S7-400及其网络和信息集成技术在3#高效连铸升级改造的应用

概述 天铁集团炼钢厂四机四流3#方坯连铸机采用高效连铸技术，其生产能力与转炉、LF精炼炉生产相匹配，连铸机采用全弧型渐近矫直机型，连铸半径为6m，钢坯定尺长度为12000mm，可以有效保证向带钢、天津轧二等用户提供多规格高质量无缺陷铸坯。 升级改造所要求达到的技术目标： (1) 保留原有现场各类仪表同时要求将分布于现场中的所有仪表量全部进PLC设备进行模拟量线性化处理，实现实时监控、实时报警、参与控制。 (2)为了便于工艺监督部门对一些重要数据的监督、分析，对所提出的监控数据作连续不间断的曲线记录，以便分析查询。 (3) 改善二冷水配水调节方案及冷床区液压改造。 (4) 拉矫机与结晶器连锁控制，闭环调节满足工艺函数要求，提高钢坯质量。 (5) 故障查询系统的建立，提高快速查询和排除电器故障的能力。 (6) 优化3#连铸机计算机网络的配置，为炼钢厂CIMS工程的开展准备条件。 CIMS工程的提出，为3#高效连铸机的改造提出了更高要求： CIMS体系结构及工业数据结构的层次划分 根据工厂管理、生产过程及功能要求，简化的CIMS体系结构可分为3层，即工厂级、车间级和现场级。如下图1所示。

工厂底层自动化系统及信息集成技术 现场总线是计算机网络通信向现场级的延伸：传统的现场层设备与控制器之间的通信采用一对一连线的方式，传输4-20mA/24VDC信号。这种通信技术信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的"信息孤岛"，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。现场总线技术采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络， 成为企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。 1． 现场总线技术是实现工厂底层信息集成的关键技术： 要成功的实施CIMS，各层次的信息集成及它的支撑技术-计算机网络问题就必须得到很好的解决。现场总线是工厂计机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 2 现场级和车间级自动化监控与信息集成是工厂自动化及CIMS不可缺少的重要部分 现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制、连线控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级MIS系统数据库提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级监控及信息集成系统是实现工厂自动化及CIMS系统的基础。 根据以上问题的提出紧密结合现场实际情况，以及SIMS工程对PLC网络的高要求为作到自控系统具有高性能、高安全性；网络构架合理、简单、具有扩展性等多方面的研究，最后制拓扑图如下：

从上网络拓扑图可以看出，3#高效连铸机控制系统由基础自动化级和过程控制级组成，其中基础自动化级配备一套公用PLC、2套分流PLC，分别对连铸机实施顺序和逻辑控制。控制系统采用了西门子S7-400系列PLC，下挂Profibus-DP网，并通过从站ET200M将液压站和配水站控制信号接入工业控制网络，真正实现了“集中管理，分散控制”的目的。同时，全数字化通信模式的抗干扰能力强、测量控制精确度高，借助数字双向传输的特点和先进的设备管理软件，可实现参数远程设定，采集丰富的仪表信息，有利设备故障诊断，改善管理状况。过程控制级由二级计算机构成，通过工业以太网与基础级的PLC相连，并依靠控制模型和数据库对一级控制系统实施指导、管理和跟踪。WinCC 人机界面可显示运行图、棒图、趋势图、报警、设定等画面和图表，并进们与上位机构成了一个集中管理、分散控制的全部生产的连铸计算机自动控制系统。 一 系统组成 　　1. 网络配置 上位机（WinCC 操作站）与3台PLC设备之间的数据交换，通过工业以太网利用OSM（光纤切换模块）、CP1613卡（WinCC操作站通讯卡）、CP 443－1通讯模块（PLC设备模块）通过TCP/IP协议来实现连接。主要完成现场实时数据的采集线性化与显示，PLC部分参数的调整与修改以及重要数据的报警以及网络的扩展性等问题的解决。 3台PLC设备的连接通过CPU 414－2DP模块（PLC设备中央处理器）的MPI接口连接，组成网络实现数据共享。主要完成同一个控制点控制不同PLC设备输出给现场设备的作用。 PLC设备与变频器的网络连接是通过CPU 414－2DP 所带的PROFIBUS DP 接口与变频器适配器RS485 接口转 PROFIBUS接口设备）相连接，组成各自的网络进行数据交换，实现网络控制。主要实现拉矫机变频器与结晶器变频器根据一定的数学模型进行控制字与状态字的读写功能。 　　主站PLC通过IM467与从站ET200M之间实现PROFIBUS DP通讯，将现场分布复杂且繁多的模拟量先采集至现场的从站ET200M,然后通过一根DP网线传送至主站并接受主站的控制信号，这样大大节约了现场施工的难度可以缩短施工时间，同时节约大量电缆和占用主站的模板，可以节约30%的设备费用。 2. 软件配置 　　 　　 操作站软件为WinCC (5.0SP1版)软件，网络平台为Windows NT 4.0，WinCC自带数据库，并提供监控画面和PLC组态工具。S7组态软件为STEP7(5.1SP)，内嵌西门子过程设备管理软件PDM。 　　二 系统功能 2.1 控制要求 2.1.1 分流部分 *钢水液面及电磁搅拌控制。 * 二冷水（零段、一段、二段、三段）流量PID控制； *定尺切割和火焰切割自动控制； *拉矫机速度和结晶器振动连锁同步控制； *引锭杆、传送辊道控制； 2.1.2 公用部分 *公用数据采集，如大包温度、结晶器水流量的数据采集； *大包转台和中间包小车控制； *步进冷床液压缸同步PID调节； *液压站控制。 2.2 生产过程管理 2.2.1 参数设定和修改 将工艺人员提供的不同钢种和截面工艺参数值制成表格存放在计算机中，操作人员可根据生产要求：选择当前浇铸所需的钢种和截面等参数，实时显示拉矫机拉速、结晶器振动频率、定尺长度、二冷水流量参数等，并可在线修正火切机切割时间；设定拉矫(V1,V2)和结晶器(n1,n2)参数。二冷配水数学模型设置在上位机里，根据钢种、断面尺寸等输入参数进行计算，经数学模型运算得到的各回路配水参数ai、bi、ci传送至PLC控制器，由PLC通过DP总线将各段配水参数传至现场总线控制器进行配水的实时动态控制。 2.2.2 操作监视 操作站上的监控画面由主画面和30多幅子画面组成，全面直观反映了3#连铸机的全流程生产线。画面之间切换用鼠标简单的击点工艺画面键或功能批示键即可。系统操作十分简便。 画面主要功能有：工艺总貌图、拉矫机和结晶器系统画面、站画面、二冷水控制画面、反映网络系统配置的示意图，变频器事故报警图、火切机时间设定画面、PLC模板监视图监控操作站和PLC的工作状态，并监视操作站与PLC、PLC与PLC之间的通讯网状态为网络系统的维护提供更直观的帮助。 2.2.3 实时趋势和历史趋势： 对主要的过程参数编制实时趋势和历史趋势曲线，存储时间按若干小时设定，便于对故障进行分析或优化工艺参数的设定计算； 2.2.4 系统报警功能 在连铸浇铸过程 ，各类工艺参数或设备发生异常时，除了它们所在的画面会自动显示出来，故障总表中会记录事故发生的时间、来源和恢复的时间，此外，还伴有声光提示操作人员。便于找出故障原因并予以排除，提高了现场处理故障的能力。 　 结束语： 1．从工厂底层自动化及信息集成技术角度看，现场总线技术不是一项单纯的以芯片换电缆的技术，是计算机及其数字化通信技术向工厂底层，即设备层的延伸;现场总线技术是工厂底层通信技术的一次数字化革命。 2．工厂底层自动化及信息集成技术是实现全厂自动化及CIMS系统的基础。现场总线技术的发展，使其传统系统结构发生变革，并带来传统系统无法比拟的优异特性，如丰富的现场信息资源、系统的开放性、产品的可互换性。 3. 天铁集团炼钢分厂3#高效连铸机计算机自动控制系统成功地将Profibus总线技术应用于生产全过程，提高了系统的控制水平和可靠性，同时降低了运行成本。由于采用Profibus-DP总线，节省了仪控系统的相关硬件费用，如I/O模块、电源隔离器、控制柜、控制室方面的费用和施工布线的费用，与常规系统相比，仅仪控系统就比原概算节省30%的投资。另外，内嵌的过程设备管理软件PDM，减少了所需其他软件的种类，也降低了相关软件费用。充分运用工业网络、现场总线技术和多媒体技术，将PLC与操作站、PLC与PLC、PLC与分布式I/O站有机地连接起来，实现快速、准确的控制。