摘 要：針對傳統的電動機驅動偏心凸輪式結晶器振動臺架所存在的缺點，開發研制了一種新型的基于電液伺服技術的自振式結晶器及其控制系統。貝加萊的PP41是一款集成了高性能PLC與數字量 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晶器控制系統的構成，以及控制程序和監控畫面設計。應用實踐表明，該工藝顯著改善了鑄坯質量并大大提高了拉坯速度。
關鍵詞：連鑄機；電液伺服；自振式結晶器； PP41顯示控制器；應用程序
引言
PP41是貝加萊（B&R）公司生產的一款緊湊型智能化PowerPanel產品，它是集成了高性能PLC與數字量 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。它采用Runtime實時操作系統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中。鋼鐵廠的連鑄機電液伺服自振式結晶器對其控制系統在快速性和實時性方面有較高的要求，以滿足對結晶器運動規律的精確控制，從而生產出高質量的鑄坯。
1 工藝簡介
采用電液伺服驅動技術的自振式結晶器主要適用于小方坯連鑄機，它通常包括結晶器本體、液壓系統和電控系統三大部分，采用緊湊式結構設計將結晶器、M-EMS（結晶器電磁攪拌）線圈、結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，充分體現了該工藝的優越性。對鑄坯的內部質量、外部質量均有顯著的改善并大大提高了拉坯速度。
2 電液伺服系統與伺服油缸[3]
電液伺服系統屬于隨動系統的一種，在這種系統中，輸出量 (機械位移、速度或力) 能夠自動、快速而準確地復現輸入量的變化規律，同時也起到信號的功率放大作用。由電信號控制液壓驅動裝置作為動力所構成的伺服系統叫電液伺服系統，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地保持一定的比例關系。
電液伺服系統由以下最基本的部分組成：即偏差檢測器、轉換放大裝置(包括能源)、執行機構和控制對象。
電液伺服系統與其它類型的系統相比，具有如下的優點：
（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，來控制大功率和大負荷。
（2）液壓執行元件響應速度快，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。液壓執行機構傳動平穩、抗干擾能力強。
（3）調速范圍廣，特別是低速運行狀態下的控制性能好。能在給定范圍內平穩地自動調節驅動速度，并可實現無極調速，調速范圍最大可達1：2000(一般為1：100）。
（4）換向容易，可以較方便地實現工作機構旋轉和直線往復運動的轉換。
（5）由于采用油液為工作介質，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；容易實現過載保護。
伺服油缸用于電液伺服系統，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換成驅動負載運動的機械能的執行機構。它集成了伺服閥、功率放大器、內置位移或壓力、速度、加速度等傳感器，形成各種閉環控制系統并充分發揮了液壓與電子兩方面的技術優勢，通過小信號來控制大功率和大慣量，且能實現高精度和高響應。它在工業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、輕工業等。
3 控制系統概述
電液伺服自振式結晶器是在較高拉坯速度下生產優質鋼的先進設備，能有效地提高連鑄機的性能和鑄坯質量。與傳統的電動機驅動偏心凸輪式結晶器振動臺相比，電液伺服自振式結晶器具有以下優點：
（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、振動波形等參數可在線調整，并可實現非正弦振動規律。
（3） 運行參數可在線分析。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。
其控制系統框圖如圖1所示。該系統由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行機構的2臺伺服油缸等組成。
圖1 控制系統框圖
其中PP41控制站是整個控制系統的核心，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 路數字量輸入
檢測系統啟動、停止、上升、下降、工作方式選擇等開關量信號。
（5）板載8路數字量輸出
輸出系統運行、停止、故障等指示信號。
計算機站通過Ethernet工業以太網與PP41控制站實現數據通信，可在計算機站上對整套控制系統進行全面的監視及控制，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和分時多任務設計理念的軟件開發平臺，因此可以實現實時多任務控制，用戶可以為自己的程序段設定循環時間。系統提供了五個不同循環時間及不同優先級的任務等級。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構的程序設計模式，使得整個項目的調試及故障處理也變得比較簡單。
針對結晶器振動控制系統的特點，控制程序設計可劃分為以下幾部分：
4.1 循環處理任務
主要包括：參數設定、頻率計算、報警狀態判斷、模擬量標定、趨勢曲線繪制、通信參數傳送等。
4.2 定時中斷任務
這是整個控制系統的核心，所有的結晶器振動軌跡都是由它來進行計算和優化的。主要包括：振動軌跡運算、PID控制、PID控制參數優化、AM351 TPU控制等。
頻率計算公式:
4.3 故障處理任務
檢測各種系統故障，并做出有針對性的相應的處理。
下面以結晶器振動控制中的重要環節，結晶器振動頻率及波形計算為例介紹程序主要流程。
結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為結晶器振動沖程設定值；Nsp 為結晶器負滑脫率設定值（百分值）。
程序流程圖如圖2所示。
圖2 結晶器振動頻率計算程序流程框圖
5 監控畫面[2]
在自動化系統中，友好的計算機監控界面是必不可少的，它可以極大地提高整個系統的可操作性及易用性，一般計算機工作站監控軟件使用
組態軟件，如：IFix、WinCC、RSVIEW32等，此類軟件采用變量和圖形組態方式，使用方便，功能強大，開發周期短。組態工作完成后即可進入實時運行狀態，可對PLC參數進行讀寫，可將系統變量參數及運行狀態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，供現場操作人員監視，現場操作人員根據實際情況可通過鍵盤進行畫面選擇，非常方便地對生產過程進行監控。
監控畫面應包括：工藝參數設定畫面、系統狀態畫面、結晶器遠程操作畫面、實時和歷史參數趨勢曲線畫面、報警信息畫面等。如圖3所示。
圖3 結晶器振動波形監控畫面
6 結束語
由于貝加萊(B&R) PP41控制器可實現分時多任務控制，很好地滿足了系統對實時性的較高要求，使得該控制系統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晶器振動控制系統能夠根據連鑄工藝要求實時、準確、方便地改變振動波形，從而有效地改善了鑄坯質量并提高了連鑄自動化水平。
參考文獻
[1] 齊蓉. 可編程計算機控制器原理及應用. 西北工業大學出版社, 2002年.
[2] 韓雷. 貝加萊PP41在液壓伺服自振式結晶器控制系統中的應用.
[3] 陳奎生，李風喜. 連鑄機結晶器電液伺服振動控制技術及設備[J]. 湖北工業大學學報, 2002,2.
[4]吳曉明, 連鑄結晶器非正弦振動控制的研究[J]. 2001-01-01論文網 http://www.lw23.com.
作者簡介
周曉霞 （1966~），女，貝加萊工業自動化（上海）有限公司市場部市場支持。
徐煜文（1978~） ，男， 貝加萊工業自動化（上海）有限公司西安辦事處技術支持。
劉剛（1978~） ，男， 貝加萊工業自動化（上海）有限公司西安辦事處技術支持。
