摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心凸輪式結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)架所存在的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)研制了一種新型的基于電液伺服技術(shù)的自振式結(jié)晶器及其控制系統(tǒng)。貝加萊的PP41是一款集成了高性能PLC與數(shù)字量 I/O功能的顯示單元，本文介紹了以它為核心搭建的連鑄電液伺服自振式結(jié)晶器控制系統(tǒng)的構(gòu)成，以及控制程序和監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)。應(yīng)用實(shí)踐表明，該工藝顯著改善了鑄坯質(zhì)量并大大提高了拉坯速度。
關(guān)鍵詞：連鑄機(jī)；電液伺服；自振式結(jié)晶器； PP41顯示控制器；應(yīng)用程序

引言

PP41是貝加萊（B&R）公司生產(chǎn)的一款緊湊型智能化PowerPanel產(chǎn)品，它是集成了高性能PLC與數(shù)字量 I/O的顯示單元，并且提供了文本顯示與QVGA高分辨率圖形顯示功能，因而具有較高的性價(jià)比。由于B&R公司提供了Automation Studio一體化集成軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，與PCC（可編程計(jì)算機(jī)控制器）一樣，PP41同樣也可采用該集成軟件平臺(tái)的編程軟件來(lái)進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。它采用Runtime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)并基于分時(shí)多任務(wù)設(shè)計(jì)理念，所以非常適宜應(yīng)用在對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的控制系統(tǒng)中。鋼鐵廠的連鑄機(jī)電液伺服自振式結(jié)晶器對(duì)其控制系統(tǒng)在快速性和實(shí)時(shí)性方面有較高的要求，以滿足對(duì)結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)規(guī)律的精確控制，從而生產(chǎn)出高質(zhì)量的鑄坯。

1 工藝簡(jiǎn)介

采用電液伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的自振式結(jié)晶器主要適用于小方坯連鑄機(jī)，它通常包括結(jié)晶器本體、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)三大部分，采用緊湊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將結(jié)晶器、M-EMS（結(jié)晶器電磁攪拌）線圈、結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)架融為一體，兼具這三項(xiàng)功能。為了滿足連鑄工藝在跟蹤非正弦給定振動(dòng)波形方面的要求，采用了基于智能控制的基本思想對(duì)一些控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，有效地抑制了非對(duì)稱負(fù)載造成的靜差并提高了系統(tǒng)的相頻寬。通過(guò)在多臺(tái)小方坯連鑄機(jī)上的試驗(yàn)與應(yīng)用，充分體現(xiàn)了該工藝的優(yōu)越性。對(duì)鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量、外部質(zhì)量均有顯著的改善并大大提高了拉坯速度。

2 電液伺服系統(tǒng)與伺服油缸[3]

電液伺服系統(tǒng)屬于隨動(dòng)系統(tǒng)的一種，在這種系統(tǒng)中，輸出量 (機(jī)械位移、速度或力) 能夠自動(dòng)、快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，同時(shí)也起到信號(hào)的功率放大作用。由電信號(hào)控制液壓驅(qū)動(dòng)裝置作為動(dòng)力所構(gòu)成的伺服系統(tǒng)叫電液伺服系統(tǒng)，它是一個(gè)控制能源輸出的裝置，在其中輸入量與輸出量之間自動(dòng)而連續(xù)地保持一定的比例關(guān)系。

電液伺服系統(tǒng)由以下最基本的部分組成：即偏差檢測(cè)器、轉(zhuǎn)換放大裝置(包括能源)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制對(duì)象。

電液伺服系統(tǒng)與其它類(lèi)型的系統(tǒng)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）液壓元件的功率－重量比和力矩－慣量比較大、傳遞的力矩和功率很大。因此可以組成體積小、重量輕、加速能力強(qiáng)和快速動(dòng)作的伺服系統(tǒng)，來(lái)控制大功率和大負(fù)荷。
（2）液壓執(zhí)行元件響應(yīng)速度快，在伺服控制中采用校正裝置可以使回路增益提高、頻帶加寬。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)平穩(wěn)、抗干擾能力強(qiáng)。
（3）調(diào)速范圍廣，特別是低速運(yùn)行狀態(tài)下的控制性能好。能在給定范圍內(nèi)平穩(wěn)地自動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)速度，并可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，調(diào)速范圍最大可達(dá)1：2000(一般為1：100）。
（4）換向容易，可以較方便地實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)和直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。
（5）由于采用油液為工作介質(zhì)，元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間能自行潤(rùn)滑，磨損小，使用壽命較長(zhǎng)。
（6）操縱控制簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高；容易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。

伺服油缸用于電液伺服系統(tǒng)，它是吸收液壓泵的壓力和流量，接收伺服閥的液壓控制信號(hào)并放大轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它集成了伺服閥、功率放大器、內(nèi)置位移或壓力、速度、加速度等傳感器，形成各種閉環(huán)控制系統(tǒng)并充分發(fā)揮了液壓與電子兩方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)小信號(hào)來(lái)控制大功率和大慣量，且能實(shí)現(xiàn)高精度和高響應(yīng)。它在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，如航空航天、船舶、石油、化工、電廠、機(jī)車(chē)、冶金、機(jī)床、鍛壓、橡塑機(jī)械、輕工業(yè)等。

3 控制系統(tǒng)概述

電液伺服自振式結(jié)晶器是在較高拉坯速度下生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼的先進(jìn)設(shè)備，能有效地提高連鑄機(jī)的性能和鑄坯質(zhì)量。與傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心凸輪式結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)相比，電液伺服自振式結(jié)晶器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 傳動(dòng)重量輕且具有很高的運(yùn)動(dòng)精度。
（2） 振動(dòng)沖程hsp、振動(dòng)頻率f、負(fù)滑脫率NSp、振動(dòng)波形等參數(shù)可在線調(diào)整，并可實(shí)現(xiàn)非正弦振動(dòng)規(guī)律。
（3） 運(yùn)行參數(shù)可在線分析。具有事故預(yù)報(bào)警功能，降低連鑄的事故率。
（4） 安裝及維護(hù)方便，維護(hù)費(fèi)用較低。

其控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由PP41控制站、上位計(jì)算機(jī)、各類(lèi)信號(hào)變送器（包括油壓、拉速、位置和溫度等）、伺服閥和作為振動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的2臺(tái)伺服油缸等組成。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

其中PP41控制站是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，所有的輸入、輸出信號(hào)都是由它進(jìn)行檢測(cè)及處理判斷的，整套PP41控制站包括以下部件：

（1）Ethernet 通訊卡 3IF681.96
（2）混和模擬量輸入 / 輸出卡 7AM351.70

測(cè)量伺服油缸位移傳感器的實(shí)際位置信號(hào)并發(fā)出伺服閥位置控制信號(hào)。

（3）模擬量輸入卡 (4 x 0-20mA) 7AI774.70

檢測(cè)實(shí)際拉速、油缸壓力 A、油缸壓力 B、伺服閥位置反饋信號(hào)。

（4）板載 10 路數(shù)字量輸入

檢測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)、停止、上升、下降、工作方式選擇等開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

（5）板載8路數(shù)字量輸出

輸出系統(tǒng)運(yùn)行、停止、故障等指示信號(hào)。

計(jì)算機(jī)站通過(guò)Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)與PP41控制站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，可在計(jì)算機(jī)站上對(duì)整套控制系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)視及控制，并能記錄諸如歷史運(yùn)行曲線、歷史故障記錄等信息。

4 控制程序設(shè)計(jì)[1], [2]

貝加萊(B&R) PP41控制器采用基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和分時(shí)多任務(wù)設(shè)計(jì)理念的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，因此可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)控制，用戶可以為自己的程序段設(shè)定循環(huán)時(shí)間。系統(tǒng)提供了五個(gè)不同循環(huán)時(shí)間及不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)等級(jí)。這樣，在編程時(shí)一個(gè)復(fù)雜的項(xiàng)目可以分成多個(gè)獨(dú)立的任務(wù)來(lái)完成，每個(gè)任務(wù)都有自己獨(dú)立的程序部分，使整個(gè)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)化，而且每個(gè)任務(wù)可選擇最合適的語(yǔ)言來(lái)編程 (貝加萊Automation Studio集成軟件平臺(tái)提供了C、Basic、LAD、ST、SFC等多種編程語(yǔ)言），這使得編程變得非常靈活方便，而且由于采用了模塊化結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)模式，使得整個(gè)項(xiàng)目的調(diào)試及故障處理也變得比較簡(jiǎn)單。

針對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，控制程序設(shè)計(jì)可劃分為以下幾部分：

4.1 循環(huán)處理任務(wù)

主要包括：參數(shù)設(shè)定、頻率計(jì)算、報(bào)警狀態(tài)判斷、模擬量標(biāo)定、趨勢(shì)曲線繪制、通信參數(shù)傳送等。

4.2 定時(shí)中斷任務(wù)

這是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，所有的結(jié)晶器振動(dòng)軌跡都是由它來(lái)進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化的。主要包括：振動(dòng)軌跡運(yùn)算、PID控制、PID控制參數(shù)優(yōu)化、AM351 TPU控制等。

頻率計(jì)算公式:

4.3 故障處理任務(wù)

檢測(cè)各種系統(tǒng)故障，并做出有針對(duì)性的相應(yīng)的處理。

下面以結(jié)晶器振動(dòng)控制中的重要環(huán)節(jié)，結(jié)晶器振動(dòng)頻率及波形計(jì)算為例介紹程序主要流程。

結(jié)晶器振動(dòng)頻率計(jì)算公式如下：

振動(dòng)頻率f = Vc / 2hsp×（1 — Nsp）

其中：Vc為鑄速測(cè)量值；hsp為結(jié)晶器振動(dòng)沖程設(shè)定值；Nsp 為結(jié)晶器負(fù)滑脫率設(shè)定值（百分值）。

程序流程圖如圖2所示。

圖2 結(jié)晶器振動(dòng)頻率計(jì)算程序流程框圖

5 監(jiān)控畫(huà)面[2]

在自動(dòng)化系統(tǒng)中，友好的計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面是必不可少的，它可以極大地提高整個(gè)系統(tǒng)的可操作性及易用性，一般計(jì)算機(jī)工作站監(jiān)控軟件使用組態(tài)軟件，如：IFix、WinCC、RSVIEW32等，此類(lèi)軟件采用變量和圖形組態(tài)方式，使用方便，功能強(qiáng)大，開(kāi)發(fā)周期短。組態(tài)工作完成后即可進(jìn)入實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，可對(duì)PLC參數(shù)進(jìn)行讀寫(xiě)，可將系統(tǒng)變量參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)以文本和各種形式的圖形畫(huà)面（捧形圖、趨勢(shì)圖、自由格式畫(huà)面等形式）通過(guò)CRT顯示出來(lái)，供現(xiàn)場(chǎng)操作人員監(jiān)視，現(xiàn)場(chǎng)操作人員根據(jù)實(shí)際情況可通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行畫(huà)面選擇，非常方便地對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。

監(jiān)控畫(huà)面應(yīng)包括：工藝參數(shù)設(shè)定畫(huà)面、系統(tǒng)狀態(tài)畫(huà)面、結(jié)晶器遠(yuǎn)程操作畫(huà)面、實(shí)時(shí)和歷史參數(shù)趨勢(shì)曲線畫(huà)面、報(bào)警信息畫(huà)面等。如圖3所示。

圖3 結(jié)晶器振動(dòng)波形監(jiān)控畫(huà)面

6 結(jié)束語(yǔ)

由于貝加萊(B&R) PP41控制器可實(shí)現(xiàn)分時(shí)多任務(wù)控制，很好地滿足了系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的較高要求，使得該控制系統(tǒng)具有很高的性價(jià)比及可操作性。試驗(yàn)表明，所研制的電液伺服結(jié)晶器振動(dòng)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)連鑄工藝要求實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、方便地改變振動(dòng)波形，從而有效地改善了鑄坯質(zhì)量并提高了連鑄自動(dòng)化水平。

參考文獻(xiàn)
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[2] 韓雷. 貝加萊PP41在液壓伺服自振式結(jié)晶器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.
[3] 陳奎生，李風(fēng)喜. 連鑄機(jī)結(jié)晶器電液伺服振動(dòng)控制技術(shù)及設(shè)備[J]. 湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002,2.
[4]吳曉明, 連鑄結(jié)晶器非正弦振動(dòng)控制的研究[J]. 2001-01-01論文網(wǎng) http://www.lw23.com.

作者簡(jiǎn)介
周曉霞 （1966~），女，貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司市場(chǎng)部市場(chǎng)支持。
徐煜文（1978~） ，男， 貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司西安辦事處技術(shù)支持。
劉剛（1978~） ，男， 貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司西安辦事處技術(shù)支持。