加热炉炉前控制系统设计_王义洋.pdf

书书书第 25 卷第 3 期2023 年 6 月辽宁科技学院学报JOUNAL OF LIAONING INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol 25No 3Jun2023文章编号:1008 3723(2023)03 001 05doi:10 3969/j issn 1008 3723 2023 03 001加热炉炉前控制系统设计王义洋(辽宁科技学院 电气与自动化工程学院，辽宁 本溪 117004)摘要:文章基于西门子 S7 1500PLC 完成加热炉炉前控制系统的设计。系统由一个主控制器 CPU1516 3PN/DP、三个ET 200MP 从站、一个操作员站，以及交换机 XC206 组成。主控制器对三个从站采集的信号进行分析处理后，控制现场设备的运行。主控制器与从站、辊道变频器间使用 POFINET，并通过 POFIBUS 通讯读取钢坯重量，使用 XC206 交换机与操作员站、加热炉控制系统组成环网。整个系统实现了对上料辊道、称重辊道、入炉辊道、冷坯上料台架等设备控制。本设计使用博途软件进行硬件组态、编程与调试，使用 WINCC 绘制的画面完成操作员与主控制器的信息交互。关键词:西门子 1516PLC;变频电机;辊道;液压装置;WINCC7 5 1中图分类号:TP273文献标识码:A以某公司年产 270 万吨优特钢项目二中棒炉前为背景，根据加热炉炉前控制系统的要求，编制了控制系统总体设计方案。该系统包括基础自动化级、过程监控和优化管理级。基础自动化级应用西门子公司 S7 1500PLC 进行控制。上位机监控系统采用 WINCC7 5 1 软件设计了计算机监控系统，包括模式切换、辊道速度设定和报警画面等。该项目已于 2023 年 2 月底开始运行。1工艺及控制功能简介为了满足钢坯连轧技术温度要求，提高加热炉装钢效率，增加了加热炉炉前自动控制系统。炉前控制系统连接连铸成品辊道，铸坯不下线，直接运送至加热炉。在运送过程中对铸坯进行称重测长，剔除不良钢坯，并根据加热炉装钢信号，将钢坯自动装入加热炉1。通过自动运送钢坯，提高加热炉装钢效率;通过称重测长，剔除不良品，提高成品率，极大地节约了生产时间和成本2。因此，优化加热炉炉前技术是一项重要措施，而加热炉高效化已经成为推动我国钢铁工业结构优化的重要技术。某公司年产 270 万吨优特钢项目小棒炉前电控设备如图 1、图 2 所示。具体工艺流程可由图 1 体现，钢坯的运动方向用箭头表示。工艺流程为:热坯:热送辊道提升机提升机后辊道上收稿日期:2022 11 06基金项目:辽宁省科技厅 2022 年自然科学基金项目(2022 BS 297);2021 年 辽 宁 省 教 育 厅 科 学 研 究 经 费 项 目(LJKZ1071)作者简介:王义洋(1980 )，男，北京朝阳人，副教授，高级工程师，硕士 研究方向:控制理论与控制工程料辊道称重辊道入炉辊道加热炉。冷坯:冷坯上料台架接料装置上料辊道称重辊道入炉辊道加热炉3。图 1电控设备示意图(1)图 2电控设备示意图(2)2炉前控制系统的硬件构成2 1环网结构炉前控制系统有两个环网，传动环网和控制环网均为 POFINET 网络。传动环网中包含 PLC 主机和辊道变频器，如图 3 所示。控制环网包括 PLC主机和 3 个 ET200 远程站，如图 4 所示。图 3传动环网结构图辽宁科技学院学报第 25 卷图 4控制环网结构图2 2硬件组态2 2 1网络视图炉前控制系统网络组态如图 5 所示。图 5组态网络视图2 2 2主站组态如图 6 所示，CE1PLC1 为 CPU 1500 作为主站，主要由 1 个 S7 1500PLC 模块、1 个电源模块、1个通信模块组成，主要作为 CPU 控制中心及通信作用4。图 6主站组态2 2 3从站 1 组态如图 7 所示，CE1PLC1(A201)为 IM155 作为从站 1，主要由 5 个 DI(Digital Input)模块、2 个 DQ(Digital Output)模块、1 个高速计数器模块、1 个 AI(Analogy Input)模块组成，主要用于现场设备控制和数据采集。图 7从站 1 组态2 2 4从站 2 组态如图 8 所示，CBM01LCB2(A401)为 IM155 作为从站 2，主要由 3 个 DI(Digital Input)模块、2 个DQ(Digital Output)模块组成，主要作为平台下操控箱按钮指示灯的信号输出与按钮信号的输入。图 8从站 2 组态2 2 5从站 3 组态如图 9 所示，CP1OS1(A501)为 IM155 作为从站 3，主要由 3 个 DI(Digital Input)模块，2 个 DQ(Digital Output)模块组成。主要作为主操控台控制按钮的信号输入与按钮指示灯信号的输出。图 9从站 3 组态2第 25 卷第 3 期2023 年 6 月辽宁科技学院学报JOUNAL OF LIAONING INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol 25No 3Jun20232 3输入、输出信号本设计共需要 128 路数字量输入通道，4 路模拟量输入通道，96 路数字量输出通道，1 路高速计数器通道。其中，从站 1 I/O 为 I 0 0 I 9 7，Q 0 0 Q 3 7，IW 为 IW512 IW528;从 站 2 I/O 为I 64 0 I 69 7，Q 64 0 Q 67 7;从站 3 I/O 为 I96 0 I 101 7，Q 96 0 Q 99 75。部分信号表如下:表 1数字量输入信号表(1)AE1PLC1(A201)A 213I 4 0 热送辊道有钢检测冷热金属检测器I 4 1 热坯下料台架有钢冷热金属检测器I 4 2 冷坯上料台架有钢冷热金属检测器I 4 3上料辊道冷热金属检测器I 4 4测长辊冷热金属检测器I 4 5称重辊道冷热金属检测器I 4 6入炉辊道冷热金属检测器I 4 7备用表 2数字量输入信号表(2)AP1OS1(A501)A 512I 98 0 辊道选择“手动/禁止/自动”(手动)I 98 1 辊道选择“手动/禁止/自动”(自动)I 98 2 辊道选择“反转/停/正转”(反转)I 98 3 辊道选择“反转/停/正转”(正转)I 98 4上料辊道灯钮I 98 5称重辊道灯钮I 98 6入炉辊道灯钮I 98 7备用表 3数字量输出信号表AE1PLC1(A201)A 232Q 2 0 热坯下料台架升降液压电磁阀抬起Q 2 1 热坯下料台架升降液压电磁阀落下Q 2 2 热坯下料台架横移液压电磁阀前进Q 2 3 热坯下料台架横移液压电磁阀后退Q 2 4 冷坯上料台架升降液压电磁阀抬起Q 2 5 冷坯上料台架升降液压电磁阀落下Q 2 6 冷坯上料台架横移液压电磁阀前进Q 2 7 冷坯上料台架横移液压电磁阀后退表 4模拟量输出信号表AE1PLC1(A201)A252IW512净化压缩空气总管流量IW514氮气总管流量IW516氮气总管流量IW518天然气总管流量3炉前控制系统的软件构成3 1主程序 OB1PLC 主要逻辑控制部分，系统的主要控制程序由 OB1 调用来完成。如图 10 所示，各个 FC、FB 块以及部分 DB 块用于实现各个子系统的功能。主要有变频器通信传动控制操作、辊道控制、冷坯上料台架、热坯上料台架、取料装置操作控制、报警处理、级联速度控制、二级通讯、加热炉通讯。图 10系统程序结构图3 2控制方式炉前控制系统中包括冷送模式和热送模式两种控制模式，这两种控制方式可以进行切换。在铸坯生产中根据钢坯温度、种类进行选择模式，各个辊道及装置将按照冷坯、热坯模式进行工作。若发生异常情况可以在 HMI 界面选择切换模式，可单独停止一段辊道，一个装置，也可全部停止。所有辊道分为手动和自动两种模式，手动模式可以设定辊道线速度、辊道正反转，自动模式辊道线速度依据与加热炉通信所提供的装钢线速度进行设定6。炉前控制系统在 HMI(Human Machine Inter-face)界面首先选择冷送或热送模式，再检查画面上合闸条件中传动柜有无故障、传动柜是否就绪、传动通信是否正常、传动外控、传动合闸允许灯是否全部变绿，全部变绿后在 HMI 画面上进行软合闸后，画面传动运行允许灯会变绿，此时输入线速度设定值，辊道可以运行。PLC 与变频器进行通信，传递控制字与状态字，状态字由变频器传给 PLC，控制字由PLC 传递给变频器，两者相互传递信息，得到的线速度反馈、转速反馈、电流反馈、转矩反馈、故障码等传递给 PLC，显示在 HMI 画面上7。辽宁科技学院学报第 25 卷3 3 取料装置自动运行条件(如图 11)图 11取料装置自动运行流程图3 4称重辊道自动运行条件(如图 12、13)图 12称重辊道自动运行流程图(1)图 13称重辊道自动运行流程图(2)4炉前控制系统的监控画面系统监控主界面主要由工艺监控、报警、网络诊断三部分组成。工艺监控界面主要包括炉前监控画面、传动控制画面、接近开关画面8。其中炉前监控界面(如图 14)包含急停状态、就地箱状态、液压站状态、钢坯长度重量显示、模式选择及所有冷热检和现场设备运行情况。传动控制画面(如图 15)包含 PLC 与变频器通信控制的所有辊道状态参数等。接近开关画面(如图 16)主要包含接近开关的状态。报警画面(如图 17)包含报警所有信息，当报警时对应位置变为红色，正常时为绿色9。图 14炉前控制系统主界面图 15传动控制系统主界面4第 25 卷第 3 期2023 年 6 月辽宁科技学院学报JOUNAL OF LIAONING INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol 25No 3Jun2023图 16接近开关主界面5结论本系统投入运行后，计算机自动化系统实现了所有的数据通信任务，人机界面交互，为生产操作人员提供了实时数据和预报数据，操作更为便捷，具备一定的自动化水平，保证了整个系统安全、稳定的运行。从实际运行效果来看，符合标准，整体效果令人满意。图 17报警监控界面参考文献:1 余志祥 连铸坯热送热装技术 M 北京:冶金工业出版社，2005 2 陈英 中厚板发展与技术装备进步的分析 J 冶金管理，2005(8):46 50 3 张颦 新型自动位置控制系统及其超时抑制 J 冶金自动化，1993，17(2):13 16 4 殷洪义 可编程控制器的选择 M 北京:机械工业出版社，2003 5LIU Z Y，Wang G D，Gao W Prediction of the mechanical properties of hot rolled C Mnsteels using artificial neural networks J Journal of Materials Processing Technology，1996，57(3/4):332 336 6Portmarm N F，Linhoff D，Sorgel G，et al Application of neural networks in rolling millautomationJ Iron and Steel Engineer，1995，72(2):33 7 李智仁 西门子 1500PLC 控制系统工作原理及常见故障 J 冶金与材料，2021(4):183 184 8 于淑静 组态软件 WINCC 在自动化生产线上的应用 J 新型工业化，2018(12):78 82 9 陈奕良，张帆 基于 WINCC 组态软件和第三方自动化设备的数据访问和记录方法 J 橡塑技术与装备，2021(8):38 42Design of Pre furnace Control System for Heating FurnaceWANG Yiyang(School of Electrical and Automation Engineering，Liaon