板坯連鑄機結(jié)晶器在線熱調(diào)寬控制系統(tǒng)分析

米進周，侯小光，黃衛(wèi)東

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安710032)

板坯連鑄機結(jié)晶器在線熱調(diào)寬控制系統(tǒng)分析

米進周，侯小光，黃衛(wèi)東

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安710032)

介紹了土耳其TOSYALI板坯連鑄機結(jié)晶器的在線熱調(diào)寬控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、基礎(chǔ)自動化PLC系統(tǒng)和伺服運動控制系統(tǒng)四部分組成。結(jié)晶器調(diào)寬伺服控制器選用的是西門子公司MASTERDRIVESMC運動控制器，伺服電機采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)控制，整個系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快、精度高。

連鑄;結(jié)晶器;調(diào)寬;自動控制

0 前言

為了滿足生產(chǎn)不同寬度板坯的需要，結(jié)晶器寬度尺寸必須隨著板坯的寬度而調(diào)整。結(jié)晶器在線熱調(diào)寬技術(shù)是指在不停止拉坯的情況下，改變鑄坯寬度的生產(chǎn)工藝。通過在線熱調(diào)寬，可以在同一個澆次中生產(chǎn)不同斷面的鑄坯，以達(dá)到降低生產(chǎn)成本及事故率的目的。

傳統(tǒng)的結(jié)晶器調(diào)寬方法必須將前一鋼種的尾坯拉出后再重新調(diào)寬結(jié)晶器，還需要重新打開中包的滑動水口，重新組織生產(chǎn)，每次板坯斷面的改變就需要停產(chǎn)2 h以上。使用在線熱調(diào)寬技術(shù)能在不停機的狀態(tài)下連續(xù)澆鑄出不同寬度尺寸的鑄坯，節(jié)省了大量的人力物力，也大大提高了生產(chǎn)節(jié)奏和效率。特別是在實現(xiàn)熱送和連鑄連軋的生產(chǎn)需要時，在線調(diào)寬技術(shù)顯得尤為重要。

在國內(nèi)大量引進的連鑄機中，由于對調(diào)寬的模塊引進的不完善或未完全掌握并進而加以開發(fā)，該技術(shù)一直未得到很好的應(yīng)用。在土耳其TOSYALI連鑄機中，該鑄機的一個澆次中連澆爐數(shù)多達(dá)45爐以上，最高53爐。而且在一個澆次中，鋼種和鑄坯斷面連續(xù)變化三次以上。因此，結(jié)晶器在線冷、熱調(diào)寬及調(diào)錐技術(shù)顯示出極為重要的地位。

1 結(jié)晶器在線熱調(diào)寬系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成及主要參數(shù)

結(jié)晶器調(diào)寬控制系統(tǒng)，主要功能就是控制窄面銅板的距離。在實際生產(chǎn)中，結(jié)晶器在軟夾緊狀態(tài)下，調(diào)節(jié)窄面銅板?？刂品绞娇煞譃樵诰€控制和離線控制。調(diào)節(jié)窄面銅板的過程，設(shè)計上采用電動方式的閉環(huán)控制。

調(diào)寬機構(gòu)如圖1所示。每個窄面銅板由一對螺旋絲杠來控制，螺旋絲杠固定在結(jié)晶器框架上，通過高精度減速機與伺服電機相連，伺服電機裝有定位編碼器。圖1中僅標(biāo)出結(jié)晶器左窄面，右窄面相同。

圖1 調(diào)寬機構(gòu)圖Fig.1 Mechanism of width adjustment

2 控制系統(tǒng)的基本框架

結(jié)晶器調(diào)寬電氣控制系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、基礎(chǔ)自動化PLC系統(tǒng)和伺服運動控制MC系統(tǒng)四部分組成。

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為上下兩層。上一層為工業(yè)以太網(wǎng)，HP HMI計算機、MP377觸摸屏和基礎(chǔ)自動化PLC分別通過以太網(wǎng)卡及以太網(wǎng)模塊連接到SIEMENS SCANLANCE工業(yè)交換機的RJ45以太網(wǎng)接口上。下一層為標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場DP總線網(wǎng)，伺服控制系統(tǒng)的MC變頻器通過PROFIBUS－DP接口串行連接到PLC的CPU模板自帶的DP接口上。四個運動控制器MC1～MC4分別控制結(jié)晶器窄面的左上、左下、右上、右下4個伺服電機。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖Fig.2 Network configuration of system

2.2 計算機系統(tǒng)

計算機系統(tǒng)由一臺HP HMI計算機、一臺SIEMENSMP377觸摸屏組成，都帶有以太網(wǎng)卡作為連接到以太網(wǎng)的接口設(shè)備。

根據(jù)工藝特點及現(xiàn)場環(huán)境，結(jié)晶器調(diào)寬人機界面選擇MP377操作面板。MP377屬于SIMATIC HMI(人機界面)產(chǎn)品系列中文本圖形觸模式操作面板，在性能上有以下特點:可用標(biāo)準(zhǔn)WINDOWS工具進行配置;使用軟鍵、功能鍵或觸模控制，簡化了操作，也保障了操作的安全性，易于使用;可以和西門子PLC完美結(jié)合，使整個系統(tǒng)在硬件和軟件均達(dá)最優(yōu)化，尤其是通訊支持通用的ITHERNET以太網(wǎng)協(xié)議。觸摸屏放置在現(xiàn)場結(jié)晶器旁，使用的組態(tài)軟件為SIEMENS FLEXIBLE2008，主要功能為:手動模式下的調(diào)寬操作和結(jié)晶器調(diào)寬狀態(tài)及參數(shù)的顯示(包括寬度、錐度標(biāo)定、寬度對中以及四個伺服電機的電動操作等)。

2.3 基礎(chǔ)自動化PLC系統(tǒng)

結(jié)晶器調(diào)寬PLC系統(tǒng)作為連鑄機L1系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)計本著可靠、先進、開放的原則，綜合考慮系統(tǒng)的性能價格比，根據(jù)工藝方案和機械設(shè)備條件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡可能統(tǒng)一，同時應(yīng)與其它L1級子系統(tǒng)保持一致。連鑄L1級PLC系統(tǒng)選用的是SIEMENS S7-300系列PLC。根據(jù)調(diào)寬工藝性能要求，PLC系統(tǒng)CPU選擇S7 315-2DP，通過CP343-1通訊模塊與L1級工業(yè)以太網(wǎng)通訊。同時，PLC系統(tǒng)CPU通過PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)與傳動控制變頻器通訊，向其發(fā)送命令并接收回傳的伺服電機反饋。

結(jié)晶器調(diào)寬PLC系統(tǒng)應(yīng)用了SIEMENS STEP7編程軟件，編程包括硬件組態(tài)和代碼編輯。其硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of hardware configuration

結(jié)晶器調(diào)寬PLC編程代碼軟件由OB(組織塊)、FC(功能塊)、DB(數(shù)據(jù)塊)、SFB和SFC(系統(tǒng)功能塊和系統(tǒng)功能)四部分組成。

PLC程序主要完成的功能:在手動模式下接收HMI發(fā)來的電機運動命令，傳給相應(yīng)的MC運動控制器來直接控制伺服電機運動;接收HMI發(fā)來的寬面夾緊命令，給夾緊電磁閥或比例閥發(fā)出命令。在自動模式下，PLC接收HMI發(fā)來的調(diào)寬命令，根據(jù)鋼種、當(dāng)前拉速、結(jié)晶器寬度和錐度的當(dāng)前值和目標(biāo)值計算合適的伺服電機速度曲線和位置曲線并下達(dá)給MC運動控制器來直接控制伺服電機運動。

2.4 伺服控制系統(tǒng)

2.4.1 MC控制器

結(jié)晶器調(diào)寬伺服控制器選用的是西門子公司MASTERDRIVESMC運動控制器，該控制器是應(yīng)用于高動態(tài)響應(yīng)循環(huán)機械控制的控制器，是完全智能化的控制系統(tǒng)。MC控制器有以下特點:

(1)高動態(tài)響應(yīng)，高過載能力。MC驅(qū)動器使用了32位DSP數(shù)字控制技術(shù)，DSP器件內(nèi)部具有功能強大的硬件計算電路和特殊的總線結(jié)構(gòu)，具有強大的數(shù)字信號處理功能;MC運動控制驅(qū)動器同時具有極高的過載因數(shù)，250 ms內(nèi)具有300%的過載能力。

(2)通用性強。它能夠控制任何型號的電機，具有的模塊化、插入式可選編碼器功能模板可以完成所有的驅(qū)動任務(wù)，有支持脈沖編碼器(TTL/HTL)的SBP板，支持旋轉(zhuǎn)變壓器的SBR2板，支持多圈編碼器的SBM2板，都可以非常容易地與系統(tǒng)相連接。

(3)優(yōu)良的矢量控制驅(qū)動器。智能性就驅(qū)動處理技術(shù)和控制功能而言，自動控制系統(tǒng)相當(dāng)可靠。它簡化了配置和服務(wù)工作，降低了系統(tǒng)成本和工程管理成本，是具有最高動態(tài)響應(yīng)和分布式智能化的VectorControl矢量控制驅(qū)動器。

(4)強大的通訊能力。MC運動控制驅(qū)動器具有支持各種現(xiàn)場總線的可選模板，這些接口模板的設(shè)置，顯著地增強了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力。其中Profibus-DP是當(dāng)今世界上最為成功和流行的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，在Profibus-CBP2功能模板上同級模塊之間能相互通訊，尤其在西門子產(chǎn)品系統(tǒng)集成中，更顯示其優(yōu)點。

2.4.2 伺服電機

交流伺服電機采用(1FT6105－8SB71－3AB4)三相交流異步伺服電動機，交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的過負(fù)荷特性和低慣性更體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性，感應(yīng)式異步電動機結(jié)構(gòu)堅固，制造容易，價格低廉。

2.4.3 位置反饋裝置

AC伺服系統(tǒng)中常用的位置傳感器不但要完成系統(tǒng)的位置檢測，而且同時要實現(xiàn)電動機速度測量，各種位置傳感器都有其自身的固有特點，要針對具體控制對象要求，選擇合適的位置傳感器。在結(jié)晶器調(diào)寬應(yīng)用環(huán)境，溫度高、振動大，對于反饋裝置需要有較高環(huán)境適應(yīng)能力。結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)采用了高分辨率的增量型編碼器做為位置檢測裝置，大大提高了反饋精度。

2.4.4 閉環(huán)控制功能

每個伺服電機自有一套伺服單元，采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)控制，是一種高動態(tài)響應(yīng)、高精度的運動控制方式。傳動系統(tǒng)經(jīng)Profibus總線和PLC相連，PLC再通過以太網(wǎng)和HMI相連。根據(jù)生產(chǎn)鋼種結(jié)晶器寬度、錐度設(shè)定值輸入到人機界面上，經(jīng)以太網(wǎng)傳輸給調(diào)寬PLC，PLC運算后，給各個伺服單元發(fā)出位置控制信號，伺服單元將電機的編碼器信號換算出的實際位置信號和實際速度信號分別作為位置環(huán)反饋信號和速度環(huán)反饋信號實現(xiàn)三環(huán)控制，而使系統(tǒng)快速平滑地跟隨位置設(shè)定值，保證結(jié)晶器上下口電機的恒定速度差，實現(xiàn)窄面銅板的精確定位。整個控制系統(tǒng)是以伺服電機電流環(huán)、電機速度為內(nèi)環(huán)，窄面銅板位置為外環(huán)的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)精度高，速度響應(yīng)快，運行平穩(wěn)可靠，定位準(zhǔn)確。

3 結(jié)束語

在線調(diào)寬技術(shù)在土耳其板坯連鑄機上的應(yīng)用，結(jié)果表明調(diào)寬過程運行平穩(wěn)，調(diào)寬精度可靠。這項技術(shù)的采用，將對連鑄機提高作業(yè)率、適應(yīng)連鑄連軋連續(xù)生產(chǎn)、適應(yīng)小訂單合同生產(chǎn)起到重要的作用。

［1］史宸興，余志樣．實用連鑄冶金技術(shù) ［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1998．

［2］蔡開科，袁偉霞．噴霧冷卻傳熱研究 ［J］．金屬學(xué)報，1985，21(6):297－300．

［3］Boyle R，F(xiàn)rick J．Modern Secondary Cooling Technology in Continuous Casting of Steel［J］．Metallurgia Italians，2005，97(1):49－52．

Control system for online hot w idth ad justment of slab caster mould

MIJIN-zhou，HOU Xiao-guang，HUANGWei-dong
(China National Heavy Machinery Research Institute Co．，Ltd．，Xi'an 710032，China)

The control system for online hotwidth adjustmentof TOSYALIslab castermouldmade in Turkey is introduced．The system is composed of network system，computer system，automatic PLC system and servo moving controller produced by Siemens and named as MASTERDRIVESMC．The servomotor is controlled by position ring，velocity ring and current ring．The whole system has the characteristics of fast response and high accuracy．

continuous casting;mould;width adjustment;automatic control

TF777

A

1001－196X(2012)05－0007－03

2012－03－02;

2012－04－17

米進周(1977－)，男，工程師，現(xiàn)從事電氣自動化系統(tǒng)的設(shè)計與研究工作。