基于PLC 的冷床控制系統技術改造

師 寧， 劉 輝， 周 琳

（1.北京電子科技職業學院， 北京 100176； 2.中國航空制造技術研究院， 北京 100024）

0 引言

冷床是冶金軋鋼行業中小型棒材車間不可缺少的輔助設備之一，它的主要作用是對軋制產品，如螺紋鋼、園鋼、 鋼管等進行有效冷卻， 使其溫度由900℃降至100～300℃，再由輸出輥道將其送到冷剪剪切成定尺成品。 冷床的設計質量與安裝精度直接決定著產品的最終質量。

某鋼集團決定在煉鋼車間轉爐工序連鑄出坯跨內南側修建一條鐵路運輸線，聯通煉鋼車間和軋鋼車間，以解決目前煉鋼與軋鋼之間鑄坯汽運成本高、 輥道運輸工藝復雜等問題。目前轉爐工序連鑄機的冷床在三軋車間內，其位置影響到了鐵路運輸線的規劃。 根據公司總體規劃及新建鐵路運輸線的要求， 需拆除連鑄機在三軋車間內的冷床，并在連鑄出坯跨連鑄機東側新建冷床系統。

在新建冷床系統之際，對原有系統進行升級改造。本設計主要采用西門子S7-300 PLC 配合使用ET200M 分布式I/O 模塊對系統進行控制， 這種方式改善了控制系統性能，節省維護成本，增強系統可靠性，在實際生產過程中提高了工作效率。

1 冷床系統現實問題分析

根據集團提出的冷床系統改造的總體要求， 確定連鑄機冷床系統改造后鑄坯下線及運輸方案如圖1 所示。

圖1 連鑄機冷床系統改造后鑄坯下線及運輸方案

其中，單線框內設備為需改造或新增設備， 雙線框內設備為現有設備。 原鑄坯提升機下線的鑄坯滑到熱送輥道， 由熱送輥道送到旋轉輥道。

由于現有的輥道外側裝有傳動裝置及鏈條，影響側面出坯。因此，熱送輥道將改造。為了減小鑄坯下滑對設備的沖擊，在輥道外側，設置4 個升降擋板，用于鑄坯緩沖，同時用于鑄坯定位。 熱送輥道上的鑄坯通過步進式拉鋼機移到翻轉冷床，由冷床冷卻，并出坯。冷床的端部，設置鑄坯收集臺，將冷卻下線的鑄坯集中，等待吊運。

2 控制系統整體要求

原冷床裝置電氣控制系統由于設備老舊， 系統性能和穩定性較差，無法滿足目前生產工藝要求，急需對設備進行升級改造。在深入了解生產過程、分析工藝要求及生產環境，通過調查研究，從安全性、可靠性、經濟性、合理性等方面，確定冷床控制系統目標，形成最終控制方案，將原來的交流調速系統用全數字直流調速系統取代。 經過前期多次論證， 我們采用了SIEMENS 公司S7-300 控制系統配以ET-200M 分布式I/O 對整個系統進行數據的采集、狀態監視和過程控制，采用WINCC 7.0 上位軟件進行畫面制作， 操作員通過這些畫面完成現場工藝參數和設備運行狀態的監視和操作。 同時控制系統配備具有旁路功能的不間斷電源（UPS 電源） 供電。 每套PLC控制系統的ET200 遠程站通過PROFIBUS 總線網絡對控制系統進行較遠距離的通訊，實現了分布式控制。該項目自2020 年8 月實施以來，效果明顯，達到了預期目的。

本次設計的自動控制系統為多級分散式控制系統，自動控制系統的功能分配如下：

（1）一級（L1）是電氣、儀表系統組成的基礎自動化級。

（2）基礎自動化級的主要功能。

（3）驅動系統的聯鎖和控制。

（4）儀表系統的聯鎖和控制。

（5）基礎自動化級控制計算和設定。

（6）過程實際值數據收集。

（7）過程狀態信息檢測及顯示。

（8）故障報警及故障打印。

具體控制要求如表1 所示。

表1 控制要求

同時考慮到安全生產實際情況， 按區域劃分設置了冷床區急停和液壓系統急停，具體方式如下：

（1）硬件急停：在各操作臺箱上設有急停按鈕，信號接入專用急停繼電器， 由急停繼電器節點按區域直接切斷設備控制回路電源。 達到很高的可靠性。

（2）軟件急停：由急停繼電器節點進入PLC，由PLC控制設備停止，達到雙重保護。

3 具體設備控制功能

連鑄機冷床改造的基礎自動化系統為電儀（EI）一體化系統， 設計考慮按區域來設置PLC， 系統設1 臺冷床PLC。冷床PLC 的主要控制內容包括主液壓站、升降擋板、拉鋼機、翻轉冷床、鑄坯收集臺等。 各部分具體功能如下：

（1）翻轉冷床。液壓步進翻轉冷床用于把拉鋼機送來的鑄坯步進移送到鑄坯收集臺；同時冷卻鑄坯。液壓步進冷床通過固定板和移動板的動作使鑄坯步進向前移動，保證鑄坯在移送的過程中均勻冷卻。

（2）拉鋼機。拉鋼機用于將熱送輥道上的鑄坯拉到冷床。

（3）升降擋板。升降擋板用于緩沖鑄坯下滑對設備及土建基礎的沖擊。并對在熱送輥道上的鑄坯進行定位，鑄坯熱送時，也起到導向作用。

（4）液壓站。 液壓站的高壓泵和循環泵均設備用泵，可以在機旁起停。 自動狀態下，當正常運轉的泵故障時，備用泵自動起動。液壓系統配備有水冷卻器，可以在機旁起停。自動狀態下，當油溫過高時，自動起動。油溫，液位，水泵出口壓力和過濾器狀態等液壓站相關系統報警信息均在操作箱面進行顯示。液壓站電機采用直接啟動方式。

（5）熱送輥道。 熱送輥道由原有熱送PLC 系統控制。與冷床PLC 系統之間有硬線安全信號聯鎖。 熱送輥道用于將鑄坯提升機送來的鑄坯運到旋轉輥道， 也用于將鑄坯定位，等待步進式拉鋼機將鑄坯拉到步進翻轉冷床。

4 液壓控制系統實施方案

根據連鑄機工藝設備情況， 按主要設備或工藝區域我們采用PLC 來實現冷床控制系統?？紤]實際系統要求，控制系統主機本體PLC 采用SIEMENS S7-300 CPU 315-2DP，所有I/O 模塊采用ET200 系列產品，包括上、下卸鋼、冷床同步等控制分站，通過Profibus-DP 網和工業以太網將PLC 控制系統、遠程I/O 站及變頻器、現場儀表、設備控制站等共同組成控制系統。具體模塊參數如表2 所示，控制系統原理圖如圖2所示。

表2 模塊參數

圖2 液壓系統控制原理圖

控制系統的網絡拓撲結構初步采用星型及環型網絡結構，具體通訊參數如表3 所示。

表3 通訊參數

表4 升降換向閥控制要求

表5 平移換向閥控制要求

4.1 步進冷床控制閥臺

冷床出坯方式分四步進行，上升→前進→下降→返回，并且每四步為一根鑄坯步進一齒的動作循環，依次往復，逐步出坯。

（1）冷床的升降。 冷床的升降由比例換向閥控制，執行器由2 個液壓缸組成， 冷床的升降位置檢測由主令控制器控制?？紤]減少液壓沖擊，比例閥的加減速設斜坡控制，具體控制如下：

升降行程：S=640mm；t上升＝18s；t下降=13s。

上升斜坡控制如圖3 所示，下降斜坡控制如圖4 所示。

圖3 上升斜坡

圖4 下降斜坡

（2）冷床的平移。 冷床的平移由比例換向閥控制，執行器由2 個液壓缸組成，冷床的平移位置檢測由主令控制器控制?？紤]減少液壓沖擊，比例閥的加減速設斜坡控制，具體控制如下：

升降行程：S=470mm；t上升＝6s；t下降=6s。

前進、返回斜坡控制如圖5 所示。

圖5 前進、返回斜坡

4.2 過濾站控制

本系統配置有3 套過濾器即回油雙筒過濾器， 循環泵系統雙筒過濾器，和高壓過濾器。 過濾器被污染后，各過濾器的進出口壓差超過0.35MPa 或0.5MPa 時，給出事故閃光信號，以使手動轉換備用過濾器或啟動備用泵，并對污染的過濾器進行清洗，過濾器參數見表6。

表6 過濾器參數

4.3 循環冷卻泵站

循環泵共2 臺電機（N=7.5kW，n=1440r/min），其中1臺正常工作，1 臺備用。 循環泵啟動條件為：

（1）蝶閥開啟由接近開關監控。

（2）工作油液的溫度，液位均應滿足油箱系統的控制要求。

如不能滿足以上條件循環泵不能啟動， 或立即停止工作。

注：每臺泵設置自動、手動開關，手動操作又分為運行及停機維修兩個狀態。

用壓力繼電器作為循環泵壓力監控和連鎖、 如果循環泵啟動后30s～1min， 或工作過程中壓力低于0.5MPa時，則備用泵自動啟動，同時給出事故閃光信號，原工作泵停泵。 非報警狀態下主泵可啟動。

4.4 高壓泵站

高壓泵站有3 臺油泵（N=45kW；n=1450r/min），其中2 臺工作，1 臺備用，工作泵開啟條件：

（1）蝶閥開啟，由接近開關監控。

（2）工作油溫、液位均應滿足油箱單元的控制要求。

（3）循環泵先啟動。

（4）工作泵啟動前2～5s，電磁溢流閥通電；工作泵啟動后2～5s，電磁溢流閥斷電。

注：每臺泵設備的操作開關及顯示同循環泵要求。

每臺泵出口設有壓力傳感器，4～20mA 輸出， 作為高壓泵的壓力監控和連鎖。 如果工作泵啟動30s～1min 仍不能建立起工作壓力（14MPa）；或主泵運行期間其出口壓力〈8MPa 狀況持續10～30s 時，備用泵自動啟動，原工作泵停泵，同時給出事故聲光信號和顯示。

4.5 升降擋板及拉鋼機控制閥臺

（1）升降擋板。升降擋板由一個電磁閥WDF4-1 控制，其信號來源于PLC 控制或人工操作，其控制要求見表7。

表7 升降擋板電磁閥控制要求

（2）拉鋼機。 拉鋼機由一個電磁閥WDF4-2 控制，其信號來源于PLC 控制或人工操作，詳見工藝要求，其控制要求見表8。

表8 拉鋼機電磁閥控制要求

5 結論

冷床是冶金工業生產中重要的冷卻設備， 其生產效率直接影響企業效益。 本文在對冷床自動控制技術進行大量研究的基礎上，提出了一種高效、便捷、節能、可靠、全新的自動控制方法， 解決了原電氣控制系統在生產和維護中暴露的突出問題。改控制系統自投入生產以來，運行穩定、操作簡單、故障率低，提高了企業生產率，減低了生產成本，延長了設備使用壽命，該控制系統很好的滿足了冷床設備工藝控制要求，具有較好的推廣應用價值。