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PP41控制器在连铸电液伺服自振式结晶器控制系统中的应用


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摘要：针对传统的电动机驱动偏心凸轮式结晶器振动台架所存在的缺点，开发研制了一种新型的基于电液伺服技术的自振式结晶器及其控制系统。贝加莱的PP41是一款集成了高性能PLC与数字量 I/O功能的显示单元，本文介绍了以它为核心搭建的连铸电液伺服自振式结晶器控制系统的构成，以及控制程序和监控画面设计。应用实践表明，该工艺显著改善了铸坯质量并大大提高了拉坯速度。关键词：连铸机；电液伺服；自振式结晶器； PP41显示控制器；应用程序引言 PP41是贝加莱（B&R）公司生产的一款紧凑型智能化PowerPanel产品，它是集成了高性能PLC与数字量 I/O的显示单元，并且提供了文本显示与QVGA高分辨率图形显示功能，因而具有较高的性价比。由于B&R公司提供了Automation Studio一体化集成软件开发平台，与PCC（可编程计算机控制器）一样，PP41同样也可采用该集成软件平台的编程软件来进行应用程序开发。它采用Runtime实时操作系统并基于分时多任务设计理念，所以非常适宜应用在对实时性要求很高的控制系统中。钢铁厂的连铸机电液伺服自振式结晶器对其控制系统在快速性和实时性方面有较高的要求，以满足对结晶器运动规律的精确控制，从而生产出高质量的铸坯。 1 工艺简介采用电液伺服驱动技术的自振式结晶器主要适用于小方坯连铸机，它通常包括结晶器本体、液压系统和电控系统三大部分，采用紧凑式结构设计将结晶器、M-EMS（结晶器电磁搅拌）线圈、结晶器振动台架融为一体，兼具这三项功能。为了满足连铸工艺在跟踪非正弦给定振动波形方面的要求，采用了基于智能控制的基本思想对一些控制方法进行了改进，有效地抑制了非对称负载造成的静差并提高了系统的相频宽。通过在多台小方坯连铸机上的试验与应用，充分体现了该工艺的优越性。对铸坯的内部质量、外部质量均有显著的改善并大大提高了拉坯速度。 2 电液伺服系统与伺服油缸[3] 电液伺服系统属于随动系统的一种，在这种系统中，输出量 (机械位移、速度或力) 能够自动、快速而准确地复现输入量的变化规律，同时也起到信号的功率放大作用。由电信号控制液压驱动装置作为动力所构成的伺服系统叫电液伺服系统，它是一个控制能源输出的装置，在其中输入量与输出量之间自动而连续地保持一定的比例关系。电液伺服系统由以下最基本的部分组成：即偏差检测器、转换放大装置(包括能源)、执行机构和控制对象。电液伺服系统与其它类型的系统相比，具有如下的优点：（1）液压元件的功率－重量比和力矩－惯量比较大、传递的力矩和功率很大。因此可以组成体积小、重量轻、加速能力强和快速动作的伺服系统，来控制大功率和大负荷。（2）液压执行元件响应速度快，在伺服控制中采用校正装置可以使回路增益提高、频带加宽。液压执行机构传动平稳、抗干扰能力强。（3）调速范围广，特别是低速运行状态下的控制性能好。能在给定范围内平稳地自动调节驱动速度，并可实现无极调速，调速范围最大可达1：2000(一般为1：100）。（4）换向容易，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换。（5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命较长。（6）操纵控制简便，自动化程度高；容易实现过载保护。伺服油缸用于电液伺服系统，它是吸收液压泵的压力和流量，接收伺服阀的液压控制信号并放大转换成驱动负载运动的机械能的执行机构。它集成了伺服阀、功率放大器、内置位移或压力、速度、加速度等传感器，形成各种闭环控制系统并充分发挥了液压与电子两方面的技术优势，通过小信号来控制大功率和大惯量，且能实现高精度和高响应。它在工业控制领域的应用较为广泛，如航空航天、船舶、石油、化工、电厂、机车、冶金、机床、锻压、橡塑机械、轻工业等。 3 控制系统概述电液伺服自振式结晶器是在较高拉坯速度下生产优质钢的先进设备，能有效地提高连铸机的性能和铸坯质量。与传统的电动机驱动偏心凸轮式结晶器振动台相比，电液伺服自振式结晶器具有以下优点：（1）传动重量轻且具有很高的运动精度。（2）振动冲程hsp、振动频率f、负滑脱率NSp、振动波形等参数可在线调整，并可实现非正弦振动规律。（3）运行参数可在线分析。具有事故预报警功能，降低连铸的事故率。（4）安装及维护方便，维护费用较低。其控制系统框图如图1所示。该系统由PP41控制站、上位计算机、各类信号变送器（包括油压、拉速、位置和温度等）、伺服阀和作为振动执行机构的2台伺服油缸等组成。（图片）图1 控制系统框图其中PP41控制站是整个控制系统的核心，所有的输入、输出信号都是由它进行检测及处理判断的，整套PP41控制站包括以下部件：（1）Ethernet 通讯卡 3IF681.96 （2）混和模拟量输入 / 输出卡 7AM351.70 测量伺服油缸位移传感器的实际位置信号并发出伺服阀位置控制信号。（3）模拟量输入卡 (4 x 0-20mA) 7AI774.70 检测实际拉速、油缸压力 A、油缸压力 B、伺服阀位置反馈信号。（4）板载 10 路数字量输入检测系统启动、停止、上升、下降、工作方式选择等开关量信号。（5）板载8路数字量输出输出系统运行、停止、故障等指示信号。计算机站通过Ethernet工业以太网与PP41控制站实现数据通信，可在计算机站上对整套控制系统进行全面的监视及控制，并能记录诸如历史运行曲线、历史故障记录等信息。 4 控制程序设计[1], [2] 贝加莱(B&R) PP41控制器采用基于实时操作系统和分时多任务设计理念的软件开发平台，因此可以实现实时多任务控制，用户可以为自己的程序段设定循环时间。系统提供了五个不同循环时间及不同优先级的任务等级。这样，在编程时一个复杂的项目可以分成多个独立的任务来完成，每个任务都有自己独立的程序部分，使整个应用程序结构化，而且每个任务可选择最合适的语言来编程 (贝加莱Automation Studio集成软件平台提供了C、Basic、LAD、ST、SFC等多种编程语言），这使得编程变得非常灵活方便，而且由于采用了模块化结构的程序设计模式，使得整个项目的调试及故障处理也变得比较简单。针对结晶器振动控制系统的特点，控制程序设计可划分为以下几部分： 4.1 循环处理任务主要包括：参数设定、频率计算、报警状态判断、模拟量标定、趋势曲线绘制、通信参数传送等。 4.2 定时中断任务这是整个控制系统的核心，所有的结晶器振动轨迹都是由它来进行计算和优化的。主要包括：振动轨迹运算、PID控制、PID控制参数优化、AM351 TPU控制等。频率计算公式: 4.3 故障处理任务检测各种系统故障，并做出有针对性的相应的处理。下面以结晶器振动控制中的重要环节，结晶器振动频率及波形计算为例介绍程序主要流程。结晶器振动频率计算公式如下：振动频率f = Vc / 2hsp×（1 — Nsp）其中：Vc为铸速测量值；hsp为结晶器振动冲程设定值；Nsp 为结晶器负滑脱率设定值（百分值）。程序流程图如图2所示。（图片）图2 结晶器振动频率计算程序流程框图 5 监控画面[2] 在自动化系统中，友好的计算机监控界面是必不可少的，它可以极大地提高整个系统的可操作性及易用性，一般计算机工作站监控软件使用组态软件，如：IFix、WinCC、RSVIEW32等，此类软件采用变量和图形组态方式，使用方便，功能强大，开发周期短。组态工作完成后即可进入实时运行状态，可对PLC参数进行读写，可将系统变量参数及运行状态以文本和各种形式的图形画面（捧形图、趋势图、自由格式画面等形式）通过CRT显示出来，供现场操作人员监视，现场操作人员根据实际情况可通过键盘进行画面选择，非常方便地对生产过程进行监控。监控画面应包括：工艺参数设定画面、系统状态画面、结晶器远程操作画面、实时和历史参数趋势曲线画面、报警信息画面等。如图3所示。（图片）图3 结晶器振动波形监控画面 6 结束语由于贝加莱(B&R) PP41控制器可实现分时多任务控制，很好地满足了系统对实时性的较高要求，使得该控制系统具有很高的性价比及可操作性。试验表明，所研制的电液伺服结晶器振动控制系统能够根据连铸工艺要求实时、准确、方便地改变振动波形，从而有效地改善了铸坯质量并提高了连铸自动化水平。参考文献 [1] 齐蓉. 可编程计算机控制器原理及应用. 西北工业大学出版社, 2002年. [2] 韩雷. 贝加莱PP41在液压伺服自振式结晶器控制系统中的应用. [3] 陈奎生，李风喜. 连铸机结晶器电液伺服振动控制技术及设备[J]. 湖北工业大学学报, 2002,2. [4]吴晓明, 连铸结晶器非正弦振动控制的研究[J]. 2001-01-01论文网 http://www.lw23.com. 作者简介周晓霞（1966~），女，贝加莱工业自动化（上海）有限公司市场部市场支持。徐煜文（1978~），男，贝加莱工业自动化（上海）有限公司西安办事处技术支持。刘刚（1978~），男，贝加莱工业自动化（上海）有限公司西安办事处技术支持。 5/15/2015


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