PLC在连铸电磁搅拌中的应用
摘要：文中阐述了电磁搅拌对铸坯质量的影响，分析了电磁搅拌装置的控制系统构成和控制原理及信号保护环节。并从系统的通信网络构成阐述了电磁搅拌模型及其操作方式。
关键词：电磁搅拌 控制原理 搅拌模型
1.概述
我公司的3#连铸机为全套引进意大利DANIELI公司机型和设备，该机为4机4流、弧型弯曲半径8m，产品为40G、20MnSi45#、60SiMn，产品规格为150×150mm、切长10m，拉速0.5—6m/min，正常拉速为2.2m/min，年产量为34.2万吨。该机采用了结晶器电磁搅拌、结晶器液面自动控制、冷却水自动控制等一系列先进技术，其控制系统由六套S5—135UPLC一级控制，两台Siemens SICOPY32R兼容机MMI，实现连铸生产的铸坯质量跟踪、二冷水参数计算、设备管理、钢种分析及全过程自动控制。系统采用6块CP143模块，通过8入2出以太网连接器，经TRANCEIVER收发器与MMI及二级连接。
连铸结晶器电磁搅拌（EMS）作为提高连铸坯质量的一种有效手段，在现代化连铸机中被广泛采用，由于结晶器内部采用旋转磁场，使得钢液在水平方向上旋转，通过钢液旋转把较轻的氧化物夹杂和气泡与较重的钢液分离，并促其上浮；其次，提高了连铸内部质量，通过搅拌使得钢液在凝固过程中产生强制流动，钢液过热度快速降低，从而扩大生产重轨及较硬线等高碳钢是极为重要的。在系统运行中磁感应强度在0.02—0.03T时开始出现效果，0.04T以上效果更好，但太大会出现负偏析（白亮带），因此最大磁感应强度应控制在0.08以下，搅拌频率一般在10Kz以下，通常为2Kz。
2.电磁搅拌控制系统
2.1.系统构成
电磁搅拌器电流为三相正弦交流电，在相位上互差1200，其主接线图如图1所示；系统有断路器、变流器、输出接触器和漏电流检测装置及APC控制器、PLC等构成。
2.2.控制原理
搅拌频率给定和电流给定经控制器运算后，传输至变流器的通信模块，变流器中具有电流调节器和无环流逻辑控制器，根据控制器的给定信号，变流器输出电流产生磁场。电流调节器为反余弦的触发角计算，系统并具有电网电压自适应、调节器参数自适应，从而大大改善了控制性能。过程机给连铸PLC下达搅拌模型号，PLC自动按炉模型号进行控制，变流器中的逻辑控制器接受PLC的指令控制变流器运行。搅拌电流、搅拌频率在MMI上人工设定，搅拌方式分别由过程机和MMI设定。
2.3.操作方式
3#连铸机为4机4流，每流的电磁搅拌装置均可进行单独控制，并可在变流器上选择“机旁”或“主控室”操作。机旁操作是用于电磁搅拌装置的实验调整及检修。选择主控室操作时，在主控室该流控制台上有三种操作方式可选，即手动、半自动、自动。
2.3.1.手动操作时，可在主控室操作台上或浇铸操作台上，启动或停止电磁搅拌系统，搅拌电流值在主控室操作台上用电位计人工设定，范围为0—600A，搅拌频率在操作台上有1.25、1.5、1.75、2、2.5五种可选，手动搅拌时只适用于连续顺时针搅拌。
2.3.2.半自动操作时，在MMI上人工设定搅拌模型号，PLC自动按炉模型号进行控制，搅拌电流和搅拌频率在MMI上人工输入，搅拌方式分为连续、间歇和交替3种，分别由过程机或MMI设定，系统启动由PLC控制即当铸流长为1210mm时PLC发出控制指令，系统自动开始搅拌，浇铸停止系统自动停止。
2.3.3.自动控制时，有过程机给连铸PLC下达搅拌模型号，PLC自动按炉模型号进行控制，搅拌电流和搅拌频率在MMI上人工设定，搅拌方式分别由过程机和MMI设定，系统启停与半自动时相同。
3.电磁搅拌模型
为了适应不同钢种、不同规格铸坯的搅拌需求，设置连续、间歇和交替搅拌方式，每种模式下的拉速均为0.4m/min（开始搅拌的拉速）。其中第一种模式为连续顺时针搅拌，第五种为模式为连续逆时针搅拌。所谓连续搅拌即搅拌后没有时间上的停顿和方向上的改变。第二种、第三种、第四种为单方向间歇式搅拌，即没有方向上的改变，只有通电时间上的停顿。通电时间分别为：10s、20s、20s；断电时间分别为5s、5s、20s。第六种、第七种、第八种为两个方向上的搅拌，即顺时针方向、断电，逆时针方向搅拌。通电时间（顺时针或逆时针搅拌时间）分别为10s、20s、20s，断电时间分别为5s、5s、10s。第九种为不搅拌模式。
4.信号和保护
4.1信号系统
控制系统的输入信号为；相电流信号、实际频率信号、出线合闸准备信号、运行准备信号、运行应答信号、故障信号、本地/远程设定信号、急停信号。输出信号为；电流、频率设置，外部准备好信号；出线合分闸信号、搅拌方向信号、运行/停止信号、急停和复位信号。无论在何种工作方式均能在主控室操作台上显示以下信号，电源指示信号、运转准备完毕信号、进线断路器通断指示信号、搅拌方式、搅拌方向、实际频率、实际电流指示及电磁搅拌装置在运行中信号。
4.2保护系统
为了保证电磁搅拌装置安全稳定运行，电磁搅拌装置设置以下安全保护功能和故障报警信号。
4.2.1.过电流保护：过电流保护可分为硬件和软件保护；硬件上：每组超过设定的最大电流时，电磁搅拌装置自动停止。软件上：当装置实际电流值超过最大设定值的105%时，发出过电流轻故障报警信号，同时自动将电流值下降100%—95%—90%。过电流的积分值为110%，发出过电流重故障报警信号。两组电磁搅拌装置的实际电流值差超过5%以上时，发出重故障报警信号。
4.2.2.安全保护：电磁搅拌装置在工作时，转换工作方式无效，但转换为手动方式除外。事故停电后再次供电时，须由手动方式转换为自动方式方能自动运转。
4.2.3.冷却水监测：每个电磁搅拌装置对进出结晶器的冷却水压力、流量及进出水温度进行监测，异常时发出报警信号（流量≤15m3/h、冷却水入口温度过高；冷却水温差大于150C；冷却水泵出口压力过低；高位水箱水位过低）。
5.系统通信网络
5.1.SinecH1网络的基本原理
SinecH1网是以一个50Ω的同轴电缆为传输介质的总线结构网络，它满足IEEE802.3标准，最大传输距离3Km，通信速率为10Mb/s。SinecH1网是由多段组成，每个段最多可带100个节点（PLC、计算机），总线长度可达500m，各段可通过中继器相互连接，SinecH1局域网（相当于标准化的以太网系统），按照随机访问的原理工作，每个节点按需要访问其它节点，CSMA/CD方法（载波检波多路存取/冲突检测）用于协调总线存取，每个节点都在不断地监听总线，并接收发给它的传送，仅在总线空闲时，一个节点可以启动一次传送，如果两个终端同时传送节点识别出这一“碰撞“状态后，先停止传送，然后经过一个时间间隔后再重新启动，在此期间其他节点仍可以访问总线。
5.2.SinecH1网络的硬件组成
5.2.1.CP143通信处理器：CP143通信处理器用于PLC连接到具有IEEE802.3协议的SinecH1/SinecH1F网络中，被连接的PLC可以是S5—115U、135U、155U、150U及冗余的S5115U、155U，该模块通过SinecH1网自主地完成数据交换，涉及ISO全部7层参考模型。CP143减轻了PLC在通信任务及通信协议处理方面的负荷，用于通信的标准功能块（FB块）构成该模板与应用程序的接口、传输链路、网络关系及管理，Sinec技术功能所需的参数均借助通信管理软件COM143设置。
5.2.2.CP143通信处理器：CP143通信处理器使得与AT总线兼容的计算机同SinecH1网连接，它通过双口RAM与主计算机系统通信，在SinecH1网络上的通信是由Sinec技术功能（简称STF）来完成的，CP143的硬件覆盖了SinecAP及MAP协议的1—7层。
5.2.3.网络收发器：网络收发器（简称TRANCIVER）用于把网络节点连接到SinecH1F网上，收发器所能完成的主要功能是；信号识别、通信碰撞检测、信号质量与错误测试等。
6.结束语
利用S5—135PLC构成的连铸机电磁搅拌控制系统，实现了连铸生产过程结晶器内钢水搅拌的优化控制，从而提高了铸坯产品的质量。由于应用S5—135PLC的SinecH1网络功能，实现了连铸电磁搅拌控制系统与上位机的二级连接，将连铸机电磁搅拌控制系统作为整个连铸生产过程控制系统的一个单元，由此实现连铸生产全过程的自动控制。该系统投运以来，运行效果良好，提高了铸坯的内部质量，为下一道工序的产品上等级提供了优质的中间产品。