基于S7-300 PLC的結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)設(shè)計

缸明義，寧平華，潘小波，唐開元

基于S7-300 PLC的結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)設(shè)計

缸明義1，寧平華1，潘小波1，唐開元2,3

（1.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243031；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000）

針對連鑄機(jī)的結(jié)晶液位采用拉速控制導(dǎo)致控制過程不穩(wěn)定，影響鑄坯質(zhì)量的問題，提出了一種結(jié)晶器塞棒式流量控制方案，并進(jìn)行了軟硬件設(shè)計。采用西門子S7系列的PLC完成了液位的PID閉環(huán)控制，并增加了自動開澆功能，完全實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，提高生產(chǎn)效率和鑄坯質(zhì)量。

連鑄；結(jié)晶器液位控制；PID

連鑄指的是通過連鑄機(jī)來澆注鋼液，并且進(jìn)行冷凝以及后續(xù)的切割，由此得到鑄坯。所以連鑄工藝的運行會影響整個煉鋼生產(chǎn)過程，同時還將極大地影響到成材率及最終質(zhì)量。對于鋼鐵工業(yè)領(lǐng)域來說，連鑄的作用是不可或缺的，所以目前也非常重視其模型構(gòu)建以及工藝控制過程等的研究[1]。其中，尤為值得關(guān)注的就是如何準(zhǔn)確地檢測結(jié)晶器中的液位并且予以合理控制的問題，因為如果液位發(fā)生波動，將會有保護(hù)渣被卷進(jìn)液態(tài)鋼里，由此對最終的鑄坯質(zhì)量造成影響，嚴(yán)重時還有可能發(fā)生鋼液漏出或是溢出的現(xiàn)象[2-3]。本文對此進(jìn)行軟硬件設(shè)計，采用流量控制法中的塞棒控制，在液位的調(diào)節(jié)過程中將拉速作為擾動，根據(jù)實際需要改變?nèi)舻拈_度，使結(jié)晶器液位穩(wěn)定在給定值，很好地解決了控制系統(tǒng)不穩(wěn)定的突出問題。

1 結(jié)晶器的工作原理

結(jié)晶器主要是通過水來進(jìn)行冷卻，通常為鋼錠模。當(dāng)有鋼水經(jīng)由該部件之后，將會得以迅速且均勻的降溫冷卻，由此就有一個初生坯殼得以形成，它通常有較好的表面質(zhì)量以及均勻的厚度，確保整個連鑄過程得以完成。在設(shè)計結(jié)晶器時，最為關(guān)鍵的就是要使鑄坯上有良好的坯殼形成，由此，當(dāng)受到熱應(yīng)力以及機(jī)械應(yīng)力等的共同作用時，也不會導(dǎo)致鑄坯的斷裂或是變形[4]。圖1詳細(xì)地展示了它的結(jié)構(gòu)形式。

圖1 結(jié)晶器構(gòu)造圖

2 結(jié)晶器液位系統(tǒng)控制方案的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

連鑄生產(chǎn)經(jīng)驗表明，當(dāng)液位波動小于10mm時，皮下夾渣可以被消除。當(dāng)液位波動大于10mm時，鑄坯皮下夾渣程度隨著鋼水液位波動的增大而增大，并且鑄坯表面縱裂的發(fā)生率將會上升30%[5]。因此，根據(jù)鑄坯生產(chǎn)要求和鑄機(jī)參數(shù)確定連鑄機(jī)結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)：鑄機(jī)處在正常穩(wěn)定的控制狀態(tài)時，液面控制精度誤差≤10mm。液位設(shè)定值范圍為60~120mm，可以根據(jù)需要適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整范圍。

2.2 液位控制方法的選擇

控制液位所用的方法一般包括混合型、速度型以及流量型等[6]。文中以某鋼廠小方坯連鑄機(jī)為研究對象，該連鑄機(jī)原結(jié)晶器液位采用拉速進(jìn)行控制，而拉速與整個連鑄中的一些后續(xù)控制是緊密相關(guān)的，拉速的頻繁變化勢必會影響到這些控制的穩(wěn)定進(jìn)行，影響鑄坯質(zhì)量。對比以上3種控制方法，考慮系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)以及現(xiàn)場設(shè)備的實際狀況，采用塞棒式流量控制法。

2.3 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

如果流量的控制是通過塞棒來進(jìn)行，則需要著重考慮鋼水的流量與塞棒開度值二者之間的關(guān)聯(lián)問題。結(jié)晶器系統(tǒng)控制原理圖如圖2所示，鋼液從鋼包經(jīng)過中間包水口流入結(jié)晶器。中間包的水口設(shè)置在出水口的開口處，其開度可以通過機(jī)械驅(qū)動裝置來進(jìn)行調(diào)節(jié)。在提升了塞棒之后，其所對應(yīng)的具體開度值將會對結(jié)晶器中鋼水的液位及流量有十分重要的影響。通過液面檢測設(shè)備將標(biāo)準(zhǔn)電信號（從4mA到20mA）輸出，西門子PLC的模擬量輸入模塊采集后作為實際結(jié)晶器液面值，澆鑄P3操作箱上的液面設(shè)定值上升下降按鈕分別控制液面給定值的增加和減少，液面的給定值和實際值經(jīng)過PLC的PID運算，輸出塞棒位置給定值以決定塞棒的開度，最終達(dá)到結(jié)晶器內(nèi)液面的穩(wěn)定。

當(dāng)連鑄機(jī)滿足了全自動開澆條件后，鑄流PLC發(fā)送信號并由操作人員按下開澆按鈕，根據(jù)提前設(shè)置好的時間斜坡將液態(tài)鋼注入，若發(fā)現(xiàn)實際液面已經(jīng)超過了給定的液面，則將由斜坡控制的方式自動地切換至PID閉環(huán)模式中。

圖2 結(jié)晶器系統(tǒng)控制原理圖

3 液位控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

結(jié)晶器液位控制主要由放射源、探測器、X96N微處理儀表、塞棒機(jī)構(gòu)、西門子S7-300 PLC組成。采用銫源和探測器對液位進(jìn)行檢測，電動缸作為驅(qū)動元件。

3.1 液位檢測系統(tǒng)

3.2 塞棒控制單元

塞棒控制單元包括：MQS160塞棒機(jī)構(gòu)、DEM960電動缸、ACV400放大器。

由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常在比較嚴(yán)苛的環(huán)境下運行（多粉塵且溫度較高），同時還需確保順利地升降及較高的靈活性，而且便于安裝，盡量減少維護(hù)成本，所以采取活動軸桿（為專用軸承）的形式，以實現(xiàn)上述目標(biāo)。密封做特殊防塵處理，磨損間隙小。執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動缸組裝后反沖小于0.1mm。為了保護(hù)機(jī)構(gòu)，塞棒執(zhí)行機(jī)構(gòu)與中間包之間安裝防護(hù)隔熱板。

對于其電動缸而言，其設(shè)計形式為免維護(hù)式的，不需要將各類潤滑劑加入到機(jī)械系統(tǒng)之中，且允許帶電插拔其中的各類功率電氣插頭。電動缸最小移動量為0.005mm；輸出推力達(dá)到5000N（可以調(diào)節(jié)）。它的電信號由快速插頭與控制系統(tǒng)連接，斷電時活塞桿可以靈活的伸縮，從而自由切換自動、手動模式。它具有低慣性和過載保護(hù)的能力。

ACV 400放大器是專為DEM960設(shè)計的，提供驅(qū)動DEM960所必須的信號。它與系統(tǒng)控制器的界面為模擬和數(shù)字輸入/輸出，與DEM960連接通過EFB過濾器。伺服驅(qū)動器的標(biāo)準(zhǔn)信號范圍是0~10V，同時也可以根據(jù)需要改變。

整個電氣行程范圍（0~100%）至少是伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械行程的2倍。標(biāo)準(zhǔn)上，如果設(shè)定增益為26mm/V，那么0~10V對應(yīng)-130~+130mm。對于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)械行程一般在125mm左右。

3.3 控制器的選型

為了應(yīng)對連鑄生產(chǎn)現(xiàn)場的工業(yè)環(huán)境相對惡劣、溫度高、受到強電磁干擾、存在各種振動噪聲的惡劣環(huán)境，采用PLC作為系統(tǒng)的核心控制器。

對于該控制系統(tǒng)來說，PLC的功能如下[8]：通過液位檢測儀器來進(jìn)行液位的檢測，然后使其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號（4~20mA），再傳送信號至模擬量輸入模塊之中；對液位真實值以及設(shè)定值進(jìn)行對比，運算主要通過調(diào)節(jié)算法來完成，對塞棒開度值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)以控制好液位；密切監(jiān)視塞棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)和液位檢測儀器的具體運行狀態(tài)；和上位機(jī)保持相互之間的通訊。

考慮到該控制系統(tǒng)的主要特點，選擇了SIEMENS S7-300 PLC，其主要優(yōu)點為模塊化、無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，且較易實現(xiàn)分布式配置。根據(jù)對小方坯連鑄機(jī)結(jié)晶器工藝流程的分析以及對控制要求的分析，結(jié)合設(shè)備的特性，對該系統(tǒng)的I/O點數(shù)和種類進(jìn)行了精確的統(tǒng)計。

4 液位控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 PLC軟件設(shè)計

該工作就是要實現(xiàn)液位的閉環(huán)控制的目標(biāo)。以STEP7來作為S7-300PLC所需的程序編制語言，其主要優(yōu)點為有明顯的結(jié)構(gòu)化特征，運行程序所需相關(guān)數(shù)據(jù)以及用戶程序等保存均可通過程序塊形式來實現(xiàn)[9]?？紤]到修改的便利性以及確保有清晰合理的程序組織，將通過語句的調(diào)用來組合有關(guān)的子程序，由此獲得具有結(jié)構(gòu)化特征的用戶程序。

4.1.1 主程序模塊及初始化

PLC程序?qū)⒂蓭讉€模塊共同組成，即FC2濾波，SFB41，OB35循環(huán)中斷，OB1主循環(huán)以及OB100暖啟動初始化等一系列模塊。與OB1主程序相關(guān)的控制流程可參考圖3中所示的內(nèi)容。

4.1.2 輸入量處理

由于液位信號往往會受到比較多的干擾，主要包括液位波動或是結(jié)晶器在工作過程中自身發(fā)生的周期性振動等，同時還有其他類型的相關(guān)信號，所以可通過八點滑動濾波的方法來平滑濾波處理所得的信號。它能夠很好地抑制結(jié)晶器周期性振動帶來的擾動，平滑度高。液位濾波程序流程圖如圖4所示。

圖3 OB1主程序的控制流程圖

循環(huán)中斷組織塊用于按一定時間間隔循環(huán)執(zhí)行中斷程序，S7-300/400PLC提供了PID調(diào)節(jié)模塊SFB41，通過配置適當(dāng)?shù)目刂茀?shù)（采樣周期、比例增益、積分速率、微分增益以及偏差死區(qū)），可以實現(xiàn)PID控制功能[10]。結(jié)晶器液位控制通過利用連續(xù)PID控制模塊SFB41“CONT_C”實現(xiàn)，它的輸出為連續(xù)變量。

PID控制器中的D_SEL、I_SEL以及P_SEL等均被設(shè)置為1，從而對微分、積分以及比例等進(jìn)行激活，其中的比例系數(shù)是GAIN，而微分以及積分時間各自對應(yīng)于TD與TI。而LNM_D、LNM_I以及LMN_P等三者分別對應(yīng)于微分、積分以及比例等3個不同的分量。

4.1.4 輸出量的處理

如果MAN_ON被設(shè)置成1，則該系統(tǒng)將處于手動的運行模式之中，此時以MAN來替代塞棒的位置輸出值。以“0”來設(shè)置其微分項，LMN_P和LMN二者之間的差值則作為積分項，這樣就可自由地在自動及手動等兩種模式之間進(jìn)行靈活的切換。

圖4 液位濾波算法程序流程圖

使用LMNLIMIT（輸出量限幅）功能對控制器輸出值即塞棒位置給定值進(jìn)行限幅。當(dāng)輸出塞棒位置高于上限LMN_HLM時，信號為QLMN_HLM為1；當(dāng)輸出塞棒位置低于下限LMN_LLM時，信號位QLMN_LLM為1。

4.1.5 系統(tǒng)工作模式

當(dāng)采用塞棒控制結(jié)晶器液位時，為操作方便和適應(yīng)不同需要，系統(tǒng)設(shè)有4種操作模式：手動控制、自動開澆、點動控制、自動控制，它們可在P3操作箱及HMI上進(jìn)行切換。在各類模式下，都可通過該系統(tǒng)來將液位值實時性地反饋出來，對其上下限的越界進(jìn)行檢測，如果存在常規(guī)的異常現(xiàn)象或是漏及溢鋼等問題將會進(jìn)行報警。

①對水庫管理單位進(jìn)行科學(xué)合理定性。要綜合考慮水庫管理單位經(jīng)營性資產(chǎn)和非經(jīng)營性資產(chǎn)的構(gòu)成比例，在多年平均來水量情況下的創(chuàng)收能力以及工程的功能和調(diào)度運用方式變化對水庫管理單位收支狀況的影響因素。根據(jù)收支配比原則，考慮水管單位實際收入情況，對自收自支水管單位的性質(zhì)暫時維持不變。

4.1.6 報警及急停功能

溢缸、漏缸、液位報警的上限及下限、液位自動允許的上限和下限等情況共同地構(gòu)成了液位限制信號。在自動允許所對應(yīng)上限及下限區(qū)間之內(nèi)，同時塞棒驅(qū)動裝置和液位檢測系統(tǒng)都為正常的運行狀態(tài)時，才會采用自動模式；此時，如果是在液位上下限報警的情況，則其仍可運行。但一旦出現(xiàn)溢缸信號，它會立即關(guān)閉塞棒，必須通過手動方式控制才可以正常進(jìn)行工作。此外，系統(tǒng)還具有結(jié)晶器自動開澆故障、拉漏、塞棒伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)故障、緊停報警功能。開澆時系統(tǒng)出現(xiàn)故障，鑄流PLC會把故障信號傳給HMI并進(jìn)行顯示，系統(tǒng)自動切換到手動模式。

考慮到整個系統(tǒng)的安全性問題，若有溢缸信號形成，則塞棒會被自動地關(guān)閉，同時，現(xiàn)場的工作人員可針對實際情況通過“緊停”按鈕，使塞棒被及時地關(guān)閉起來；如果系統(tǒng)無法工作，則可將驅(qū)動器電源關(guān)閉，由此進(jìn)入到手動的工作模式中。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)在西門子的組態(tài)軟件WinCC上開發(fā)設(shè)計，它包含主畫面、塞棒系統(tǒng)、報警消息、歷史趨勢、報表打印功能。

通過主畫面進(jìn)行管理，在頁面的上部區(qū)域主要包括時間及標(biāo)題，在頁面的中間區(qū)域是所調(diào)入的相關(guān)畫面，在頁面的左側(cè)區(qū)域則是一些操作按鈕，由此可順利地登錄系統(tǒng)、退出系統(tǒng)或瀏覽系統(tǒng)等。如果用戶未獲得相關(guān)的權(quán)限，則無法操作，具體見圖5。在塞棒系統(tǒng)主畫面上主要顯示系統(tǒng)的主要參數(shù)、狀態(tài)以及液位的實際值和設(shè)定值，有權(quán)限的用戶也可以在主畫面修改液位設(shè)定值。圖5中間部分為1流塞棒系統(tǒng)的畫面。

對應(yīng)報警畫面，其內(nèi)容為已組態(tài)的相關(guān)報警信息，工作人員可操作其中的各類消息，同時還可切換順序窗口，得到長期或短期性的歸檔窗口。該畫面并未獲得授權(quán)保護(hù)，因此全體用戶都有權(quán)進(jìn)行操作。

在歷史趨勢的相關(guān)畫面中，用戶可對各類歷史曲線進(jìn)行查看，從而對系統(tǒng)展開評估及研究。該畫面并未獲得授權(quán)保護(hù)，因此全體用戶都有權(quán)進(jìn)行操作，具體見圖6中的內(nèi)容。

圖5 主畫面及塞棒系統(tǒng)的畫面

圖6 歷史趨勢畫面

報表打印畫面的“打印報表內(nèi)容選擇區(qū)”可以選擇需要打印的報表內(nèi)容，如趨勢、表格或者報警等；“打印報表時間選擇區(qū)”可以選擇需要輸出報表的時間范圍，如班報表、日報表和周報表；“打印報表預(yù)覽區(qū)”用來預(yù)覽報表，可以把報表存儲或者打印輸出，如圖7所示。

圖7 報表打印畫面

5 液位控制系統(tǒng)通訊的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)液位控制系統(tǒng)與整個連鑄控制系統(tǒng)的通訊，將結(jié)晶器液位控制器（S7-300）通過Profibus總線，采用主從通訊的方式與鑄流PLC進(jìn)行連接。另外，通過Ethernet實現(xiàn)結(jié)晶器液位控制器S7-300與上位機(jī)WinCC的通訊。

5.1 監(jiān)控站與結(jié)晶器液位控制器的通訊

系統(tǒng)采用西門子的WinCC6.0作為監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)平臺。硬件需要1塊CP1613以太網(wǎng)卡和1塊CP343-1IT通訊處理器，以完成上下位機(jī)的通訊連接。對于變量記錄、報警以及圖像運行等，均需通過變量的形式來進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的請求，該過程主要利用通訊驅(qū)動程序最終實現(xiàn)，以相應(yīng)的通道單元用作過程信號WinCC所需接口。通過CP343-1IT來發(fā)送通訊驅(qū)動程序所發(fā)出的相關(guān)請求信息，從而由PLC接收，接著發(fā)送過程值到WinCC中，圖8詳細(xì)地展示了通訊過程。

圖8 PLC與WinCC通訊原理圖

5.2 鑄流PLC與結(jié)晶器液位控制PLC的通訊

鑄流PLC與結(jié)晶器液位控制PLC采用Profibus-DP協(xié)議的主從通訊方式進(jìn)行通訊，鑄流PLC作為DP主站，結(jié)晶器液位控制PLC作為DP從站。鑄流PLC用于向液位控制PLC發(fā)送其它澆鑄設(shè)備的狀態(tài)，為開澆做準(zhǔn)備。液位控制PLC給鑄流提供結(jié)晶器控制系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)和開澆的狀態(tài)，從而協(xié)調(diào)整個連鑄過程。在硬件連接好后，需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)、參數(shù)設(shè)置才能實現(xiàn)正常的通訊。

6 結(jié)束語

著重分析了連鑄機(jī)結(jié)晶器中所存在的液位控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較低的問題，探討了對鑄坯質(zhì)量造成影響的主要客觀因素。基于重要的技術(shù)指標(biāo)，形成了塞棒流量控制的主要解決方案，并對硬件設(shè)計、軟件流程、通訊連接和組態(tài)監(jiān)控幾方面進(jìn)行了詳細(xì)的說明，使結(jié)晶器液位穩(wěn)定在給定值，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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Design of the mold liquid-level control system based on S7-300 PLC

GANG Ming-yi1，NING Ping-hua1，PAN Xiao-bo1，TANG Kai-yuan2,3

(1.Department of Electrical Engineering, Maanshan Technical College, Anhui Maanshan 243031, China;2.Sinosteel Maanshan General Institute of Mining Research Co.,Ltd., Anhui Maanshan 243000, China;3.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines, Anhui Maanshan 243000, China)

Aiming at the problem that the crystal level of continuous caster is controlled by casting speed, the control process is unstable and the quality of slab is affected. A plug bar flow control scheme is proposed, and the software and hardware are designed. Siemens S7 Series PLC is used to complete the PID closed-loop control of the liquid level, and the automatic casting function is added. The automatic control of the system is fully realized, and the production efficiency and billet quality are improved.

continuous cast；mold liquid-level control；PID

2020-10-19

安徽省高校自然科學(xué)研究重點項目（KJ2019A1245，KJ2019A1244）；安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃項目（gxyq2019202）；安徽省高校學(xué)科（專業(yè)）拔尖人才學(xué)術(shù)資助項目（gxbjZD59）

缸明義（1980-），女，遼寧錦州人，講師，碩士，主要從事先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用研究，gangyi_0127@sina.com。

TF341.6;TP273

A

1007-984X(2021)04-0010-06