西门子6ES7231-7PD22-0XA8保内产品
一、概述
进入21世纪以来，随着连铸机技术的不断进步，使得冶金行业对连铸的高效化有了更高的要求。提高连铸的自动化水平，对保证铸坯质量、提高连铸机的劳动生产率、增加铸机的金属收敛率，以及减少工人劳动强度都起到至关重要的作用。柳钢转炉厂的4#板坯连铸机，属于立弯式直弧形连铸机，弧形半径达9米，可生产宽1400~1800毫米、厚180~250毫米规格的板坯。在该板坯的自动化控制系统中，西门子PLC及其网络以其接口简单、组态方便、编程容易、实时性强而得到广泛应用。
二、生产工艺简介
工艺流程图如：
三、系统介绍
根据板坯连铸机生产工艺的特点，该自动化信息系统分为二级，即1级基础自动化系统和2级过程控制计算机系统，带有部分管理功能。L1是一套完整的电/仪一体化控制系统，其主要作用包括：一、完成各工艺装置的逻辑/顺序控制和操作，工艺参数的设置；二、工艺参数、设备状态的显示和报警及工艺流程画面的监控；三、过程控制及计算机的通信等。L2的功能包括铸机的模型计算、参数设定、质量跟踪等。
在网络配置上，上位机（winccc操作站）与PLC之间通过光纤收发器转换为100Mbps的工业以太网（IndustryEthernet）相连，通过TCP/IP协议实现数据交换。各PLC的CPU之间的数据共享通过MPI接口连接实现。PLC与远程I/O、变频器之间的通讯通过Profibus-DP网实现。Profibus-DP主要用于工业自动化系统的高速数据传送，实现调节和控制功能，是一种高速低成本通讯，用于设备级控制系统与分散式I/O的通讯，是计算机网络通讯向现场级的延伸。该系统网络图如下所示：
1、 人机接口HMI
自动化控制系统软件采用SIEMENS 公司的PCS7 V5.2软件包，PLC控制系统软件采用STEP 7V5.2版本编程，上位机HMI监控系统采用WinCCV5.1版本编程。该系统通过软件组态编程实现过程控制所必要的全部监控功能，包括浇注过程中各种设备状态和相关参数的动态显示、电气设备的CRT操作及显示、操作模式的选择以及故障报警、操作记录、实时趋势和历史趋势曲线等。从而满足工艺模型自动控制、工况监测、安全生产、介质消耗计量等要求，实现自动化系统的人机接口功能。
2、 基础自动化系统
由于西门子PLC具有可靠性高，抗干扰能力强；编程方便，功能完善，易于使用；控制系统设计、安装、调试方便；维修方便，维修工作量小；适应性强，应用灵活等特点，该控制系统以西门子PLC控制装置为核心。该系统由公用PLC、铸流PLC、仪表PLC、切割PLC和各远程站组成，各PLC采用德国西门子公司新型的PLCS7-400、300系列产品，远程站I/O采用德国图尔克的产品，各部分PLC的主要功能如下：
公用PLC：主要完成对大包回转台及包盖的旋转、升降的控制，中间罐车行走、升降、横移对中控制，液压系统控制，切割前、切割下、切割后和出坯辊道、推钢机的控制，脱引锭装置，引锭杆存放及对中装置以及切头切尾输出装置的控制。
铸流PLC：主要完成扇形段2~13段的驱动辊升降和传动控制，夹紧辊的压力转换控制、引锭杆及铸坯位置的跟踪控制、结晶器调宽和振动控制。
仪表PLC：主要完成结晶器冷却水流量和压力的控制、二次设备冷却水、二次喷淋水的流量调节和压力的控制，以及其他过程参数的设定、采集、监视及回路调节等。
切割PLC：主要完成对火焰切割机大车行走、切割枪的行走、定位控制，切割下辊道的升降，切割后辊道的控制。
各远程站：主要是根据控制功能区域的不同，把整个系统划分为分散式的控制单元，利用Profibus总线将PLC所要采集和控制的点分散到现场操作台、箱中。在现场操作台、箱内（如大包操作台、切割操作台、出坯操作台等）设置I/O站，实现分散远程控制，这样由操作台、箱通过端子外引的控制电缆可大大减少，不但系统简单可靠,还节省投资，方便维护。
3、调速传动控制系统
电气传动采用的是西门子公司SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70系列的和MICROMASTER440系列的全数字矢量控制变频调速装置。440系列的变频器主要用在火焰切割机上，其余的都用6SE70系列变频器控制。MICROMASTER440通用型变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为功率输出器件。具有很高的运行可靠性和功能的多样性，全面完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。
四、主要控制功能说明
1、大包回转台及中间罐车控制
装有合格钢水的钢水包，由行车吊至大包回转台钢包臂上，包臂旋转至浇注位，等待浇铸。预热好的中间罐由中间罐车运送至结晶器上方，中间罐下降，对中就位。钢水罐下降后手工开启滑动水口，钢水经长水口进入中间罐。待中间罐内钢水达到一定重量后人工打开中间罐塞棒，钢水通过浸入式水口流入结晶器内。
2、送引锭、脱引锭控制
送引锭：发出自动送引锭指令后，引锭杆存放小车向下反转运行，将引锭杆送入到切割后辊道上。到位后小车停止，4个对中缸推出进行对中，切割后、切割下、切割前辊道启动，以30米/分的速度将引锭杆送入到水平扇形段内。当引锭杆尾部离开2#光电管时，切割后辊道停止。当引锭杆头部到达1#光电管时，切割前和切割下辊道停止运转。待操作台发出确认指令后，辊道以5米/分的速度向扇形段内运行，安装在2、7、13段的编码器开始跟踪，扇形段传动辊逐段压下，将引锭杆夹住送入结晶器下口。
脱引锭：当引锭杆从扇形段出来到达1#光电管时，脱引锭装置将引锭头与铸坯分离，引锭杆被快速送到切割后辊道上，当引锭杆到达2#光电管时切割后辊道停止，引锭杆存放小车向上运行将引锭杆侧移存放，等待下一浇次使用
3、火焰切割机自动切割控制
自动状态下，红外定尺系统给火焰切割机的PLC发出信号，火焰切割机开始预压紧，并且切割枪运动至铸坯边缘进行定位，预热氧阀和煤气阀打开。到达定尺距离后火焰切割机的压头压下，粒化水和切割氧打开，开始切割铸坯。当切割枪到达切割下辊道边缘时，切下辊往下摆，待切割枪离开切下辊后又向上摆回到原位。1#、2#切割枪相遇后，2#枪返回，1#枪继续向前切割，切割完毕1#枪返回原位，接着切后辊开始运转，把铸坯送到下线辊道。
4、输送辊道及推钢机控制
输送辊道系统有切割前辊道、切割下辊道、切割后辊道和移载下线辊道。当火焰切割机发出切割完毕信号，切割后辊道开始正转。当2#光电管检测到铸坯时，下线辊道启动。而当铸坯尾部离开2#光电管时，切割后辊道停止。当3#光电管检测到铸坯时，下线辊道停止。接着，推钢机把铸坯推到冷床上冷却，快速反回，等待下一块铸坯。
五、关键技术的实现：
1、 变频调速控制技术：
大包回转台、中间罐车、结晶器振动、扇形段辊道、输送辊道、火焰切割机、推钢机等设备均采用了变频调速控制技术。PLC通过RemoteI/OScanner通讯方式将控制命令传达给变频器，接收变频器的状态实时反馈信息；控制程序则通过采用MOV指令将启/停、正/反转、速度给定值等命令信息以输出字的数据格式传送给变频器，从而实现变频调速的自动控制。
结晶器振动采用同调方式（振动频率随拉速的变化而变化），即根据下面的公式来控制结晶器振动的频率：F（频率）=AV(拉速)+B，其中A=20，B=80。
2、 铸流自动跟踪技术：
增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。扇行段驱动辊的电机上都安装了A-B增量型编码器（1024脉冲/圈），铸流PLC根据编码器发送至高速计数模板的脉冲数，自动计算并完成送引锭模式、浇注模式下的二冷区配水、电机测速以及铸坯测长等全自动控制。
跟踪长度=脉冲当量X脉冲数
=传动比X编码器分辨率X脉冲数÷辊子周长
3、 红外定尺技术
红外摄像自动定尺控制系统是通过红外摄像器对红热钢坯远距离实时成像，将实时图像数字化处理后再传输给CPU，由CPU经系列运算和模糊识别后分辨出钢坯头，并按设定的定尺长度发出切割信号,通知PLC控制火焰切割机进行切割。该系统具备检测可靠、控制精度高、操作维护简单等显著特点
4、液面自动控制技术
涡流传感器可连续测量结晶器的钢水液面，输出随液面高度线性变化的电压或电流模拟量，送给液位调节系统，从而实现自动控制拉坯或浇钢速度，并且使钢水液面稳定地保持在预定的高度上。不但可预测并减少漏钢、溢钢等事故的发生，提高连铸机作业率，还能减少钢坯表面裂纹，保证钢坯质量。
5、大包下渣检测技术
大包下渣检测系统是利用高度智能化、自动化的平衡补偿技术，根据钢渣与钢水导电率的差异，利用电磁感应的原理检测出钢水中含渣量的百分数，并以声光报警的形式提醒浇注操作工及时关闭大包滑动水口，或直接发出大包水口关闭信号，来控制渣随钢水流入中包的含量，从而提高钢水的洁净度，减少除渣操作，避免水口堵塞，提高钢坯质量。
六、结束语
柳钢转炉分厂板坯4#机计算机自动控制系统采用西门子PLC控制系统，在实现“三电(既电气、仪表和计算机)一体化”的基础上,充分运用工业网络、现场总线技术和多媒体技术，将PLC与操作站、PLC与PLC、PLC与分布式I/O站有机地连接起来，实现快速、准确的控制，实现了设备的连锁启停、回路调节、报警、趋势记录等一系列功能，不但提高了钢水利用率、提高了铸坯质量、产量和连铸自动化水平，还降低了能耗，减少了故障停机率，提高了铸机作业率，也改善了工人工作环境，减轻了工人劳动强度,提高了工作效率
安全保护的迫切性
近年来，我国机床加工等装备企业得到快速发展。从技术上，机床装备相继得到很大的进步，已经不亚于国际水平，有些甚至达到国际水平。在市场上，很多机床的售价偏低，特别是机床，面临洋品牌、价格、质量等很多方面的挑战。主要原因之一是国内很多企业只注重在机床功能和应用上的研发、改进，而在安全、环保等方面，未能满足国际相关的标准，和国际市场接轨还有很大差距，从而导致一些企业产品出口受阻，不能在国际舞台和国外品牌一争高低。出于企业出口的需要，很多企业已经逐渐从开始模仿到自觉加强安全保护，自我约束和安全意识不断提高。另一方面，随着改革开放广度和深度的不断加大，众多外资企业进驻国内，参与竞争，抢占市场。装备企业不得不面临很大的竞争压力，采取积极措施应对。单纯通过降低生产成本的方式是有限的，增加产品附加值才是主要途径。除了产品功能完善、齐全外，产品安全、可靠性高越来越成为用户选择的主要原因之一。国内同行竞争的加剧，导致企业追求生产率以降低经营成本，安全事故也相应增加。国家不断在加大安全立法、执法的强度，安全标准相继出台，安全已经成为人们日常生活、工作关心的话题。机床加装安全保护装置，不仅成为个人的自我保护要求的体现，也是维护企业利益，降低意外风险损失的有效途径，加装安全保护措施已经成为数控类机床的标准配置。目前数控类机床安全保护大多采取的方式是各个安全保护装置独立设计后拼装在一起，不能很好有效地实现一个完整的系统解决方案。为此，笔者这里对某进口机床配置的ESALAN安全PLC 安全继电器产品给予介绍，并提供给大家设计选择安全保护装置的内容和方法，也可作为选择安全继电器的参考。
选择安全产品的基本原则
根据欧洲机器指令和EN954-1安全等级的基本要求，依据机器的工作模式、功能，需要对机器工作可能存在的所有危险进行分析、评估，确定机器各个部分的危险等级，从而选择相应的安全等级，一般选3级可以满足大多数的应用。接着对所有要做安全保护的部分进行统计，包括输入、输出、保护的安全等级、系统的工作模式、系统复位方式等。后设计、选择合适的安全保护方式和产品。
ESALAN COMPACT的外观和性能简介
ESALAN COMPACT 是一集成若干安全继电器（5~8个）于一体的安全PLC。可以提供用户24 个输入（E02.0~E04.7），9 个半导体安全输出(A00.1~A00.7,A01.0, A02.0) 和3 个安全继电器输出(A01.1~A01.3)，以及内部64 个时间继电器(T00.0~T63.0)和512 个标志符( M00.0~M63.7)。
ESALAN COMPACT外观
安全PLC 输入允许单通道或双通道。它对每一个外部输入都采取双通道数据处理。
ESALAN内部设有两个不同生产厂家的不同设计、制造工艺的微处理器，内部软件也是采取不同设计思路，无论硬件、软件出现故障的几率非常低。基于它们基础而设计的两个监控系统互为冗余，只有两个系统均检测到该信号正常且允许输出，一个对应的逻辑信号才正确地得以传送到下一级接受单元，直到输出。
ESALAN 保护系统
根据该数控机床的结构和性能分析，确定系统安全等级为不低于3 级。其中对输入点数统计如下：
1． 安全防护门，左右各1 扇，安装有2 个门锁开关和2 个门限位开关Q1，Q2。
2． 紧急停止按钮E1，E2，触摸屏操作台上1 只，机器操作台1 只。
3． CNC 轴状态检测传感器T1，T2，检测主轴的速度。
4． 液压系统压力检测保护开关信号P1，P2。
5． 工具放置位置检测信号W1。
同样输出电路也是采取双通道检测原理，CPU1 和CPU2 均正常工作，输出1和输出2接通，负载才可以工作；对半导体输出和继电器输出，同样道理。只是对半导体输出，需要用户作好多余容量及干扰的吸收。根据安全保护的需要，输出点数的统计如下，其中不包括主控单元的控制信号和输出：
1． 主轴电机主控继电器2 只，Ka，Kb;
2． 液压电机接触器2 只，Kc，Kd。
3． 门锁打开信号2 个，左右各1，给Kg，Kh。
4． 电磁阀输出2 个，Ke，Kf。
5． 变频器控制安全输出1 个。
6． 安全监控灯输出1 个，指示工作状态。
接线实例
软件的实现
ESALAN COMPACT 随产品提供软件应用CD，安装到PC上。可以实现在线设计或脱机设计、参数设定等，工作完成后，通过RS232接口下载到装置内。无须特别学习编程软件语言，通俗易懂，类似常规PLC 一样灵活实现控制逻辑和安全监控。
和数控中心单元的通讯
安全电路的监控终必须和数控中心控制进行有效整合，才能发挥功效。ESALANCOMPACT提供有CAN、PROFIBUS DP、MODBUS、A-B DF1等接口，实现和主控单元的通讯，实时地将系统保护部分的工作状态，安全装置的正常工作与否等通知主控单元，实现系统整机的安全控制和保护。ESALANCOMPACT 可以提供RS232 接口，满足不同用户的需求。
结束语
ESALAN COMPACT 由于具有多输入/输出，具备了安全继电器和PLC灵活编程、安全可靠等优点。替代多个安全继电器组合,满足需要多个保护装置的整机、数控加工中心、自动化立体仓库、机器人现场保护、汽车流水线等场合的应用,具有，体积小、接线方便、维护简单等特点。
1 引言
某机场采用一个集中的油库给飞机加油车供应油料，由于加油点与油泵站有1000m左右，该油料股希望设计一个自动启动和停止油泵的控制系统，以取代原来人工控制的单片机的恒压供油系统。用户现有两台55kW的油泵，一个油压传感器，四个加油点。要求只要有加油点的油阀打开，油泵必须启动且恒压供油，当加油点的油阀都关闭了，油泵能自动停止。
2 需求分析
加油控制系统的控制对象是两台油泵，由于加油压力要恒定，而加油点的开启和关闭是随机的，要采用变频器来控制和调节油泵，才能达到恒压的目的。现场只一个油压传感器，必须充分利用这个信号。经过实地考察和实验，发现油管路的密闭性良好。采用压力差来控制油泵的启动和停止是可行的。加油点的油阀的流量是一致的，这给设计带来了一些便利。加油点比较分散，仍然可以把四个加油阀看成一个大的加油阀，将大的加油阀分为四级开度，可以对应加油阀的开启个数,而不必考虑其组合。同样可以两个油泵合为一个考虑。这样我们就可以把一个较复杂的系统简化为一个简单的系统。我们现在可以很容易的给出控制的策略，根据加油阀的四级开度，也将泵的转速分为四级，在油压恒定条件下，使开度与转速一一对应。我们根据开度来控制变频器的速度，即可达到恒压的目的。但现场只一个油压传感器，如何能知道泵的开度呢？其实泵在静态运行时，泵速、油压、流量是恒定的，当开度增加或减少时，流量必然随着增加或减少，在泵速不变的情况下，流量与油压成反比。油压的变化可以由压力传感器反映出来，检测的信号比实际的动作滞后5s左右，但不影响系统的控制，我们可以根据这个变化量来控制泵速的增加或减少以及启动和停止。
3 硬件设计及系统简介
考虑到加油站是机场的重要部门，必须保证系统可靠，我们采用一台变频器带一台泵的设计方案，控制系统采用西门子S7-200系列PLC，型号为CPU224，数量一台;模拟输入输出模块一块，型号为EM235;显示元件为TD200;变频器采用三垦SHF系列变频器。系统控制方式分为自动和手动两种，自动方式用于正常运行情况，而手动方式用于调试和检测器失效情况下使用。油泵的起停按钮只有在手动方式时才有效。手动的调速旋钮R1，R2也是在手动方式时才有效，由K1在选择开关置于手动时接通。Q0.0和Q0.2分别为1#和2#变频器的启动信号,Q0.1和Q0.3为1#和2#变频器全速(50Hz)运行命令。Q0.7和Q1.0为1#和2#变频器的转速调节模拟信号切换。通过开关SW2可以选择那台台变频器优先启动。控制系统运行前，先在TD200文本显示器中设定目标压力值、启动压力值和停机压力值，将SW1置于自动。如果压力传感器检测到管道的压力高于启动压力值时，系统将处于等待状态。直到加油点的阀门打开，管道的压力低于启动压力值时，系统将自动启动一台油泵，变频器按级开度的对应频率运行。如果在预设的时间内，压力未达到设定值，变频器按第二级开度的对应频率运行。依此类推，当所有加油点的阀门全开时，则一台变频器处于全速运行，另一台调速运行。当加油点的阀门关闭时，压力传感器检测到管道压力有上升的趋势，则将变频器的频率按开度级依次降下来。直到变频器的运行频率低于级开度的对应频率或管道的压力高于停机压力值达到预定的时间，则系统停止变频器的运行，处于待机状态。变频器运行在任一开度级频率时，程序会根据压力的误差，模拟人工作一些细微的调整，使管道压力维持恒定。程序流程图如图1所示