Dieser Artikel stellt die wichtigsten Steuerungsfunktionen, den grundlegenden Aufbau und die Konfiguration eines Temperaturmess- und Probenahmesystems vor. Ein Anwendungsbeispiel veranschaulicht die Implementierung des Systems. Das System kombiniert erfolgreich eine SPS und einen Frequenzumrichter und erzielt hervorragende Ergebnisse. Die Einleitung unterstreicht, dass die Steigerung des Automatisierungsgrades in der Stahlerzeugung entscheidend für die Sicherstellung der Qualität des flüssigen Stahls und die Steigerung der Arbeitsproduktivität ist. Aufgrund der kompakten Bauweise und des begrenzten Produktionsraums in Stahlwerken kann die manuelle Steuerung des Produktionsprozesses leicht zu Engpässen und Unterbrechungen beim Transport des flüssigen Stahls führen. Darüber hinaus stellt die raue Betriebsumgebung erhebliche Herausforderungen und Risiken für den manuellen Betrieb dar. Daher ist die vollautomatische Steuerung des Stahlerzeugungsprozesses unerlässlich, um den Betrieb der gesamten Anlage sicherer und zuverlässiger zu gestalten, die Kontinuität des gesamten Stahlerzeugungsprozesses deutlich zu verbessern, die Ausfallrate zu senken und gleichzeitig die Arbeitsproduktivität zu steigern. Das Temperaturmess- und Probenahmegerät dient der Messung und Probenahme der Temperatur des flüssigen Stahls nach dem Abstich. Es liefert Temperatur- und chemische Zusammensetzungsparameter für die Prozesssteuerung und bildet die Grundlage für den Betrieb des Stahlerzeugungsprozesses. Im Februar 2004 übernahm unser Institut die Entwicklung und Forschung einer Temperaturmess- und Probenahmevorrichtung für die Stahl- und Edelstahlproduktionsbereiche der Shanghai Baosteel Group No. 1 Steel Company. Diese Vorrichtung wurde zur Unterstützung der Stahlproduktion im Rahmen des Projekts zur technischen Umstellung auf warmgewalzte Edelstahl- und Kohlenstoffstahlcoils entwickelt und besteht aus elf automatischen Temperaturmess- und Probenahmesystemen. 1. Beschreibung der Temperaturmess- und Probenahmevorrichtung: Die Temperaturmess- und Probenahmevorrichtung ist ein integriertes elektromechanisches System, bestehend aus drei Komponenten: mechanischer Ausrüstung, Instrumentierungssystem und automatischem Steuerungssystem. Die mechanische Ausrüstung umfasst eine Stahlkonstruktionsplattform, das Temperaturmess- und Probenahmegerät und einen Sondenbehälter. Die Stahlkonstruktionsplattform ist direkt auf einem vorgefertigten Fundament montiert und fixiert. Sie dient als Träger für das Temperaturmess- und Probenahmegerät und ermöglicht die Wartung der Anlage. Das Instrumentierungssystem verwendet das digitale Temperaturmess- und Probenahmegerät Knight von Heraeus, das in großen Stahlwerken weit verbreitet ist. Das automatische Steuerungssystem besteht aus einer Siemens S7-300 SPS-Station, einer ET200M-Fernstation und einem Frequenzumrichter der Serie 6ES70. Die Kommunikation mit der Fern-E/A-Station ET200M und den Frequenzumrichtern der Serie 6ES70 des Temperaturmesssystems erfolgt über den Feldbus ProFibus-DP. 2. Typ und Hauptparameter des Temperaturmessgeräts 2.1 Typ: Trägerplattform mit Temperaturfühler; 2.2 Motor: 3,7 kW, 380 V, 50 Hz, 1500 U/min, interne Motorbremse mit manueller Auslösung; 2.3 Antriebsart des Temperaturfühlers: Zweireihiger Kettenantrieb; 2.4 Positions- und Wegsteuerung: Endschalter, Inkrementalgeber; 2.5 Maximaler Verfahrweg: 7220 mm; 2.6 Betriebsgeschwindigkeit: 30 m/min bis 3 m/min; 2.7 Stoppgenauigkeit: ±20 mm; 2.8 Parameter der Wegberechnung: (Wegwert: Abstand zwischen Temperaturfühler und Flüssigkeitsoberfläche in Ausgangsposition des Temperaturmessgeräts) 3. Analyse des Regelungsprinzips und Systemaufbau 3.1 Analyse des Regelungsprinzips Die Systemsteuerung erfolgt im Wesentlichen durch das übergeordnete System, das Befehle an das Temperaturmessgerät ausgibt, sobald die Gießpfanne mit dem flüssigen Stahl die vorgesehene Arbeitsposition erreicht hat. Die Bewegung des Messgeräts wird durch einen Frequenzumrichter gesteuert. Obere und untere Endschalter gewährleisten einen sicheren Betrieb des Messgeräts. Ein Encoder erfasst und misst den Weg des Messgeräts, um dessen Geschwindigkeit zu regeln und es gegebenenfalls zu stoppen. Gleichzeitig wird der Eindringweg in den flüssigen Stahl gemessen, um eine präzise Temperaturmessung zu gewährleisten. Das Temperaturmessgerät sendet Signale, um schnell in die Ausgangsposition zurückzukehren, präzise zu stoppen und das Temperatursignal zu erfassen. Damit ist ein Arbeitszyklus abgeschlossen. Das Temperatursignal wird über ein Ausgleichskabel an die entsprechenden Steuereinheiten und Instrumente übertragen. 3.2 Zusammensetzung des Steuerungssystems 3.2.1 Elektrische Zusammensetzung des Steuerungssystems Basierend auf einer umfassenden Analyse der Anforderungen der Temperaturmessanlage und des zugehörigen Prozesses an das Steuerungssystem verwendet dieses die in Abbildung 1 dargestellte Hardwarestruktur. Abbildung 1: Gesamtstrukturdiagramm der Hardwarekonfiguration des Systems. Das Steuerungssystem nutzt eine Siemens SIMATIC S7-300 SPS als Basiseinheit. Entsprechend den Anforderungen der Geschützanlage wird ein verteiltes System gewählt. Ein Feldbedienkasten wird vor Ort installiert, und die E/A-Unterstationen sind am Geschützrahmen montiert. Entsprechende Steuersignale vom Geschütz werden direkt an die Unterstationen gesendet. Die Unterstationen benötigen lediglich einen PROFIBUS-DP-Feldkommunikationsbus und eine Stromleitung zur Anbindung an die SPS-Zentrale für die Datenübertragung, was den Betrieb vor Ort erheblich vereinfacht. Da zwischen dem Elektroraum und der Temperaturmessanlage eine gewisse Entfernung besteht, reduziert diese Steuerungsmethode gleichzeitig die Investitionen des Anwenders in die Verkabelung sowie den Bedarf an Ausrüstung, Material und Personal für die Verkabelung. Zudem reduziert es die Anzahl der festen Verbindungen zwischen Feld und Schaltraum, wodurch die Signalzuverlässigkeit erhöht und zukünftige Inspektionen und Wartungsarbeiten vereinfacht werden. Darüber hinaus zeichnet sich diese Systemkonfiguration durch hervorragende Skalierbarkeit aus. Ändern sich die Anforderungen vor Ort, beispielsweise durch das Hinzufügen von Steuersignalen oder die Erhöhung des Automatisierungsgrades, können die Signale direkt mit der nächstgelegenen E/A-Unterstation verbunden werden, was die Planung und den Aufbau vereinfacht. 3.2.2 Instrumentengruppe des Steuerungssystems: Dieses System verwendet das digitale Temperaturmessgerät Heraeus DTK-A-II. Dieses Gerät zeichnet sich durch fortschrittliche Betriebsmodi, zuverlässige Leistung und leistungsstarke Datenverarbeitungsfunktionen sowie zuverlässige Komponenten und eine systemorientierte Betriebssoftware aus, um genaue und zuverlässige Messdaten zu gewährleisten. Das Gerät dient hauptsächlich der Messung der Tauchtemperatur mittels eines Thermoelements an der Sondenspitze. Es kann die Temperatur kontinuierlich messen und verfügt über umfassende Datenausgabefunktionen. 4. Anwendungssoftware des Steuerungssystems: 4.1 SPS-Softwarefunktionen: Entsprechend den Betriebsanforderungen des Geräts arbeitet das Temperaturmessgerät in der SPS-Softwaresteuerung in drei Modi: manuell, halbautomatisch und automatisch. Die Umschaltung zwischen diesen Modi erfolgt am Feldgerät. Das Gerät kann Temperaturmessung und Probenahme gleichzeitig oder getrennt durchführen. 1) Manuelle Steuerung: Die manuelle Steuerung dient hauptsächlich der Wartung und Reparatur vor Ort und ist nicht an externe Verriegelungen gebunden. Bediener nutzen sie zur Überprüfung der Betriebssicherheit des Geräts und des Systems. Sie kann auch in der Produktion eingesetzt werden, erfordert jedoch hohe Bedienerkenntnisse. 2) Halbautomatische Steuerung: Die halbautomatische Steuerung dient der manuellen Auswahl des Spritzpistolenwegs und der Temperaturprobenahme bei bekanntem Flüssigstahlpegel und ermöglicht gleichzeitig die unabhängige Probenahme. Bei der Wartung und Reparatur vor Ort ist sie die primäre Methode zur Überprüfung der Positionier- und Stoppgenauigkeit des Geräts und erfordert eine hohe Zuverlässigkeit der Encoder-Signalerfassung und -verarbeitung. 3) Automatische Steuerung: Die automatische Steuerung kommt hauptsächlich in der Produktion zum Einsatz. Sie erfordert keinen manuellen Eingriff und erfüllt die Prozessanforderungen des Geräts selbstständig. Dies erfordert eine hohe Zuverlässigkeit der vom Temperaturmessgerät ausgegebenen Signale, eine schnelle Reaktionszeit des Steuerungssystems und eine zuverlässige Frequenzumrichtersteuerung. Zu Beginn des Betriebs muss sichergestellt werden, dass sich das Temperaturmessgerät in der Ausgangsposition befindet, d. h. in der Nullstellung des Encoders. Die Gießpfanne mit dem flüssigen Stahl muss die Temperaturmessposition erreichen, und die Temperatursonde muss installiert sein. Stellen Sie den Verfahrweg entsprechend den im vorherigen Prozess ermittelten Parametern des flüssigen Stahlpegels ein (im halbautomatischen Modus) oder lassen Sie ihn weg (im automatischen Modus), um den Betrieb vorzubereiten. Nach Abschluss der Temperaturmessung bringen Sie das Temperaturmessgerät in die Ausgangsposition zurück, d. h. in die Nullstellung des Encoders, und setzen den Encoderzähler auf Null zurück. 4.2 Kommunikationsparameter für die Umrichter S7-300 und 6ES70: Die Bewegung des Messgeräts wird vollständig vom Umrichter 6ES70 gesteuert, und die Steuerbefehle werden vom S7-300 an den Umrichter gesendet. In diesem System muss dem Umrichter eine CBP-Profibus-Kommunikationskarte hinzugefügt werden, um die Kommunikation zwischen dem S7-300 und der CUVC-Karte im Umrichter zu ermöglichen. Die SPS und der Wechselrichter übermitteln den Steuerungsstatus über eine Kommunikationsschnittstelle (siehe Abbildung 2). Abbildung 2: Kommunikation zwischen SPS und Wechselrichter. 4.2.1 Implementierung der Kommunikation in der SPS-Softwareprogrammierung. In STEP 7 müssen die Systemfunktionsbausteine ​​SFC14 und SFC15 aufgerufen werden. SFC15 dient der SPS zum Schreiben von Steuersignalen an den Wechselrichter und ermöglicht die Übertragung von Steuersignalen wie Start/Stopp, Beschleunigung/Verzögerung, Not-Stopp und Fehlerstopp des Frequenzumrichters. SFC14 dient der SPS zum Lesen von Steuersignalen an den Wechselrichter und ermöglicht die Übertragung von Steuersignalen wie dem aktuellen Betriebszustand des Frequenzumrichters. Abbildung 2: Kommunikation zwischen SPS und Wechselrichter. 4.2.1 Implementierung der Kommunikation in der SPS-Softwareprogrammierung. In STEP 7 müssen die Systemfunktionsbausteine ​​SFC14 und SFC15 aufgerufen werden. SFC15 dient der SPS zum Schreiben von Steuersignalen an den Wechselrichter und ermöglicht die Übertragung von Steuersignalen wie Start/Stopp, Beschleunigung/Verzögerung, Not-Stopp und Fehlerstopp des Frequenzumrichters. SFC14 dient der SPS zum Auslesen der Steuersignale vom Frequenzumrichter und zur Übertragung von Steuersignalen wie dem aktuellen Betriebszustand des Frequenzumrichtermotors. 4.2.2 Kommunikationsimplementierung für den Umrichter: Kommunikation zwischen dem S7-300 und der CUVC-Karte des Umrichters. Die vom S7-300 an die CUVC-Karte des Umrichters gesendeten Parameter werden auf der CUVC-Karte konfiguriert (siehe Tabelle unten). 5. Fazit: Nach der Inbetriebnahme vor Ort und fast zwei Jahren Betrieb hat das gesamte Steuerungssystem eine hohe Stabilität, eine hohe Erfolgsquote bei der Temperaturmessung und eine hohe Regelgenauigkeit bewiesen. Es erfüllt die Anforderungen des Prozesses vor Ort und erzielt die erwarteten Ergebnisse. Aufgrund der guten Leistung und der Arbeitsersparnis wurde das System auch in der zweiten Bauphase des Werks eingesetzt. Die Anlage ist nun in Betrieb genommen und arbeitet mit guter Regelwirkung. Autorenbiografien: 1) Mei Jinye – (1978–) Geschlecht: Weiblich Ausbildung: Bachelor-Abschluss Zugehörigkeit: Xi'an Heavy Machinery Research Institute Position/Titel: Assistenzingenieur Aktuelles Forschungsthema und -richtung: Hydraulisches Schwingungs- und elektrisches Steuerungssystem für Kristallisatoren Postanschrift: Sechstes Forschungsbüro, Xi'an Heavy Machinery Research Institute Postleitzahl: 710032 Tel.: 029-86322477, 13032981902 Fax: 029-86322570 E-Mail: [email protected] 2) Shi Jianghua – (1977–) Geschlecht: Männlich Ausbildung: Bachelor-Abschluss Zugehörigkeit: Xi'an Heavy Machinery Research Institute Position/Titel: Assistenzingenieur Aktuelles Forschungsthema und -richtung: Gleichstromantriebs-Steuerungssystem Postanschrift: Sechstes Forschungsbüro, Xi'an Heavy Machinery Research Institute Postleitzahl: 710032 Tel.: 029-86322477, 13032907168 Fax: 029-86322570 E-Mail: [email protected]