馬鋼第三煉鋼廠六機(jī)六流方坯連鑄機(jī)采用高效連鑄技術(shù)，其生產(chǎn)能力與轉(zhuǎn)爐、LF—VD精煉爐生產(chǎn)相匹配，并可向下游的棒材、高線軋機(jī)提供高質(zhì)量無缺陷鑄坯。連鑄機(jī)的在線設(shè)備，包括結(jié)晶器、結(jié)晶器液面檢測與塞棒控制系統(tǒng)、結(jié)晶器電磁攪拌系統(tǒng)（含冷卻水系統(tǒng)）和液壓振動裝置，均從奧地利的奧鋼聯(lián)（VAI）引進(jìn)。

馬鋼第三煉鋼廠高效方坯連鑄機(jī)采用全弧型漸近矯直機(jī)型，連鑄半徑為8m，鑄坯斷面為140mm×140mm，定尺長度為16000mm，單爐澆注鋼水量為65t，澆注時間為28min/爐，年產(chǎn)合格鋼坯量70.93萬噸，鋼水收得率97%。

連鑄機(jī)控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)自動化級和過程控制級組成，其中基礎(chǔ)自動化級配備一套公用PLC、6套鑄流PLC，分別對連鑄機(jī)實施順序和邏輯控制?？刂葡到y(tǒng)采用了西門子S7-400系列PLC，下掛Profibus-DP網(wǎng)，并通過DP/PA鏈接器將總線儀控設(shè)備接入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，真正實現(xiàn)了“集中管理，分散控制”的目的。同時，全數(shù)字化通信模式的抗干擾能力強(qiáng)、測量控制精確度高，借助數(shù)字雙向傳輸?shù)奶攸c和先進(jìn)的設(shè)備管理軟件，可實現(xiàn)參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)定，采集豐富的儀表信息，有利設(shè)備故障診斷，改善管理狀況。過程控制級由二級計算機(jī)構(gòu)成，通過工業(yè)以太網(wǎng)與基礎(chǔ)級的PLC相連，并依靠控制模型和數(shù)據(jù)庫對一級控制系統(tǒng)實施指導(dǎo)、管理和跟蹤。人機(jī)界面可顯示運行圖、棒圖、趨勢圖、報警、設(shè)定等畫面和圖表，并進(jìn)行系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖和數(shù)據(jù)管理。

一 、系統(tǒng)組成

基礎(chǔ)級采用7套S7-400 PLC作為連鑄機(jī)的控制器，其CPU類型是416-2DP，并帶有通信功能，可與擴(kuò)展單元的IM-153、IM-157通信卡以及變頻器通過Profibus-DP控制網(wǎng)相聯(lián)，其中擴(kuò)展單元采用ET-200M和鏈接器（DP/PA）作為子站?？刂栖浖镾TEP 7，并集成西門子過程設(shè)備管理軟件PDM。控制級采用西門子工控機(jī)作為監(jiān)控站，與PLC通過快速工業(yè)以太網(wǎng)（基于TCP/IP協(xié)議）連接，系統(tǒng)運行西門子公司基于Windows NT 4.0的WinCC軟件。

1. 硬件構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成如附圖所示（因篇幅限制，圖中僅給出了公用系統(tǒng)的配置，鑄流部分與之類似）。

圖中PC1、PC2、PC3分別為上位機(jī)監(jiān)控站；PLC0至PLC6分別為公用系統(tǒng)控制站和一至六流的主PLC；6個ET200為電控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程站，分別為MCC站、結(jié)晶器振動液壓站、拉矯液壓站、出坯和火切站、兩個主控站；大包回轉(zhuǎn)變頻器、中間包行走變頻器、移鋼機(jī)變頻器、U/V冷床變頻器均通過Profibus-DP接口掛在DP總線上。DP/PA鏈接器為S7-400 PLC的從站之一，同時又是現(xiàn)場總線儀控設(shè)備的PA主站，由網(wǎng)絡(luò)部件耦合器實現(xiàn)所有Profibus-PA總線檢測儀表與DP總線的鏈接，在傳輸更多檢測、控制信息的同時亦可獲取總線設(shè)備自診斷信息。

2. 軟件配置

操作站軟件為WinCC （5.0SP1版）軟件，網(wǎng)絡(luò)平臺為Windows NT 4.0，WinCC自帶數(shù)據(jù)庫，并提供監(jiān)控畫面和PLC組態(tài)工具。S7組態(tài)軟件為STEP7（5.1SP），內(nèi)嵌西門子過程設(shè)備管理軟件PDM。

二 、連鑄機(jī)主要的控制系統(tǒng)

1. 鋼水溫度測量系統(tǒng)

經(jīng)轉(zhuǎn)爐爐外精煉處理后的合格鋼水到達(dá)鋼水接收跨，由起重機(jī)將鋼包吊運到鋼包回轉(zhuǎn)臺受包側(cè)，回轉(zhuǎn)180°過跨至澆注側(cè)定位。然后由人工使用一次性快速S型熱電偶測出鋼水溫度，并將溫度信號同時傳至PLC和大屏幕顯示器。

工藝工程師根據(jù)鋼水溫度和所要澆注的鋼種，通過HMI從二級系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫中調(diào)出相應(yīng)鋼種的澆注參數(shù)，并可根據(jù)需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

2. 鋼水稱量系統(tǒng)

大包和中間包稱重裝置采用德國Schenck公司產(chǎn)品，其稱重梁式傳感器DWB具有安裝、維護(hù)方便的優(yōu)點，同時其內(nèi)置的溫度檢測元件還可給系統(tǒng)提供稱重傳感器的實時工作溫度。大包每側(cè)回轉(zhuǎn)臂和中間包均配置了4個傳感器，測量信號經(jīng)控制器DISOMAT-S處理后，通過控制器自帶的Profibus-DP接口，將鋼水重量信號由DP總線傳輸至PLC，PLC則以BCD碼的形式將重量信號傳輸給大屏幕進(jìn)行顯示。稱重控制器具有去皮、參數(shù)設(shè)定、校驗等功能。

3. 結(jié)晶器液面自動檢測及塞棒控制系統(tǒng)

結(jié)晶器液面采用全色137（Cs137）液面檢測裝置，與直流伺服電動機(jī)塞棒執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成閉路自動控制系統(tǒng)，根據(jù)液面波動情況自動調(diào)節(jié)塞棒開口度，從而控制流入結(jié)晶器內(nèi)的鋼水量，穩(wěn)定澆注操作。結(jié)晶器液壓振動裝置采用仿弧精確度高、維護(hù)量小、使用壽命長的全液壓板簧導(dǎo)向振動器，其線性及非線性振動曲線、頻率、振幅實時在線可調(diào)，以適應(yīng)高拉速和高鑄坯表面質(zhì)量的要求。控制系統(tǒng)采用西門子C7 633DP的PLC，通過DP總線與主PLC通信。

4. 二冷水動態(tài)控制系統(tǒng)

a. 控制原理

連鑄機(jī)二冷區(qū)是連鑄坯冷卻唯一可控制的區(qū)域，二冷區(qū)配水?dāng)?shù)學(xué)模型采用鑄坯表面溫度控制法實施冷卻水量分布與動態(tài)控制，保證在任一澆注條件下，使冷卻水量隨拉速連續(xù)變化，且水量沿拉速方向按最佳狀態(tài)分布，以控制鑄坯表面溫度符合目標(biāo)溫度。

當(dāng)輸入工藝及介質(zhì)參數(shù)、各鋼種的熱物性參數(shù)及計算條件、設(shè)備及鑄坯參數(shù)后，通過計算，可得到各段的水流密度、表面溫度、凝固殼厚度、液相穴深度和水量參數(shù)。根據(jù)鑄坯表面目標(biāo)溫度分布和數(shù)學(xué)模型計算，在其他因素確定的條件下，確定二冷區(qū)各段冷卻水量Qi與鑄坯拉速V的關(guān)系為：

Qi=aiV2+biV+Ci （i=1，…， 12）式中， ai、bi、ci——由鋼種和鑄坯斷面尺寸等各項因素所確定的系數(shù)，i——冷卻回路序號。

二冷配水?dāng)?shù)學(xué)模型設(shè)置在上位機(jī)里，根據(jù)鋼種、斷面尺寸等輸入?yún)?shù)進(jìn)行計算，經(jīng)數(shù)學(xué)模型運算得到的各回路配水參數(shù)ai、bi、ci傳送至PLC控制器，由PLC通過DP總線將各回路配水參數(shù)傳至現(xiàn)場總線控制器進(jìn)行配水的實時動態(tài)控制。

b. 過程現(xiàn)場總線配置

儀控系統(tǒng)全部通過Profibus-PA現(xiàn)場總線方式完成檢測與控制。Profibus是國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的8個子集之一，其通信模型為7層結(jié)構(gòu)，協(xié)議包括3種規(guī)格：Profibus-FMS、Profibus-DP、Profibus-PA。其中Profibus-FMS屬于系統(tǒng)總線，主要應(yīng)用于車間級網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，物理結(jié)構(gòu)為RS485，傳輸速率為9.6kb/s～12Mb/s。Profibus-DP屬于設(shè)備總線，主要應(yīng)用于復(fù)雜現(xiàn)場設(shè)備和分布式I/O，物理結(jié)構(gòu)為RS-485，傳輸速率為9.6kb/s～12Mb/s。Profibus-PA也屬于設(shè)備總線，主要應(yīng)用于兩線制供電和本安的過程控制儀表，傳輸速率為31.25kb/s，它在保持DP傳輸協(xié)議的同時，增加了對現(xiàn)場儀表的饋電功能，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)是IEC61158-2。

如附圖所示，公用部分的結(jié)晶器進(jìn)水總管的溫度、壓力、流量檢測儀表，二冷水總管的壓力、流量檢測儀表，以及結(jié)晶器進(jìn)水總管的流量控制閥，經(jīng)過DP/PA 鏈接器與DP總線連接。雖然耦合器可以直接掛在DP總線上，但要占用一個DP地址，且無法擴(kuò)充，而每個鏈接器可以擴(kuò)充5個耦合器，并且在非防爆區(qū)每個耦合器最多可掛接30臺非防爆現(xiàn)場總線儀表，所以在平衡經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)可擴(kuò)充性的前提下，鑄流部分和公用部分均采用了一個鏈接器配一個耦合器的硬件配置模式。整個系統(tǒng)采用了Profibus-PA總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總共有7個鏈接器和7個耦合器，分別對應(yīng)公用系統(tǒng)和六流鑄機(jī)的每一流。在這種模式下，PA總線上的智能總線儀表的地址編號將不受DP地址編號的限制，可以在相應(yīng)的耦合器下任意編址，有利于總線設(shè)備的擴(kuò)充和維護(hù)。

5. 尾坯優(yōu)化切割控制系統(tǒng)

二級計算機(jī)根據(jù)中間罐自動稱量信號、定尺優(yōu)化模型和尾坯優(yōu)化切割模型，通過DP總線將控制參數(shù)下傳到出坯和火切遠(yuǎn)程站，自動對尾坯進(jìn)行優(yōu)化切割操作，提高鋼水收得率和成坯率。

三、 結(jié)束語

馬鋼第三煉鋼廠六機(jī)六流高效方坯連鑄機(jī)控制系統(tǒng)在實現(xiàn)“三電一體化”的基礎(chǔ)上，成功地將Profibus總線技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)全過程，提高了系統(tǒng)的控制水平和可靠性，同時降低了運行成本。由于采用Profibus-PA總線，節(jié)省了儀控系統(tǒng)的相關(guān)硬件費用，如I/O模塊、電源隔離器、控制柜、控制室方面的費用和施工布線的費用，與常規(guī)系統(tǒng)相比，僅儀控系統(tǒng)就比原概算節(jié)省30%的投資。另外，內(nèi)嵌的過程設(shè)備管理軟件PDM，減少了所需其他軟件的種類，也降低了相關(guān)軟件費用。尤為重要的是，由于現(xiàn)場總線儀表具有自診斷功能，因此，可以預(yù)先診斷和維護(hù)在線設(shè)備，提前排除故障，減少停機(jī)時間，提高了生產(chǎn)的安全性，同時大大降低了系統(tǒng)運行、維護(hù)費用，為整個高效連鑄機(jī)的安全順產(chǎn)提供了重要的技術(shù)保障。

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