喂线机自动控制系统的研究与开发

　　在钢铁冶炼过程中，需要向钢包中加入各种脱氧剂、脱硫剂等添加剂。但由于钢水粘度大、钢包深、钢水表面飘有钢渣等原因，将包芯线均匀熔于钢水中一直是个难题。近几年，人们利用喂线技术较好地解决了这个难题。喂线技术是将各类添加剂卷入钢带中形成包芯线，通过喂线机将包芯线打入钢包中一系列技术的总称。目前国内的各类钢厂精炼炉钢包喂线机方案，均是采用简单仪表控制加人工操作方式进行。由于喂线长度和喂线速度与炼钢质量密切相关，而人工操作的喂线速度与喂线长度不易控制，经常造成产品质量不稳定，所以喂线机的喂线过程实现自动化控制是必然的趋势。

　　1  控制方案的确定

　　针对太原第二炼钢厂精炼F炉的实际情况，新型的喂线机控制部分由气路和电路两部分组成，通过控制交流电机的转速和转圈数来控制喂线速度和喂线长度。电气控制系统由西门子S7200可编程序控制器对喂线机进行自动控制，采用西门子TP170A触摸屏完成人机对话，实现对喂线速度、喂线长度的精确设定；采用两台西门子MICROMaster420变频器实现喂线电机的变频调速；利用PROFIBUS-DP现场总线构成现场总线控制系统，采用STEP7-MICRO WIN 32进行了网络组态以及硬件组态，实现了上位PC机监控组态软件Win CC与MICRO WIN 32的动态链接，实现在控制室内实现现场操作、监视和数据的采集．系统结构示意图如图1。

　　2  电气控制的实现

　　2.1  控制系统组成

　　系统控制核心选用德国西门子S7-200可编程序控制器，CPU为控制高速事件提供了高速I/O，这为喂线机中使用高速计数器提供了方便，同时提供了方便、简洁、开放的通讯功能。

　　控制系统使用了PLC两个RS485通讯口：Port0通讯口采用USS协议与两台变频器进行通讯，控制喂线电机的速度；Port1通讯口通过MPI协议与TP170A触摸屏进行通讯，完成人机对话。通过TP170A触摸屏，可进行喂线参数的精确设定、实时显示、全机的点动调试、自动运行以及工艺参数的计算。两路光电高速计数器与PLC的I/O接口连接，实时采集运动部件喂线轮的角速度。同时控制系统采用西门子EM-277模块，通过PROFIBUS-DP现场总线连接PLC和带CP-5611网卡的控制室计算机，实现系统的远程监控。

　　变频器的选择主要依据实际控制精度与电机容量选择[1]。由于喂线电机功率为11kW，方案选取性价比较高的非矢量控制MicroMaster420变频器。该变频器与PLC通过USS协议指令配套使用，具有调速范围广、转速精度高、耐高温、运行可靠等特点。USS协议指令是STEP 7-MICRO/WIN32软件工具包中PLC与变频器通讯的协议指令，使用专为USS协议通信而设计的预配置子程序和中断程序实现PLC与变频器通讯。

　　通过设置变频器远程控制方式，变频器从站地址、波特率、工作频率、启动时间、制动方式等相关参数，实现PLC对变频器的实时控制与变频器信号反馈。PLC接受指令后，根据设定喂线速度计算电机转速与频率，并将值以USS协议指令传送给变频器。变频器接受指令后，根据内部设定参数对电机进行调速。调速方式为V/F型，即在改变变频器输出频率的同时，通过相应改变变频器输出电压来保证异步电机磁通不变。该调速方式简便可靠，能够很好地满足喂线机调速要求。

　　2.2  PC控制程序

　　PLC控制程序采用SIEMENS公司的STEP7软件梯形逻辑编程语言LAD编制。STEP7-MICRO WIN32是适用于S7-200系列可编程控制器的专门软件。此软件运行于WIN2000平台，标准软件包中包含有3种编程语言：语句表编程语言STL梯形逻辑编程、语言LAD、功能块图编程语言FBD。

　　程序部分包括主程序和7个子程序、3个中断程序。主程序完成逻辑功能控制及子程序和中断程序的调用。程序工作示意图如图3所示。

　　其中：SBR0初始化子程序，对2个高速计数器进行初始化，以及USS协议初始化。SBR1～SBR5 USS通讯协议所需子程序。INT1～INT3 USS协议通讯指令所需中断程序。SBR6速度计算子程序，计算当前喂线速度、当前喂线长度等实时值，并通过TP170A显示出来。SBR7计算器子程序，通过输入的喂线速度、喂线长度，来计算理论喂线电机频率。SBR8面板开关控制子程序，控制喂线机的启动，停止，喂线选择，工作/维修状态选择等众多控制要求。

　　3  远程监控的实现

　　3.1  现场总线选择

　　PROFIBUS是一种国际性的、开放式的现场总线标准，主要针对工业过程控制领域的应用，用于分布式控制系统的高速数据传输。PROFIBUS有PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP三种形式。本设计所采用的PROFIBUS-DP根据ISO7498国际标准以开放系统互联网络OIS为参考模型，使用第1、2层和用户接口，该总线物理层采用RS485传输方式（以RS-485双绞线电缆或光缆作为传输介质），传输速度为9.6kbps～12Mbps，实现分布式I/O站和现场设备的自动化系统之间的通讯。

　　3.2  组态软件设计

　　本文使用组态软件WinCC实现人机界面（HMI）和监控管理系统。该系统设计分为以下几个模块：WinCC通讯驱动程序，实现PLC和WinCC数据管理器的连接；图形运行系统，提供人机界面，实现喂线长度、速度设定，喂线长度、速度实时显示；变量记录运行系统，记录喂线长度、速度等变量的历史纪录；报警记录运行系统，提供喂线长度值实时监控，保障系统运行安全。

　　系统数据存储在WinCC中SQLAnywhere系统数据库中。运行期间，WinCC通讯驱动程序利用通道单元构成WinCC和PLC程序之间的接口。它使用通讯处理器来向PLC发送请求消息，待PLC返回应答消息后，通讯处理器将其中的过程值返回给WinCC数据管理器。WinCC数据管理器集中管理各种数据，为实现喂线长度、速度设定、实时显示、报警和历史纪录存储等功能提供各类数据。

　　4  结  语

　　该喂线机控制系统采用TP170A触摸屏作为人机界面，增加了系统的可靠性，精确控制了喂线速度与喂线长度，使炼钢质量得到了可靠保证；采用S7-200的USS协议直接控制变频器，实现了控制方式灵活、精度高、程序开发简单等优点；利用PLC控制系统加工业组态软件WinCC进行现场监控，实现了现场操作、监视和数据的采集．该系统投入运行以来一直十分稳定，使太钢第二炼钢厂F炉的精炼质量有了可靠的保障，取得了良好的经济效益和社会效益．