0 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比。由于B&R公司提供了Automation Studio一體化集成軟件開發(fā)平臺，與PCC（可編程計算機控制器）一樣，PP41同樣也可采用該集成軟件平臺的編程軟件來進行應用程序開發(fā)。它采用Runtime實時操作系統(tǒng)并基于分時多任務設計理念，所以非常適宜應用在對實時性要求很高的控制系統(tǒng)中。鋼鐵廠的連鑄機電液伺服自振式結(jié)晶器對其控制系統(tǒng)在快速性和實時性方面有較高的要求，以滿足對結(jié)晶器運動規(guī)律的精確控制，從而生產(chǎn)出高質(zhì)量的鑄坯。
1 工藝簡介
采用電液伺服驅(qū)動技術的自振式結(jié)晶器主要適用于小方坯連鑄機，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)構設計將結(jié)晶器、M-EMS（結(jié)晶器電磁攪拌）線圈、結(jié)晶器振動臺架融為一體，兼具這三項功能。為了滿足連鑄工藝在跟蹤非正弦給定振動波形方面的要求，采用了基于智能控制的基本思想對一些控制方法進行了改進，有效地抑制了非對稱負載造成的靜差并提高了系統(tǒng)的相頻寬。通過在多臺小方坯連鑄機上的試驗與應用，充分體現(xiàn)了該工藝的優(yōu)越性。對鑄坯的內(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)屬于隨動系統(tǒng)的一種，在這種系統(tǒng)中，輸出量 (機械位移、速度或力) 能夠自動、快速而準確地復現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，同時也起到信號的功率放大作用。由電信號控制液壓驅(qū)動裝置作為動力所構成的伺服系統(tǒng)叫電液伺服系統(tǒng)，它是一個控制能源輸出的裝置，在其中輸入量與輸出量之間自動而連續(xù)地保持一定的比例關系。
電液伺服系統(tǒng)由以下最基本的部分組成：即偏差檢測器、轉(zhuǎn)換放大裝置(包括能源)、執(zhí)行機構和控制對象。
電液伺服系統(tǒng)與其它類型的系統(tǒng)相比，具有如下的優(yōu)點：
（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、加速能力強和快速動作的伺服系統(tǒng)，來控制大功率和大負荷。
（2）液壓執(zhí)行元件響應速度快，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)行機構傳動平穩(wěn)、抗干擾能力強。
（3）調(diào)速范圍廣，特別是低速運行狀態(tài)下的控制性能好。能在給定范圍內(nèi)平穩(wěn)地自動調(diào)節(jié)驅(qū)動速度，并可實現(xiàn)無極調(diào)速，調(diào)速范圍最大可達1：2000(一般為1：100）。 （4）換向容易，可以較方便地實現(xiàn)工作機構旋轉(zhuǎn)和直線往復運動的轉(zhuǎn)換。
（5）由于采用油液為工作介質(zhì)，元件相對運動表面間能自行潤滑，磨損小，使用壽命較長。
（6）操縱控制簡便，自動化程度高；容易實現(xiàn)過載保護。
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并放大轉(zhuǎn)換成驅(qū)動負載運動的機械能的執(zhí)行機構。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優(yōu)勢，通過小信號來控制大功率和大慣量，且能實現(xiàn)高精度和高響應。它在工業(yè)控制領域的應用較為廣泛，如航空航天、船舶、石油、化工、電廠、機車、冶金、機床、鍛壓、橡塑機械、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)鋼的先進設備，能有效地提高連鑄機的性能和鑄坯質(zhì)量。與傳統(tǒng)的電動機驅(qū)動偏心凸輪式結(jié)晶器振動臺相比，電液伺服自振式結(jié)晶器具有以下優(yōu)點：
（1） 傳動重量輕且具有很高的運動精度。
（2） 振動沖程hsp、振動頻率f、負滑脫率NSp、振動波形等參數(shù)可在線調(diào)整，并可實現(xiàn)非正弦振動規(guī)律。
（3） 運行參數(shù)可在線分析。具有事故預報警功能，降低連鑄的事故率。
（4） 安裝及維護方便，維護費用較低。
其控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由PP41控制站、上位計算機、各類信號變送器（包括油壓、拉速、位置和溫度等）、伺服閥和作為振動執(zhí)行機構的2臺伺服油缸等組成。
圖1 控制系統(tǒng)框圖
其中PP41控制站是整個控制系統(tǒng)的核心，所有的輸入、輸出信號都是由它進行檢測及處理判斷的，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
測量伺服油缸位移傳感器的實際位置信號并發(fā)出伺服閥位置控制信號。
（3）模擬量輸入卡 (4 x 0-20mA) 7AI774.70
檢測實際拉速、油缸壓力 A、油缸壓力 B、伺服閥位置反饋信號。
（4）板載 10 路數(shù)字量輸入
檢測系統(tǒng)啟動、停止、上升、下降、工作方式選擇等開關量信號。
（5）板載8路數(shù)字量輸出
輸出系統(tǒng)運行、停止、故障等指示信號。
計算機站通過Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)與PP41控制站實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，可在計算機站上對整套控制系統(tǒng)進行全面的監(jiān)視及控制，并能記錄諸如歷史運行曲線、歷史故障記錄等信息。
4 控制程序設計[1], [2]
貝加萊(B&R) PP41控制器采用基于實時操作系統(tǒng)和分時多任務設計理念的軟件開發(fā)平臺，因此可以實現(xiàn)實時多任務控制，用戶可以為自己的程序段設定循環(huán)時間。系統(tǒng)提供了五個不同循環(huán)時間及不同優(yōu)先級的任務等級。這樣，在編程時一個復雜的項目可以分成多個獨立的任務來完成，每個任務都有自己獨立的程序部分，使整個應用程序結(jié)構化，而且每個任務可選擇最合適的語言來編程 (貝加萊Automation Studio集成軟件平臺提供了C、Basic、LAD、ST、SFC等多種編程語言），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)構的程序設計模式，使得整個項目的調(diào)試及故障處理也變得比較簡單。
針對結(jié)晶器振動控制系統(tǒng)的特點，控制程序設計可劃分為以下幾部分：
4.1 循環(huán)處理任務
主要包括：參數(shù)設定、頻率計算、報警狀態(tài)判斷、模擬量標定、趨勢曲線繪制、通信參數(shù)傳送等。
4.2 定時中斷任務
這是整個控制系統(tǒng)的核心，所有的結(jié)晶器振動軌跡都是由它來進行計算和優(yōu)化的。主要包括：振動軌跡運算、PID控制、PID控制參數(shù)優(yōu)化、AM351 TPU控制等。
頻率計算公式:
4.3 故障處理任務
檢測各種系統(tǒng)故障，并做出有針對性的相應的處理。
下面以結(jié)晶器振動控制中的重要環(huán)節(jié)，結(jié)晶器振動頻率及波形計算為例介紹程序主要流程。
結(jié)晶器振動頻率計算公式如下：
振動頻率f = Vc / 2hsp×（1 — Nsp）
其中：
Vc為鑄速測量值；hsp為結(jié)晶器振動沖程設定值；Nsp 為結(jié)晶器負滑脫率設定值（百分值）。
程序流程圖如圖2所示。
圖2 結(jié)晶器振動頻率計算程序流程框圖
5 監(jiān)控畫面[2]
在自動化系統(tǒng)中，友好的計算機監(jiān)控界面是必不可少的，它可以極大地提高整個系統(tǒng)的可操作性及易用性，一般計算機工作站監(jiān)控軟件使用組態(tài)軟件，如：IFix、WinCC、RSVIEW32等，此類軟件采用變量和圖形組態(tài)方式，使用方便，功能強大，開發(fā)周期短。組態(tài)工作完成后即可進入實時運行狀態(tài)，可對PLC參數(shù)進行讀寫，可將系統(tǒng)變量參數(shù)及運行狀態(tài)以文本和各種形式的圖形畫面（捧形圖、趨勢圖、自由格式畫面等形式）通過CRT顯示出來，供現(xiàn)場操作人員監(jiān)視，現(xiàn)場操作人員根據(jù)實際情況可通過鍵盤進行畫面選擇，非常方便地對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控。
監(jiān)控畫面應包括：工藝參數(shù)設定畫面、系統(tǒng)狀態(tài)畫面、結(jié)晶器遠程操作畫面、實時和歷史參數(shù)趨勢曲線畫面、報警信息畫面等。如圖3所示。
圖3 結(jié)晶器振動波形監(jiān)控畫面
4 結(jié)束語
由于貝加萊(B&R) PP41控制器可實現(xiàn)分時多任務控制，很好地滿足了系統(tǒng)對實時性的較高要求，使得該控制系統(tǒng)具有很高的性價比及可操作性。試驗表明，所研制的電液伺服結(jié)晶器振動控制系統(tǒng)能夠根據(jù)連鑄工藝要求實時、準確、方便地改變振動波形，從而有效地改善了鑄坯質(zhì)量并提高了連鑄自動化水平。