1、前言

板坯连铸机自动化控制系统包括公共部分、铸流部分、仪表部分、切割机、去毛刺机及结晶器液面（ 有些高端的包含结晶器自动调宽、液压振动、下渣检测、漏钢预报、轻压下等控制系统） 控制共六个子系统。前3 个子系统用一个西门子SIMATIC400 站进行控制， 切割机用SIMATIC300 站进行控制， 去毛刺机用SIMATIC200 站进行控制；结晶器液面采用工控机控制（ 配网卡） 。这六个站通过西门子通讯模块CP443 和CP343 挂在一个工业以太网- SIMATICH1 网上。同时还有五套工业微机通过西门子网卡CP1613 也挂在同一个SIMATIC H1 网上， 作为人机界面完成板坯连铸自动化控制系统的监视和控制。二级管理系统包括一套服务器和一套工业微机， 主要完成对板坯连铸系统的管理任务， 及时下达连铸工作的计划和命令。

2、硬软件组成及特点

2.1 硬软件组成

板坯连铸机自动化控制系统硬件包括：3 个西门子SIMATIC400 站（ 每个站包括1 个电源模块、1 个CPU、1 个CP443 通讯接口模块和数量不等的模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出模块） 、一套SIMATIC300 站、一套SIMATIC200 站， 6 套研华工控机及6 个西门子CP1613 网卡。

系统软件包括：Windows NT 4.0 中文版操作系统、Wincc6.0 监控软件和STEP7 西门子编程软件。

2.2 硬软件特点

（1）硬件

SIMATIC H1 网是德国西门子公司开发的一种基于TCP/IP 协议的标准以太网， 它具有连接简单、便于扩展、速度快及兼容性好等优点。板坯连铸机自动化控制系统采用屏蔽双绞线通讯电缆或光缆作为SIMATIC H1 网的连接介质， 有效地实现了工业以太网数据传输过程中的抗干扰功能， 保证了系统运行的可靠性；SIMATIC Profibus DP 网是西门子公司开发的一种基于现场总线技术的设备网， 它的特点是可以在PLC， 即可编程序控制器与现场设备之间交换数据。该控制系统采用屏蔽双绞线作为ProfibusDP 网的连接介质。SIMATIC 400 站是西门子公司的拳头产品， 无论在控制速度、精度还是抗干扰性、灵活性等方面都处于PLC 产品的领先地位。

（2）软件

此系统是微软公司最出色的产品之一， 也是世界上应用最广泛的软件平台。该板坯连铸机自动化控制系统选用Windows NT 4.0 中文版操作系统。Wincc6.0 工控软件是西门子公司近期推出的可靠性较高的工控产品， 不但可以画出逼真的图形， 而且还能将现场数据快速地显示在屏幕上， 使用屏幕上制造出的按钮取代真正的按钮， 完成对现场设备的软操作；它可以将数据按时间存放在数据文件里， 供历史趋势文件调用显示， 以便分析事故和改进工艺。它可以利用Windows DDE（ 动态数据交换） 功能把SQL 数据库的数据传送到Office Excel 文件和OfficeAccess 文件， 从而实现报表打印和数据查询功能。STEP7 是西门子公司为S7- 400 和S7- 300 系列PLC设计的编程软件， 它能完成庞大的逻辑控制和复杂的调节控制。它的组织块、功能块及数据块相结合的编程理念能够满足各种控制要求。因此，WindowsNT 4.0、Wincc6.0 和STEP7 可以说是板坯连铸机自动化控制系统中的“ 三剑客”， 能共同完成对连铸系统的监视控制任务。

3、系统配置

板坯连铸机自动化控制系统中3 个SIMATIC400 站、1 套SIMATIC 300 站、一套SIMATIC 200 站通过西门子CP443 和CP343 接口模块挂在一个SIMATIC H1 工业以太网上完成控制功能（ 见图1） ，同时6 套研华工业微机也通过西门子CP1613 网卡挂在同一个SIMATIC H1 工业以太网上完成监视和操作功能。SIMATIC 400 各站通过以太网互相交换数据， 公共和铸流部分SIMATIC 400 站通过现场总线Profibus DP 网与各个远程I/O 进行数据通讯。铸流控制系统的SIMATIC 300 站作为一个远程I/O 分站与主站进行数据交换。公共部分控制系统的SIMATIC400 站通过现场总线Profibus DP 总线与大包回转台和中间罐车等配备了CBP 2 通讯板的变频器进行通讯和控制。铸流SIMATIC 400 站通过现场总线Profibus DP 总线与SIMATIC 6SE70 交换数据， 并且在同一个Profibus DP 网上挂了一个工业触摸屏MP270 对结晶器调宽或液压振动进行控制和监视。

图1 板坯连铸机自动化控制系统配置

4、难点分析及解决措施

（1）数据通讯

板坯连铸机自动化控制系统中各站之间的数据通讯方式各异， 其中∶SIMATIC 400 PLC 与SIMATIC400 PLC 之间是通过SIMATIC H1 工业以太网通讯，编程使用FC5（ 发送数据功能块） 和FC6（ 接收数据功能块） ；SIMATIC 400 PLC 与SIMATIC 300 PLC 之间是通过现场总线Profibus DP 网通讯， 编程使用SFB15（ 存放数据功能块） 和SFB14（ 得到数据功能块） ；SIMATIC 400 PLC 与SIMATIC 6SE70 之间是通过现场总线Profibus DP 网通讯， 编程使用SFC14（ DP读功能块） 和SFC15 （ DP 写功能块） ；SIMATIC 400PLC 与Wincc 之间的数据通讯通过SIMATIC H1 工业以太网通讯， 使用SIMATIC NET 软件完成CP1613网卡的设置。特别是FC5、FC6、SFB15、SFB14、SFC14及SFC15 功能块必须在OB32 （ 1s 时间中断组织块）中调用。

（2）装送引锭杆控制

装送引锭杆是连铸机控制系统的一个关键环节， 一旦控制失败将导致炼钢失败， 甚至引发安全事故。该系统引进了“ 激光对射装置”， 为系统提供初始信号， 并采用增量编码器（ 每圈20 个脉冲） 对引锭杆的位置进行跟踪控制。实践证明， 这种方法可靠， 其精度可达10mm 左右。为接收计数脉冲， 特选用西门子高速计数模块， 软件使用FC0（ 高速计数功能块） 。鉴于以往的使用经验， 为防止丢失脉冲而发生不稳定情况， 建议采用轴套型增量编码器， 直接将编码器装到电机的输出轴上， 这样定位会更加准确。

（3）PID 调节

板坯连铸机炼钢过程中对于水流量、水压力、氩气流量、液面控制及钢包温度等方面控制要求很高，均需要有稳定的值。该系统采用西门子SIMATIC400 PLC 取代智能仪表， PID 调节在STEP7 中使用FB41（ 连续PID 调节控制） ， 在Wincc6.0 中使用画图功能模拟一个PID 调节器的操作面板， 能够很好地完成PID 调节控制中的手/自动切换、给定值输入、手动输出值输入及PID 参数（ 比例系数、积分时间）输入等功能。

（4）中间包的水平调节

中间包车采用液压升降式高低腿的样式， 在液压缸内装设位置传感器以保证中间包水平。若中间包有足够的水平面， 就能保证钢水中的夹杂物在中间包内得到充分地上浮， 同时还能减少钢水旋流的形成。中间包的水平调节方法是先对单个液压缸位置的变化进行PID 调节运算， 然后根据各个液压缸的位置进行平均计算， 最后把这个平均数值传送给执行阀组， 以求出最佳水平效果。

（5）标准化编程

标准化编程主要体现在以下几个方面：

·根据设计图纸编制各系统的地址表（ 包括图纸设计和硬件配置的对应关系） ; ·根据地址表填写Wincc6.0 SQL 数据库; ·根据地址表编制STEP7 符号表; ·根据地址表找出各控制设备的输入/输出点号， 据此定义下列STEP7 使用的中间线圈点号：模拟手/自动转换选择开关；启动按钮、停止按钮（ 对单线圈的泵或电磁阀） ；开启按钮、关闭按钮、停止按钮（ 对双线圈的电动阀） ；手动输出值、给定值、比例系数、积分时间（ 对PID 调节阀） ；再根据各控制设备的输入/输出点号和中间线圈点号编制各控制设备的手动程序; ·最后根据设计说明书编制各控制设备之间的逻辑连锁程序， 即自动程序。

（6）画面强制

由于大型钢厂自动化控制系统涉及的控制设备很多且工艺复杂， 致使主要设备动作的诸多条件很难同时满足控制要求。为了调试程序的需要， 在画面上增设许多选择开关， 当某开关置为“ 1”时， 就假设此条件满足。当所有条件满足时， 程序就可以对设备上增设许多选择开关， 当某开关置为“ 1”时， 就假设此条件满足。当所有条件满足时， 程序就可以对设备进行操作， 而不必再等待实际条件满足。在生产中有时某设备出现临时故障， 为不影响正常生产， 也可以在画面上强制， 直到设备修好， 再把强制解除即可。

5、结论

实践证明， 西门子S7- 400 系列PLC 的硬、软件是完全适用于大中型成套系统控制的可编程序控制器。该系统综合集成了西门子公司PLC网络结构实现了板坯连铸机基础自动化与过程自动化控制， 能共同完成对连铸系统的监视控制任务。实践证明：该系统安全稳定， 既可提高生产效率， 又可改善工作环境， 完全能满足生产要求， 为用户取得了较好的经济效益。