喂線機(jī)自動(dòng)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(gè)難題。近幾年，人們利用喂線技術(shù)較好地解決了這個(gè)難題。喂線技術(shù)是將各類添加劑卷入鋼帶中形成包芯線，通過喂線機(jī)將包芯線打入鋼包中一系列技術(shù)的總稱。目前國(guó)內(nèi)的各類鋼廠精煉爐鋼包喂線機(jī)方案，均是采用簡(jiǎn)單儀表控制加人工操作方式進(jìn)行。由于喂線長(zhǎng)度和喂線速度與煉鋼質(zhì)量密切相關(guān)，而人工操作的喂線速度與喂線長(zhǎng)度不易控制，經(jīng)常造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，所以喂線機(jī)的喂線過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制是必然的趨勢(shì)。

　　1 控制方案的確定

　　針對(duì)太原第二煉鋼廠精煉F爐的實(shí)際情況，新型的喂線機(jī)控制部分由氣路和電路兩部分組成，通過控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)圈數(shù)來控制喂線速度和喂線長(zhǎng)度。電氣控制系統(tǒng)由西門子S7200可編程序控制器對(duì)喂線機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，采用西門子TP170A觸摸屏完成人機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)對(duì)喂線速度、喂線長(zhǎng)度的精確設(shè)定；采用兩臺(tái)西門子MICROMaster420變頻器實(shí)現(xiàn)喂線電機(jī)的變頻調(diào)速；利用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，采用STEP7-MICRO WIN 32進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)組態(tài)以及硬件組態(tài)，實(shí)現(xiàn)了上位PC機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件Win CC與MICRO WIN 32的動(dòng)態(tài)鏈接，實(shí)現(xiàn)在控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)操作、監(jiān)視和數(shù)據(jù)的采集．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

　　2 電氣控制的實(shí)現(xiàn)

　　2.1 控制系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)控制核心選用德國(guó)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(jī)中使用高速計(jì)數(shù)器提供了方便，同時(shí)提供了方便、簡(jiǎn)潔、開放的通訊功能。

　　控制系統(tǒng)使用了PLC兩個(gè)RS485通訊口：Port0通訊口采用USS協(xié)議與兩臺(tái)變頻器進(jìn)行通訊，控制喂線電機(jī)的速度；Port1通訊口通過MPI協(xié)議與TP170A觸摸屏進(jìn)行通訊，完成人機(jī)對(duì)話。通過TP170A觸摸屏，可進(jìn)行喂線參數(shù)的精確設(shè)定、實(shí)時(shí)顯示、全機(jī)的點(diǎn)動(dòng)調(diào)試、自動(dòng)運(yùn)行以及工藝參數(shù)的計(jì)算。兩路光電高速計(jì)數(shù)器與PLC的I/O接口連接，實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)部件喂線輪的角速度。同時(shí)控制系統(tǒng)采用西門子EM-277模塊，通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線連接PLC和帶CP-5611網(wǎng)卡的控制室計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　變頻器的選擇主要依據(jù)實(shí)際控制精度與電機(jī)容量選擇[1]。由于喂線電機(jī)功率為11kW，方案選取性價(jià)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(diào)速范圍廣、轉(zhuǎn)速精度高、耐高溫、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。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(shè)計(jì)的預(yù)配置子程序和中斷程序?qū)崿F(xiàn)PLC與變頻器通訊。

　　通過設(shè)置變頻器遠(yuǎn)程控制方式，變頻器從站地址、波特率、工作頻率、啟動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)方式等相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)變頻器的實(shí)時(shí)控制與變頻器信號(hào)反饋。PLC接受指令后，根據(jù)設(shè)定喂線速度計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)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(nèi)部設(shè)定參數(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。調(diào)速方式為V/F型，即在改變變頻器輸出頻率的同時(shí)，通過相應(yīng)改變變頻器輸出電壓來保證異步電機(jī)磁通不變。該調(diào)速方式簡(jiǎn)便可靠，能夠很好地滿足喂線機(jī)調(diào)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(yǔ)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(yùn)行于WIN2000平臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)軟件包中包含有3種編程語(yǔ)言：語(yǔ)句表編程語(yǔ)言STL梯形邏輯編程、語(yǔ)言LAD、功能塊圖編程語(yǔ)言FBD。

　　程序部分包括主程序和7個(gè)子程序、3個(gè)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(diào)用。程序工作示意圖如圖3所示。

　　其中：SBR0初始化子程序，對(duì)2個(gè)高速計(jì)數(shù)器進(jìn)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～I(xiàn)NT3 USS協(xié)議通訊指令所需中斷程序。SBR6速度計(jì)算子程序，計(jì)算當(dāng)前喂線速度、當(dāng)前喂線長(zhǎng)度等實(shí)時(shí)值，并通過TP170A顯示出來。SBR7計(jì)算器子程序，通過輸入的喂線速度、喂線長(zhǎng)度，來計(jì)算理論喂線電機(jī)頻率。SBR8面板開關(guān)控制子程序，控制喂線機(jī)的啟動(dòng)，停止，喂線選擇，工作/維修狀態(tài)選擇等眾多控制要求。

　　3 遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線選擇

　　PROFIBUS是一種國(guó)際性的、開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，主要針對(duì)工業(yè)過程控制領(lǐng)域的應(yīng)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(shè)計(jì)所采用的PROFIBUS-DP根據(jù)ISO7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(zhì)），傳輸速度為9.6kbps～12Mbps，實(shí)現(xiàn)分布式I/O站和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)之間的通訊。

　　3.2 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

　　本文使用組態(tài)軟件WinCC實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面（HMI）和監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)模塊：WinCC通訊驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)PLC和WinCC數(shù)據(jù)管理器的連接；圖形運(yùn)行系統(tǒng)，提供人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)喂線長(zhǎng)度、速度設(shè)定，喂線長(zhǎng)度、速度實(shí)時(shí)顯示；變量記錄運(yùn)行系統(tǒng)，記錄喂線長(zhǎng)度、速度等變量的歷史紀(jì)錄；報(bào)警記錄運(yùn)行系統(tǒng)，提供喂線長(zhǎng)度值實(shí)時(shí)監(jiān)控，保障系統(tǒng)運(yùn)行安全。

　　系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在WinCC中SQLAnywhere系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。運(yùn)行期間，WinCC通訊驅(qū)動(dòng)程序利用通道單元構(gòu)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(qǐng)求消息，待PLC返回應(yīng)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(shí)現(xiàn)喂線長(zhǎng)度、速度設(shè)定、實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警和歷史紀(jì)錄存儲(chǔ)等功能提供各類數(shù)據(jù)。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　該喂線機(jī)控制系統(tǒng)采用TP170A觸摸屏作為人機(jī)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(zhǎng)度，使煉鋼質(zhì)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(shí)現(xiàn)了控制方式靈活、精度高、程序開發(fā)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；利用PLC控制系統(tǒng)加工業(yè)組態(tài)軟件WinCC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)操作、監(jiān)視和數(shù)據(jù)的采集．該系統(tǒng)投入運(yùn)行以來一直十分穩(wěn)定，使太鋼第二煉鋼廠F爐的精煉質(zhì)量有了可靠的保障，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益．