[转帖]基于S7-300 PLC的连铸电气控制系统的设计与实现

基于S7-300 PLC的连铸电气控制系统的设计与实现
摘 要：本文介绍了西门子S7-300 PLC在连铸电气控制系统中的应用，着重讨论了系统的控制对象、控制任务、硬件组成和程序设计，以及在设计中针对连铸系统的控制难点而采取的相应措施。


关键词：连铸机；PLC控制；S7-300 PLC


1 引言

提高连铸自动化水平,对保证铸坯质量、提高连铸机的劳动生产率、增加连铸机的金属收得率起着至关重要的作用。为了提高产品的市场竞争力以及与世界接轨，某炼钢厂于1999年新上两台8流方坯连铸机。这种连铸机一次可拉出8条钢坯，成材率高，是世界冶金生产的发展方向。由于该连铸机流数多，设计拉速高,生产场地狭小，如果由人工手动控制生产流程，容易造成铸坯输送不畅，这一问题在短铸坯生产中尤为严重。因此，在连铸生产过程中实现全自动控制非常重要。


2 控制对象及控制任务

连铸电气控制系统由公用PLC和流用PLC两部分组成。公用PLC的控制对象包括拉矫液压站、推钢机及步进式翻转冷床。其中，拉矫液压站的控制包括油泵启/停控制、电磁溢流阀得电/失电控制、油箱油温控制以及液位高低限和油泵起动故障的声光报警；对于推钢机及步进式翻转冷床，主要是控制推钢机的前进/退回及冷床的正反转及启/停动作。流用PLC的控制对象为引锭杆、火焰切割机、辊道及翻钢机，主要控制自动送引锭过程、切割机全自动/半自动切割、输送辊道启动/停止、翻钢机翻起/退回以及翻钢活动挡板的升/降动作等。


3 控制系统的硬件组成

连铸电气控制系统的上位机采用两台研华工控机，下位机采用18套西门子S7-300 PLC，分别完成两台连铸机公用设备和流用设备的控制任务。

公用PLC采用CP314中央处理单元，由接口模板IM360和IM361实现中央机架和扩展机架之间的数据传送，由 CP342-5通讯模板建立S7-300 PLC与Profibus-S7网络的联接。I/O模块为9块SM321-1FF数字输入模块及6块SM322-1HF数字量输出模块。流用PLC设计为一套PLC单独控制一流生产设备，其构成与公用PLC 的不同之处在于:(1)流用PLC使用2个扩展机架;(2) I/O模块为10块SM321-1FF、1块SM321-1BH和9块SM322-1HF。

两台连铸机的控制硬件组成完全相同，图1为一台连铸机的电气控制系统PLC硬件配置图。



4 控制系统的设计策略

4.1 拉矫液压站

拉矫液压站为自动工作方式时，首先进行工作油泵的选择。当系统压力≤5.5Mpa时,工作油泵启动，经过1分钟延时后相应的电磁阀得电，油泵向系统供油；当系统压力≥7Mpa时, 电磁阀失电，油泵停止供油。为了保障异常状况时的设备安全,在油泵和电磁阀的控制回路中串入了油箱液位低限信号,以保证在管路严重泄漏而造成低液位报警时,延时一段时间后系统自动关闭油泵和电磁阀。此时,不但在拉矫液压站进行声光报警,而且相应的报警信息也将显示在上位机的监控画面中。

4.2 自动送引锭过程

自动送引锭过程的控制主要是引锭杆存放电机和拉矫机的运转/停止以及拉矫辊和脱矫辊的自动抬起/压下。在连铸生产中要切实保证操作的安全，这一点在引锭杆工作过程的控制中尤为突出，因为如果引锭杆控制不当，不但会导致巨大的经济损失，严重的还会危及人身安全，因此在程序设计中采用了限位开关和时间联锁的双重控制方案，即在正常情况下，由限位开关完成设备的控制；如果限位开关发生故障，则由计时器实现控制功能，从而确保了控制的可靠性和操作的安全性。

4.3 铸坯切割过程

在自动工作状态下,铸坯切割分为全自动和半自动两种方式。全自动方式的切割指令为定尺仪发出的定尺信号；半自动切割方式为当铸坯达到定长时，人为发出切割指令。在接收到切割指令后，抱夹缸电磁阀及预热燃气、预热氧、切割氧电磁阀分别得电，切割机开始进行铸坯切割。当铸坯切断后，上述电磁阀一并失电，回程缸电磁阀得电，切割机返回至初始位置。经延时后回程缸电磁阀失电。至此，铸坯的自动切割过程结束。

4.4 辊道输送及翻钢过程

辊道输送系统包括剪前I组辊道、剪后II组III组辊道及冷床IV组辊道。在冷床IV组辊道上，按铸坯输送方向依次布置了1#～3#控制挡板及1#～3#活动挡板。剪前I组辊道主要用于连铸浇钢结束时的尾坯处理，在程序中仅做正反转互锁设计。因此，该部分的控制对象是剪后II组、III组辊道、冷床IV组辊道及翻钢机，而且生产铸坯的长度不同，程序设计亦有所不同，即12米长铸坯的输送及翻钢控制仅使用3#控制挡板及1#活动挡板的动作信号, 3.2米短铸坯的辊道及翻钢控制设计则需要使用1#～3#控制挡板及1#～3#活动挡板的动作信号。

4.5 推钢机

推钢机的工作行程由主令控制器的推钢接点和退回接点控制，其控制设计主要基于安全联锁方面的考虑：（1）步进式翻转冷床工作时,禁止推钢机推钢；（2）为了避免推钢机动作时推头与正在翻钢过程中的翻钢机冲突,在推钢机进行推钢时,翻钢机禁止翻钢；（3）推钢机完成一个推钢周期后,解锁对翻钢机的动作封锁,翻钢机可以进行下一个翻钢过程。

4.6 步进式翻转冷床

步进式翻转冷床的反转一般仅用于缩短冷床上铸坯的存放间隔，冷床的正转动作则可以实现铸坯输送。冷床的正反转停止动作由安装在减速机轴上的主令控制器的正反转接点进行控制。由于停止在上齿位的冷床会阻碍推钢机的推钢操作，因此要保证冷床停止时停在下齿位，这一控制任务通过精确调整主令控制器接点来实现。

冷床处于自动工作方式时，如果冷床在推钢机退回后马上动作，则会与推钢机发生碰撞，造成设备损坏，所以，程序中设计推钢机退回动作一段时间后，冷床方可连续正转。另外，应根据冷床电机转速、减速机减速比及主令控制器减速比等技术参数精确计算冷床正转动作时间，以确保冷床连续正转8周，从而完成一次最多8根铸坯的输送工作。程序设计还保证了主令接点的闭合动作将立即停止冷床，从而避免了在控制冷床停止时，电机的惯性造成主令接点旋即打开从而使得冷床继续动作而无法停下来的情况。


5 结束语

连铸系统的控制要点及难点主要有两个方面：（1）确保操作安全。如前所述，在引锭杆的控制中着重考虑了这一点，因此在程序设计中采用了限位开关和时间联锁的双重控制方案，即在正常情况下，由限位开关的动作控制引锭杆存放电机停止；当限位开关失灵时，则由计时器完成这一功能，从而确保了控制的可靠性。S7-300 PLC功能齐全的计时器指令为这一功能的实现带来设计上的便利。（2）各部分之间存在着复杂的联锁关系。如必须在闭锁现场操作箱和平台操作箱的前提下才能在操作台进行自动送引锭操作，而当引锭杆工作方式转为手动时，应该自动解除对现场操作箱和平台操作箱的操作闭锁；又比如，为了避免推钢机推头动作时与正在翻钢过程中的翻钢机冲突，在翻钢机的控制中，设计了翻钢机翻钢后的动作自锁和推钢机完成一个推钢周期后对翻钢机的操作解锁。诸如此类的复杂联锁关系还有很多，在此不作一一赘述。借助于S7-300 PLC的闭锁及解锁指令可以很方便、灵活地实现这些复杂的联锁任务，从而确实保证了控制的严谨与可靠。

另外，S7-300 PLC丰富的网络功能可以充分满足不同控制系统的需求。S7-300 PLC既有快速响应远程I/O的Profibus-DP网络，又有采用西门子内部优化协议─S7 functions 协议的Profibus-S7网络，等等。在该系统中，由于公用PLC与流用PLC在控制功能上相对独立，而且彼此之间需要互相传送数据，因此不宜于采用主从方式的DP 网络结构，故采用了Profibus-S7网络。公用PLC与流用PLC的CP314中央处理单元均由CP342-5模块建立与网络的连接，因此，2台公用PLC、16台流用PLC及2台上位机均为Profibus-S7上的主站，各站之间的通信由FDL（fieldbus data link）完成，通过FDL便利的连接组态和简单的编程工作，很容易地实现了连铸控制系统的要求。

实践证明,该系统设计合理,安全可靠,减轻了工人的劳动强度,提高了生产效率，为唐钢取得良好的经济效益以及通过产品结构调整增强市场竞争力提供了技术上的保障。同时也充分地表明，西门子S7-300 PLC在唐钢连铸电气控制系统中的应用是非常成功的。