喂線機自動控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)

　　在鋼鐵冶煉過程中，需要向鋼包中加入各種脫氧劑、脫硫劑等添加劑。但由于鋼水粘度大、鋼包深、鋼水表面飄有鋼渣等原因，將包芯線均勻熔于鋼水中一直是個難題。近幾年，人們利用喂線技術較好地解決了這個難題。喂線技術是將各類添加劑卷入鋼帶中形成包芯線，通過喂線機將包芯線打入鋼包中一系列技術的總稱。目前國內的各類鋼廠精煉爐鋼包喂線機方案，均是采用簡單儀表控制加人工操作方式進行。由于喂線長度和喂線速度與煉鋼質量密切相關，而人工操作的喂線速度與喂線長度不易控制，經(jīng)常造成產(chǎn)品質量不穩(wěn)定，所以喂線機的喂線過程實現(xiàn)自動化控制是必然的趨勢。

　　1 控制方案的確定

　　針對太原第二煉鋼廠精煉F爐的實際情況，新型的喂線機控制部分由氣路和電路兩部分組成，通過控制交流電機的轉速和轉圈數(shù)來控制喂線速度和喂線長度。電氣控制系統(tǒng)由西門子S7200可編程序控制器對喂線機進行自動控制，采用西門子TP170A觸摸屏完成人機對話，實現(xiàn)對喂線速度、喂線長度的精確設定；采用兩臺西門子MICROMaster420變頻器實現(xiàn)喂線電機的變頻調速；利用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線構成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，采用STEP7-MICRO WIN 32進行了網(wǎng)絡組態(tài)以及硬件組態(tài)，實現(xiàn)了上位PC機監(jiān)控組態(tài)軟件Win CC與MICRO WIN 32的動態(tài)鏈接，實現(xiàn)在控制室內實現(xiàn)現(xiàn)場操作、監(jiān)視和數(shù)據(jù)的采集．系統(tǒng)結構示意圖如圖1。

　　2 電氣控制的實現(xiàn)

　　2.1 控制系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)控制核心選用德國西門子S7-200可編程序控制器，CPU為控制高速事件提供了高速I/O，這為喂線機中使用高速計數(shù)器提供了方便，同時提供了方便、簡潔、開放的通訊功能。

　　控制系統(tǒng)使用了PLC兩個RS485通訊口：Port0通訊口采用USS協(xié)議與兩臺變頻器進行通訊，控制喂線電機的速度；Port1通訊口通過MPI協(xié)議與TP170A觸摸屏進行通訊，完成人機對話。通過TP170A觸摸屏，可進行喂線參數(shù)的精確設定、實時顯示、全機的點動調試、自動運行以及工藝參數(shù)的計算。兩路光電高速計數(shù)器與PLC的I/O接口連接，實時采集運動部件喂線輪的角速度。同時控制系統(tǒng)采用西門子EM-277模塊，通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線連接PLC和帶CP-5611網(wǎng)卡的控制室計算機，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

　　變頻器的選擇主要依據(jù)實際控制精度與電機容量選擇[1]。由于喂線電機功率為11kW，方案選取性價比較高的非矢量控制MicroMaster420變頻器。該變頻器與PLC通過USS協(xié)議指令配套使用，具有調速范圍廣、轉速精度高、耐高溫、運行可靠等特點。USS協(xié)議指令是STEP 7-MICRO/WIN32軟件工具包中PLC與變頻器通訊的協(xié)議指令，使用專為USS協(xié)議通信而設計的預配置子程序和中斷程序實現(xiàn)PLC與變頻器通訊。

　　通過設置變頻器遠程控制方式，變頻器從站地址、波特率、工作頻率、啟動時間、制動方式等相關參數(shù)，實現(xiàn)PLC對變頻器的實時控制與變頻器信號反饋。PLC接受指令后，根據(jù)設定喂線速度計算電機轉速與頻率，并將值以USS協(xié)議指令傳送給變頻器。變頻器接受指令后，根據(jù)內部設定參數(shù)對電機進行調速。調速方式為V/F型，即在改變變頻器輸出頻率的同時，通過相應改變變頻器輸出電壓來保證異步電機磁通不變。該調速方式簡便可靠，能夠很好地滿足喂線機調速要求。

　　2.2 PC控制程序

　　PLC控制程序采用SIEMENS公司的STEP7軟件梯形邏輯編程語言LAD編制。STEP7-MICRO WIN32是適用于S7-200系列可編程控制器的專門軟件。此軟件運行于WIN2000平臺，標準軟件包中包含有3種編程語言：語句表編程語言STL梯形邏輯編程、語言LAD、功能塊圖編程語言FBD。

　　程序部分包括主程序和7個子程序、3個中斷程序。主程序完成邏輯功能控制及子程序和中斷程序的調用。程序工作示意圖如圖3所示。

　　其中：SBR0初始化子程序，對2個高速計數(shù)器進行初始化，以及USS協(xié)議初始化。SBR1～SBR5 USS通訊協(xié)議所需子程序。INT1～INT3 USS協(xié)議通訊指令所需中斷程序。SBR6速度計算子程序，計算當前喂線速度、當前喂線長度等實時值，并通過TP170A顯示出來。SBR7計算器子程序，通過輸入的喂線速度、喂線長度，來計算理論喂線電機頻率。SBR8面板開關控制子程序，控制喂線機的啟動，停止，喂線選擇，工作/維修狀態(tài)選擇等眾多控制要求。

　　3 遠程監(jiān)控的實現(xiàn)

　　3.1 現(xiàn)場總線選擇

　　PROFIBUS是一種國際性的、開放式的現(xiàn)場總線標準，主要針對工業(yè)過程控制領域的應用，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。PROFIBUS有PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP三種形式。本設計所采用的PROFIBUS-DP根據(jù)ISO7498國際標準以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡OIS為參考模型，使用第1、2層和用戶接口，該總線物理層采用RS485傳輸方式（以RS-485雙絞線電纜或光纜作為傳輸介質），傳輸速度為9.6kbps～12Mbps，實現(xiàn)分布式I/O站和現(xiàn)場設備的自動化系統(tǒng)之間的通訊。

　　3.2 組態(tài)軟件設計

　　本文使用組態(tài)軟件WinCC實現(xiàn)人機界面（HMI）和監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)設計分為以下幾個模塊：WinCC通訊驅動程序，實現(xiàn)PLC和WinCC數(shù)據(jù)管理器的連接；圖形運行系統(tǒng)，提供人機界面，實現(xiàn)喂線長度、速度設定，喂線長度、速度實時顯示；變量記錄運行系統(tǒng)，記錄喂線長度、速度等變量的歷史紀錄；報警記錄運行系統(tǒng)，提供喂線長度值實時監(jiān)控，保障系統(tǒng)運行安全。

　　系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲在WinCC中SQLAnywhere系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。運行期間，WinCC通訊驅動程序利用通道單元構成WinCC和PLC程序之間的接口。它使用通訊處理器來向PLC發(fā)送請求消息，待PLC返回應答消息后，通訊處理器將其中的過程值返回給WinCC數(shù)據(jù)管理器。WinCC數(shù)據(jù)管理器集中管理各種數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)喂線長度、速度設定、實時顯示、報警和歷史紀錄存儲等功能提供各類數(shù)據(jù)。

　　4 結 語

　　該喂線機控制系統(tǒng)采用TP170A觸摸屏作為人機界面，增加了系統(tǒng)的可靠性，精確控制了喂線速度與喂線長度，使煉鋼質量得到了可靠保證；采用S7-200的USS協(xié)議直接控制變頻器，實現(xiàn)了控制方式靈活、精度高、程序開發(fā)簡單等優(yōu)點；利用PLC控制系統(tǒng)加工業(yè)組態(tài)軟件WinCC進行現(xiàn)場監(jiān)控，實現(xiàn)了現(xiàn)場操作、監(jiān)視和數(shù)據(jù)的采集．該系統(tǒng)投入運行以來一直十分穩(wěn)定，使太鋼第二煉鋼廠F爐的精煉質量有了可靠的保障，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益．