西門子S7-1200在方坯連鑄智能布料系統(tǒng)中的應(yīng)用

周衛(wèi)民

摘要：本文通過對方坯連鑄智能加渣布料系統(tǒng)的需求設(shè)計了其控制系統(tǒng)，并在工程實踐中驗證了該系統(tǒng)，滿足了工程現(xiàn)場的實際需要，同時大大減輕了現(xiàn)場操作工人的勞動強度，經(jīng)濟效益顯著。

關(guān)鍵詞：方坯連鑄;智能加渣;S7-1200

1工藝需求

在連鑄生產(chǎn)中，需要不斷向結(jié)晶器內(nèi)的液態(tài)鋼表面添加保護渣，它可以絕熱保溫防止散熱;隔開空氣，防止空氣中的氧進入鋼水發(fā)生二次氧化，影響鋼的質(zhì)量;吸收溶解從鋼水中上浮到鋼渣截面的夾雜物，凈化鋼液;在結(jié)晶器壁與凝固殼之間形成的渣膜起潤滑作用，減少拉坯阻力，防止凝殼與銅板的粘結(jié);充填與結(jié)晶器之間的氣隙，改善結(jié)晶器傳熱，結(jié)晶器布料是不可缺少的工序。

國內(nèi)除少數(shù)大型鋼鐵企業(yè)采用進口結(jié)晶器自動給料裝置外，多數(shù)鋼鐵企業(yè)都采用人工加渣。人工加渣隨機性大，在結(jié)晶器中保護渣分布易不均勻，易造成卷渣并引發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量問題。

針對方坯連鑄生產(chǎn)的實際需求，設(shè)計并開發(fā)了方坯連鑄智能布料系統(tǒng)。

2 智能布料系統(tǒng)設(shè)備組成

1）料倉存儲

料倉有過濾篩網(wǎng)，過濾和清潔保護渣，防止大塊（結(jié)塊）進入輸料管道，造成管道堵塞。料倉設(shè)置一刀片狀頂部尖利的物體，可以刺透保護渣包裝袋，便于袋裝保護渣能自動流入料倉。

2）渣料加熱

料倉加熱是布料裝置非常重要的環(huán)節(jié)，通過料倉加熱，可以實現(xiàn)渣料的加熱去濕，同時烘烤保護渣，保證下料時均勻，無水汽。

3）步進給料系統(tǒng)

加料量的多少是和鋼種、斷面、拉速等工藝條件變化的，保護渣加入的快慢可以通過PLC控制給料電機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)智能控制，精確加渣。

3 控制系統(tǒng)選擇

結(jié)合工藝系統(tǒng)需求，本智能布料系統(tǒng)選用西門子S7-1200系統(tǒng)，其產(chǎn)品配置圖見下圖：

該系統(tǒng)產(chǎn)品特點如下：

1）高控制效率

基礎(chǔ)面板性能經(jīng)過優(yōu)化，與工程組態(tài)無縫兼容，可實現(xiàn)簡化開發(fā)、快速啟動、精確監(jiān)控和最高等級可用性。

2）豐富接口

S7-1200有集成的 PROFINET 接口、強大的集成技術(shù)功能和可擴展性強。實現(xiàn)了通信簡便，并滿足獨立自動化系統(tǒng)的應(yīng)用需求。接口支持開放以太網(wǎng)協(xié)議的第三方設(shè)備。該接口具有自動糾錯功能的 RJ45 連接器，并提供 10/100 兆的數(shù)據(jù)傳輸速率。支持多達 16 個以太網(wǎng)連接以及以下協(xié)議：TCP/IP native、ISO on TCP 和 S7 通信。

3）安裝簡單

S7-1200硬件可以安裝在水平或豎直位置，內(nèi)置的卡扣也可以卡入到已擴展的位置，這些集成的功能在安裝過程中為用戶提供了最大的靈活性。

4）用于速度、位置或占空比控制的高速輸出

S7-1200控制器集成了兩個高速輸出，可用作脈沖序列輸出或調(diào)諧脈沖寬度的輸出。當(dāng)作為PTO進行組態(tài)時，以高達100千赫的速度提50%的占空比脈沖序列，用于控制步進馬達和伺服驅(qū)動器的開環(huán)回路速度和位置。其中兩個高速計數(shù)器在內(nèi)部提供對脈沖序列輸出的反饋。當(dāng)作為PWM輸出進行組態(tài)時，將提供帶有可變占空比的固定周期數(shù)輸出，用于控制馬達的速度、閥門的位置或發(fā)熱組件的占空比。

5）閉環(huán)回路控制的PID功能

S7-1200可支持16個PID控制回路，用于簡單的過程控制應(yīng)用。借助PID控制器技術(shù)對象和工程組態(tài)軟件中提供的支持編輯器，可輕松組態(tài)這些控制回路。還支持PID自動調(diào)整功能，可自動為節(jié)省時間、積分時間和微分時間計算最佳調(diào)整值。

4.功能實現(xiàn)

在連鑄生產(chǎn)時，保護渣需要均勻分布在結(jié)晶器內(nèi)液面上，方坯斷面較小，可以讓保護渣通過噴嘴布料實現(xiàn)保護渣全覆蓋。本系統(tǒng)主要考慮有如下功能：

1）料倉料位檢測

料倉存儲料位檢測，以便料位時低或者無料時提醒操作工及時添加保護渣。

2）料倉料加熱

根據(jù)工藝對保護渣料的要求，該加熱系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定溫度進行加熱控制，同時對于加熱系統(tǒng)運行進行狀態(tài)監(jiān)控，遇到故障時報警。該功能結(jié)合S7-1200系統(tǒng)閉環(huán)回路控制PID功能實現(xiàn)。

3）氣源壓力調(diào)節(jié)

氣源是布料均勻的關(guān)鍵，要求壓力及流量穩(wěn)定。不僅要求系統(tǒng)能夠適合不同種類的保護渣，還需要布料順暢，不能堵料。結(jié)合S7-1200系統(tǒng)閉環(huán)回路控制PID功能對氣源壓力進行調(diào)節(jié)。

4）布料控制

結(jié)合工藝的要求，布料口出料通過控制步進馬達來實現(xiàn)，對設(shè)定加料量進行計算，并結(jié)合控制系統(tǒng)的占空比控制的高速輸出模塊來實現(xiàn)。

5）系統(tǒng)通訊接口

與鑄流控制系統(tǒng)接口信息見下表：

在智能布料系統(tǒng)觸摸屏上顯示工藝系統(tǒng)布置，并設(shè)置系統(tǒng)啟動按鈕和手自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，并根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)信息顯示在觸摸屏上。

5、結(jié)束語

方坯連鑄智能布料系統(tǒng)是針對鋼廠實際需求而開發(fā)的控制設(shè)備，可替代工人添加保護渣，并實現(xiàn)全自動加渣，提高了連鑄機的自動控制水平，為實現(xiàn)連鑄機無人化向前邁進了一步。在大大減輕工人勞動強度的同時，提高了加渣量準確性，一定程度上有助于鑄坯的質(zhì)量提升。

參考文獻

[1] 袁君奇，譚濤，劉博. 方板坯兩用連鑄機器人加渣系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 《冶金自動化》2018（S1）;

[2] 詹小輝. 連鑄結(jié)晶器保護渣厚度檢測及職能控制 武漢科技大學(xué)碩士論文 2017