触摸屏在连铸轻压下离线控制系统中的应用
刘松1，牛井楠1，曹利芹2
( 1．中冶京诚工程技术有限公司电气工程技术所，北京100176; 2． 河北敬业集团有限公司)
摘要: 连铸轻压下离线控制系统主要完成对实施轻压下的扇形段进行离线测试的功能。主要涉及到扇形段的离线标定、液压升降动作、油缸压力监测、辊缝自动调整等内容。作者开发了一套基于PLC 和触摸屏相结合的轻压下离线控制系统，结合连铸轻压下离线测试的要求，主要介绍了作为人机界面的触摸屏部分的设计开发过程和功能。结果表明，人机界面合理的设计为充分发挥系统的功能提供了强有力的工具。
关键词: 连铸; 轻压下; 离线; 触摸屏; 扇形段
轻压下技术始于20 世纪70 年代末、80 年代初，是在70 年代收缩辊缝技术的基础上发展而来的，也是近年来应用推广较快的连铸核心技术之一。所谓轻压下就是指通过在连铸坯液芯末端附近施加压力产生一定的压下量来补偿铸坯的凝固收缩量［1］。它一方面可以消除或减少铸坯收缩形成的内部空隙，防止晶间富集熔质元素的钢液向铸坯中心横流动; 另一方面，轻压下所产生的挤压作用可以促进液芯中心富集的熔质元素钢液沿拉坯方向反向流动，使熔质元素在钢液中重新分配，从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密，起到改善中心偏析和减少中心疏松的作用［2］。其控制技术的核心主要是根据凝固传热模型计算的铸坯中心温度和坯壳厚度等信息，计算出两相区的开始位置和结束位置。再根据钢种和断面自动读取冶金知识库的设定值，以计算出轻压下区域的位置。
根据压下区域在扇形段的不同位置，模型选择合适的扇形段来实施轻压下，并分配各个段的压下量和压下速率。要精确地执行模型下达的指令，其扇形段的调整精度至关重要。因此，必须在扇形段上线之前，在离线区域将设备调整完毕。由于受到离线区域地域的限制，开发的控制系统必须具备携带方便，操作简捷，设备状态能够直观显示的特点。用PLC 作为控制系统核心，成本较低，稳定性高，完全能够满足控制要求。而要使操作人员方便地对扇形段做离线标定、直观地了解离线辊缝调节过程中各个检测信号的动态变化，及时进行故障判断等功能，必须为PLC 研制出一个适合的人机界面，才能组成较完备的离线轻压下控制系统。本文主要介绍基于PLC 控制的连铸轻压下离线控制系统中，选用FUJI POD 触摸屏作为人机界面的应用设计过程和主要功能。
1 POD 触摸屏
POD 触摸式可编程操作显示器［3］是一个新颖的人机界面产品，主要面向各种嵌入式系统和产品。它具有安全可靠、功耗低、温升小、热稳定性高、不怕断电、支持多种通信接口、显示图像更逼真等优点，非常适用于工业现场环境，在工业控制中应用越来越广泛。POD 触摸屏内嵌的UGOOSCWV3嵌入式组态软件可读取并实时显示出PLC监测到的生产过程设备操作，模拟量采样数据等信息，能以动画方式直观显示出控制设备的运行状态，同时还具有实时趋势曲线和生成各种报表等功能。
2 系统配置
基于对设备控制精度及实时显示状态的要求，本系统智能控制核心由西门子S7300 系列PLC 与POD 触摸屏组成，轻压下离线控制设备主要由4 个液压缸、8 个三位双线圈电磁阀、4 个位移传感器、1 个压力传感器等组成。智能控制核心与轻压下离线控制设备连接构成轻压下离线智能化控制系统。整体配置结构如图1 所示。
图1 系统配置结构图
PLC 采用西门子模块化微型处理器系统，具备自由扩展的功能。配备1 个SSI 数字接口功能模块，用来高速采集油缸位移传感器的数据; 同时还配备1 个继电器输出形式的数字量输出模块，这样可以省掉外带的继电器，节省了大量的空间。数字量输出模块主要用来控制电磁阀的开闭以完成扇形段的升降功能。
POD 触摸屏作为人机界面，通过MPI 接口与PLC 进行数据传输。通过UGOOS-CWV3 组态软件首先定义好通信对象，我们选择西门子S7300系列PLC，再确定通信速率为19 200 b /s，同时站号必须定义为2。当设备定义好后，则可以对相应的显示内容定义相应的数据地址，以和PLC 内部的相应数据块对应，完成数据的读写功能。当连接建立完备，核心控制系统就可以完成对离线轻压下系统现场信号的采集和处理了。
3 UGOOS-CWV3 组态软件的设计
3．1 总体设计方法
UG00S-CWV3 嵌入版组态软件，用“工程”来表示组态生成的应用系统，创建一个新工程就是创建一个新的用户应用系统。建立工程的一般步骤为: 定义设备、设计图形界面、构造数据库( 定义变量) 、建立动画连接、运行和调试。
首先创建一个新工程，在设备选项中选定需要的设备连接。UG00S-CWV3 提供的设备连接向导对话框列出了工业生产常用的一些硬件设备，如PLC、板卡、智能仪表、变频器等，并且已经根据这些常用设备各自的通信协议制作了相应的通信协议，使应用人员从繁琐的底层驱动程序中解脱出来。选择西门子S7300-400 /MPI 系列PLC 及通信方式后，可进行动态画面的设计和变量的定义。
用于图形编辑的图库相当丰富，UG00S-CWV3 就像是一个面向对象编程的软件，可随意拖拽控件到项目中，然后针对控件进行参数的设定，使用极为方便。变量可以定义为数据块、输入输出信号、内部变量以及各种时钟变量，但是变量的类型及实际地址必须与PLC 内的地址相一致，否则将无法完成数据的正确传输。当绘制完与离线轻压下控制系统相对应的监控画面和参数设置画面后，将系统要监控的参数与画面中的变量一一对应起来就完成了项目人机接口的设计。
3．2 离线轻压下系统智能人机界面软件的特点
离线轻压下系统的控制要求是对每个扇形段进行升降动作、标定、自动辊缝调节、油缸压力检测等一系列控制动作的预先设置。由于数据设定值要求不断变换，操作人员输入数据很容易出错，而且数据变化的实时性比较强，如果设置不当，将引起意想不到的结果发生。因此仅靠操作规程和操作步骤来减少错误发生，显然不能满足要求，必须有一个友好的人机界面，要符合用户的操作需求和习惯。对于用户的操作要提示明确，还要有自动限制错误的参数设置。
(1) 功能的划分。由PLC 完成一些逻辑上的控制，触摸屏作为人机接口负责数据显示和设定。根据离线轻压下智能化控制的特点，对于一些数据的限定工作都在触摸屏编辑软件中设定执行，减少了PLC 大部分的数据处理工作。
(2) 数据变量严格划分。分清是否与PLC 相关、是否是触摸屏内部使用变量、是否具备可读写功能。
(3) 数据的异步处理。妥善处置PLC 与触摸屏之间的数据，当PLC 与触摸屏通信中断时，PLC仍然可以按照预先设定的预设值继续工作。
(4) 画面中划分为参数设置类、控制动作类和信息查询类区域。在控制动作过程进行时，自动禁止参数设置类功能的使用，而信息查询类功能不受限制。
(5) 所有数据修改对话均提示出对应的名称和修改范围，并自动做保护性限制处理。
4 系统功能
本系统具有各种离线轻压下调整控制功能和实时数据采集与监控显示记录功能。对于来自现场的位移传感器、油缸压力、电磁阀动作状态、液压系统状态等信号，可在屏幕上通过数值或动画方式来动态显示现场的实时变化情况，并通过相应处理存储于数据库，然后利用历史曲线方式进行查询。主要功能包括:
(1) 自动或手动控制扇形段开口度，控制液压缸动态平衡。
(2) 扇形段的离线标定。
(3) 系统运行的动态显示。
(4) 系统安全保护、报警及信息的统计查询等。
(5) 记录曲线显示。
(6) 系统参数设置等。
各种组合功能为扇形段的离线标定、调整、测试提供了方便灵活的手段。UG00S-CWV3 组态软件提供了模拟器的功能，可以将计算机与PLC 相连接，打开模拟程序进行模拟。当模拟完毕后，可以把项目下载到触摸屏中，建立好触摸屏与PLC 的连接，就可以进行触摸屏与PLC 的联机调试。打开所有画面，对每一项功能进行测试、验证。
5 主要画面
我们开发的离线轻压下控制系统的人机界面主要由开机初始画面、扇形段标定画面、扇形段手动操作画面、扇形段自动调整画面、扇形段油缸压力检测画面等组成。当系统开始运行后，首先显示初始画面，提示操作人员输入密码，密码输入正确后，方可进入操作画面进行相应的操作。轻压下离线控制系统的主要监控画面如图2 所示。
图2 主要监控画面
5．1 扇形段标定画面
对于离线组装完毕的扇形段，首先要进行标定的工作。标定的目的是知道扇形段各个开口度的实际值，然后对扇形段的位移传感器进行校准。首先操作人员用手持测量仪实测扇形段开口度，将实际值输入触摸屏对应窗口处，点击校准按钮，校准工作完毕后方可进行相应的手动升降及自动调整工作。由于触摸屏画面人机界面友好，对应的窗口都有相应的文字注释及图像说明，增加了直观性，操作极为简便。
5．2 扇形段手动操作画面
扇形段手动操作画面主要是完成对扇形段手动升降操作的功能。由于扇形段主要由4 个液压缸组成，4个液压缸同时连接到一个框架上，为了避免设备的损坏，在升降的同时必须要保证液压缸的同步性。操作员可通过操作扇形段手动升降按钮完成手动升降的动作，油缸的实际位置都会在屏幕上显示，当发生偏差时，会显示偏差报警信息以提示操作人员，当然最底层的必要联锁都会在PLC 内部作相应的逻辑限定。
5．3 扇形段自动调整画面
当手动升降测试完毕后，就可以进行自动调整工作了。对应的自动调整画面主要是人工输入开口度的设定值，此设定值在输入时会弹出提示窗口，显示输入值的限制范围，避免设定值的错误输入。当设定值设定完毕后，点击触摸屏上的自动调整按钮，控制系统将自动控制扇形段油缸的升降动作，使目标值达到设定要求，控制精度可以达到0． 3 mm 以内。
5．4 扇形段油缸压力检测画面
离线轻压下控制系统功能的另一个关键就是油缸压力的监测。因为对于扇形段而言，如果已经安装到连铸线上，万一油缸压力因油泄漏而减小，检查和处理问题就相当麻烦了，因此需要在离线检测台上进行检测以避免同类事情的发生。触摸屏提供压力检测画面，画面提供输入时间窗口及测试启动按钮。当启动测试程序后，系统将根据预先设定的时间，对运行前和运行完毕的实际油缸的位移值进行比较，并将偏差值直观地显示在操作人员面前，可以一目了然地知道油缸是否存在内泄、压力是否正常。
6 结束语
通过多个项目的现场实际应用表明，采用POD 触摸屏作为人机界面的基于PLC 为核心控制的离线轻压下智能化系统，运行稳定可靠、功能强大、操作简便、实用有效，受到用户的好评。正是基于触摸屏以上这些显著的优势，未来的使用率将不断提高，在如今现代化程度极高的自动化系统中值得推广及应用。
参考文献:
［1］Byrne Tercelli． Mechanical soft reduction in billet casting［J]．Steel Times International，2002，( 10) : 33-35．
［2］Flemings． Our understanding of macrosegregation: past and persent［J］． ISIJ international，2002，40 ( 9) : 833-841．
