（控制理论与控制工程专业论文）宝钢板坯连铸试验平台自动控制系统的开发.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 宝钢板坯连铸试验平台自 动控制系统的开发 摘要 本文是根据作者在上海宝山钢铁公司亲身参加过的项目 一 “ 宝钢板坯连铸试 验平台建设工程”完成， 详细介绍了板坯连铸这一当今世界上最流行的铸钢技术， 对整个连铸机的设备和主要工艺流程进行了阐述。在自 动控制系统的设计上，把 系统分为l i 基础自 动化级和l 2 过程控制级两个层次，其侧重点各有不同。 作者对l 1 基础自 动化级的设计进行了认真研究，在理论的基础上，采用当今 工控界流行的p c s 7 系统， 较好地实 现了 连铸试验 平台 各个设备的单体运转控制和 联动控制，满足了工艺要求。铸钢过程中，结晶器的在线调宽、扇形段的夹送辊 控制和开口度控制等工艺都是连续铸钢技术里比较前沿的研究课题，本文对此进 行了 探讨，提出了 较详细的控制方案。 本设计方案采用西门子高性能 p l c s 7 - 4 0 0 作为主站， 通过p r o f 工 b u s 总线与从站e t 2 0 0 进行通讯，在h m i 上用w 工 n c c 画面监 控现场设备运转情况。此外，还采用了 变频器、 编码器等先进的控制技术。这些 技术都是当今工厂自 动化行业内比 较成熟的技术，提高了可靠性，降低了开发风 险。 又不失为先进性，体现了时代的潮流。 l 2 过程控制级负责生成生产计划和标准，进行过程数据收集和一些控制数据 的设定。方案设计考虑了系统的先进性、可靠性、开放性和可扩展性，最大限度 地采用数据库技术和图形窗口 技术， 使得系统结构扩展方便，能够较好地适应今 后发展。采用的技术与设备代表了当今计算机技术与管理技术的先进水平。 关键词连铸，p l c , w 工 n c c , l 1 基础自 动化级， l 2 过程控制级 东北大学硕士学拉论文 ab s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t o f a u t o c o n t r o l s y s t e m o f t h e t e s t i n g co n t i n u o u s s l a b ca s t e r i n baos t ee l ab s t r a c t t h i s d i s s e r t a t io n i s b a s e d o n t h e p r o j e c t o f c o n s t r u c t i o n o f t h e t e s t i n g c o n t i n u o u s s l a b c a s t e r in b a o s t e e l . i t p r e s e n t s t h e m o s t p o p u l a r t e c h n o l o g y o f c a s t in g i n d e t a i l a n d e x p l a in s t h e f a c i l i t i e s a n d fl o w o f t h e w h o l e c o n t i n u o u s s l a b c as t e r . i n t h e d e s i g n o f a u t o c o n t r o l s y s t e m , w e d i v i d e t h e s y s t e m i n t o t w o p a rt s : l l b a s i c a u t o m a t i o n l e v e l a n d l 2 p r o c e s s c o n t r o l l e v e l t h e a u t h o r r e s e a r c h e d t h e d e s i g n o f l l b a s i c a u t o m a t i o n l e v e l e a r n e s t l y a n d a d o p t e d t h e p o p u l a r p c s 7 c o n t r o l s y s t e m , w h i c h m e t t h e r e q u e s t o f i n d u s t r i a l fl o w . i n t h e c o u r s e o f c a s t i n g , t h e m o d u la t i o n o f w i d t h a t c ry s t a l m a c h i n e , t h e c o n t r o l o f r o l l e r s a n d h a t c h a t f a n - s h a p e d s e g m e n t a r e d i f f i c u l t p r o b l e m s i n t h e t e c h n o l o g y o f c o n t in u o u s c a s t i n g . t h e y a r e d i s c u s s e d i n t h e d i s s e rt a t i o n . a k i n d o f c o n t r o l t e c h n i q u e i s r a i s e d p a r ti c u l a r ly . i n t h i s t e c h n i q u e , s i e me n s 5 7 - 4 0 0 p l c i s a m a s t e r s t a t i o n a n d c o m m u n i c a t i n g w it h s l a v e s t a t io n e t 2 0 0 b y p r o f i b u s . wi n c c m e n u t a k e s c h a r g e o f t h e s u r v e i l l a n c e o f t h e o p e r a t i o n o f f a c i l it i e s i n s p o t . i n a d d i t i o n , t r a n s d u c e r a n d c o d e r a r e a l s o a d o p t e d . t h e t e c h n i q u e i s c r e d i b l e , a d v a n c e d a n d w e l l - r o u n d e d i n f a c t o ry a u t o m a t i o n t o d a y . l 2 p r o c e s s c o n t r o l l e v e l t a k e s c h a r g e o f m a k i n g c r i t e r i o n a n d p l a n o f p r o d u c t i o n , c o l l e c t i n g p r o c e s s d a t a , e n a c t i n g s o m e p a r a m e t e r s a n d c a l c u l a t i n g s o m e m a t h e m a t i c m o d e l s . t h e d e s i g n c o n s i d e r e d t h e s y s t e m a s a d v a n c e d , c r e d i b le , e x o t e r i c a n d d i s t e n s i b l e , a d o p t e d t h e t e c h n o l o g y o f d a t a b a s e a n d g r a p h i c a l i n t e r f a c e s . s o t h e s y s t e m c a n b e e x t e n d e d e x p e d i e n t l y a n d a d a p t t h e d e v e l o p m e n t i n t h e f u t u r e . t h e t e c h n o l o g y a n d f a c i l it i e s r e p r e s e n t t h e a d v a n c e d l e v e l o f c o m p u t e r a n d m a n a g e m e n t . k e y w o r d s c o n t i n u o u s c ast i n g , p l c , wi n c c , l l b a s i c a u t o ma t i o n l e v e l l 2 p r o c e s s c o n t r o l l e v e l 东 北大学 硕士学 位论文声明 倒匕 o口 尸明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 厂 幸 牛 日期:八 二歹 ) , t. y 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导 教师完全了 解东北大学有关保留、 使用学 位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流， 请在下方签名; 否则视为不同意。 ) 学位论文作者签名: 签 字日 期 :公 c lt-o , 9 / 导师签名 签字日期 了 作 牙 浮 t/ 多 牙 1 .r z 了 .一、必， 犷 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章绪论 1 . 1国内外板坯连铸技术的发展 连续铸钢是把高温钢水连续不断地浇铸成具有一定断面形状和一定尺寸规格 铸坯的生产工艺过程，与传统的模铸相比具有生产工序简化、金属收得率高、能 源消耗降低、劳动条件得到改善和连铸板坯质量好等优越性，因而是当前钢铁工 业发展最快的技术之一，并为钢铁企业广泛采用。现在，全世界的连铸比和连铸 坯产量在不断提高，围绕连铸的新技术、新工艺、新设备不断被开发并成功地加 以 推广应用。连铸己成为钢铁生产中必不可少的工艺环节，是否发展连铸技术及 其技术水平的高低己成为衡量各钢铁企业生产、 技术、管理水平的标志之一。 首先回顾一下板坯连铸机的发展历程。1 9 5 4年，世界上最早用于浇铸不锈钢 的立式板坯连铸机在加拿大的阿特拉斯钢厂建成并投产。此后，板坯连铸机在机 型、数量、板坯断面规格、产量、品种、质量、操作工艺、设备和自 动化水平方 面都在不断进步和完善。 为了降低设备高度和便于出坯，6 0年代研制出了对铸坯 在完全凝固后进行弯曲矫直的立弯式板坯连铸机，浇铸的板坯最大尺寸为 2 0 0 x 1 5 0 0 m m 。 但这种连铸机由 于钢水静压力大， 容易出 现铸坯质量问 题，同时设 备仍 然较高， 于是就出 现了能 弥补这些缺点的弧形板坯连铸机。1 9 6 4 年，在前联邦德 国 迪林根钢厂建成了一台能浇铸 2 5 0 x 1 6 0 0 m m板坯的弧形连铸机。以 后为了进一 步降低设备高度，还曾制造了几台多点矫直的椭圆形板坯连铸机，但这种机型明 显存在非金属易在内弧聚集的缺点。因此为保证连铸坯的质量，势必对钢水的纯 净度要求很高。 为了 生产质量要求严格的高级钢， 在7 0 年代又开发出了 在直结晶 器下面带2 m 多直线段， 对带液芯的连铸坯进行多点 弯曲和多点矫直的垂直弯曲 型 板坯连铸机。 1 9 7 4 年日 本川崎制铁所千叶厂建成的n 0 . 2 板坯连铸机就属于这种机 型。目 前，在国外的连铸机型中弧形板坯连铸机仍居主导地位，其数量占 全部连 铸机的 7 0 %以上。虽然垂直弯曲 型板坯连铸机设备复杂一点，但使用它对生产质 量要求严格的高级钢有利。至于椭圆型板坯连铸机，它主要适用于厂房比 较低矮 又 难以 改 造的 情 形 lll 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章绪论 1 . 1国内外板坯连铸技术的发展 连续铸钢是把高温钢水连续不断地浇铸成具有一定断面形状和一定尺寸规格 铸坯的生产工艺过程，与传统的模铸相比具有生产工序简化、金属收得率高、能 源消耗降低、劳动条件得到改善和连铸板坯质量好等优越性，因而是当前钢铁工 业发展最快的技术之一，并为钢铁企业广泛采用。现在，全世界的连铸比和连铸 坯产量在不断提高，围绕连铸的新技术、新工艺、新设备不断被开发并成功地加 以 推广应用。连铸己成为钢铁生产中必不可少的工艺环节，是否发展连铸技术及 其技术水平的高低己成为衡量各钢铁企业生产、 技术、管理水平的标志之一。 首先回顾一下板坯连铸机的发展历程。1 9 5 4年，世界上最早用于浇铸不锈钢 的立式板坯连铸机在加拿大的阿特拉斯钢厂建成并投产。此后，板坯连铸机在机 型、数量、板坯断面规格、产量、品种、质量、操作工艺、设备和自 动化水平方 面都在不断进步和完善。 为了降低设备高度和便于出坯，6 0年代研制出了对铸坯 在完全凝固后进行弯曲矫直的立弯式板坯连铸机，浇铸的板坯最大尺寸为 2 0 0 x 1 5 0 0 m m 。 但这种连铸机由 于钢水静压力大， 容易出 现铸坯质量问 题，同时设 备仍 然较高， 于是就出 现了能 弥补这些缺点的弧形板坯连铸机。1 9 6 4 年，在前联邦德 国 迪林根钢厂建成了一台能浇铸 2 5 0 x 1 6 0 0 m m板坯的弧形连铸机。以 后为了进一 步降低设备高度，还曾制造了几台多点矫直的椭圆形板坯连铸机，但这种机型明 显存在非金属易在内弧聚集的缺点。因此为保证连铸坯的质量，势必对钢水的纯 净度要求很高。 为了 生产质量要求严格的高级钢， 在7 0 年代又开发出了 在直结晶 器下面带2 m 多直线段， 对带液芯的连铸坯进行多点 弯曲和多点矫直的垂直弯曲 型 板坯连铸机。 1 9 7 4 年日 本川崎制铁所千叶厂建成的n 0 . 2 板坯连铸机就属于这种机 型。目 前，在国外的连铸机型中弧形板坯连铸机仍居主导地位，其数量占 全部连 铸机的 7 0 %以上。虽然垂直弯曲 型板坯连铸机设备复杂一点，但使用它对生产质 量要求严格的高级钢有利。至于椭圆型板坯连铸机，它主要适用于厂房比 较低矮 又 难以 改 造的 情 形 lll 东北大学 硕士学位论文第一章 绪论 连铸坯的吨数与总铸坯( 锭) 的吨数之比叫做连铸比，它是衡量一个国家或一 个钢铁工厂生产发展水平的重要标志之一，也是连铸设备、工艺、管理以及和连 铸有关的各生产环节发展水平的综合体现。西方发达国家的连铸技术和生产水平 一 直是领先的，连铸比在不断提高， 全连铸车间和全连铸企业不断出 现，以 连续 铸钢取代模铸一开坯的趋势日 益明 显。 它们的连铸比在7 0 年代末一般都不超过5 0 %，到了9 0 年代，日本、意大利、法国、比利时和德国都已超过或接近9 0 。美 国的连铸技术发展的也较快，同期连铸比接近8 0 %. 我国的连铸技术发展过程大致可分为三个阶段:第一阶段为国内探索试制阶 段。这一时期我国依靠自 力更生建了 一批连铸设备，包括小方坯和小板坯连续铸 钢设备，有的设备经过改造至今还在使用。第二阶段为引进消化阶段。改革开放 以来，根据钢铁工业发展的需要和企业自身发展的需要，我国引进了一批现代化 的连铸设备，并购买了一些国外淘汰的二手设备，方坯、板坯、圆坯等各种连铸 设备相继投产，提高了炼钢工艺水平。 第三阶段为自 行设计阶段。 通过消化引进 设备的技术，或通过与国外合作，我国的钢铁企业提高了自己的设计、制造水平， 开始了自 行设计时期。 经过以上三个阶段的发展，我国连铸装备水平和工艺技术都有很大提高， 特 别是在消化引进后，仿制和自 行设计制造的设备大量增加。 近年来，各大钢铁企 业纷纷推行以 连铸为中心的炼钢工艺的改进，使连铸坯产量不断迈上新台阶，工 艺水平和产品质量均达到国 际水准2 1 9 7 0 - - 1 9 8 0 年，世界连铸比从4 . 4 % 发展到2 8 . 4 %，中国的连铸比从2 . 1 %发展到 6 . 2 %;至1 9 9 0 年，世界和中国的连铸比分别发展到6 2 . 8 %和2 2 . 4 %;到1 9 9 9 年，又分别发展到8 4 . 4 % 和7 7 . 4 %a 2 0 0 0 年中国连铸比发展到8 6 %， 估计世界连铸比为8 7 %左右口 截止2 0 0 0 年1 2 月止， 中国共有3 5 6 台( 1 1 2 3流) 连铸机， 其中 板方坯连铸机分别为6 3 台( 7 8 流) 、 2 7 6 台( 1 0 0 2 流) ， 圆 坯、 异形坯 连铸机分别为1 6 台( 4 0 流) 、1 台( 3 流) 。 这些连铸机中，绝大部分是立足于中国 国内 设计制造的。 从统计数字可以 看出中国的连铸技术在近些年得到了 迅速发展。 1 . 2工程概况 宝钢板坯连铸试验平台建设工程是上海宝钢集团公司重点科研项目之一，主 东北大学硕士学位论文第一章绪论 连铸坯的吨数与总铸坯( 锭) 的吨数之比叫做连铸比，它是衡量一个国家或 个钢铁工厂生产发展水平的重要标志之一，也是连铸设备、工艺、管理以及和连 铸有关的各生产环节发展水平的综合体现。西方发达国家的连铸技术和生产水平 一直是领先的，连铸比在不断提高，全连铸车间和全连铸企业不断出现，以连续 铸钢取代模铸开坯的趋势日益明显。它们的连铸比在7 0 年代末一般都不超过5 0 ，到了9 0 年代，日本、意大利、法国、比利时和德国都已超过或接近9 0 。美 国的连铸技术发展的也较快，同期连铸比接近8 0 。 我国的连铸技术发展过程大致可分为三个阶段：第一阶段为国内探索试制阶 段。这一时期我国依靠自力更生建了一批连铸设备，包括小方坯和小板坯连续铸 钢设备，有的设备经过改造至今还在使用。第二阶段为引进消化阶段。改革开放 以来，根据钢铁工业发展的需要和企业自身发展的需要，我国引进了一批现代化 的连铸设备，并购买了一些国外淘汰的二手设备，方坯、板坯、圆坯等各种连铸 设备相继投产，提高了炼钢工艺水平。第三阶段为自行设计阶段。通过消化引进 设备的技术，或通过与国外合作，我国的钢铁企业提高了自己的设计、制造水平， 开始了自行设计时期。 经过以上三个阶段的发展，我国连铸装备水平和工艺技术都有很大提高，特 别是在消化引进后，仿制和自行设计制造的设备大量增加。近年来，备大钢铁企 业纷纷推行以连铸为中心的炼钢工艺的改进，使连铸坯产量不断迈上新台阶，工 艺水平和产品质量均达到国断水准 2 】。 1 9 7 0 1 9 8 0 年，世界连铸比从4 4 发展到2 8 4 ，中国的连铸比从2 1 发展到6 2 ；至1 9 9 0 年，世界和中国的连铸比分别发展到6 2 8 和2 2 4 ；到1 9 9 9 年，又分别发展到8 4 4 和7 7 4 。2 0 0 0 年中国连铸比发展到8 6 ，估计世界连铸比为8 7 左右。截止2 0 0 0 年1 2 月止，中国共有3 5 6 台( 1 1 2 3 流) 连铸机，其中板方坯连铸机分别为6 3 台( 7 8 流) 、2 7 6 台( 1 0 0 2 流) ，圆坯、异形坯 连铸机分别为1 6 台( 4 0 流) 、1 台( 3 流) 。这些连铸机中，绝大部分是立足于中国 国内设计制造的。从统计数字可以看出中国的连铸技术在近些年得到了迅速发展。 1 2 工程概况 宝钢板坯连铸试验平台建设工程是上海宝钢集团公司重点科研项目之一，主 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 要内容是为上海宝钢研究院设在上海五钢有限公司的连铸试验基地建设一台多功 能板坯连铸试验机组，为连铸生产技术研究、产品开发以及技术改造提供中试平 台，加快形成具有宝钢自主知识产权的连铸工艺技术。新建的板坯连铸机试验机 组将作为试验平台，仅进行试验性的浇铸，不作为常规的生产设备。模型图见图 1 1 所示。 图1 1 板坯连铸试验平台的模型图 f i g 1 1 t h em o d e lo f t h et e s t i n gc o n t i n u o u ss l a bc a s t e r 本工程建设的连铸试验平台，主要功能是为顺利进行各种连铸工艺和设备试 验创造中试环境和提供便利的条件，为集团公司乃至国内其他钢铁企业提供连铸 技术研发手段，为连铸领域主要的发展目标：高效连铸机、铸坯内部均质化技术、 连铸过程清洁技术、合金钢浇铸技术、连铸坯热送热装和薄板坯连铸连轧技术等 的研究提供一台具有国内先进水平的试验铸机。工程建成后将着重开展一系列研 究子项目： 常规连铸结晶器加液芯压下技术生产薄板坯； 板坯连铸结晶器液压振动技术研究； 中间包和水口结构技术研究； 连铸模型技术研究； 薄板坯连铸结晶器研究。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 此外，还将预留结晶器在线调宽技术、结晶器电磁冶金技术、二冷区电磁搅 拌技术、连铸自动开浇技术、铸坯液芯测定技术、凝固末端动态轻压下技术等项 目的研究。以下介绍本连铸平台的试验规模、产品规格、试验钢种和连铸机的主 要技术参数1 3 】。 ( 1 )试验规模： 年试验浇钢炉数：5 0 炉 年作业天数：2 5 天 平均日浇钢炉数：2 炉 日最大浇钢炉数：3 炉 炼钢电炉出钢量：平均1 6t 炉，最大1 8t 炉。 年浇钢量：8 0 0 9 0 0t ( 2 ) 产品规格： 连铸坯厚度：1 2 0 m m ( 科研目标为7 0 m m 、5 0 r a m ) 连铸坯宽度： 5 0 0 1 0 0 0 m m 定尺长度： l o m 板坯重量： 1 0 t ( 3 ) 试验钢种： 普炭钢：钢号s t l 4 、s s 4 0 0 ( 考核钢种) 不锈钢： 2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 系列 特殊钢： 合金含量在3 以上的特钢 高、低牌号硅钢 ( 4 ) 试验铸机主要参数( 如表1 1 所示) 1 3 本人在项目中的主要工作 本文作者从二年级开始在上海实习，直参加”宝钢板坯连铸试验平台机组 建设工程”项目的设计工作。该项目的设计由上海东大自动化公司、宝信软件公 司、西安重型机械研究所、上海冶金设计研究院等单位技术人员组成的项目组承 担，历经一年多的时间，完成了连铸平台的工艺分析、机械和液压控制系统的设 计以及电气控制系统的设计，目前软件程序正在现场调试中。该项目的自动控制 东 北大 学 硕士学 位论文第一章 绪 论 此外，还将预留结晶器在线调宽技术、结晶器电磁冶金技术、二冷区电磁搅 拌技术、连铸自 动开浇技术、铸坯液芯测定技术、凝固末端动态轻压下技术等项 目的研究。以下介绍本连铸平台的试验规模、产品规格、试验钢种和连铸机的主 要 技 术 参 数 3 1 川试验规模: 年试验浇钢炉数: 5 0 炉 年作业天数:2 5天 平均日浇钢炉数: 2 炉 日 最大浇钢炉数: 3 炉 炼钢电炉出 钢量: 平均1 6 t / 炉， 最大1 8 t / 炉。 年浇钢量:8 0 0 9 0 0 t ( 2 ) 产品规格: 连铸坯厚度:1 2 0 m m ( 科研目 标为7 0 m m , 5 0 m m ) 连铸坯宽 度:5 0 0 - l 0 0 0 m m 定尺长度: 7 5 0 c 切割定尺:1 0 . 0 m 东 北大学 硕士学位论文第 二章 连铸试验平台的设备和工艺 切割区行程:9 0 0 0 m m 切 割机运行速度:2 . 5 - 2 4 . 0 m / m i n , v v v f 调速 割枪小车运行速度:0 -3 . 0 m / m i n , v v v f 调 速。 割枪正常切割速度:1 0 0 - 5 0 0 m m / m i n 可调) ( 3 )切下辊道 切下辊道被用来传送铸坯通过切割区， 在切割时，切下辊道速度与铸坯速度 同步:送尾坯时，切下辊道快速将尾坯送出。该组辊道由六个辊子组成，每个辊 子均有单独上下摆动功能( 2 个液压缸驱动下摆) 。 切割时当切割枪靠近某一辊子， 该 辊 子摆下， 切割枪离开 后 该辊子复 位 。 主 要 技 术 参数如 下: 辊子数量:6 个 辊间距:1 5 0 0 m m 辊径:(d 3 2 0 m m 辊道速度:0 . 5 - 2 0 m / m i n , v / f 调速。 驱动方式:组驱动 液压缸:1 2 个 ( 4 )切后辊道 切后辊道 ( 又称为出坯辊道)位于切下辊道和固定挡板之间，用于暂时接收 和停放引锭杆或铸坯。主要技术参数如下: 辊子数量:1 0 个 辊间距:1 5 0 0 m m 辊径:(d 3 2 0 m m 辊道速度:2 0 m / m i n( 不调速) 驱动方式:单独驱动，最后3 个辊子带制动器。 ( 5 )起重机 利用起重机，通过板坯c 形钩将铸坯吊运至铸坯存放架。 主要技术参数如下: 吊 运铸坯长度:4 - - 1 0 m 额定起重量:l o t ( 6 )铸坯存放架 铸坯存放架被用来存放铸坯。主要技术参数如下: 最大存放能力:断面1 2 0 m m x 1 0 0 0 m m 、长l o m 的铸坯四块。 东 北大 学 硕士学 位论文第 二章 连铸试验平台 的 设备和工艺 ( 9 )引锭杆收集、对中及脱锭装置 引锭杆收集装置为电动侧移式，由 集中传动系统、驱动链轮、双节中精密滚 子链、 牵引小车、升角为1 5 的导轨等组成。 利用引锭杆收集装置，送引锭杆时将 引锭杆从离线位置运送上出坯辊道; 铸造时将引锭杆连同铸坯头运回至离线位置。 为了在运送引锭杆的过程中能够准确定位，使用计数器模板处理来自引锭杆收集 小车传动系统的光电编码器信号，确定引锭杆收集小车的走行位置。 对中装置只是在送引锭杆时应用。即运送引锭杆到出坯辊道后，根据引锭杆 收集小车的走行位置发出指令起动对中液压缸，对中装置从原待机位置升起到对 中位，把引锭杆对中。对中液压缸行程由行程开关控制。对中完毕，行程开关发 出信号，液压缸换向，将对中装置返回到原始待机位置。 脱引锭装置是用于将坯头和引锭杆脱开的 装置， 该装置采用线外脱引锭方式， 利用液压缸为动力，通过油缸驱动带有两个导向柱的垂直升降机构，在引锭头上 部被挡钩压住的情况下，强制将坯头从引锭头上顶开，然后框架倾斜， 将坯头经 溜槽倒入坯头箱。 主要技术参数: 收集小车横移速度:6 . 7 m / m i n 减速机传动比:1 0 0 小车车轮直径:(d 1 8 0 m m 功率及转速:7 . 5 k w , 7 5 0 r / m i n ( a c 3 8 0 v ) , v v v f 调速。 引锭杆对中方式:液压对中，配有行程开关。 脱引锭头方式:液压脱锭，配有行程开关。 托架升降 速度:1 0 0 m m / s 2 . 2试验铸机的工艺流程 板坯连铸试验平台的整个工艺流程如图 2 . 2所示。新建的板坯连铸试验机组 位于五钢公司已 建的薄带连铸试验机组旁边，二者不会同时工作，因此薄带连铸 的部分设施可以共用。利用公司一炼钢1 5 t 电炉提供的钢水，经原有的大包过跨 台车将大包运至连铸车间。大包由原有的5 0 / 1 0 t 起重机吊 起并人工旋转9 0 0， 再吊至大包座架的浇铸位置上，并接上长水口。 在浇铸平台上设有一台中间包车， 东 北大 学 硕士学 位论文第 二章 连铸试验平台 的 设备和工艺 ( 9 )引锭杆收集、对中及脱锭装置 引锭杆收集装置为电动侧移式，由 集中传动系统、驱动链轮、双节中精密滚 子链、 牵引小车、升角为1 5 的导轨等组成。 利用引锭杆收集装置，送引锭杆时将 引锭杆从离线位置运送上出坯辊道; 铸造时将引锭杆连同铸坯头运回至离线位置。 为了在运送引锭杆的过程中能够准确定位，使用计数器模板处理来自引锭杆收集 小车传动系统的光电编码器信号，确定引锭杆收集小车的走行位置。 对中装置只是在送引锭杆时应用。即运送引锭杆到出坯辊道后，根据引锭杆 收集小车的走行位置发出指令起动对中液压缸，对中装置从原待机位置升起到对 中位，把引锭杆对中。对中液压缸行程由行程开关控制。对中完毕，行程开关发 出信号，液压缸换向，将对中装置返回到原始待机位置。 脱引锭装置是用于将坯头和引锭杆脱开的 装置， 该装置采用线外脱引锭方式， 利用液压缸为动力，通过油缸驱动带有两个导向柱的垂直升降机构，在引锭头上 部被挡钩压住的情况下，强制将坯头从引锭头上顶开，然后框架倾斜， 将坯头经 溜槽倒入坯头箱。 主要技术参数: 收集小车横移速度:6 . 7 m / m i n 减速机传动比:1 0 0 小车车轮直径:(d 1 8 0 m m 功率及转速:7 . 5 k w , 7 5 0 r / m i n ( a c 3 8 0 v ) , v v v f 调速。 引锭杆对中方式:液压对中，配有行程开关。 脱引锭头方式:液压脱锭，配有行程开关。 托架升降 速度:1 0 0 m m / s 2 . 2试验铸机的工艺流程 板坯连铸试验平台的整个工艺流程如图 2 . 2所示。新建的板坯连铸试验机组 位于五钢公司已 建的薄带连铸试验机组旁边，二者不会同时工作，因此薄带连铸 的部分设施可以共用。利用公司一炼钢1 5 t 电炉提供的钢水，经原有的大包过跨 台车将大包运至连铸车间。大包由原有的5 0 / 1 0 t 起重机吊 起并人工旋转9 0 0， 再吊至大包座架的浇铸位置上，并接上长水口。 在浇铸平台上设有一台中间包车， 东 北大学硕士学 位论文第二章 连铸试验平台 的设备和工艺 中间包在接受钢水前，必须在预热位上 预热至 1 1 0 0 左右用起重机将预热后的 中间包吊 起并旋转 1 8 0 0， 放到中间包车上， 再将中间包车从预热位置开到浇铸位 置。中间包车用于运载中间包，设有升降、对中和称重装置，可以在预热位和浇 铸位之间往返移动。 从大包流到中间包的钢水由装在大包底部的滑动水口控制。大包滑动水口开 启后， 钢水经过长水口 从大包流入中间包。待中间包钢水液面上升到一定高度后， 投入保护渣。保护渣有三个作用:一是保ifi 1 ，二是防止空气对钢水氧化，三是吸 附钢水中的非金属杂质。中间包钢流的控制系统由浸入式水口 和塞棒控制机构组 成，并带有事故切断闸板。 开始浇铸前，引锭杆收集装置将已准备好的引锭杆运送至出坯辊道，引锭杆 对中装置将引锭杆对中，然后辊道逆向 输送引锭杆至扇形段，扇形段夹送辊继续 逆向运送引锭杆至结晶器。然后点动上送引锭杆，人工确定引锭杆在结晶器中的 位置。密封好结晶器后，引锭杆相关的浇铸准备工作完成，等待铸造开始。 为满足试验铸机的科研需要， 本铸机的结晶 器配有平板型 ( 坯厚1 2 0 m m ) 与漏 斗型 ( 坯厚 7 0 m m , 5 0 m m )两种形式， 在结晶器的铜板上留有测温热电偶的安装位 置， 预留结晶器在线热调宽试验功能。结晶器振动采用液压振动。 中间包塞棒打开， 钢水从中间包进入结晶器，铸造开始。当结晶器内 钢水液位达 到一定高度后，投入保护渣，隔绝空气对钢液面的氧化。注入的钢水被已 经密封 在结晶器下口 的引锭头挡住，经过结晶 器冷却水的一次冷却，周围的 钢水加速凝 固， 生 成具有一定厚 度的 坯壳 1 2 1 。 之 后， 启 动 扇 形 段夹送辊。 在引 锭 杆的 带动下， 铸坯以设定的拉速被徐徐拉出，进入扇形段。此时，铸坯内部仍是熔融的钢水。 通过足辊和二冷导向 段的连续弯曲段，使铸坯逐渐过渡到圆弧段。同时铸坯被二 次冷却， 在出扇形段前逐渐完全凝固。为了使铸坯得到合适的冷却，在二冷段安 装有气雾喷嘴，通过二冷控制模型控制二冷强度，以适应试验不同钢种的需用。 为满足铸坯液芯压下试验的要求，0 #-3 #扇形段具有液芯压下功能。 连铸坯在扇形段的导向下进入矫直段，经过连续矫直后，通过切前辊道到达 火焰切割机，己 全部凝固的铸坯被火焰切割机切割成6 -1 0 m 的定尺长度， 送入切 后辊道 ( 又被称作出坯辊道)后，人工操作起重机将铸坯吊至铸坯堆放区。根据 计算机所作出的质量判断，将无缺陷的板坯用直送辊道送往热轧厂。 对有缺陷的 板坯先下线到空冷场冷却，在上线经火焰清理及人工局部清理，然后经直送辊道 东北大学硕士学位论文第二章 连铸试验平台的设备和工艺 厂 一， 大包过跨 台车 f i g .2 .2 t h e i n d u s tr i a l fl o w f i g 东北大学硕士学位论文 送往热轧厂。 第二章 连铸试验平台的设备和工艺 引锭杆由引锭杆收集装置收集到引锭杆小车上， 以备下次浇铸时再用。采用线外脱锭装置处理切头， 由小车运送至离线存放位置， 铸坯切尾也在线外人工切割。 东北大学硕士学位论文第三章 控制系统概要 第三章 控制系统概要 3 . 1概述 为了 满足连铸试验平台各个设备控制、监视、生产管理的要求，我们设计了 一套具备各类设备单体运转控制、联动控制、综合监视、操作作业管理、过程优 化控制、数据采集和处理等功能的自 动化控制系统。该控制系统在总体上分为两 级:l 1 基础自 动化级和l 2 过程控制级，配置图详见图3 . 1 。当过程控制级因故障 停止工作时， 可在l 1 基础自 动化级对必要的工艺参数进行设定和操作， 保证机组 的正常生产。 l 1 基础自 动化级主要进行仪表检测和电 气控制， 完成各种工艺设备的过程量 监视、单体运转控制、 联动控制、动态调节以 及工艺过程的自 动调节控制等任务， 对机组工艺设备的过程信息进行检测、监视、记录，对部分数据进行初步处理。 l 2过程控制级主要完成生产过程控制、模型控制、操作指导、作业管理以及数据 处理和储存等任务，依据从基础自 动化级收集、 储存的各种信息，对特殊的工艺 过程利用数学模型或人工智能等工具进行计算推理，向 操作人员发出操作指导或 直接向l 1 基础自 动化级发出 信息和指令， 提供运转方式或工艺操作参数的预约和 设定，以 优化生产工艺操作过程和满足作业管理的需要。 l 1 的电 气控制和仪表控制任务均采用西门 子的s i m a t i c s 7 - 4 0 0 的p l c 完成。 l 2 的数据服务器和应用服务器利用原有的设备。 l 1 系统的工程师站和h m i 服务器 与l 2 服务器挂在上层工业以太环网 上。h m i 服务器和工程师站通过c p - 1 6 1 3 网卡 和以 太网光服务模块o s m 连接到下层工业以 太网上，与p l c 进行数据交换;通过 另一块3 c o m 网卡和o s m 与上层以 太网 相连， 与l 2 服务器和2 台h m 工 操作站进行 数 据 交 换 31 c p 1 6 1 3是一种带有微处理器的p c 工 插卡， 用来将p g / p c连接到工业以 太网。 这 种网 卡 具 有以 下 优点 a , 由于集成了微处理器而有恒定的数据吞吐量 ; 支持“ 即 插即 用“ 和“ 自 适应， ( 1 0 / 1 0 0 m b i t / s ) ; 东北大学硕士学位论文第三章 控制系统概要 第三章 控制系统概要 3 . 1概述 为了 满足连铸试验平台各个设备控制、监视、生产管理的要求，我们设计了 一套具备各类设备单体运转控制、联动控制、综合监视、操作作业管理、过程优 化控制、数据采集和处理等功能的自 动化控制系统。该控制系统在总体上分为两 级:l 1 基础自 动化级和l 2 过程控制级，配置图详见图3 . 1 。当过程控制级因故障 停止工作时， 可在l 1 基础自 动化级对必要的工艺参数进行设定和操作， 保证机组 的正常生产。 l 1 基础自 动化级主要进行仪表检测和电 气控制， 完成各种工艺设备的过程量 监视、单体运转控制、 联动控制、动态调节以 及工艺过程的自 动调节控制等任务， 对机组工艺设备的过程信息进行检测、监视、记录，对部分数据进行初步处理。 l 2过程控制级主要完成生产过程控制、模型控制、操作指导、作业管理以及数据 处理和储存等任务，依据从基础自 动化级收集、 储存的各种信息，对特殊的工艺 过程利用数学模型或人工智能等工具进行计算推理，向 操作人员发出操作指导或 直接向l 1 基础自 动化级发出 信息和指令， 提供运转方式或工艺操作参数的预约和 设定，以 优化生产工艺操作过程和满足作业管理的需要。 l 1 的电 气控制和仪表控制任务均采用西门 子的s i m a t i c s 7 - 4 0 0 的p l c 完成。 l 2 的数据服务器和应用服务器利用原有的设备。 l 1 系统的工程师站和h m i 服务器 与l 2 服务器挂在上层工业以太环网 上。h m i 服务器和工程师站通过c p - 1 6 1 3 网卡 和以 太网光服务模块o s m 连接到下层工业以 太网上，与p l c 进行数据交换;通过 另一块3 c o m 网卡和o s m 与上层以 太网 相连， 与l 2 服务器和2 台h m 工 操作站进行 数 据 交 换 31 c p 1 6 1 3是一种带有微处理器的p c 工 插卡， 用来将p g / p c连接到工业以 太网。 这 种网 卡 具 有以 下 优点 a , 由于集成了微处理器而有恒定的数据吞吐量 ; 支持“ 即 插即 用“ 和“ 自 适应， ( 1 0 / 1 0 0 m b i t / s ) ; 东 北大 学硕士学 位论文第三章 控制系 统概要 由于连接数量大，支持运行大型的网络配置 ; 可用于冗余通讯 : o p c作为一种标准接口( 包括软件包); 使用n c m p c和s t e p 7均可定制和修改项目 ; 设计适用于工业环境; 3 c o m 3 c 9 0 5 c x e t h e r l i n k 1 0 / 1 0 0 兆p c i 网卡及专用芯片为完整的p c 管理功 能提供高性能、高可靠性、以及高可管理性。它具备同时处理读写任务而获得更 高 的局域网吞吐率的能力，提高了 应用性能并降 低了c p u使用率.接替主机c p l 执行t c p / i p 校验和检查的工作， 更进一步提高了 系统性能，因而是快速以太网连 接 的 市 场 领 导 者 15 1 3 . 2 l 1 基础自动化级 l l 基础自 动化级包括工程师站、h m i 服务器和客户机、p l c ，采用德国西门子 公司e i c 三电 一体化结构的p c s 7 系统。 根据连铸试验平台大而全的工艺特点， 为 电 气控制和仪表控制各配置一台 s 7 - 4 0 0 p l c 。在软件开发和运行维护时，工程师 主要通过工程师站对工程项目 进行开发、管理和维护。正常生产时，将工程师站 与h m i 服务器配置成冗余系统，提高系统的安全性能。因此工程师站与h m i 服务 器的硬件和软件选用相同，工程师站也可以理解为h m 工 服务器，反之亦然。 p c s 7 是德国西门 子公司最新推出的 控制系统，是s i m a t i c 家族中诸多硬件和 软件产品的集成，代表着自 动控制系统中最先进的设计思想:完全集中自 动化 ( t i a : t o t a l l y i n t e g r a t e d a u t o m a t i o n ) 。在硬件方面，它的基本组成是: a s 站 ( p l c ) +o s 站( h m i ) + 总线，结构如图3 . 2 所示: 在软件方面，它的标准配置是:e s = 工程师工具集+工程控制库( a s / o s 块) 。 3 . 2 . 1 a s 站一 p l c 本系统的p l c 选用6 e s 7 4 1 6 - 3( 电 气控制和仪表控制的p l c 选型相同) 。它的 供电电 源是2 3 0 v a c . c p u 模块带有一块8 m b 的内 存卡、一个p r o f 工 b u s - d p 口、 一 个 m p i口，定周期处理的最快扫描时间为 l o m s . c p u模块上的通讯处理器用作 p r o f i b u s - d p 的分布式 i / 0