息集成及它的支撐技術(shù)-計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)問題就必須得到很好的解決。現(xiàn)場(chǎng)總線是工廠計(jì)機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的延伸，是支撐現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)。
2 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控與信息集成是工廠自動(dòng)化及CIMS不可缺少的重要部分
現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設(shè)備單機(jī)控制、連線控制、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生產(chǎn)、運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)等功能，保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生產(chǎn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠管理層，向工廠級(jí)MIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)。同時(shí)也可接受工廠管理層下達(dá)的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
根據(jù)以上問題的提出緊密結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，以及SIMS工程對(duì)PLC網(wǎng)絡(luò)的高要求為作到自控系統(tǒng)具有高性能、高安全性；網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架合理、簡(jiǎn)單、具有擴(kuò)展性等多方面的研究，最后制拓?fù)鋱D如下：
從上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D可以看出，3#高效連鑄機(jī)控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)和過程控制級(jí)組成，其中基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)配備一套公用PLC、2套分流PLC，分別對(duì)連鑄機(jī)實(shí)施順序和邏輯控制?？刂葡到y(tǒng)采用了西門子S7-400系列PLC，下掛Profibus-DP網(wǎng)，并通過從站ET200M將液壓站和配水站控制信號(hào)接入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，真正實(shí)現(xiàn)了“集中管理，分散控制”的目的。同時(shí)，全數(shù)字化通信模式的抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量控制精確度高，借助數(shù)字雙向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)和先進(jìn)的設(shè)備管理軟件，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)定，采集豐富的儀表信息，有利設(shè)備故障診斷，改善管理狀況。過程控制級(jí)由二級(jí)計(jì)算機(jī)構(gòu)成，通過工業(yè)以太網(wǎng)與基礎(chǔ)級(jí)的PLC相連，并依靠控制模型和數(shù)據(jù)庫對(duì)一級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)施指導(dǎo)、管理和跟蹤。WinCC 人機(jī)界面可顯示運(yùn)行圖、棒圖、趨勢(shì)圖、報(bào)警、設(shè)定等畫面和圖表，并進(jìn)們與上位機(jī)構(gòu)成了一個(gè)集中管理、分散控制的全部生產(chǎn)的連鑄計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。
一 系統(tǒng)組成
1. 網(wǎng)絡(luò)配置
上位機(jī)（WinCC 操作站）與3臺(tái)PLC設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，通過工業(yè)以太網(wǎng)利用OSM（光纖切換模塊）、CP1613卡（WinCC操作站通訊卡）、CP 443－1通訊模塊（PLC設(shè)備模塊）通過TCP/IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)連接。主要完成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集線性化與顯示，PLC部分參數(shù)的調(diào)整與修改以及重要數(shù)據(jù)的報(bào)警以及網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性等問題的解決。
3臺(tái)PLC設(shè)備的連接通過CPU 414－2DP模塊（PLC設(shè)備中央處理器）的MPI接口連接，組成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。主要完成同一個(gè)控制點(diǎn)控制不同PLC設(shè)備輸出給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的作用。
PLC設(shè)備與變頻器的網(wǎng)絡(luò)連接是通過CPU 414－2DP 所帶的PROFIBUS DP 接口與變頻器適配器RS485 接口轉(zhuǎn) PROFIBUS接口設(shè)備）相連接，組成各自的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制。主要實(shí)現(xiàn)拉矯機(jī)變頻器與結(jié)晶器變頻器根據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制字與狀態(tài)字的讀寫功能。
主站PLC通過IM467與從站ET200M之間實(shí)現(xiàn)PROFIBUS DP通訊，將現(xiàn)場(chǎng)分布復(fù)雜且繁多的模擬量先采集至現(xiàn)場(chǎng)的從站ET200M,然后通過一根DP網(wǎng)線傳送至主站并接受主站的控制信號(hào)，這樣大大節(jié)約了現(xiàn)場(chǎng)施工的難度可以縮短施工時(shí)間，同時(shí)節(jié)約大量電纜和占用主站的模板，可以節(jié)約30%的設(shè)備費(fèi)用。
2. 軟件配置
操作站軟件為WinCC (5.0SP1版)軟件，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為Windows NT 4.0，WinCC自帶數(shù)據(jù)庫，并提供監(jiān)控畫面和PLC組態(tài)工具。S7組態(tài)軟件為STEP7(5.1SP)，內(nèi)嵌西門子過程設(shè)備管理軟件PDM。
二 系統(tǒng)功能
2.1 控制要求
2.1.1 分流部分
*鋼水液面及電磁攪拌控制。
* 二冷水（零段、一段、二段、三段）流量PID控制；
*定尺切割和火焰切割自動(dòng)控制；
*拉矯機(jī)速度和結(jié)晶器振動(dòng)連鎖同步控制；
*引錠桿、傳送輥道控制；
2.1.2 公用部分
*公用數(shù)據(jù)采集，如大包溫度、結(jié)晶器水流量的數(shù)據(jù)采集；
*大包轉(zhuǎn)臺(tái)和中間包小車控制；
*步進(jìn)冷床液壓缸同步PID調(diào)節(jié)；
*液壓站控制。
2.2 生產(chǎn)過程管理
2.2.1 參數(shù)設(shè)定和修改
將工藝人員提供的不同鋼種和截面工藝參數(shù)值制成表格存放在計(jì)算機(jī)中，操作人員可根據(jù)生產(chǎn)要求：選擇當(dāng)前澆鑄所需的鋼種和截面等參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示拉矯機(jī)拉速、結(jié)晶器振動(dòng)頻率、定尺長度、二冷水流量參數(shù)等，并可在線修正火切機(jī)切割時(shí)間；設(shè)定拉矯(V1,V2)和結(jié)晶器(n1,n2)參數(shù)。二冷配水?dāng)?shù)學(xué)模型設(shè)置在上位機(jī)里，根據(jù)鋼種、斷面尺寸等輸入?yún)?shù)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)數(shù)學(xué)模型運(yùn)算得到的各回路配水參數(shù)ai、bi、ci傳送至PLC控制器，由PLC通過DP總線將各段配水參數(shù)傳至現(xiàn)場(chǎng)總線控制器進(jìn)行配水的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制。
2.2.2 操作監(jiān)視
操作站上的監(jiān)控畫面由主畫面和30多幅子畫面組成，全面直觀反映了3#連鑄機(jī)的全流程生產(chǎn)線。畫面之間切換用鼠標(biāo)簡(jiǎn)單的擊點(diǎn)工藝畫面鍵或功能批示鍵即可。系統(tǒng)操作十分簡(jiǎn)便。
畫面主要功能有：工藝總貌圖、拉矯機(jī)和結(jié)晶器系統(tǒng)畫面、站畫面、二冷水控制畫面、反映網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置的示意圖，變頻器事故報(bào)警圖、火切機(jī)時(shí)間設(shè)定畫面、PLC模板監(jiān)視圖監(jiān)控操作站和PLC的工作狀態(tài)，并監(jiān)視操作站與PLC、PLC與PLC之間的通訊網(wǎng)狀態(tài)為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的維護(hù)提供更直觀的幫助。
2.2.3 實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)：
對(duì)主要的過程參數(shù)編制實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)曲線，存儲(chǔ)時(shí)間按若干小時(shí)設(shè)定，便于對(duì)故障進(jìn)行分析或優(yōu)化工藝參數(shù)的設(shè)定計(jì)算；
2.2.4 系統(tǒng)報(bào)警功能
在連鑄澆鑄過程 ，各類工藝參數(shù)或設(shè)備發(fā)生異常時(shí)，除了它們所在的畫面會(huì)自動(dòng)顯示出來，故障總表中會(huì)記錄事故發(fā)生的時(shí)間、來源和恢復(fù)的時(shí)間，此外，還伴有聲光提示操作人員。便于找出故障原因并予以排除，提高了現(xiàn)場(chǎng)處理故障的能力。
結(jié)束語：
1．從工廠底層自動(dòng)化及信息集成技術(shù)角度看，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不是一項(xiàng)單純的以芯片換電纜的技術(shù)，是計(jì)算機(jī)及其數(shù)字化通信技術(shù)向工廠底層，即設(shè)備層的延伸;現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是工廠底層通信技術(shù)的一次數(shù)字化革命。
2．工廠底層自動(dòng)化及信息集成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)全廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，使其傳統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變革，并帶來傳統(tǒng)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)異特性，如豐富的現(xiàn)場(chǎng)信息資源、系統(tǒng)的開放性、產(chǎn)品的可互換性。
3. 天鐵集團(tuán)煉鋼分廠3#高效連鑄機(jī)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)成功地將Profibus總線技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)全過程，提高了系統(tǒng)的控制水平和可靠性，同時(shí)降低了運(yùn)行成本。由于采用Profibus-DP總線，節(jié)省了儀控系統(tǒng)的相關(guān)硬件費(fèi)用，如I/O模塊、電源隔離器、控制柜、控制室方面的費(fèi)用和施工布線的費(fèi)用，與常規(guī)系統(tǒng)相比，僅儀控系統(tǒng)就比原概算節(jié)省30%的投資。另外，內(nèi)嵌的過程設(shè)備管理軟件PDM，減少了所需其他軟件的種類，也降低了相關(guān)軟件費(fèi)用。充分運(yùn)用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和多媒體技術(shù)，將PLC與操作站、PLC與PLC、PLC與分布式I/O站有機(jī)地連接起來，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的控制。
