一、概述

莱钢炼钢厂4a#连铸机为一台三机三流的矩形坯连铸机，年生产能力为80万吨，与中型轧机构成一条热装热送短流程生产线。本文将对其基础级自控系统进行详细介绍。

二、生产工艺简介

钢水包由转炉车间运至连铸车间后，由车间行车将钢水包置于大包回转台钢包臂上，旋转至浇注位后，钢水 由钢包流入中间罐车，达到开浇液面后，浇铸开始。钢水经中间罐车注入结晶器，经过初次冷却控制以及振动控制调节后，进入二冷区。自控系统自动跟踪铸坯的位 置及长度，铸坯到达冷却段时，由二次冷却系统对铸坯进行水/气的混合冷却。系统跟踪钢坯头到达矫直区时，拉矫机依次进行换压操作；跟踪到脱引锭位时，自动 进行脱引锭操作。钢坯达到定尺长度后，由火焰切割机实施切割，切割后由输出辊道运出，再由横向移钢机运至热送辊道，最后由热送辊道运到中型加热炉进行轧 制。

三、系统构成及配置

系统采用了美国罗克韦尔自动化公司的PLC5作为主控制器，SLC500 用于火焰切割自动控制，选用罗克韦尔自动化公司1336系列的变频器用于交流调速控制，远程I/O模板用于切割区以及出坯区现场信号的控制，以工业以太网以及DH+网作为控制网络。在该系统中，共采用了4套A-B PLC-5/40E分别用于铸机的公用系统以及铸流系统的自动控制。根据系统的控制规模，并保留有25%左右的控制点余量，PLC系统的硬件

公用系统

主机架通过CPU上的通道1B（组态为Remote I/O Scanner方式）外带了5只扩展机架、6块Remote I/O模板以及4台1336 PLUS变频器。

具体配置为

电源模板（1771-P7，16A）6块、CPU（1785-L40E）1块、AI模板（1771- IFE）3块、AO模板（1771-OFE）3块、RTD模板（1771-IR）1块、高速计数模板（1771-VHSC）1块、24VDC DI模板（1771-IBD）25块、24VDC DO模板（1771-OBD）14块、220VAC DI模板（1771-IMD）23块、220VAC DO模板（1771-OMD）16块、远程I/O适配器（1771-ASB）5块、远程I/O模板（32入/32出：1791-IOBW）4块、远程I /O模板（16入/16出：1791-16BC）1块、远程I/O模板（24入/8出：1791-24B8）1块、25匹马力1336 PLUS变频器（CAT 1336S-B025-AA-EN4-CTM1-HA2）2台、20匹马力1336 PLUS变频器（CAT 1336S-B020-AA-EN4-CTM1-HA2）2台。

铸流系统

用于铸流控制的三套PLC系统的配置完全相同，均是：主机架通过CPU上的通道1B（组态为Remote I/O Scanner方式）外带了2只扩展机架、3块Remote I/O模板以及7台1336 FORCE变频器；另外，采用了3套A-B公司的小型产品SLC 500 分别用于每流的火焰切割机的自动控制。SLC 500 PLC通过CPU上的DH+通讯口与PLC-5/40E的CPU上的通道1A通讯口（配置为DH+）连接构成了DH+网以实现数据交换。

PLC5具体配置为

电源模板（1771-P7，16A）3块、CPU（1785-L40E）1块、AI模板（1771- IFE）4块、AO模板（1771-OFE）8块、RTD模板（1771-IR）2块、高速计数模板（1771-VHSC）1块、24VDC DI模板（1771-IBD）5块、24VDC DO模板（1771-OBD）4块、220VAC DI模板（1771-IMD）7块、220VAC DO模板（1771-OMD）5块、远程I/O适配器（1771-ASB）3块、远程I/O模板（1791-IOBW）3块、25匹马力1336 FORCE变频器（CAT 1336T-B025-AA-GTIEN）4台、40匹马力1336 FORCE变频器（CAT 1336T-B040-AA-GTIEN）3台。

SLC500具体配置为

电源模板（1746-P2）1块、CPU（1747-L542）1块、 DI模板（1746-ITB16）1块、DI模板（1746-IB16）4块、 DO模板（1746-OW16）2块、DO模板（1746-OB16）2块。

4套PLC5 通过各自CPU上的以太网口（通道2）挂在以太网上，并通过MSG指令相互传递数据；共25台1336变频器作为远程站采用Remote I/O Scanner方式与PLC进行数据通讯：其启动、停止、速度给定等指令均由PLC下达给变频器，同时变频器的各种状态数据以同样形式反馈给PLC。另 外，4台高性能PⅢ工控机作为系统的上位机，通过以太网与PLC进行数据传送，完成铸机生产的监控，其中3台为操作员站，互为备用，用于生产的实时监 控；1台为工程师站，可以完成对软件系统的查阅、修改等工作（系统配置图如图1所示）。

四、软件设计、系统控制功能及实现

4．1 PLC程序的设计

控制程序使用罗克韦尔自动化公司专用编程软件Rslogix5，并全部采用简单易懂的梯形图方式编制而成，分为公用控制程序及铸流控制程序共4套。

每套控制程序均采用了流行的模块化/结构化编程方法：根据控制对象、控制目的的不同把控制程序分为若 干控制部分，由主程序在每次扫描周期中依次调用来实现各自的控制功能；在每一个梯形图文件中，把控制功能相同的程序放在同一控制段中，并加以注释。这种结 构化编程方法使得程序的查阅、功能的扩充及修改变得更加容易，大大增强了程序的灵活性、可读性、实用性和维护性。

4．2 监控系统的设计

上位监控系统采用Rsview32制作，Rslinx负责完成与PLC的数据通讯。根据生产工艺、控制功能的要求，共制作了9大部分、共计40余幅监控画面。

4．3主要的控制功能及关键技术的实现

图 1

主要控制功能： 该自动控制系统主要用于连铸机生产的基础级自动化控制，通过采用A-B自动化控制技术可完成基础生产工艺过程的全自动化控制，实现连铸生产现场设备的自动联锁，介质温度、压力、流量的检测调节，数据的通讯处理、故障报警以及生产状况的在线监控等功能。

主要控制功能有：中间罐车行走、升降功能；结晶器冷却水、二冷水、公用介质的流量及压力检测调节功 能；推钢机控制功能：横移机控制功能；大包、中间包的钢水测温及称重功能；大包旋转及升降控制；液压站控制；结晶器振动控制；拉矫机/拉矫辊控制；输出辊 道控制；结晶器冷却水控制；二冷水控制；自动跟踪控制；火焰切割控制以及生产的在线监控等。关键技术的实现：

1. 变频调速控制技术：中间罐车、拉矫机、结晶器、输出辊道、横移机等设备均采用了变频调速控制技术。PLC通过Remote I/O Scanner通讯方式将控制命令传达给变频器，同时接收变频器的状态实时反馈信息；控制程序则通过采用MOV指令将启/停、正/反转、速度给定值等命令 信息以输出字的数据格式传送给变频器，从而实现变频调速的自动控制。
2. 二冷区的全自动配水控制算法：理论上理想的二冷配水控制曲线是一条二次曲线：F=aV2+bV+c，但是实现起来非常困难。为此， 我们采用直线仿真曲线技术：采用三条斜率不同的直线来模拟二次曲线，根据当前的拉速及三条直线所对应的a、b值分别计算出三个配水量F1、F2、F3，然 后取其最大值作为当前的实际给定值：Fsp = Max{F1，F2，F3}（如图2所示）。此外，软件上通过PID指令完成七段回路仪表调节控制（控制框图见图3）。
3. 铸流自动跟踪技术：PLC根据A-B增量型编码器（安装于3#拉矫机上，1024脉冲/圈）发送至高速计数模板的脉冲数，自动计算并完成送引锭模式、浇注模式下的拉矫机/拉矫辊、二冷区配水、电机测速以及铸坯测长等全自动控制。
4. 火焰切割自控系统：<该系统单独采用3套SLC500 PLC，并建立了DH+通讯手段与PLC5进行数据通讯。根据PLC5发送过来的铸坯测长实时数据，实现对钢坯切割的自动化控制，并具有2种定尺（本机、 上位）、3种操作方式（手动、半自动、全自动）的控制功能。同时PLC5根据SLC500的反馈信息控制输出辊道的动作将切割完毕的铸坯运出。控制程序则 使用MSG指令来实现通讯数据信息的相互传递。
5. 铸机生产的自动在线监控技术：采用Rsview32监控技术、Rslinx通讯技术开发了铸机生产的在线监控系统。该监控系统分为总貌、风机液压站、条件及状态、公用检测、一冷、二冷、设备冷却水、液面控制和其它9大部分，具有如下主要功能：
   • 生产数据、设备状态的在线显示监控；
   • 生产数据的上位设定及生产模式的控制选择；
   • 设备控制方式的选择以及设备的远程控制、介质的远程调节；
   • 趋势记录、故障报警、报表打印以及系统故障自诊断。

图 2

图3

五、结束语

该自控系统综合集成了美国罗克韦尔自动化公司的PLC控制技术、画面监控技术、网络通讯技术以及变频 调速技术，实现了连铸机基础生产工艺过程的自动化控制，可完成连铸生产现场设备的自动联锁控制，介质参数的检测调节，数据的通讯处理、故障报警诊断以及生 产状况的在线监控等功能。经过三年多的运行验证，该系统控制功能先进、安全稳定可靠，有效地提高了劳动生产率，改善了工作人员的工作环境，减轻了工作人员 的劳动强度，为生产的顺行提供了可靠的保障，并取得了十分显著的经济效益。

参考文献

1. ALLEN-BRADLEY INDUSTRIAL COMPUTER AND COMMUNICATION GROUP
2. Rockwell Automation. Enhanced and Ethernet PLC-5 Programmable Controllers User Manual
3. Rockwell Automation. 1336 FORCE PLC Communications Adapter(Series B) User Manual Firmware Rev.5.xx(Catalog NO.1336T-GT1EN)
4. Rockwell Automation.1336 FORCE PLC Communications Adapter(Series B) Function Block Programming Manual (Catalog NO.1336T-GT1EN)
5. Rockwell Automation.1785 PLC-5 可编程控制器快速查阅手册
6. Rockwell Automation.Control the Future Today with Allen-Bradley’s SLC 500 Processors: Small Controllers for Big Applications
7. PLC-5系列可编程控制器硬件安装手册
8. PLC-5编程软件编程手册/指令集/软件组态与维护
9. ALLEN-BRADLEY 模板用户手册

作者简介

王海,1995年毕业于北京科技大学工业电气自动化专业，先后参加了莱钢12000立方米制氧机、矩形坯连铸机、小方坯连铸机、热送辊道、氧气顶吹转炉、煤气回收等自控系统的设计、开发、调试工作，目前从事炼钢自动化的研究与应用工作。