紀振平，徐美柱

基于觸摸屏的連鑄工藝參數(shù)模擬

紀振平，徐美柱

(沈陽理工大學 自動化與電氣工程學院，沈陽 110159)

闡述了中間包溫度和鑄坯拉速在鋼水連鑄過程中的作用，根據(jù)實際生產(chǎn)過程中采集的中間包溫度變化的數(shù)據(jù)，采用最小二乘法，擬合出中間包溫度的變化曲線。應用昆侖通態(tài)的觸摸屏，依據(jù)鋼水連鑄的工藝過程，通過腳本程序，模擬產(chǎn)生鋼水的中間包溫度和連鑄坯的拉速曲線。實現(xiàn)不同的鋼水溫度模擬和多條拉速曲線的設(shè)置，并建立觸摸屏與西門子PLC之間的MPI通信，為下一步進行連鑄二冷區(qū)水量控制的研究奠定基礎(chǔ)。

連鑄；中間包；拉速；觸摸屏；最小二乘法

鋼鐵工業(yè)是原材料工業(yè)，是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)工業(yè)，而連鑄是提高其生產(chǎn)率、簡化生產(chǎn)流程、降低生產(chǎn)成本的重要環(huán)節(jié)[1]。中間包是將鋼水按照生產(chǎn)要求，分配給連鑄機的結(jié)晶器。澆注過程中，中間包溫度會持續(xù)不斷地變化[2]，鋼水的澆注溫度直接影響二冷區(qū)的冷卻水量和鑄坯的表面溫度，決定鑄坯的生產(chǎn)質(zhì)量[3-4]。鑄坯的拉速是決定二冷區(qū)冷卻水量的主要參數(shù)，拉速不僅決定連鑄機生產(chǎn)率，也是影響鑄坯表面溫度的關(guān)鍵因素，其變化引起冷卻水量的突變，導致鑄坯表面溫度偏離目標溫度，產(chǎn)生嚴重的質(zhì)量問題[5-7]。因此，模擬中間包溫度和鑄坯拉速的變化是一個值得研究的課題。中間包溫度模擬是根據(jù)連鑄實際生產(chǎn)過程中采集的溫度數(shù)據(jù)，采用最小二乘法，并通過Matlab軟件獲得擬合曲線。拉速模擬是依據(jù)連鑄生產(chǎn)工藝要求，模擬產(chǎn)生矩形波曲線、正弦曲線和恒定拉速曲線等。

在連鑄工藝生產(chǎn)過程中，觸摸屏以其使用方式靈活、功能強大、舒適的人機界面等優(yōu)點得到了廣泛的應用。昆侖通態(tài)的MCGS是一種用于快速構(gòu)造和生成監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件[8]，為用戶提供了實時數(shù)據(jù)庫 、數(shù)據(jù)處理 、支持多種硬件設(shè)備、良好的可維護性、強大的網(wǎng)絡(luò)功能等解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺[9]。本文應用MCGS組態(tài)軟件，編寫腳本程序，針對中間包溫度和拉速進行模擬，建立觸摸屏與西門子PLC之間的MPI通信，為下一步研究連鑄二冷控制系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 中間包溫度的模擬

1.1 最小二乘法曲線擬合

曲線擬合又稱函數(shù)逼近，是指對給定的N個數(shù)據(jù)點(xi，yi),在取定的函數(shù)類φ中，求一個函數(shù)P(xi)∈φ,使所有的數(shù)據(jù)點與擬合點的誤差的平方和E2最小。

E2=∑[P(xi)-yi]2

(1)

式中函數(shù)P(x)為擬合函數(shù)，這種方法稱作曲線擬合的最小二乘法。通過分析在實際連鑄工藝生產(chǎn)過程中獲得的鋼水中間包溫度的數(shù)據(jù)(如表1所示)，確定擬合曲線的函數(shù)模型為多項式類，設(shè):

P(x)=ax+b

(2)

通過Matlab軟件，擬合出鋼水中間包溫度與時間的變化曲線，如圖1所示。

擬合的曲線方程為

P(x)=-0.02557x+1532.42

(3)

1.2 基于觸摸屏的溫度模擬

表1 中間包溫度數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)

圖1 中間包溫度擬合曲線

根據(jù)擬合出的中間包溫度曲線，通過腳本程序，在觸摸屏中實現(xiàn)中間包溫度的組態(tài)設(shè)置。中間包溫度曲線包括初始溫度和澆注周期兩個參數(shù)，部分相關(guān)程序如下:

IFT3=1 ANDm=1 ANDz=1 THEN

!TimerRun(1)

//啟動定時器1

!TimerSetLimit(1,T4,0)

//設(shè)置定時器1的工作時間，并且循環(huán)工作

T5=!TimerValue(1,0)

//讀取定時器1的當前值

T=T2*((-0.02557)*T5+1532.42)/1532.42

//計算中間包的溫度值

ENDIF

其中:開關(guān)量m和z分別為“準備好”和“開澆”信號；T為溫度模擬值；T2為澆注初始溫度；T4為澆注周期。在畫面窗口中，添加實時曲線構(gòu)件，設(shè)置畫筆屬性、標注屬性和基本屬性等參數(shù)；組態(tài)中間包的初始溫度值和澆注周期。

2 拉坯速度的模擬

鑄坯的拉速曲線可根據(jù)實際生產(chǎn)工藝要求，模擬不同形式的拉速曲線，如矩形波、正弦曲線和恒定值等。

(1)矩形波

拉速曲線為矩形波，目的是模擬鑄坯在恒定拉速下，外界突然產(chǎn)生擾動，鑄坯拉速偏離原來的基準值。矩形波拉速曲線包含基準值、擾動點、運行周期和偏移量四個參數(shù)，部分腳本程序如下:

IFFF=1 ANDm=1 ANDz=1 THEN

!TimerRun(2)

!TimerSetLimit(2,5,1)

a5=!TimerValue(2,0)

a6=a2 *a5/5

//拉速由零達到基準值需要5秒

!TimerRun(3)

!TimerSetLimit(3,a1,0)

b1=!TimerValue(3,0)

IFb1

//定時器3的當前值小于設(shè)定的擾動時間，拉速等于設(shè)定的基準值

b=a6

VV=b

ENDIF

IFb1 >=a3 THEN

//定時器3的當前值不小于設(shè)定的擾動時間，拉速等于設(shè)定的基準值與偏移量的和。

b=a4+a6

VV=b

ENDIF

ENDIF

其中:a1為矩形波的周期；a2為基準值；a3為擾動時間；a4為偏移量；VV為拉速的模擬值。在MCGS組態(tài)軟件中，建立子窗口(如圖2所示)，將矩形波曲線涉及的相關(guān)參數(shù)，在子窗口中顯示出來。組態(tài)子窗口中的輸入框與對應的變量鏈接。組態(tài)按鈕屬性對話框中的相關(guān)參數(shù)。MCGS組態(tài)軟件提供打開和關(guān)閉窗口的函數(shù):

!OpenSubWnd()

!CloseSubWnd()

在按鈕的屬性對話框腳本程序中，分別使用這兩個函數(shù)，運行時可以靈活切換各個窗口界面。

圖2 子窗口界面

(2)正弦曲線

鑄坯的拉速曲線是正弦曲線，其目的是產(chǎn)生一個隨時間不斷變化的拉速，分析研究由于拉速的不斷改變，對連鑄二冷控制系統(tǒng)的影響。正弦拉速曲線包括拉速基準值和運行周期兩個參數(shù)，部分腳本程序如下:

IFFF1=1 ANDm=1 ANDz=1 THEN

!TimerRun(4)

!TimerSetLimit(4,s1,0)

s3=!TimerValue(4,0)

s4=6.28*s3/s1

//計算定時器當前值對應的弧度

s=s2 *!sin(s4)/2+s2/2

//計算拉速值

VV=s

ENDIF

其中s1為正弦曲線的周期；s2為拉速基準值；s為拉速的模擬值。

(3)恒定拉速

模擬恒定拉速曲線，目的是為后續(xù)的二冷區(qū)水量和鑄坯表面溫度控制的研究，排除由于拉速的改變而引起的參數(shù)變化。恒定拉速曲線的組態(tài)中，只含有一個參數(shù)。部分程序如下:

IFFF2=1 ANDm=1 ANDz=1 THEN

VV=h

ENDIF

h為恒定拉速的基準值。打開觸摸屏主窗口，拖入實時曲線構(gòu)件，正確的組態(tài)實時曲線構(gòu)件屬性，確保拉速曲線能準確的顯示。

3 模擬運行

基于MCGS組態(tài)軟件的連鑄工藝參數(shù)模擬，由一個主窗口和四個子窗口組成。其中四個子窗口分別是中間包溫度、拉速的矩形波曲線、正弦曲線、恒定值曲線的參數(shù)設(shè)置窗口，修改相應的參數(shù)，顯示不同的曲線。在主窗口中，有兩個實時趨勢構(gòu)件，以顯示中間包溫度曲線和鑄坯的拉速曲線，分別點擊“矩形波”、“正弦”、“恒定拉速”和“溫度”按鈕，顯示出相應的參數(shù)設(shè)置子窗口。點擊“準備好”、“開澆”按鈕，系統(tǒng)開始運行。

當中間包的澆注周期是20min，澆注起始溫度為1500℃；拉速基準值為1.8m/min，周期10min，在第4min出現(xiàn)擾動，擾動的偏移量為0.3m/min。拉速和溫度曲線如圖3所示。

圖3 連鑄工藝參數(shù)模擬1

當中間包的澆注周期是20min，澆注起始溫度為1550℃；拉速基準值為2m/min，周期10min，在第6min出現(xiàn)擾動，擾動的偏移量為0.2m/min。拉速和溫度曲線如圖4所示。

圖4 連鑄工藝參數(shù)模擬2

當中間包的澆注周期是25min，澆注起始溫度為1580℃；拉速基準值為2m/min，周期15min，在第10min出現(xiàn)擾動，擾動偏移量為-0.2m/min。拉速和溫度曲線如圖5所示。

圖5 連鑄工藝參數(shù)模擬3

4 觸摸屏與西門子PLC的MPI通信

MCGS嵌入版擁有設(shè)備窗口，在設(shè)備窗口內(nèi)配置各種各樣的設(shè)備構(gòu)件，根據(jù)實際工程中設(shè)備的類型和特征，選擇相應的設(shè)備構(gòu)件，并設(shè)置相關(guān)屬性。打開設(shè)備管理窗口，添加串口通訊父設(shè)備(如圖6所示)，設(shè)置串口端口號、通訊波特率、數(shù)據(jù)位位數(shù)、奇偶校驗位等相關(guān)參數(shù)，觸摸屏與PLC的通訊波特率須一致。添加西門子S7-300-400 MPI作為子設(shè)備掛在串口父設(shè)備下，根據(jù)PLC的硬件組態(tài)，設(shè)置PLC站地址、PLC槽號以及網(wǎng)絡(luò)傳輸速率等參數(shù)，打開設(shè)備編輯對話框，設(shè)置通道屬性，將拉速、中間包溫度、準備好、開澆等變量連接到對應的設(shè)備通道上。通過西門子MPI標準適配器和RS232完成觸摸屏與S7-400之間的通信。

圖6 通用串口設(shè)備屬性對話框

5 結(jié)束語

依據(jù)連鑄實際工藝生產(chǎn)中采集的中間包鋼水溫度的數(shù)據(jù)，應用最小二乘法曲線擬合方法，獲得中間包溫度的變化趨勢曲線，通過觸摸屏的腳本程序，完成了基于觸摸屏的鋼水中間包溫度的模擬和多條拉速曲線的設(shè)置，并可修改每條曲線的參數(shù)；實現(xiàn)了觸摸屏與西門子PLC之間的MPI通訊。

[1]馬振寰,羅永昌.小方坯連鑄機二冷水控制方法研究[J].加熱工藝,2015,44(23):87-91.

[2]紀振平,劉文紅,謝植，等.連鑄拉速和中包過熱度的藕合作用分析及二冷配水控制實現(xiàn)[J].鋼鐵釩鈦,2007,28(3):51-55.

[3]Subhasis Chaudhuri,Rajeev Kumar Singh Design and implementation of an automated secondary cooling system for the continuous casting of billets[J].ISA Transactions,2010(49):121-129.

[4]竇志超,張曉峰,尹佳,等.基于有效拉速和有效過熱度的連鑄二冷控制模型[J].北京科技大學學報,2011,33(11):1349-1353.

[5]梁智學.連鑄拉速擾動前饋補償控制傳遞函數(shù)辨識研究[J].重慶郵電大學學報,2013,25(4):557-562.

[6]Lubomír Klimes,Josef Stetina.A rapid GPU-based heat transfer and solidification model for dynamic computer simulations of continuous steel casting[J].Journal of Materials Processing Technology,2015,226(1):1-14.

[7]紀振平,謝植,賴兆奕.連鑄二冷配水自適應動態(tài)優(yōu)化控制[J].信息與控制,2008,37(5):576-580.

[8]包建華,丁啟勝,張興奎.工控組態(tài)軟件 MCGS及其應用[J].工礦自動化,2007(3):92-94.

[9]鄒偉，楊平，徐德.基于 MCGS 組態(tài)軟件的上位機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2008,30(12):103-107.

(責任編輯:趙麗琴)

Simulation of Continuous Casting Process Parameters Based on Touch Screen

JI Zhenping,XU Meizhu

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

The tundish temperature and casting speed are studied in continuous casting of molten steel in the process of role.According to actual production process in the acquisition of tundish temperature data,the tundish temperature curve is fitted by using least squares method.Using the Kunlun Tong Tai touch screen,according to a molten steel continuous casting process by a script，package in the middle of the molten steel temperature and continuous casting billet casting speed curve are simulated to produce.Different temperature simulation of molten steel and setting of multiple casting speed curve are realized.MPI communication is established between Siemens PLC and touch screen for the next step of water control in the secondary cooling zone of continuous casting research foundation.

continuous casting;tundish;pulling speed;touch screen;least square method

2016-06-15

國家自然科學基金資助項目(61273178)

紀振平(1964—)，男，教授，博士，研究方向:復雜工業(yè)過程控制及監(jiān)控。

1003-1251(2017)01-0046-05

TP274+.5

A