SIEMENS S7 系列PLC 在板坯連鑄機中的應用

關鍵詞: Profibus DP; 網絡控制; PID 調節

1 前言

板坯連鑄機自動化控制系統包括公共部分、鑄流部分、儀表部分、切割機、去毛刺機及結晶器液面（ 有些高端的包含結晶器自動調寬、液壓振動、下渣檢測、漏鋼預報、輕壓下等控制系統） 控制共六個子系統。前3 個子系統用一個西門子SIMATIC400 站進行控制, 切割機用SIMATIC300 站進行控制, 去毛刺機用SIMATIC200 站進行控制; 結晶器液面采用工控機控制（ 配網卡） 。這六個站通過西門子通訊模塊CP443 和CP343 掛在一個工業以太網- SIMATICH1 網上。同時還有五套工業微機通過西門子網卡CP1613 也掛在同一個SIMATIC H1 網上, 作為人機界面完成板坯連鑄自動化控制系統的監視和控制。二級管理系統包括一套服務器和一套工業微機, 主要完成對板坯連鑄系統的管理任務, 及時下達連鑄工作的計劃和命令。

2 硬軟件組成及特點

2.1 硬軟件組成

板坯連鑄機自動化控制系統硬件包括: 3 個西門子SIMATIC400 站（ 每個站包括1 個電源模塊、1 個CPU、1 個CP443 通訊接口模塊和數量不等的模擬量輸入、模擬量輸出、開關量輸入、開關量輸出模塊） 、一套SIMATIC300 站、一套SIMATIC200 站, 6 套研華工控機及6 個西門子CP1613 網卡。
系統軟件包括:Windows NT 4.0 中文版操作系統、Wincc6.0 監控軟件和STEP7 西門子編程軟件。

2.2 硬軟件特點

（ 1） 硬件
SIMATIC H1 網是德國西門子公司開發的一種基于TCP/IP 協議的標準以太網, 它具有連接簡單、便于擴展、速度快及兼容性好等優點。板坯連鑄機自動化控制系統采用屏蔽雙絞線通訊電纜或光纜作為SIMATIC H1 網的連接介質, 有效地實現了工業以太網數據傳輸過程中的抗干擾功能, 保證了系統運行的可靠性; SIMATIC Profibus DP 網是西門子公司開發的一種基于現場總線技術的設備網, 它的特點是可以在PLC, 即可編程序控制器與現場設備之間交換數據。該控制系統采用屏蔽雙絞線作為ProfibusDP 網的連接介質。SIMATIC 400 站是西門子公司的拳頭產品, 無論在控制速度、精度還是抗干擾性、靈活性等方面都處于PLC 產品的領先地位。

（ 2） 軟件
此系統是微軟公司最出色的產品之一, 也是世界上應用最廣泛的軟件平臺。該板坯連鑄機自動化控制系統選用Windows NT 4.0 中文版操作系統。Wincc6.0 工控軟件是西門子公司近期推出的可靠性較高的工控產品, 不但可以畫出逼真的圖形, 而且還能將現場數據快速地顯示在屏幕上, 使用屏幕上制造出的按鈕取代真正的按鈕, 完成對現場設備的軟操作; 它可以將數據按時間存放在數據文件里, 供歷史趨勢文件調用顯示, 以便分析事故和改進工藝。它可以利用Windows DDE（ 動態數據交換） 功能把SQL 數據庫的數據傳送到Office Excel 文件和OfficeAccess 文件, 從而實現報表打印和數據查詢功能。STEP7 是西門子公司為S7- 400 和S7- 300 系列PLC設計的編程軟件, 它能完成龐大的邏輯控制和復雜的調節控制。它的組織塊、功能塊及數據塊相結合的編程理念能夠滿足各種控制要求。因此,WindowsNT 4.0、Wincc6.0 和STEP7 可以說是板坯連鑄機自動化控制系統中的“ 三劍客”, 能共同完成對連鑄系統的監視控制任務。

3 系統配置

板坯連鑄機自動化控制系統中3 個SIMATIC400 站、1 套SIMATIC 300 站、一套SIMATIC 200 站通過西門子CP443 和CP343 接口模塊掛在一個SIMATIC H1 工業以太網上完成控制功能（ 見圖1） ,同時6 套研華工業微機也通過西門子CP1613 網卡掛在同一個SIMATIC H1 工業以太網上完成監視和操作功能。SIMATIC 400 各站通過以太網互相交換數據, 公共和鑄流部分SIMATIC 400 站通過現場總線Profibus DP 網與各個遠程I/O 進行數據通訊。鑄流控制系統的SIMATIC 300 站作為一個遠程I/O 分站與主站進行數據交換。公共部分控制系統的SIMATIC400 站通過現場總線Profibus DP 總線與大包回轉臺和中間罐車等配備了CBP 2 通訊板的變頻器進行通訊和控制。鑄流SIMATIC 400 站通過現場總線Profibus DP 總線與SIMATIC 6SE70 交換數據, 并且在同一個Profibus DP 網上掛了一個工業觸摸屏MP270 對結晶器調寬或液壓振動進行控制和監視。

4 難點分析及解決措施

（ 1） 數據通訊
板坯連鑄機自動化控制系統中各站之間的數據通訊方式各異, 其中∶SIMATIC 400 PLC 與SIMATIC400 PLC 之間是通過SIMATIC H1 工業以太網通訊,編程使用FC5（ 發送數據功能塊） 和FC6（ 接收數據功能塊） ; SIMATIC 400 PLC 與SIMATIC 300 PLC 之間是通過現場總線Profibus DP 網通訊, 編程使用SFB15（ 存放數據功能塊） 和SFB14（ 得到數據功能塊） ; SIMATIC 400 PLC 與SIMATIC 6SE70 之間是通過現場總線Profibus DP 網通訊, 編程使用SFC14（ DP讀功能塊） 和SFC15 （ DP 寫功能塊） ; SIMATIC 400PLC 與Wincc 之間的數據通訊通過SIMATIC H1 工業以太網通訊, 使用SIMATIC NET 軟件完成CP1613網卡的設置。特別是FC5、FC6、SFB15、SFB14、SFC14及SFC15 功能塊必須在OB32 （ 1s 時間中斷組織塊）中調用。

（ 2） 裝送引錠桿控制
裝送引錠桿是連鑄機控制系統的一個關鍵環節, 一旦控制失敗將導致煉鋼失敗, 甚至引發安全事故。該系統引進了“ 激光對射裝置”, 為系統提供初始信號, 并采用增量編碼器（ 每圈20 個脈沖） 對引錠桿的位置進行跟蹤控制。實踐證明, 這種方法可靠, 其精度可達10mm 左右。為接收計數脈沖, 特選用西門子高速計數模塊, 軟件使用FC0（ 高速計數功能塊） 。鑒于以往的使用經驗, 為防止丟失脈沖而發生不穩定情況, 建議采用軸套型增量編碼器, 直接將編碼器裝到電機的輸出軸上, 這樣定位會更加準確。

（ 3） PID 調節
板坯連鑄機煉鋼過程中對于水流量、水壓力、氬氣流量、液面控制及鋼包溫度等方面控制要求很高,均需要有穩定的值。該系統采用西門子SIMATIC400 PLC 取代智能儀表, PID 調節在STEP7 中使用FB41（ 連續PID 調節控制） , 在Wincc6.0 中使用畫圖功能模擬一個PID 調節器的操作面板, 能夠很好地完成PID 調節控制中的手/自動切換、給定值輸入、手動輸出值輸入及PID 參數（ 比例系數、積分時間）輸入等功能。

（ 4） 中間包的水平調節
中間包車采用液壓升降式高低腿的樣式, 在液壓缸內裝設位置傳感器以保證中間包水平。若中間包有足夠的水平面, 就能保證鋼水中的夾雜物在中間包內得到充分地上浮, 同時還能減少鋼水旋流的形成。中間包的水平調節方法是先對單個液壓缸位置的變化進行PID 調節運算, 然后根據各個液壓缸的位置進行平均計算, 最后把這個平均數值傳送給執行閥組, 以求出最佳水平效果。

（ 5） 標準化編程
標準化編程主要體現在以下幾個方面;
●根據設計圖紙編制各系統的地址表（ 包括圖紙設計和硬件配置的對應關系） ;
●根據地址表填寫Wincc6.0 SQL 數據庫;
●根據地址表編制STEP7 符號表;
●根據地址表找出各控制設備的輸入/輸出點號, 據此定義下列STEP7 使用的中間線圈點號: 模擬手/自動轉換選擇開關; 啟動按鈕、停止按鈕（ 對單線圈的泵或電磁閥） ; 開啟按鈕、關閉按鈕、停止按鈕（ 對雙線圈的電動閥） ; 手動輸出值、給定值、比例系數、積分時間（ 對PID 調節閥） ; 再根據各控制設備的輸入/輸出點號和中間線圈點號編制各控制設備的手動程序;
●最后根據設計說明書編制各控制設備之間的邏輯連鎖程序, 即自動程序。

（ 6） 畫面強制
由于大型鋼廠自動化控制系統涉及的控制設備很多且工藝復雜, 致使主要設備動作的諸多條件很難同時滿足控制要求。為了調試程序的需要, 在畫面上增設許多選擇開關, 當某開關置為“ 1”時, 就假設此條件滿足。當所有條件滿足時, 程序就可以對設備上增設許多選擇開關, 當某開關置為“ 1”時, 就假設此條件滿足。當所有條件滿足時, 程序就可以對設備進行操作, 而不必再等待實際條件滿足。在生產中有時某設備出現臨時故障, 為不影響正常生產, 也可以在畫面上強制, 直到設備修好, 再把強制解除即可。

5 結論

實踐證明, 西門子S7- 400 系列PLC 的硬、軟件是完全適用于大中型成套系統控制的可編程序控制器。該系統綜合集成了西門子公司PLC網絡結構實現了板坯連鑄機基礎自動化與過程自動化控制, 能共同完成對連鑄系統的監視控制任務。實踐證明: 該系統安全穩定, 既可提高生產效率, 又可改善工作環境, 完全能滿足生產要求, 為用戶取得了較好的經濟效益。

參考文獻

1.連鑄論文集.奧鋼聯連鑄熱軋會議刊物
2.S7- 400 可編程序控制器硬件手冊
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