觸摸屏在連鑄輕壓下離線控制系統中的應用
劉松1，牛井楠1，曹利芹2
( 1．中冶京誠工程技術有限公司電氣工程技術所，北京100176; 2． 河北敬業集團有限公司)

摘要: 連鑄輕壓下離線控制系統主要完成對實施輕壓下的扇形段進行離線測試的功能。主要涉及到扇形段的離線標定、液壓升降動作、油缸壓力監測、輥縫自動調整等內容。作者開發了一套基于PLC 和觸摸屏相結合的輕壓下離線控制系統，結合連鑄輕壓下離線測試的要求，主要介紹了作為人機界面的觸摸屏部分的設計開發過程和功能。結果表明，人機界面合理的設計為充分發揮系統的功能提供了強有力的工具。

關鍵詞: 連鑄; 輕壓下; 離線; 觸摸屏; 扇形段

    輕壓下技術始于20 世紀70 年代末、80 年代初，是在70 年代收縮輥縫技術的基礎上發展而來的，也是近年來應用推廣較快的連鑄核心技術之一。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生一定的壓下量來補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部空隙，防止晶間富集熔質元素的鋼液向鑄坯中心橫流動; 另一方面，輕壓下所產生的擠壓作用可以促進液芯中心富集的熔質元素鋼液沿拉坯方向反向流動，使熔質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］。其控制技術的核心主要是根據凝固傳熱模型計算的鑄坯中心溫度和坯殼厚度等信息，計算出兩相區的開始位置和結束位置。再根據鋼種和斷面自動讀取冶金知識庫的設定值，以計算出輕壓下區域的位置。

    根據壓下區域在扇形段的不同位置，模型選擇合適的扇形段來實施輕壓下，并分配各個段的壓下量和壓下速率。要精確地執行模型下達的指令，其扇形段的調整精度至關重要。因此，必須在扇形段上線之前，在離線區域將設備調整完畢。由于受到離線區域地域的限制，開發的控制系統必須具備攜帶方便，操作簡捷，設備狀態能夠直觀顯示的特點。用PLC 作為控制系統核心，成本較低，穩定性高，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定、直觀地了解離線輥縫調節過程中各個檢測信號的動態變化，及時進行故障判斷等功能，必須為PLC 研制出一個適合的人機界面，才能組成較完備的離線輕壓下控制系統。本文主要介紹基于PLC 控制的連鑄輕壓下離線控制系統中，選用FUJI POD 觸摸屏作為人機界面的應用設計過程和主要功能。

1 POD 觸摸屏

    POD 觸摸式可編程操作顯示器［3］是一個新穎的人機界面產品，主要面向各種嵌入式系統和產品。它具有安全可靠、功耗低、溫升小、熱穩定性高、不怕斷電、支持多種通信接口、顯示圖像更逼真等優點，非常適用于工業現場環境，在工業控制中應用越來越廣泛。POD 觸摸屏內嵌的UGOOSCWV3嵌入式組態軟件可讀取并實時顯示出PLC監測到的生產過程設備操作，模擬量采樣數據等信息，能以動畫方式直觀顯示出控制設備的運行狀態，同時還具有實時趨勢曲線和生成各種報表等功能。

2 系統配置

    基于對設備控制精度及實時顯示狀態的要求，本系統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備連接構成輕壓下離線智能化控制系統。整體配置結構如圖1 所示。

圖1 系統配置結構圖
 

    PLC 采用西門子模塊化微型處理器系統，具備自由擴展的功能。配備1 個SSI 數字接口功能模塊，用來高速采集油缸位移傳感器的數據; 同時還配備1 個繼電器輸出形式的數字量輸出模塊，這樣可以省掉外帶的繼電器，節省了大量的空間。數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 觸摸屏作為人機界面，通過MPI 接口與PLC 進行數據傳輸。通過UGOOS-CWV3 組態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。當設備定義好后，則可以對相應的顯示內容定義相應的數據地址，以和PLC 內部的相應數據塊對應，完成數據的讀寫功能。當連接建立完備，核心控制系統就可以完成對離線輕壓下系統現場信號的采集和處理了。

3  UGOOS-CWV3 組態軟件的設計

3．1 總體設計方法

    UG00S-CWV3 嵌入版組態軟件，用“工程”來表示組態生成的應用系統，創建一個新工程就是創建一個新的用戶應用系統。建立工程的一般步驟為: 定義設備、設計圖形界面、構造數據庫( 定義變量) 、建立動畫連接、運行和調試。

    首先創建一個新工程，在設備選項中選定需要的設備連接。UG00S-CWV3 提供的設備連接向導對話框列出了工業生產常用的一些硬件設備，如PLC、板卡、智能儀表、變頻器等，并且已經根據這些常用設備各自的通信協議制作了相應的通信協議，使應用人員從繁瑣的底層驅動程序中解脫出來。選擇西門子S7300-400 /MPI 系列PLC 及通信方式后，可進行動態畫面的設計和變量的定義。

    用于圖形編輯的圖庫相當豐富，UG00S-CWV3 就像是一個面向對象編程的軟件，可隨意拖拽控件到項目中，然后針對控件進行參數的設定，使用極為方便。變量可以定義為數據塊、輸入輸出信號、內部變量以及各種時鐘變量，但是變量的類型及實際地址必須與PLC 內的地址相一致，否則將無法完成數據的正確傳輸。當繪制完與離線輕壓下控制系統相對應的監控畫面和參數設置畫面后，將系統要監控的參數與畫面中的變量一一對應起來就完成了項目人機接口的設計。

3．2 離線輕壓下系統智能人機界面軟件的特點

    離線輕壓下系統的控制要求是對每個扇形段進行升降動作、標定、自動輥縫調節、油缸壓力檢測等一系列控制動作的預先設置。由于數據設定值要求不斷變換，操作人員輸入數據很容易出錯，而且數據變化的實時性比較強，如果設置不當，將引起意想不到的結果發生。因此僅靠操作規程和操作步驟來減少錯誤發生，顯然不能滿足要求，必須有一個友好的人機界面，要符合用戶的操作需求和習慣。對于用戶的操作要提示明確，還要有自動限制錯誤的參數設置。

    (1) 功能的劃分。由PLC 完成一些邏輯上的控制，觸摸屏作為人機接口負責數據顯示和設定。根據離線輕壓下智能化控制的特點，對于一些數據的限定工作都在觸摸屏編輯軟件中設定執行，減少了PLC 大部分的數據處理工作。

    (2) 數據變量嚴格劃分。分清是否與PLC 相關、是否是觸摸屏內部使用變量、是否具備可讀寫功能。

    (3) 數據的異步處理。妥善處置PLC 與觸摸屏之間的數據，當PLC 與觸摸屏通信中斷時，PLC仍然可以按照預先設定的預設值繼續工作。

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

    (5) 所有數據修改對話均提示出對應的名稱和修改范圍，并自動做保護性限制處理。

4 系統功能

    本系統具有各種離線輕壓下調整控制功能和實時數據采集與監控顯示記錄功能。對于來自現場的位移傳感器、油缸壓力、電磁閥動作狀態、液壓系統狀態等信號，可在屏幕上通過數值或動畫方式來動態顯示現場的實時變化情況，并通過相應處理存儲于數據庫，然后利用歷史曲線方式進行查詢。主要功能包括:

    (1) 自動或手動控制扇形段開口度，控制液壓缸動態平衡。

    (2) 扇形段的離線標定。

    (3) 系統運行的動態顯示。

    (4) 系統安全保護、報警及信息的統計查詢等。

    (5) 記錄曲線顯示。

    (6) 系統參數設置等。

    各種組合功能為扇形段的離線標定、調整、測試提供了方便靈活的手段。UG00S-CWV3 組態軟件提供了模擬器的功能，可以將計算機與PLC 相連接，打開模擬程序進行模擬。當模擬完畢后，可以把項目下載到觸摸屏中，建立好觸摸屏與PLC 的連接，就可以進行觸摸屏與PLC 的聯機調試。打開所有畫面，對每一項功能進行測試、驗證。

5 主要畫面

    我們開發的離線輕壓下控制系統的人機界面主要由開機初始畫面、扇形段標定畫面、扇形段手動操作畫面、扇形段自動調整畫面、扇形段油缸壓力檢測畫面等組成。當系統開始運行后，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，方可進入操作畫面進行相應的操作。輕壓下離線控制系統的主要監控畫面如圖2 所示。

圖2 主要監控畫面
 

5．1 扇形段標定畫面

    對于離線組裝完畢的扇形段，首先要進行標定的工作。標定的目的是知道扇形段各個開口度的實際值，然后對扇形段的位移傳感器進行校準。首先操作人員用手持測量儀實測扇形段開口度，將實際值輸入觸摸屏對應窗口處，點擊校準按鈕，校準工作完畢后方可進行相應的手動升降及自動調整工作。由于觸摸屏畫面人機界面友好，對應的窗口都有相應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，油缸的實際位置都會在屏幕上顯示，當發生偏差時，會顯示偏差報警信息以提示操作人員，當然最底層的必要聯鎖都會在PLC 內部作相應的邏輯限定。

5．3 扇形段自動調整畫面

    當手動升降測試完畢后，就可以進行自動調整工作了。對應的自動調整畫面主要是人工輸入開口度的設定值，此設定值在輸入時會彈出提示窗口，顯示輸入值的限制范圍，避免設定值的錯誤輸入。當設定值設定完畢后，點擊觸摸屏上的自動調整按鈕，控制系統將自動控制扇形段油缸的升降動作，使目標值達到設定要求，控制精度可以達到0． 3 mm 以內。

5．4 扇形段油缸壓力檢測畫面

    離線輕壓下控制系統功能的另一個關鍵就是油缸壓力的監測。因為對于扇形段而言，如果已經安裝到連鑄線上，萬一油缸壓力因油泄漏而減小，檢查和處理問題就相當麻煩了，因此需要在離線檢測臺上進行檢測以避免同類事情的發生。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。當啟動測試程序后，系統將根據預先設定的時間，對運行前和運行完畢的實際油缸的位移值進行比較，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泄、壓力是否正常。

6 結束語

    通過多個項目的現場實際應用表明，采用POD 觸摸屏作為人機界面的基于PLC 為核心控制的離線輕壓下智能化系統，運行穩定可靠、功能強大、操作簡便、實用有效，受到用戶的好評。正是基于觸摸屏以上這些顯著的優勢，未來的使用率將不斷提高，在如今現代化程度極高的自動化系統中值得推廣及應用。

參考文獻:
［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．