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KP700和PLC相结合的智能控制系统在结晶器液压振动上的应用

2020/3/4    来源:自动化博览    作者:李侠      
关键字:连铸  液压振动  KP700  PLC  智能控制系统  
本文介绍了连铸结晶器振动技术以及液压振动装置的特点,改造后的KP700和PLC相结合的智能控制系统能够根据连铸工艺要求改变振动波形并可在线调整振动参数,从而有效地改善控制精度,提高连铸自动化水平。
    1 前言
        目前,我国已成为产量居世界第一的钢铁大国,连铸比已经超过95%。结晶器在连铸中的主要作用是一次冷却。某钢厂1#板坯连铸机于2003年3月投产,结晶器振动装置采用VAI(奥钢联)的DYNAFLEX结晶器振动系统。自动化控制系统采用C7面板控制器,但是由于西门子2005年取消该系统面板控制的生产,2013年全面停止供货,1#板坯连铸机控制系统的安全稳定运行受到严重威胁。为了解决燃眉之急,经多次选型设计、方案优选和实际测试,最终制定了采用西门子S7-300控制器+KP700精智面板来替代原C7面板控制器的解决方案。
2 结晶器振动装置
        结晶器振动的目的是为了防止拉坯时坯壳与结晶器粘结,起强制脱模的作用,同时获得良好的铸坯表面质量。结晶器向上运动时,减少新生的坯壳与铜壁产生粘着,以防止坯壳受到较大的应力,使铸坯表面出现裂纹;当结晶器向下运动时,借助摩擦,在坯壳上施加一定的压力,愈合结晶器上升时拉出的裂痕,这就要求向下运动的速度大于拉坯速度,形成负滑脱。合适的振动装置和振动曲线, 有利于改善铸坯的表面质量,提高连铸机的作业率,减少漏钢的几率。结晶器的非正弦振动波形(速度曲线)时拉坯速度有了大幅度提高,同时显著地提高了铸坯表面质量,减少了粘结性拉漏。DYNAFLEX结晶器液压振动系统与传统的机械振动装置相比有以下优点:液压驱动系统为振动参数(振幅、振频、振动方式——正弦或非正弦) 的在线调整提供了更高的灵活性,同时提高铸坯的表面质量和设备可靠性,降低漏钢率。由于振动系统和导向系统的寿命提高,降低了维护费用。
        振幅和振动参数的在线调整,如:
        · 负滑脱和正滑脱;
        · 非正弦因子;
        · 振幅和频率;
        · 高频小振幅;
        · 优化表面质量和降低渣耗的振动曲线模式;
        · 高拉速时确保表面质量,减轻振痕;
        · 无磨损,长寿命叶片弹簧导向系统;
        · 最小水平偏移的预应力导向系统;
       · 较低的振动质量;
       · 螺旋弹簧重量支持,降低柱向力;
       · 自动、快速更换连接,减少停机时间;
       · 易于更换组件和进行维修;
       · 技术组合的离线测试,保证连铸机无故障安装、启动和运行。
       1号板坯连铸机采用了非正弦振动。文献报道的曼内斯德马克公司开发的非正弦振动波形,其位移、速度和加速度曲线的数学表达式分别为
       S= hsin [ 2πft - αsin( 2π ft )] (1)
       v=h[2πf-α2πfcos(2πft)]cos[2πft-αsin(2πft)] (2)
       a=αh(2πf)2cos[2πft-αsin(2πft)] sin(2πft) (3)
       -h[2πf-α2πfcos(2πft)]2 sin[2πft-αsin(2πft)]
       式中:α为波形偏斜率;h为振幅(mm);f为频 率(Hz);S为位移(mm);v为速度(mm/s);a 为加速度(mm/s2)。
       式(1)中,当α=0时,非正弦振动曲线变成正弦振动曲线,因此正弦振动可以看成非正弦振动的特例。给出不同的h,α和f可以改变非正弦振动曲线的形状。 这种非正弦振动波形具有曲线连续、速度曲线无尖点, 加速度曲线变化连续、容易实现等特点。
       结晶器振动工艺参数是指对铸坯脱模及其表面质量有直接和重要影响的参数。在实际振动中,如何确定振幅、振动频率和波形偏斜率值是获得较好铸坯表面质量的关键因素。确定这些参数的主要原则是以获得合理的工艺参数为前提。
       由于在浇注过程中拉坯速度是根据工况和拉坯速度的变化而变化的,拉坯速度的变化必然引起工艺参数的改变,为了在浇注的过程中确保工艺参数最佳值不变,就必须相应地调节振动的基本参数。根据工艺要求以及非正弦振动同步控制模型,采用液压振动装置可以在线调整振动参数。
       振动参数的取值范围如下:
       NS=-53.4%~-108.8%;
       vc=0~3.5m/min;
       α=0~40%;
       f=0~400min-1;
       h=0~10mm。
3 液压振动技术原理
       结晶器液压振动装置的动力来源于结晶器振动液压站,改造前整个系统核心部件是C7 634PLC和液压伺服阀,升级改造后将原有的核心部件C7 634PLC用最新的西门子S7—300控制器+KP700精智面板来替代。1#连铸C7面板控制器改造硬件配置图如图1所示。

1#连铸C7面板控制器改造硬件配置图

图1 1#连铸C7面板控制器改造硬件配置图

       结晶器振动装置由电气控制部分和液压伺服系统两部分组成。结晶器振动电气控制部分是一个单独的控制系统,在远程自动(romote auto)方式下,结晶器振动S7—300控制器通过PROFIBUS-DP网络通讯方式接受来自流线PLC的振动参数,通过液压伺服阀驱动液压缸使结晶器产生振动。液压伺服阀灵敏度极高,液压动力站提供动力如有波动,伺服阀的动作就会失真,造成振动时运动不平稳和振动波失真。为此,要在系统中设置蓄能器以吸收各类波动和冲击,保证整个系统的压力稳定。结晶器液压振动原理系统图如图2所示。

结晶器液压振动原理系统图

图2 结晶器液压振动原理系统图

    1#连铸机结晶器振装置有四种操作方式,用户 可以在KP700的操作面板上进行选择并操作。四种方式为:Manual、Position、Local Auto、Remote Auto。Manual 、Position方式是在对振动装置进行标定时使用。Local Auto方式是在操作面板上对结晶器振动振动装置进行操作。可以在面板上更改结晶器的振频和振幅。Remote Auto方式是正常浇铸时使用,根据接收来自流线PLC的参数:C1~C6,按照一定的算法计算出结晶器的振频、振幅、非正弦因素等参数,使结晶器按照设定参数振动。
    4 结晶器液压振动技术实现
        结晶器液压振动的监控系统是西门子KP700的操作面板和S7—300控制器,是结晶器液压系统的核心设备。监控系统产生正弦、非正弦等波形作为振动位移设定值,安装在液压缸上的微脉冲位移传感器用来检测振动位移实际值,两者比较后进行PID运算,其输出经伺服放大器传给伺服阀,伺服阀即可控制振动液压缸按设定参数振动。振动波形、振幅、频率以及波形偏斜率均可在线任意设定,也可根据拉坯速度自动调节波形参数。这种再现任意调整振动波形、振幅和频率的参数的振动控制系统是机械振动所无法实现的。

        结晶器液压振动PLC的编程软件采用SIMATIC Manage STEP7,主要编程语言采用FBD、STL。整个系统分为两个主要模块,一个是控制模块,把接收到的流线PLC的参数,处理为结晶器的振动,并产生结晶器振动的各个报警信息。另一个是数据通讯传输模块,负责处理接收和发送到流线PLC的数据,并处理来自和发送至结晶器液压振动PLC的数据。整个程序的功能块除了处理油缸驱动,油缸同步等外,都在OB1块调用,油缸驱动,油缸同步的功能块在OB35(扫描时间4ms)中调用。
        结晶器液压振动KP700精智面板的组态软件采用博途(TIA Portal)中的SIMATIC WinCC Comfort, 基于博途(TIA Portal)平台的全新SIMATIC WinCC Comfort,支持所有设备级人机界面操作面板,包括所有当前的SIMATIC触摸型和多功能型面板、新型SIMATIC 人机界面精简及精致系列面板,也支持基于PC的SCADA (监督控制和数据采集)过程可视化系统。采用此新型、统一软件框架,可在同一开发环境中组态西门子的所有可编程控制器、人机界面和驱动装置。在控制器、 驱动装置和人机界面之间建立通信时的共享任务,可大大降低连接和组态成本。整个界面的设计兼顾高效性和易用性,适合新、老用户使用。TIA博途作为一切未来软件工程组态包的基础,可对西门子全集成自动化中所涉及的所有自动化和驱动产品进行组态、编程和调试。
        在KP700精智面板上显示结晶器振动信息,标定信息及各种报警信息等,在KP70精智面板上可以对结晶器进行标定、校验、机旁振动结晶器,修改结晶器的系统参数。结晶器液压振动KP700操作面板组态图如图3所示。

KP700操作面板组态图

图3 KP700操作面板组态图

5 结语
        1#连铸机结晶器液压振动自改造以来,运行稳定,设备无故障。采用自动化控制系统控制的电液伺服结晶器振动装置,可以方便地产生各种振动规律,实现控制过程的监督与实时显示,并可根据拉坯速度实时改变振动参数,提高连铸坯质量,从而实现连铸过程的自动化。

责任编辑:杨培
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