包钢宽厚板连铸翻坯机自动控制系统设计

李东明

摘 要：本文概括介绍了宽厚板连铸机生产出的连铸板坯需要对其上下表面进行严格的质量缺陷检查。由于宽厚板坯十分厚重，目前只能用吊车进行翻转，效率很低而且容易造成安全事故。为了解决对板坯下表面检查困难的问题，我们设计开发了这套自动翻坯机系统。本项目通过选用一套西门子PLC S7-300控制系统以及接近开关等自动检测设备，并编制相应的控制程序来实现自动翻坯。该系统的投入使用在节省了人力的同时，又提高了设备的使用寿命。本文主要针对系统设计选型及实际施工进行了说明，并对调试的全过程进行了详细的描述和总结。

关键词：连铸机；翻坯机；表面质量

中图分类号：TG335 文献标识码：A

1.工艺要求

首先，与相关工艺操作人员进行沟通，了解翻坯的工艺流程及相关要求。制作并画出翻坯机翻坯时序图，具体翻坯过程描述如下。

完成一块板坯翻转，整个设备动作分为下列几个步骤：

第一步，吊车将板坯放置于翻坯臂一侧的支撑墩（由同设备基础固连的两块竖直板坯）及支撑梁（支撑梁架在两侧的框架上）上。

第二步，受坯臂翻转至“受坯位”（约旋转93°—最终准确翻转角度通过调试确定），停止，等待翻坯臂翻转。

第三步，翻坯臂翻转钢坯至“交接位”（约旋转87°—最终准确翻转角度通过调试确定），停止。

第四步，受坯臂同翻坯臂共同翻转约5°（最终准确翻转角度通过调试确定），实现钢坯的交接。此过程两臂的动作可能需设置若干秒的时间差，调试时确定。

第五步，受坯臂回落至原始位，翻转的板坯落于受坯臂一侧的支撑墩（由同设备基础固连的两块竖直板坯）及支撑梁（支撑梁架在两侧的框架上）上。

第六步，翻坯臂回落至原始位。

特别要求说明：第6步没必要等第5步完全执行完毕后才开始进行，可以等5步开始后15秒左右（调试时确定），就可以开始。

现场设备东侧为受坯臂，西侧为翻坯臂。

“自动”控制方式和“手动”控制方式均需要。因翻转过程中，靠人工观察无法准确控制角度及准确实现双臂共同翻转，极易损伤设备，所以翻坯机工作过程中同时翻坯需以自动控制方式来实现翻转，即按自动翻转键后，上述第4个步骤自动开始执行完成板坯翻交换臂。发现异常情况需及时拍下急停按钮以保护设备，操作人员必须完成一次完整的操作步骤后才能离开。

因翻坯臂及受坯臂一旦配合不好，极易损伤设备，所以建议在翻转轴的两端均设置极限开关（或旋转角度传感器），以实现有备用开关能够实现一旦在用的故障使翻臂不能停下来时，备用接近开关（角度传感器）能够使其停下来，不至于损伤设备。

2.设备选型

电源取自：二切辊道西侧检修电源箱（独立电源220V），柜内转换电源选用的是西门子SITOP电源模块6EP1 334-2BA01（220V～24V）1块。

模板选取：西门子S7-300系列模板，输入输出I/O点位如表1所示。选用以下几个模块：处理器模块：CPU 315-2DP 315-2AG10-0AB0 1块；数字量输入模块DI32*DC24V 321-1BL00-0AA0 1块；数字量输出模块DO32*DC24V/0.5A322-1BL00-0AA0 1块。

位置检测器件：备选方案包括：（1）线性直线位移传感器；（2）增量型旋转编码器；3.两线制接近开关。最终在能够达到检测精度的条件下，为了降低费用、节约成本，我们选用了价格比较便宜的两线制接近开关。接近开关选取的是天津森特耐公司生产的标准检测距离为15mm直径为30mm的产品，可以起到相对良好的精度。翻坯臂升降为液压控制，选取4个比例阀接线控制升降。

综合以上，备件包括（西门子PLCS7-300系统模板及接近开关、按钮、现场操作机柜等）；材料包括（连接电缆，电缆防护套管，膨胀螺丝，焊接支架等）总计费用需要大概6000元左右。

3.施工方案

根据工艺操作要求选好控制及检测设备后，制定施工方案。首先将所有需要的备件材料领回，量好备件尺寸及机柜尺寸。画图设计现场操作控制柜。合理安排按钮及指示灯的位置。根据图纸在操作机柜面板上用标准口径开孔器进行开孔。合理安排控制柜内部PLC各模板及相关电源开关插座。

根据布置图绘制接线图，按要求规范配接线。接线完成后，先用万用表进行绝缘校验，防止出现短路或接地现象。检查结束后送电观察设备运行状态。最初，新上设备时，由于工期比较紧张，为了尽快完成翻坯任务，我们只预留了自动控制按钮及接口，简单制作完成了系统的手动操作部分。系统上线后还不能实现自动翻坯，手动控制翻坯的缺点又是显而易见的。需要现场必须有人实时监控，占用了人力的同时，配合不准确还会损伤设备。

4.程序编制

安装西门子STEP 7编程软件后，程序的编制可以根据工艺要求及选用硬件的情况，提前编制或与硬件安装同时进行。打开STEP 7软件，先进行硬件组态。将所有S7-300 CPU模板及数字量输入输出模板按序列号组态至系统中。硬件组态完成之后，就可以编制相应的程序了。本项目选取的检测设备比较经济简单，所以在STEP 7中使用梯形图来完成系统程序的编制。梯形图逻辑性可视性强，便于后期的运行调试能够更好的完成。

5.现场调试

将在笔记本电脑中编制好的硬件组态及控制程序下载到PLC。下载完成之后，将PLC打到运行状态。在笔记本STEP 7程序运行界面点开监控，观察系统动作运行情况是否正常。

按照功能描述的动作来进行操作，在操作的过程中测试程序是否能够正确运行符合现场翻坯的要求。在到达即将翻坯位时根据实际情况调整接近开关的位置。

翻坯机翻坯操作步骤：

系统上电后，选择选择开关选“手动”，同时按下“受坯臂上升”、“翻坯臂上升”按钮，等待两个臂到达受坯位。到合适的位置时，调整接近开关将该位置粗略的找到。接近开关检测到受坯位时，受坯位在面板上对应的指示灯会亮起，对应的臂会自动停止上升。为了防止意外过翻造成板坯砸伤设备，必须观察受坯臂要先到位，上下并列安装了2个接近开关起到双重的保护作用。

选择开关选“自动”，同时按下“自动开始”按钮。此时两臂自动翻坯（受坯臂下降，翻坯臂上升）。直到板坯从翻坯臂翻交到受坯臂后，两臂停止运行。自动翻转在程序中是靠时间继电器上电延时来实现的。所以对应的时间根据液压系统运行的速度要进行计算，调试过程中要反复试验将合适的时间找出，以求稳定及准确的自动翻坯。

选择开关选“手动”，按下“受坯臂下降”，将反过来的板坯放至原位；按下“翻坯臂下降”按钮将翻坯臂放至原位。两液压缸回到原位系统翻坯结束，两侧的原位接近开关检测到位置，给系统发翻坯结束信号，操作控制箱上对应的原位信号灯亮起。

特别注意：

（1）操作过程未完成，操作人员不得离开操作现场。发生问题保证立刻拍急停按钮。

（2）禁止翻热坯子。

结语

正是例如西门子S7-300、400这些先进的设备和技术在工厂中广泛应用，才使得现场维护人员降低了劳动强度。提高了自动化程度，给工厂取得了良好的经济效益。我们必须在国外先进技术的引进前提下，不断的对其进行消化和吸收，加以灵活运用，完成创新开发，把我们现有的设备运行调整的更加完善。

本系统的不完善之处：使用西门子STEP7设计一个功能较多的应用程序，由于经验不足，虽然设计的基本功能已经实现，但是还有很多不完善的内容，有待于提高。例如，为了节省费用，选用接近开关来检测位置精度明显不够。今后还可以进行改善，使用精度更高的直线位移传感器或旋转编码器来进行更加精确的自动控制。

参考文献

[1]郭戈，乔俊飞.连铸过程控制理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2003：92-96.

[2]徐昌荣，吕卫阳.PLC工程应用实例解析.（第1版第1次印刷）[M].北京：中国电力出版社，2007：188.

[3]天津电器传动設计研究所.电气传动自动化手册.（修订2版）[M].北京：机械工业出版社，2005：1101.