6ES7516-3FN02-0AB0性能参数
工艺及设备情况简介：
----该工艺采用了"**、可靠、成熟"的顶底复吹和高效连铸技术。
----转炉本体:在整个转炉吹炼过程中，由于冶炼操作需要，转炉需要倾动到不同的角度，以便进行各项作业内容。
----o 转炉倾动回转角度：+/-0-360度
----o 转炉倾动回转速度：高速1.0r/min/低速0.2r/min
----氧枪 :转炉氧气炼钢法与其他炼钢法相比，一个重要的特点就是氧气以高速射流形式穿入熔池金属液中，从而实现对金属液的冶炼过程。
吹炼
溅渣护炉
氧枪刮渣
换枪
氧枪紧急提升
液面高度设定
氧枪位置控制校准
氧枪升降速度设定 ----板坯连铸机:板坯连铸是炼钢车间比较重要的工序，完成从钢水到板坯材的制成工作。
钢水罐及中间罐车
结晶器振动装置
扇形段夹送辊（拉矫装置）
切割前辊道
切割下辊道
喷印辊道 ----方坯连铸机:方坯连铸与板坯连铸类似，同样也是炼钢车间比较重要的工序，完成从钢水到方坯材的制成工作。
钢水罐及中间罐车
结晶器振动装置
拉矫机装置
液压剪切装置或火焰切割机
后部输送辊道
----在本项目中，我们采用德国西门子公司的PLC、通讯、工控软件及传动控制产品组成高质量、高性能的整合的控制系统，完成整个项目的过程及拖动控制任务。其中，采用了五套S7-400型PLC、十五套S7-300型PLC、近百套MASTERDRIVER系列传动产品（功率范围从几KW到数百KW）。
----上位监控系统由工业控制计算机配装工控软件，完成整个系统的过程数据采集、运行状态监视、系统设备控制及其他工业数据的采集、报表生成、打印、数据备份等工作。PLC系统与传动控制系统间采用的是西门子公司的PROFIBUS-DP总线通讯方式，完成控制信号及数据的高速传递与交换。同时，各子系统PLC与该子系统设备间有充分的信号线连接，当通讯系统出现故障时，子系统可独立运行，保证系统的安全性及可靠性。
----系统主要的控制难点有以下几个方面：
四台转炉倾动电机的负荷平衡 氧枪提升时的钢绳松弛与抖动 板坯夹送辊电机的负荷平衡 方坯拉矫机的平衡出力 通讯网络的高速、高效数据传递 ----其中，四台转炉倾动电机的负荷平衡是该项目中技术难度大的课题，要求必须做到高速响应、高控制精度、高安全可靠性能。与以往的同等级转炉项目不同，上述课题的传动控制装置全部采用的是西门子公司的全交流MASTERDRIVE 6SE70系列变频器产品，配合西门子公司的PLC、PROFIBUS-DP通讯网络构建起高性能的传动系统，充分发挥出西门子产品多功能、高性能的特点，较好地解决了技术难题，并将负荷分配控制精度提高到5%以上(用户提出的负荷分配考核指标为<8%)。同时，将转炉倾动系统的响应时间控制在2秒以内，响应速度大大提高。
----众所周知，在冶金行业的工程项目中，所采用的电气自动化产品范围之广、种类之多几乎函概了电气自动化产品的所有门类，其中包括低压电器产品、逻辑控制产品(PLC)、工控及软件产品、通讯网络产品、仪表类产品、传动控制产品、传感器类产品、电动执行结构等等，德国西门子公司在上述的各项产品门类中都有高性能产品可供用户选择，同时在产品兼容性、产品相互接口的适应性等方面有着无可比拟的优势。
----现场控制站在与设备自带的PLC通讯时，采用Profibus_FMS的方式，其通讯介质为屏蔽双绞线，其通讯速率大可达1.5Mbit/s。
----10KV及各变电所的相关信号，通过智能继电保护装置及智能空气断路器、用PROFIBUS－DP的通讯方式与现场控制站交换数据，每个间隔保护及测量装置均作为现场控制站的从站。
----现场控制站采用西门子S7 400 PLC，CPU采用4163DPCPU，具有运算速度快，资源丰富等优点。
----计算机监控软件采用西门子WINCC，它具有画面显示、趋势曲线、报警处理、报表处理、数据管理、网上浏览等功能。
----整个自控系统体现了西门子全厂一体化的**自控理念，并且网络结构完全符合现场总线的
| 1 系统构成简介 使用美国AB公司的SLC500系列模块式可编程控制器，其中取料机的控制使用SLC5/03TM处理器，堆料机采用SLC5/02处理器。该系列PLC带有编程软件、bbbbbbs操作界面及通讯软件，功能齐全。 2 控制方式 堆、取料机的控制设备主要是各种电动机和用于限位、定位的行程开关，这些设备的状态检测信号直接输入计算机，联锁、顺序控制由软件编程完成，操作人员在主控室只下达开停命令，堆、取料机完全自动地开停一系列设备，正常工作时均化场内无需工作人员，设备状态信号、报警信号全部输入主控盘，操作人员一目了然。 3 控制要点及相关处理 3.1 取料机行走电动机的同步控制 取料机的左、右行走电动机必须协调一致，否则大车向一边偏移，造成事故。对同步问题的处理，当初我们是通过速度反馈来保持电动机转速一致来实现的，在运行过程中发现这样做不可靠，因为即使电动机转速一致，由于大车两侧受到的阻力不一样，电动机实际行走的距离也不相等，因此我们进行了改进。取料机轨道长120m，在轨道两侧每10m安装1对行程开关，共9对(18个)，当大车向前运行时，如果两侧同步，就会同时碰到行程开关，如果不同步，就产生间隔的行程信号，计算机根据左、右开关信号获得的时间差，来校正电动机运行速度，使之达到同步，消除了大车偏移故障。 3.2 刮板机运行状态的判断 刮板机是取料机上关键设备，负责把均化的石灰石刮到输送皮带机上，如果在工作中刮板机偷停，就会造成料的堆压，甚至埋住取料机，因此对它的运行状态必须做出可靠判断。我们在刮板机的从动轮的一侧安装一个十字叶片，与叶片的垂直方向上安装一个接近开关，当叶片靠近接近开关时，接近开关发出一个脉冲信号，如果在一定的时间内计算机未接到信号或接到的信号状态一直不变，就断定刮板机停了。计算机产生报警信号，同时顺序停止取料机上的运行设备。 3.3 取消对堆、取料机相对位置的确定 在做控制逻辑时堆、取料机的位置信号需相互传递。程序运行时，首先判断堆料机和取料机的相互位置，如果一致，则产生警告同时停车，这样做在理论上是无可非议的，但在实际应用中却遇到很多麻烦，因为用于判断位置的多个行程开关中，只要有一个故障，就会引起错误的位置判断，经常出现急等开车却开不起来的情况，因为取料机的行走电动机的运行速度是非常慢的，所以我们删除了程序起始段对料机相对位置的判断，操作人员直接在现场调车，看到料机位置，调车到正确位置，这样既简单又方便。也可在均化场内安装工业摄像头监控。 3.4 动力线与控制线的处理 在工业生产中将动力线和控制线引入运动的设备中，通常采用简单可靠的滑环形式，但对线缆的拖放我们开始用的是卷盘，这种方法到了冬天，随着温度的下降，线缆变硬变脆，在盘卷过程中不顺畅，甚至开裂，有时引起线间短路。对此我们采用了滑线的方式，即在线缆每间隔一定距离固定上一个滑圈，穿在一个与设备运行方向一致的架起来的金属线上，设备运行时，线缆在金属线上伸缩，避免了折损。 3.5 行程开关改为接近开关 在堆、取料机的控制过程中，我们采用了大量的用于限位、定位的行程开关。行程开关在长期运行过程中可靠性不高，常见的故障是:①恢复性差，动作后，作用力消失，不回到原位；②机械形变，作用物碰撞不到；③由于设备的振动引起误动作。 如有一段时间取料机的耙车电动机经常偷停，运行信号却全部正常，后来在现场对I/O模件点进行长时间的观察，发现一个行程开关间歇误动作，对此我们将行程开关都改换为非接触式的接近开关，减少故障率，增加了可靠性。 3.6 其他问题 堆、取料机的故障的另一个来源是对其进行控制的电气元件，均化堆场内粉尘大，电子元件受粉尘影响短路、接触不良等现象经常发生，因此对计算机柜和电气柜应严格密封。另外，控制电源应尽可能采用高电平，实践证明24VDC的继电器相对引起的故障率高，而大电压吸力大，且流过触头的电流也大，对其上的积尘能更好的克服。 |
国内外众多单位一直致力于铝电解自动控制技术的开发、研究工作，从早期的槽电压或槽表观电阻的恒区域调节、定时下料控制，到近期国外的自适应控制，一直到现在国内的氧化铝浓度模糊控制[1]，在软件功能方面，已逐步趋于完善，而在硬件方面一直沿用的是自制工控机或单片机所构成的二级分布式控制系统。这样的控制系统，其可靠性不高，往往出现“死机”、误动作等现象。以前也有采用PLC进行控制的，但较多为集中式控制，随着大型预焙槽的发展，由于其实时性较差，数据处理及传输速度慢等缺点，不能适时地对铝电解槽作出控制决策。为了解决以上问题，我们采用美国GE90系列的MicroPLC作为主控制器，实行一对一分布控制，1台槽控箱配1台PLC，并结合有关铝电解专家经验，采用专家模糊控制模型，开发出二级分布式铝电解槽智能模糊系统，使系统软件、硬件达到了完美组合。
该控制系统采用DDC(直接数字控制)、SCC(过程监控)两级分布式控制方案，硬件组成如图1所示。
每台槽控箱控制1台电解槽，同时每台槽控箱都有独立的PLC作为主控制器，负责对系列电流、槽电压和各种开关量输入信号的采集，数据解析，模糊推理，判断槽中氧化铝浓度，并通过调节下料时间间隔以及极距，达到电解槽内物料平衡和热量平衡。
过程监控级通过RS422通信总线与槽控箱中的PLC通信，从中获取相关信息，通过对信息的加工、处理，实现槽况诊断，从而实现对DDC级的参数修改、优化，同时也为人工操作和维护决策提供可靠的依据。
多区域的SCC均可连接起来，构成一局域网，在原有二级基础上扩展一级MIS(管理信息系统)级，并实现与全厂计算机网络的联网，便于领导决策。
2 软件介绍
控制系统的软件结构框图见图2。
因软件模型较多，在此不能一一介绍，现重点讲述以下几个模型。
2.1 R-C曲线的试验测试
为了能够建立起正确而且可靠的氧化铝浓度控制模型，我们进行了大量的试验研究工作，在沁阳国家大型铝电解试验基地140kA电解槽上多次试验以后，测试出槽电阻R与氧化铝浓度C的关系曲线，即动态R-C曲线，其特征曲线如图3所示。
A点附近为低浓度区，发生阳极效应的几率较高；B点附近为高浓度区，易产生沉淀。曲线由B点往A点变化，槽电阻逐渐上升，斜率加大，槽中氧化铝浓度降低，虽然电流效率较高，但极易发生阳极效应，增加电耗；若曲线反行程，由A点往B点推进，随着Al2O3浓度的增大，槽电阻逐渐减小，斜率也慢慢减小，曲线趋于平缓，达到低点附近有一死区，即变化不敏感区，此时槽中易出现沉淀，导致电解槽槽温升高，槽底压降增大，从而增加电耗，降低了电流效率。
此曲线测得的同时受操作工艺的影响会发生漂移，尤其是阳极移动，造成曲线偏移，因此在曲线试验测试过程中我们尽量避免诸如抬母线、边部加工、换阳极等非正常作业，保证了曲线的准确性。
2.2氧化铝浓度模糊控制模型的开发
由于电解槽属非线性、时变、大滞后系统，电解槽内存在高温强腐蚀性电解质熔体，所以到目前为止，国内外对电解槽内许多参数无法长时间在线测量，因此我们采用3种算法综合解析槽电阻、槽电阻斜率以及R-C曲线，并结合电解专家经验和现场操作人员的经验，研制出了一整套氧化铝浓度模糊控制模型。
该模型将下料速率作为输出变量，下料速率的模糊语言变量值定义为“大欠量、欠量、正常、过量、大过量”5个档级值。模糊控制规则是根据专家经验和已测得的过程知识生成的。通过控制氧化铝的下料速度，使槽中氧化铝浓度处于一个低高低的变化过程中，从而控制突发阳极效应的发生和沉淀的出现，保持槽内物料平衡。
该模型的主要功能体现在以下几个方面：
(1)由R、ΔR、(间接)判断出槽内氧化铝浓度和变化趋势以及变化速率。
(2)模糊推理出各种加料状态切换点的斜率。
(3)由高浓度到低浓度的行程中，阳极效应预报及其处理。
(4)减少了在高氧化铝浓度情况下运行，避免了沉淀。
2.3 效应预报及处理模型
通过在沁阳国家大型铝冶炼工业试验基地140kA铝电解槽上试验研究，开发了一套效应预报及处理模型。该模型效应预报准确可靠，能提前20～40min预报，其预报成功率达100％；同时，利用该模型可将“突发阳极效应”消灭在萌芽之中。效应预报曲线如图4所示。该曲线是在阳极效应等待过程中测量计算的。
2.4 氧化铝浓度跟踪控制模型
电解槽运行较长时间(24h或更长)以后，需要重新确定槽中氧化铝浓度，这样就需停止给槽下料，保持固定极距，对槽电阻及电阻斜率进行解析，判断目前电解槽中的氧化铝浓度，以决定下一步的加料速度和加料状态的切换。这对消耗电解槽中过量氧化铝是十分有用的。
2.5 极距控制模型
该控制系统结构如图5所示。
调整极距的目的是保持电解槽的热平衡。该极距调整模型主要有3种情况的极距调整：第1种是槽电阻不在正常设定值范围，极距调整量依据偏差范围来定。第2种是特殊作业情况下，专门的极距调整模型，包括出铝、换阳极、抬母线，以及其它异常操作，在此不作详细讨论。第3种是特殊槽况下的极距调整，针对不同槽况作出相应的阳极极距调整。
3 系统特点
(1)基于专家经验和控制思想，采用模糊控制算法编制的氧化铝浓度控制模型和阳极效应预报模型，在国家大型铝电解试验基地140kA预焙电解槽上得到成功应用，取得了良好的技术经济指标。
(2)槽控箱中主控制器PLC是集计算机和工业过程控制系统的优点于一体的可广泛应用于多种过程控制的通用设备，它能在任何恶劣环境下安全可靠工作。这种用单台PLC控制单台电解槽并与上位监控机构成二级分布式控制系统在铝电解行业属国内首创。
(3)在SCC级计算机上通过人机界面在线修改、传送控制软件，同时通过SCC级计算机界面可监视槽控箱软件运行情况，这是其它槽控箱无法比拟的。
(4)通过SCC级计算机人机界面可以在线修改槽控箱工作参数(近90个)，使槽控箱适应各种槽型。
(5)槽控箱箱内布置合理、紧凑，槽控箱为单柜挂墙式小箱体结构。
4 控制效果
通过在沁阳国家大型铝冶炼试验基地的140kA铝电解槽上试验，克服了槽龄长、操作条件差、槽况不稳等不利因素，取得了令人满意的效果。试验槽槽底比较干净，电解槽由长期不稳转为稳定运行，效应系数降低到平均0.25左右，长可控制在10d内不发生阳极效应，氧化铝浓度控制在1.0％～3.5％之间，仅效应电耗一项，单台就比原有控制系统节电达160kWh/t，收到了良好的经济效益和社会效益，具有较高的推广应用价值.