1、引 言
钢水的真空处理应用于钢水的脱氢、脱氮、去氧（轻处理）和脱硫，同时具有合金微调和温度调整的功能。攀钢生产特殊钢，如轨道钢、低合金结构钢、齿轮钢、氧气瓶钢等都需要经过真空处理，是方坯连铸生产的重要环节。顶枪应用于真空非处理状态下，对真空室进行保温，减少温降，祛除真空室内壁表面结瘤。根据炼钢厂对真空系统的生产要求，控制系统要具有高可靠性、易操作性、维修方便、控制功能全面的特点，真空控制系统的可编程控制器采用SEIMENS公司的SIMATIC S7-400 PLC。SIMATIC S7-400 PLC是具有中高档性能的PLC，具有模块化和用户易于掌握的特点，并具有高速的指令处理、人机界面、CPU的智能化诊断、具有网络通信、软件编程语言丰富的特点。
2、自动化级控制系统
根据真空的工艺设备情况，真空控制系统设计采用SIEMENS公司的SIMATIC PCS7过程控制系统，系统主要由一套S7 400 PLC、两台监控站和二级计算机系统构成。
RH控制系统采用两级控制系统组成，一级基础自动化系统和二级计算机控制系统，在一级基础自动化系统中完成其逻辑控制和控制回路的调节控制，二级计算机系统从基础自动化系统采取过程生产数据，根据生产计划和来钢情况进行模型运算，优化出生产参数下送到基础自动化系统执行操作。RH基础自动化系统采用西门子公司的S7 400系列的PLC控制器组成过程控制系统，网络系统采用西门子公司的工业以太网来连接LF系统、合金下料系统、中控室的操作站、报表打印机和RH的二级计算机等设备。过程控制系统采用西门子公司的S7 400系列组成PLC控制系统，操作台采用ET200M利用PROFIBUS-DP网络接入PLC主控器以减少电缆布线。机电一体设备采用RS232协议与PLC的主控器通讯。操作站与PLC系统之间采用工业以太网协议通讯，一级操作站和二级计算机采用西门子OPC协议来完成数据交换。为了对控制设备的精确定位，其传动系统采用VVVF技术来进行调速控制。
3、顶枪加热过程描述研究
顶枪在非处理期间由停放位开始下降，当下降到预设加热高度时，加热煤气和氧气阀打开，煤气点火燃烧，调节煤气和氧气流量到给定值对真空室进行加热或除瘤。
图1 顶枪加热过程
位置和加热控制以及辅助控制的核心设备是PLC，软件是RH PLC使用的软件，控制程序是用STEP 7编程语言编写的，使用梯形图、功能框图、语句表语言。程序编写使用了模块化编写方式。
3.1 PLC对操作方式的实现
（1）事故操作方式（气动马达）：在事故状态下，将气动马达耦合手柄打到气动马达位置，用N2升降顶枪。电动操作和气动马达操作，通过一个耦合器进行切换，有一个行程开关检测顶枪处于气动或电动状态。（2）就地操作方式（现场操作箱）：在现场操作箱上选择“就地”，按“上升”按钮（自复位按钮），枪以给定速度上升，当枪运行到紧急上限时，自动停止；按“下降”按钮（自复位按钮），枪以给定速度下降，当枪运行到紧急下限时，自动停止。操作完毕，将选择开关置于“远控”（现场操作台）方式。当现场操作箱选择“就地”操作时，现场操作台、PLC和LEVEL 2均不能对顶枪进行操作。（3）本地手动操作方式（现场操作台）：在现场操作台上将钥匙开关置于“本地”（LOCAL）上升过程：首先将膨胀密封圈松开，当枪离预定位置较远时，按“高速上升”按钮（自复位按钮），枪高速上升，当枪快接近预定位置时，改按“低速上升”按钮，枪低速上升，到预定位置松开按钮，枪停止运行。锁紧膨胀密封圈。上升过程中，当枪到达上极限时，枪自动停止运行。下降过程：首先将膨胀密封圈松开，当枪离预定位置较远时，按“高速下降”按钮（自复位按钮），枪高速下降，当枪快接近预定位置时，改按“低速下降”按钮，枪低速下降，到预定位置松开按钮，枪停止运行。锁紧膨胀密封圈。下降过程中，当枪到达下极限时，枪自动停止运行。在现场操作台上设有1个BCD码数字显示表，显示顶枪的枪位（距真空室底部的距离），设有“本地/远程”、“高速上升”、“低速上升”、“高速下降”、“低速下降”及位置极限等指示灯。操作完毕，应将现场操作台上的钥匙开关置于“远程”（REMOTE）方式。操作台设有PLC的远程I/O站，使用PROFIBUS-DP网络与主站相连，传输速率是12M/S。使用PROFIBUS-DP协议。（4）远程操作方式（OSM操作站操作）：只有当实际枪位≤停放位（Parking Position）时，可以进行远程操作操作员直接在操作站上输入枪位设定值，在PLC中将实际枪位与设定枪位进行比较，控制顶枪的升降；当枪位差值>100mm时，顶枪高速运行（上升/下降），当枪位差值＜100mm时，顶枪低速运行（上升/下降）；当枪位差值＜10mm时，顶枪停止运行，保证位置控制精度在＋/－10mm。远程操作时操作站通过工业以太网与PLC相连，传输速率是100M/s。使用TCP/IP协议。
3.2 顶枪位置控制
顶枪位置控制是按位置偏差控制的闭环控制，在顶枪自动方式运行下，操作人员根据真空室的温度情况对顶枪要到达的加热位在操作站上进行枪位值的预设定，数据由以太网传送到CP模板，CP模板将数据传送到CPU的存储区，STEP7软件编制的应用程序执行相应的控制程序，通过编码器反馈的值进行顶枪枪位的偏差控制。顶枪的枪位通过绝对编码器进行测量，编码器产生的脉冲信号由FM451计数模板读入，CPU通过功能块将FM451计数模板的信号读出到程序中，将计数值转换成对应的高度值，与预设的高度值相减得到偏差值，根据偏差值来控制顶枪的快慢速及停止。在程序中使用数值运算、比较运算就可得到控制信号，由信号模板输出到变频器去控制电机，从而实现对顶枪的升降控制。顶枪在下极限对枪位进行初始校正。顶枪的行程为0～6米；OMS和现场现场操作台上显示的枪位是：顶枪枪头距离真空室底部的距离。100mm以上是快速，10～100mm之间是慢速，10mm以下PLC发出停止指令。软件程序控制设计框图如下。
