觸摸屏在連鑄輕壓下離線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
劉松1，牛井楠1，曹利芹2
( 1．中冶京誠工程技術(shù)有限公司電氣工程技術(shù)所，北京100176; 2． 河北敬業(yè)集團(tuán)有限公司)

摘要: 連鑄輕壓下離線控制系統(tǒng)主要完成對實(shí)施輕壓下的扇形段進(jìn)行離線測試的功能。主要涉及到扇形段的離線標(biāo)定、液壓升降動作、油缸壓力監(jiān)測、輥縫自動調(diào)整等內(nèi)容。作者開發(fā)了一套基于PLC 和觸摸屏相結(jié)合的輕壓下離線控制系統(tǒng)，結(jié)合連鑄輕壓下離線測試的要求，主要介紹了作為人機(jī)界面的觸摸屏部分的設(shè)計(jì)開發(fā)過程和功能。結(jié)果表明，人機(jī)界面合理的設(shè)計(jì)為充分發(fā)揮系統(tǒng)的功能提供了強(qiáng)有力的工具。

關(guān)鍵詞: 連鑄; 輕壓下; 離線; 觸摸屏; 扇形段

    輕壓下技術(shù)始于20 世紀(jì)70 年代末、80 年代初，是在70 年代收縮輥縫技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，也是近年來應(yīng)用推廣較快的連鑄核心技術(shù)之一。所謂輕壓下就是指通過在連鑄坯液芯末端附近施加壓力產(chǎn)生一定的壓下量來補(bǔ)償鑄坯的凝固收縮量［1］。它一方面可以消除或減少鑄坯收縮形成的內(nèi)部空隙，防止晶間富集熔質(zhì)元素的鋼液向鑄坯中心橫流動; 另一方面，輕壓下所產(chǎn)生的擠壓作用可以促進(jìn)液芯中心富集的熔質(zhì)元素鋼液沿拉坯方向反向流動，使熔質(zhì)元素在鋼液中重新分配，從而使鑄坯的凝固組織更加均勻致密，起到改善中心偏析和減少中心疏松的作用［2］。其控制技術(shù)的核心主要是根據(jù)凝固傳熱模型計(jì)算的鑄坯中心溫度和坯殼厚度等信息，計(jì)算出兩相區(qū)的開始位置和結(jié)束位置。再根據(jù)鋼種和斷面自動讀取冶金知識庫的設(shè)定值，以計(jì)算出輕壓下區(qū)域的位置。

    根據(jù)壓下區(qū)域在扇形段的不同位置，模型選擇合適的扇形段來實(shí)施輕壓下，并分配各個段的壓下量和壓下速率。要精確地執(zhí)行模型下達(dá)的指令，其扇形段的調(diào)整精度至關(guān)重要。因此，必須在扇形段上線之前，在離線區(qū)域?qū)⒃O(shè)備調(diào)整完畢。由于受到離線區(qū)域地域的限制，開發(fā)的控制系統(tǒng)必須具備攜帶方便，操作簡捷，設(shè)備狀態(tài)能夠直觀顯示的特點(diǎn)。用PLC 作為控制系統(tǒng)核心，成本較低，穩(wěn)定性高，完全能夠滿足控制要求。而要使操作人員方便地對扇形段做離線標(biāo)定、直觀地了解離線輥縫調(diào)節(jié)過程中各個檢測信號的動態(tài)變化，及時進(jìn)行故障判斷等功能，必須為PLC 研制出一個適合的人機(jī)界面，才能組成較完備的離線輕壓下控制系統(tǒng)。本文主要介紹基于PLC 控制的連鑄輕壓下離線控制系統(tǒng)中，選用FUJI POD 觸摸屏作為人機(jī)界面的應(yīng)用設(shè)計(jì)過程和主要功能。

1 POD 觸摸屏

    POD 觸摸式可編程操作顯示器［3］是一個新穎的人機(jī)界面產(chǎn)品，主要面向各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品。它具有安全可靠、功耗低、溫升小、熱穩(wěn)定性高、不怕斷電、支持多種通信接口、顯示圖像更逼真等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，在工業(yè)控制中應(yīng)用越來越廣泛。POD 觸摸屏內(nèi)嵌的UGOOSCWV3嵌入式組態(tài)軟件可讀取并實(shí)時顯示出PLC監(jiān)測到的生產(chǎn)過程設(shè)備操作，模擬量采樣數(shù)據(jù)等信息，能以動畫方式直觀顯示出控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時還具有實(shí)時趨勢曲線和生成各種報(bào)表等功能。

2 系統(tǒng)配置

    基于對設(shè)備控制精度及實(shí)時顯示狀態(tài)的要求，本系統(tǒng)智能控制核心由西門子S7300 系列PLC 與POD 觸摸屏組成，輕壓下離線控制設(shè)備主要由4 個液壓缸、8 個三位雙線圈電磁閥、4 個位移傳感器、1 個壓力傳感器等組成。智能控制核心與輕壓下離線控制設(shè)備連接構(gòu)成輕壓下離線智能化控制系統(tǒng)。整體配置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

 

圖1 系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)圖
 

    PLC 采用西門子模塊化微型處理器系統(tǒng)，具備自由擴(kuò)展的功能。配備1 個SSI 數(shù)字接口功能模塊，用來高速采集油缸位移傳感器的數(shù)據(jù); 同時還配備1 個繼電器輸出形式的數(shù)字量輸出模塊，這樣可以省掉外帶的繼電器，節(jié)省了大量的空間。數(shù)字量輸出模塊主要用來控制電磁閥的開閉以完成扇形段的升降功能。

    POD 觸摸屏作為人機(jī)界面，通過MPI 接口與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過UGOOS-CWV3 組態(tài)軟件首先定義好通信對象，我們選擇西門子S7300系列PLC，再確定通信速率為19 200 b /s，同時站號必須定義為2。當(dāng)設(shè)備定義好后，則可以對相應(yīng)的顯示內(nèi)容定義相應(yīng)的數(shù)據(jù)地址，以和PLC 內(nèi)部的相應(yīng)數(shù)據(jù)塊對應(yīng)，完成數(shù)據(jù)的讀寫功能。當(dāng)連接建立完備，核心控制系統(tǒng)就可以完成對離線輕壓下系統(tǒng)現(xiàn)場信號的采集和處理了。

3  UGOOS-CWV3 組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)

3．1 總體設(shè)計(jì)方法

    UG00S-CWV3 嵌入版組態(tài)軟件，用“工程”來表示組態(tài)生成的應(yīng)用系統(tǒng)，創(chuàng)建一個新工程就是創(chuàng)建一個新的用戶應(yīng)用系統(tǒng)。建立工程的一般步驟為: 定義設(shè)備、設(shè)計(jì)圖形界面、構(gòu)造數(shù)據(jù)庫( 定義變量) 、建立動畫連接、運(yùn)行和調(diào)試。

    首先創(chuàng)建一個新工程，在設(shè)備選項(xiàng)中選定需要的設(shè)備連接。UG00S-CWV3 提供的設(shè)備連接向?qū)υ捒蛄谐隽斯I(yè)生產(chǎn)常用的一些硬件設(shè)備，如PLC、板卡、智能儀表、變頻器等，并且已經(jīng)根據(jù)這些常用設(shè)備各自的通信協(xié)議制作了相應(yīng)的通信協(xié)議，使應(yīng)用人員從繁瑣的底層驅(qū)動程序中解脫出來。選擇西門子S7300-400 /MPI 系列PLC 及通信方式后，可進(jìn)行動態(tài)畫面的設(shè)計(jì)和變量的定義。

    用于圖形編輯的圖庫相當(dāng)豐富，UG00S-CWV3 就像是一個面向?qū)ο缶幊痰能浖?，可隨意拖拽控件到項(xiàng)目中，然后針對控件進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，使用極為方便。變量可以定義為數(shù)據(jù)塊、輸入輸出信號、內(nèi)部變量以及各種時鐘變量，但是變量的類型及實(shí)際地址必須與PLC 內(nèi)的地址相一致，否則將無法完成數(shù)據(jù)的正確傳輸。當(dāng)繪制完與離線輕壓下控制系統(tǒng)相對應(yīng)的監(jiān)控畫面和參數(shù)設(shè)置畫面后，將系統(tǒng)要監(jiān)控的參數(shù)與畫面中的變量一一對應(yīng)起來就完成了項(xiàng)目人機(jī)接口的設(shè)計(jì)。

3．2 離線輕壓下系統(tǒng)智能人機(jī)界面軟件的特點(diǎn)

    離線輕壓下系統(tǒng)的控制要求是對每個扇形段進(jìn)行升降動作、標(biāo)定、自動輥縫調(diào)節(jié)、油缸壓力檢測等一系列控制動作的預(yù)先設(shè)置。由于數(shù)據(jù)設(shè)定值要求不斷變換，操作人員輸入數(shù)據(jù)很容易出錯，而且數(shù)據(jù)變化的實(shí)時性比較強(qiáng)，如果設(shè)置不當(dāng)，將引起意想不到的結(jié)果發(fā)生。因此僅靠操作規(guī)程和操作步驟來減少錯誤發(fā)生，顯然不能滿足要求，必須有一個友好的人機(jī)界面，要符合用戶的操作需求和習(xí)慣。對于用戶的操作要提示明確，還要有自動限制錯誤的參數(shù)設(shè)置。

    (1) 功能的劃分。由PLC 完成一些邏輯上的控制，觸摸屏作為人機(jī)接口負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示和設(shè)定。根據(jù)離線輕壓下智能化控制的特點(diǎn)，對于一些數(shù)據(jù)的限定工作都在觸摸屏編輯軟件中設(shè)定執(zhí)行，減少了PLC 大部分的數(shù)據(jù)處理工作。

    (2) 數(shù)據(jù)變量嚴(yán)格劃分。分清是否與PLC 相關(guān)、是否是觸摸屏內(nèi)部使用變量、是否具備可讀寫功能。

    (3) 數(shù)據(jù)的異步處理。妥善處置PLC 與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)，當(dāng)PLC 與觸摸屏通信中斷時，PLC仍然可以按照預(yù)先設(shè)定的預(yù)設(shè)值繼續(xù)工作。

    (4) 畫面中劃分為參數(shù)設(shè)置類、控制動作類和信息查詢類區(qū)域。在控制動作過程進(jìn)行時，自動禁止參數(shù)設(shè)置類功能的使用，而信息查詢類功能不受限制。

    (5) 所有數(shù)據(jù)修改對話均提示出對應(yīng)的名稱和修改范圍，并自動做保護(hù)性限制處理。

4 系統(tǒng)功能

    本系統(tǒng)具有各種離線輕壓下調(diào)整控制功能和實(shí)時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控顯示記錄功能。對于來自現(xiàn)場的位移傳感器、油缸壓力、電磁閥動作狀態(tài)、液壓系統(tǒng)狀態(tài)等信號，可在屏幕上通過數(shù)值或動畫方式來動態(tài)顯示現(xiàn)場的實(shí)時變化情況，并通過相應(yīng)處理存儲于數(shù)據(jù)庫，然后利用歷史曲線方式進(jìn)行查詢。主要功能包括:

    (1) 自動或手動控制扇形段開口度，控制液壓缸動態(tài)平衡。

    (2) 扇形段的離線標(biāo)定。

    (3) 系統(tǒng)運(yùn)行的動態(tài)顯示。

    (4) 系統(tǒng)安全保護(hù)、報(bào)警及信息的統(tǒng)計(jì)查詢等。

    (5) 記錄曲線顯示。

    (6) 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等。

    各種組合功能為扇形段的離線標(biāo)定、調(diào)整、測試提供了方便靈活的手段。UG00S-CWV3 組態(tài)軟件提供了模擬器的功能，可以將計(jì)算機(jī)與PLC 相連接，打開模擬程序進(jìn)行模擬。當(dāng)模擬完畢后，可以把項(xiàng)目下載到觸摸屏中，建立好觸摸屏與PLC 的連接，就可以進(jìn)行觸摸屏與PLC 的聯(lián)機(jī)調(diào)試。打開所有畫面，對每一項(xiàng)功能進(jìn)行測試、驗(yàn)證。

5 主要畫面

    我們開發(fā)的離線輕壓下控制系統(tǒng)的人機(jī)界面主要由開機(jī)初始畫面、扇形段標(biāo)定畫面、扇形段手動操作畫面、扇形段自動調(diào)整畫面、扇形段油缸壓力檢測畫面等組成。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行后，首先顯示初始畫面，提示操作人員輸入密碼，密碼輸入正確后，方可進(jìn)入操作畫面進(jìn)行相應(yīng)的操作。輕壓下離線控制系統(tǒng)的主要監(jiān)控畫面如圖2 所示。

 

圖2 主要監(jiān)控畫面
 

5．1 扇形段標(biāo)定畫面

    對于離線組裝完畢的扇形段，首先要進(jìn)行標(biāo)定的工作。標(biāo)定的目的是知道扇形段各個開口度的實(shí)際值，然后對扇形段的位移傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。首先操作人員用手持測量儀實(shí)測扇形段開口度，將實(shí)際值輸入觸摸屏對應(yīng)窗口處，點(diǎn)擊校準(zhǔn)按鈕，校準(zhǔn)工作完畢后方可進(jìn)行相應(yīng)的手動升降及自動調(diào)整工作。由于觸摸屏畫面人機(jī)界面友好，對應(yīng)的窗口都有相應(yīng)的文字注釋及圖像說明，增加了直觀性，操作極為簡便。

5．2 扇形段手動操作畫面

    扇形段手動操作畫面主要是完成對扇形段手動升降操作的功能。由于扇形段主要由4 個液壓缸組成，4個液壓缸同時連接到一個框架上，為了避免設(shè)備的損壞，在升降的同時必須要保證液壓缸的同步性。操作員可通過操作扇形段手動升降按鈕完成手動升降的動作，油缸的實(shí)際位置都會在屏幕上顯示，當(dāng)發(fā)生偏差時，會顯示偏差報(bào)警信息以提示操作人員，當(dāng)然最底層的必要聯(lián)鎖都會在PLC 內(nèi)部作相應(yīng)的邏輯限定。

5．3 扇形段自動調(diào)整畫面

    當(dāng)手動升降測試完畢后，就可以進(jìn)行自動調(diào)整工作了。對應(yīng)的自動調(diào)整畫面主要是人工輸入開口度的設(shè)定值，此設(shè)定值在輸入時會彈出提示窗口，顯示輸入值的限制范圍，避免設(shè)定值的錯誤輸入。當(dāng)設(shè)定值設(shè)定完畢后，點(diǎn)擊觸摸屏上的自動調(diào)整按鈕，控制系統(tǒng)將自動控制扇形段油缸的升降動作，使目標(biāo)值達(dá)到設(shè)定要求，控制精度可以達(dá)到0． 3 mm 以內(nèi)。

5．4 扇形段油缸壓力檢測畫面

    離線輕壓下控制系統(tǒng)功能的另一個關(guān)鍵就是油缸壓力的監(jiān)測。因?yàn)閷τ谏刃味味?，如果已?jīng)安裝到連鑄線上，萬一油缸壓力因油泄漏而減小，檢查和處理問題就相當(dāng)麻煩了，因此需要在離線檢測臺上進(jìn)行檢測以避免同類事情的發(fā)生。觸摸屏提供壓力檢測畫面，畫面提供輸入時間窗口及測試啟動按鈕。當(dāng)啟動測試程序后，系統(tǒng)將根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時間，對運(yùn)行前和運(yùn)行完畢的實(shí)際油缸的位移值進(jìn)行比較，并將偏差值直觀地顯示在操作人員面前，可以一目了然地知道油缸是否存在內(nèi)泄、壓力是否正常。

6 結(jié)束語

    通過多個項(xiàng)目的現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用表明，采用POD 觸摸屏作為人機(jī)界面的基于PLC 為核心控制的離線輕壓下智能化系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠、功能強(qiáng)大、操作簡便、實(shí)用有效，受到用戶的好評。正是基于觸摸屏以上這些顯著的優(yōu)勢，未來的使用率將不斷提高，在如今現(xiàn)代化程度極高的自動化系統(tǒng)中值得推廣及應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):
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