基于PLC与iFIX的方坯二冷配水控制系统应用.pdf

P L C 与D C S PLC an d DCS 自动化技 术与应用2 01 0年第 2 9卷第 5期 基于 P L C与 i F I X的方坯二冷配水控制系统应用 郑连钢 ， 刘 钢 ， 王雪峰 ， 徐 田龙 济钢第一炼钢厂， 山东 济南 2 5 0 1 0 1 摘 要 详细介 J i F I X、Q u a n t u i Ⅲ1 i 4 0系列 P I C技其编 C o n c e p t 2 ． 6拒 辽铸机■冷 水 过 巾的J ⋯。简 r 绍 r 水l l刑 1 j 圳系统 的 ‘ 。 关键词 i F I X； l l C； C o n c e p t ； 『 i D； 冷 水 l I 分炎 TM5 7 1 ． 6 l 戈献怀 鹏 I j T h e Co n t r o l Sy s t e m Ap p l i c a t i o n o f Bi l l e t Ca s t e r Se c o n d a r y Co o l i n g Ba s e d o n PL C a n d i F I X ZHENG Li a n g a n g ， LI U Ga n g ， W ANG Xue f e n g ， XU Ti a n - l o n g NO． 1 S t e e l Ma k i n g P l a n t i n J i n an I r o n and S t e e l Gr o u p Co ． L t d ． ， J i n a n 2 5 0 1 0 1 C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e a p p l i c a t i o n o f i F I X、Qu a n t u l n n 1 4 0 s e r i e s P L C a n d i t s p r o g r a m s o f t w a r e C o n c e p t 2 ． 6 i n t h e p r o c e s s o f bi l l e t c a s t e r s e c o n d a r y c o o l i n g i n d e t a i l ．I t p r e s e n t S t h e d e s i g n o f s e c o n d a r y c o o l i n g c l o s e d l o o p c o n n ’ o l s y s t e m b r i e f l y ． Ke y wo r d s i F I X P L C Co n c e p t ； P 1 D； s e c o n d a r y c o o l i n g 1 引言 第一炼钢厂共有 3台板坯铸机、2台方坯铸机。方坯 为一机四流连铸机， 电气上采用法国施耐德 Q u a n t u mn l 4 0 系列P LC作为控制核心， 配套 C o n c e p t 2 ． 6 软件设计控制 程序， 上位机人机界面 HMI 由i F I X组态软件开发。 Qu a n t u mn l 4 0系列 P L C功能强大， 性能稳定， 能通 过扩展机架、分布式 I ／ O、远程 I ／ O可以扩展数据采集 能力， 通过 1 4 0系列工业以太网模块组成以太网络， 通过 CP U 所带 MB接 口组成总线型 网络 。 C 0 nc e Pt 2． 6是由施耐德公司开发的一套基于 Mi c r o s o f t Wi n d o ws 的编程工具， 主要针对施耐德可编 程序控制器进行硬件组态和软件编程。Co n c e p t 支持梯 形图 L D 、功能块图 F B D 、指令表 I L 、顺序功能图 S FC 、结构式文本 S T 以及L L 9 8 4 六种语言编程 ， 可以 灵活的用于各种编程环境。 收稿 日期 2 01 0 0 1 2 6 i F I X是 G E F a n u c自动化软件产品家族中HMI ／ S C AD A最重要的组件， 它是基于 Wi n d o ws NT ／ 2 0 0 0 平台 上功能强大的组态软件 ， 集中了主流 P LC的I ／ O驱动， i F I x集成了 c O M／ DC O M、O PC等先进的现代软件技 术。该系列软件以S CADA为核心， 实现包括监视、控 制、报警、保存和归档数据、生成和打印报表等多种功 能。i F I X 基于多种工业标准之上 ， 提供 了极大 的易用性 和可扩展性 ， 方便系统集成。 2 系统工 艺 1 方坯连铸机一般 由大包、中间包 、结晶器 、 二冷 段 、拉矫机 、切割设备 、出坯 系统组成。大包 运到的钢水经 中间包注入结晶器 ， 结晶器使注人其 中 的钢 水受 到激冷形成有足够厚度 的比较均匀 的铸坯 冷凝壳。二冷段向带有液心的铸坯喷水 ， 使铸坯 内部 钢水逐步完全凝 固。拉矫机将铸坯从二冷段拉 出送 向切割区， 切成定尺铸坯 定尺铸坯经出坯系统将铸 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第5 期 P L C 与D C S PL C a n d DCS 坯 运 出 。 2 连铸机的二冷段是保证生产优质、无缺陷铸 坯的重要环节 ， 是防止铸坯出现内部裂纹、偏析、中心 疏 松 以及发 生脱 方 的重要 部位 。配 水是 这一 重要 环节 中的重 要组 成部 分 。 二冷水配水参数计算公式 Q K X K1K2 Ai V B i V C i 式 中， V一实际拉速 ； Ai 、B i 、C i 配水系数 Ai 、Bi 、C i 参数作为一个重要的参量设计于 P L C 配水程序 中， 每段根据不同的钢种有各 自的分配 比。它 们与拉速、流量反馈信号构成闭环控制函数 ， 控制着仪 表设备按工艺要求对二冷各段进行配水 ， 保证生产出合 格 的铸坯 。 3 硬 件配置[ 1 ] 本套连铸机设计有 5 套 P L C， 单流各一套 ， 公共系统 一 套； 两个工程师站， 两个监控操作站。两个监控站供生 产人员进 行相关配 水操作 ， 并可实时观察生 产所需 要的 各种关键数据。各站之间采用MB网和工业以太网分 别组网， 两套网络并行运行 ， 提高系统可靠性。系统结 构如图 1 。 图 1 控制系统网络结构图 1 控制系统硬件采用施耐德 1 4 0系列 P L C。选 用 1 4 0 C P U4 3 4 1 2 A 型 C P U模块， 该模块是控制系统的 核心 ，能 快速 进行 大量 数据 处理 。模块 配有 两 个 MO D BUS通讯接 口、一个 MO DB US P L US接 口 简称 MB 口 ， 可通 过模块背面的拨码 开关设定 MB 网络地 址 ， 最大 6 4 。 所有配水输入模块采集的信号包括上位 H I M 画面 输入的数据都要经过 C P U 模块根据工程师设计好的程 序进行逻辑解算 ， 解算的结果一般通过输出模块输出控 制外部设备工作。 2 输入信号如 流量 、阀位 、压 力信号采用 l 4 0 AC 1 0 4 0 0 0 模拟量模块采集。该模块具有同时采集 l 6 路信号的能力和四种可选量程， 本案选用 4 2 0 mA对应 0 1 6 0 0 0码值方式。选用的模块数量可以如下计算 实 际需要采集的信号数量除以 1 6， 商取整加 1 ， 得数即为 需 用量 。 3 输出信号如阀位调节采用 1 4 0 AC O i 3 0 0 0 模 块 输 出控 制 。该模 块 具有 同时控制 8路 信号 能力和 四种可选量程 ， 本案选用 4 2 0 mA对应 0 1 6 0 0 0 码值方 式。此模块可预定义停 电或上 电时输出信号值 ， 以保 证工艺和设备安全。选用 的模块数量可以如下计算 实 际需要采集的信号数量除以 8， 商取整加 l ， 得数即 为 需 用量 。 4 1 4 0系列 P L C模块安插于底板上， 底板可用于 本地、远程或分布式 I ／ O的所有位置。共有 6种底板， 用于 2 、3 、4 、6 、1 0和 l 6槽方案。所有I ／ O槽都是 可用的， 任何一块模板都可用于任何一个槽。 5 利用 C P U 模块所带 MB 口、专用 P L US双 绞网线、0 8 5 ／1 8 5网络接头、PC I 8 5 MB网卡， 各站 连接组成 总线型 MB 网络 。利用 1 4 0 NOE 7 7 1 0 1 以太网TC P／ I P模块 ， 以太网交换机， 连接各站组成星 型 以太 网。 4 软件设计 上位工控机安装 C o n c e p t 与i F I X软件。C o n c e p t 软 件对所配置的 P L C硬件进行组态并开发下位控制程 序 。i F I X用于开 发上位操作 画面 ， 操 作人员通过画面选 择配水操作方式、设定配水参数、观察配水流量 、压 力 等数 据 。 4 。 1 Co n c e p t 软件程序开发[ ] 进 行 软件 程序 开 发首 先进 行 P L C 配 置 即硬 件组 态， 组态要与实际硬件型号和插槽位置一致 ， 否则会发 生错误。配置 CP U型号 ， 划分 CPU 内存， 可以指定时 间寄存器 ， 选择配置的网络及数量。重要的是配置 I ／O 模块 选择 I ／ O模块型号， 指定I ／ 0模块地址， 离散输入 量 以”l ”开头表示 ， 离散输出量 以”0 ”开头表示， 模 拟输入量以”3 ”开头表示 ， 模拟输出量以”4 ”开头表 示 ， 模块起始地址为该型模块通道数的整数倍加 l， 模 块地址不可重复但模块 间地址可以不连续 ， 如 图2所 P L C 与D C S PL C an d DCS 示。选定模块 ， 点击图2右上角P a r a ms 按钮， 可配置模 块量程等参数。 图2 C o n c e p t 硬件组态图 4 。 2 i F I X 软件开发[ 3 l ， i F I X软件安装后 ， 根据P L C硬件和网络形式选择合 适的 I ／ O驱动程序 ， MB 网络可选 MMP， 以太 网可选 MB E， 它是 i F I X与 P L C之间的接 口。 4 ． 2 ． 1 系统配置 i F I X系统配置 S C U 包括 S CADA配置、路径配 置、报警配置、网络配置、安全配置、S QL配置、任 务配置 等 ， 对 于基 本应用 主要进 行 SCADA 组 态配置 如图3 。 图3 i F I X S C A D A组态配置图 S C A DA支持选择 “ 启用” ， 定义数据库名称， 选择已 安装的I ／ O驱动器 MMP， MBE， 进行添加。 4 ． 2 ． 2 驱动器配 置 以MB E配置为例 如图4 。 添加通道、设备、I ／ O B L OC K。设备中配置P L C 自动化技术与应用 2 01 0年第 2 9卷第 5期 的 I P地址， I ／ O BL OCK中设定 i FI X需要使用的 I ／ O 地址 ， 并选择合适的数据类型 。将配置完成需要使 用的通道 、设备、I ／ O B L OC K选择 E a b l e ， 运行后若 系统配置正常则通过数据监视界面可 已观察到 I ／O 数 据 状 态 。 图4 MB E驱动器配置图 4 ． 2 ． 3 建 立数据库 建立数据库前 ， 应先确定 H I M 画面设计所需要的 I ／ O地址。打开i F I X数据库管理器 ， 选择s C ADA组态 中定义的数据库 ， 为每个 I ／ O地址进行数据块设定。为 完成不同功能， i F I X有多种数据块类型供选择。主要设 定数据块类型、标签名、描述、配置 I ／0地址等。在 i F I X画面中使用标签名做为地址 ， 因此最好使其有一定 意义以便于应用 。数据库建立后 ， 就可以进行 i FI x画 面 开发 了。 4 ． 2 ． 4 HMI 画面开发 图 5 HMI 主监控画面图 HMI即人机接口， HMI 画面是最终面向用户的界 面， 供用户进行操作如选择配水方式、输入配水流量给 定值等 ， 显示用户需要的数据如实际流量 、压力值、阀 位开度值。i F I X提供广泛的预定义图符 ， 方便设计者开 自 动 化 技 术与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第5 期 P L C 与D C S PL C an d DCS 发图形界面。主界面如图5。 i F I X提供多种命令专家， 供设计者灵活选用实现各 种操作。配水画面 的设计主要应 用了打开画面专家 、切 换数字量标签专家、打开和关闭数字量标签专家 ， 数据 录入和显示使用数据连接戳功能。 4 。 3 配水 P I D程序 设计 [2 ] P I D调节是流量、温度、液位、压力等模拟量常用 的易于实现的一种闭环控制方式。以P L C做为控制器 构成的闭环控制系统如图 6。 图6 P L C闭环控制系统构成图 二冷配水有三种方式 阀位控制 ， 直接调节阀位 ， 主要用于调试、检修或 流量计发生故障时。 流量 控制 ， 有 人工设 定配水量 和根据配水 表计算 给 定配水量两种方式， 均经PI D调节控制输出。人工给定 主要用于开始浇铸及异常情况。配水表给定是浇铸中 正常 使用 的控 制方 式 。 P LC实现P I D控制有几种方法 1 利用 P I D指令 2 利用P I D控制功能块 3 利用程序设计 4 利用P I D硬件模块 图7 P I B功能块图 件 C o n c e p t 提供了多种 P I D控制功能块， 工程采用 P I B 功能块 。如 图 7。 功能 块主要 参数 PV 过程值 ， 由流量计反馈的实时水流量 ； S P 给定值 ， HMI 画面人工设定或由配水表计算所 得的配水流量设定值 ； MAN AUT O 自动手动模式， HI M画面选择； P ARA 块参数， 主要包括设定 P V上下限值、OUT 上下限值、比例 Kp值、积分 Ti 值 ； OUT 输出值 ， 输出控制调节阀位 其中P V、S P、OUT均为实型， P L C模拟量模块输 入的流量、阀位数据须经过 “ I NT T O RE AL ”功能块 将整型数据变实型， P I D输出值 OUT经模拟量输出模 块输出前需经 “ RE AL TO I NT”功能块将实型数据变 为整型。 过程值 P V通过流量计测量变送成 4 - 2 0 mA电流信 号输入 A C I 模块， 经量程变换成实际水流量 ， 与给定值 S P比较进行P I D运算得到输出值 ， 输出值经输出 AC O 模块转换成 4 2 0 mA信号去控制调节阀开度， 最终实现 配水流量的闭环控制。 5 结束语 应用 i F I X和Q u a n t u mn l 4 0 系列 P L C开发的方坯配 水控制系统良好的满足生产工艺要求 ， 方便了生产人员 的操作， 投用后设备运行稳定， 基本免于维护。 参考文献 ⋯ I 施奈德． Q u a n t u m硬件手册【 Z ] ， 2 0 0 4 ． 『 2 12 施奈德． C o n c e p t 2 ． 6电子书[ Z 】 ， 2 0 0 4 ． 【 3 ]G E F a n u c i F I X3 ． 5电子书【 Z ] ， 2 0 0 8 ． 作者简介 郑连钢 1 9 7 8 一 ，男， 工程师， 研究方向 电气控 本工程采用第二种方法。昆腾PL C的编程组态软 制及传动