米進(jìn)周，侯小光，黃衛(wèi)東

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安710032)

板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器在線熱調(diào)寬控制系統(tǒng)分析

米進(jìn)周，侯小光，黃衛(wèi)東

(中國(guó)重型機(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)、基礎(chǔ)自動(dòng)化PLC系統(tǒng)和伺服運(yùn)動(dòng)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(mén)子公司MASTERDRIVESMC運(yùn)動(dòng)控制器，伺服電機(jī)采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、精度高。

連鑄;結(jié)晶器;調(diào)寬;自動(dòng)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(guò)在線熱調(diào)寬，可以在同一個(gè)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(kāi)中包的滑動(dòng)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(jī)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(shí)現(xiàn)熱送和連鑄連軋的生產(chǎn)需要時(shí)，在線調(diào)寬技術(shù)顯得尤為重要。

在國(guó)內(nèi)大量引進(jìn)的連鑄機(jī)中，由于對(duì)調(diào)寬的模塊引進(jìn)的不完善或未完全掌握并進(jìn)而加以開(kāi)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(jī)中，該鑄機(jī)的一個(gè)澆次中連澆爐數(shù)多達(dá)45爐以上，最高53爐。而且在一個(gè)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(shí)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。控制方式可分為在線控制和離線控制。調(diào)節(jié)窄面銅板的過(guò)程，設(shè)計(jì)上采用電動(dòng)方式的閉環(huán)控制。

調(diào)寬機(jī)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)窄面銅板由一對(duì)螺旋絲杠來(lái)控制，螺旋絲杠固定在結(jié)晶器框架上，通過(guò)高精度減速機(jī)與伺服電機(jī)相連，伺服電機(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)、基礎(chǔ)自動(dòng)化PLC系統(tǒng)和伺服運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)、MP377觸摸屏和基礎(chǔ)自動(dòng)化PLC分別通過(guò)以太網(wǎng)卡及以太網(wǎng)模塊連接到SIEMENS SCANLANCE工業(yè)交換機(jī)的RJ45以太網(wǎng)接口上。下一層為標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)DP總線網(wǎng)，伺服控制系統(tǒng)的MC變頻器通過(guò)PROFIBUS－DP接口串行連接到PLC的CPU模板自帶的DP接口上。四個(gè)運(yùn)動(dòng)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(gè)伺服電機(jī)。

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

2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由一臺(tái)HP HMI計(jì)算機(jī)、一臺(tái)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(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，結(jié)晶器調(diào)寬人機(jī)界面選擇MP377操作面板。MP377屬于SIMATIC HMI(人機(jī)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(diǎn):可用標(biāo)準(zhǔn)WINDOWS工具進(jìn)行配置;使用軟鍵、功能鍵或觸模控制，簡(jiǎn)化了操作，也保障了操作的安全性，易于使用;可以和西門(mén)子PLC完美結(jié)合，使整個(gè)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(chǎng)結(jié)晶器旁，使用的組態(tài)軟件為SIEMENS FLEXIBLE2008，主要功能為:手動(dòng)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(duì)中以及四個(gè)伺服電機(jī)的電動(dòng)操作等)。

2.3 基礎(chǔ)自動(dòng)化PLC系統(tǒng)

結(jié)晶器調(diào)寬PLC系統(tǒng)作為連鑄機(jī)L1系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著可靠、先進(jìn)、開(kāi)放的原則，綜合考慮系統(tǒng)的性能價(jià)格比，根據(jù)工藝方案和機(jī)械設(shè)備條件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡可能統(tǒng)一，同時(shí)應(yīng)與其它L1級(jí)子系統(tǒng)保持一致。連鑄L1級(jí)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(guò)CP343-1通訊模塊與L1級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)通訊。同時(shí)，PLC系統(tǒng)CPU通過(guò)PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)與傳動(dòng)控制變頻器通訊，向其發(fā)送命令并接收回傳的伺服電機(jī)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(dòng)模式下接收HMI發(fā)來(lái)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)命令，傳給相應(yīng)的MC運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)直接控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng);接收HMI發(fā)來(lái)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(dòng)模式下，PLC接收HMI發(fā)來(lái)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(jì)算合適的伺服電機(jī)速度曲線和位置曲線并下達(dá)給MC運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)直接控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

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(mén)子公司MASTERDRIVESMC運(yùn)動(dòng)控制器，該控制器是應(yīng)用于高動(dòng)態(tài)響應(yīng)循環(huán)機(jī)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(diǎn):

(1)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，高過(guò)載能力。MC驅(qū)動(dòng)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(qiáng)大的硬件計(jì)算電路和特殊的總線結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能;MC運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器同時(shí)具有極高的過(guò)載因數(shù)，250 ms內(nèi)具有300%的過(guò)載能力。

(2)通用性強(qiáng)。它能夠控制任何型號(hào)的電機(jī)，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(dòng)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(dòng)器。智能性就驅(qū)動(dòng)處理技術(shù)和控制功能而言，自動(dòng)控制系統(tǒng)相當(dāng)可靠。它簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)和分布式智能化的VectorControl矢量控制驅(qū)動(dòng)器。

(4)強(qiáng)大的通訊能力。MC運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器具有支持各種現(xiàn)場(chǎng)總線的可選模板，這些接口模板的設(shè)置，顯著地增強(qiáng)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(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，在Profibus-CBP2功能模板上同級(jí)模塊之間能相互通訊，尤其在西門(mén)子產(chǎn)品系統(tǒng)集成中，更顯示其優(yōu)點(diǎn)。

2.4.2 伺服電機(jī)

交流伺服電機(jī)采用(1FT6105－8SB71－3AB4)三相交流異步伺服電動(dòng)機(jī)，交流伺服電機(jī)克服了直流伺服電機(jī)存在的電刷、換向器等機(jī)械部件所帶來(lái)的各種缺點(diǎn)，特別是交流伺服電機(jī)的過(guò)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，制造容易，價(jià)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(cè)，而且同時(shí)要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)速度測(cè)量，各種位置傳感器都有其自身的固有特點(diǎn)，要針對(duì)具體控制對(duì)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(dòng)大，對(duì)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(cè)裝置，大大提高了反饋精度。

2.4.4 閉環(huán)控制功能

每個(gè)伺服電機(jī)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(dòng)態(tài)響應(yīng)、高精度的運(yùn)動(dòng)控制方式。傳動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)Profibus總線和PLC相連，PLC再通過(guò)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(jī)界面上，經(jīng)以太網(wǎng)傳輸給調(diào)寬PLC，PLC運(yùn)算后，給各個(gè)伺服單元發(fā)出位置控制信號(hào)，伺服單元將電機(jī)的編碼器信號(hào)換算出的實(shí)際位置信號(hào)和實(shí)際速度信號(hào)分別作為位置環(huán)反饋信號(hào)和速度環(huán)反饋信號(hào)實(shí)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(jī)的恒定速度差，實(shí)現(xiàn)窄面銅板的精確定位。整個(gè)控制系統(tǒng)是以伺服電機(jī)電流環(huán)、電機(jī)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(yùn)行平穩(wěn)可靠，定位準(zhǔn)確。

3 結(jié)束語(yǔ)

在線調(diào)寬技術(shù)在土耳其板坯連鑄機(jī)上的應(yīng)用，結(jié)果表明調(diào)寬過(guò)程運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)寬精度可靠。這項(xiàng)技術(shù)的采用，將對(duì)連鑄機(jī)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(shí)用連鑄冶金技術(shù) ［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1998．

［2］蔡開(kāi)科，袁偉霞．噴霧冷卻傳熱研究 ［J］．金屬學(xué)報(bào)，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(jìn)周(1977－)，男，工程師，現(xiàn)從事電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究工作。