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摘 要：电渣重熔冶炼工艺过程控制是一个复杂的控制过程，其控制目标是一个多变量、非线性、强耦合的对象，用一般常规的控制方法难以保证闭环控制系统技术性能和指标要求。主要研究的内容是用控制理论和方法，实现电渣重熔冶炼的闭环自动控制，以达到冶炼优质合格的电渣锭目的。
关键词：电渣重熔自控系统 S7-300 硬件组态
中图分类号：TF1 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2011）012-035-02
1 引言
电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。电渣钢锭的质量取决于合理的电渣重熔工艺和保证电渣工艺的设备条件。而电渣重熔冶炼工艺过程控制是一个复杂的控制过程，其控制目标是一个多变量、非线性、强耦合的对象，用一般常规的控制方法难以保证闭环控制系统技术性能和指标要求。其设备主要由机械、液压部分、电气自动控制部分、水冷却系统、除尘系统等部分组成，本文主要研究的是电气自动控制部分，即用控制理论和方法，实现电渣重熔冶炼的闭环自动控制，以达到冶炼优质合格的电渣锭目的。可编程控制器（PLC），是基于计算机装置的通用工业控制装置，专为工业环境应用而开发，由于它的抗干扰能力强、可靠性高、功能强大、使用方便等特点，是目前工业控制领域主要支柱产品之一。在电渣重熔自控系统中，就是以SIMATIC S7-300 PLC为核心，组成自动控制系统，实现生产过程自动控制的。
2 电渣重熔自控系统的基本控制要求
2.1 控制方式
电渣重熔自控系统设置三种控制方式：即自动运行控制方式、半自动运行控制方式、手动控制方式。
自动运行控制方式：系统自动运行冶炼程序，实现电渣重熔冶炼全过程自动控制。自动控制有三种模式选择：即恒电流控制模式、恒熔速控制模式、恒功率控制模式。
半自动运行控制方式：手动控制电极的初始位置及调整冶炼电流、电压参数，冶炼过程实现自动控制。
手动控制方式：根据电渣重熔冶炼工艺曲线，冶炼全过程全部由手动控制。
2.2 联锁与协调控制
电渣重熔自控系统各部分相互关联，其中高压系统和冷却系统与冶炼控制系统相关环节进行互锁，左臂冶炼控制与右臂冶炼控制环节进行互锁等。
电渣重熔自控系统按各种条件约束，进行联锁和互锁保护。协调整个系统控制合理，当系统条件不满足时，自动禁止系统进行和相关的操作，避免由于控制方面的缺陷，引起事故的发生。
2.3 故障处理
系统自动检测和处理。高压系统各种事故报警，对液压系统，冷却水系统压力、温度、报警，对电气动力系统过流、过载、欠压消耗报警，根据故障的不同级别，系统将做出不同的处理。
2.4 紧急停机
电渣重熔设备多处设置紧急停止按钮。当发生紧急情况时，保证设备能紧急停机。在急停状态下，系统控制保证冷却水系统不中断，否者会导致重大事故发生。
3 S7-300 PLC系统硬件组成设计
3.1 S7-300 PLC系统硬件组态
S7-300 硬件组态是STEP 7软件的一项重要功能，硬件组态就是模拟真实的PLC硬件系统，将CPU、电源和信号模块等组态在相应的机架上，并对PLC硬件模块的参数进行设置和修改。
S7-300 PLC硬件主机架和扩展机架，用STEP 7 软件进行配置，在配置过程中，添加在机架中的模块的订货号，应该与实际相符。
对于S7-300不同型号的CPU可配置的参数也不同，在硬件目录中选择模块，将它们安排在指定的槽位上。
3.2 S7-300 PLC系统模块组态配置
主机架包括：电源模块PS307-1E（1块）、中央处理单元模块CPU314（1块），接口模块IM365（1块）、数字量输入模块SM321（7块）、数字量输出模块SM322（1块）。
扩展机架包括：接口模块IM361（1块）、数字量输出模块SM322（4块）、模拟量输入模块SM331（2块）、模拟量输出模块SM332（1块）、高速计数模块FM350（1块）。
4 S7-300 PLC模拟量信号的采集和处理
电渣重熔自控系统为适应不同物理量的采集，采用了多种不同类型的传感器。这些传感器分别用于检测电流、电压、温度、压力、重量和位移量，传感器采集的信号经二次仪表或变送器变换成标准直流4~20mA电流信号，输入到SM331模擬量输入模块。
电渣重熔冶炼过程自动控制，其过程是将现场的电流、电压、温度、压力、重量等物理量经传感器变换成电信号，输入隔离变换器转换成直流4~20mA的标准信号，引入PLC模拟量输入模块，经模块A/D转换，变成数字信号由系统总线传输，进行存储、运算处理，其运算结果经模拟量输出模块，输出指令控制执行机构实现模拟量控制的目的。
4.1 S7-300 通用型模拟量输入扩展模块SM331
模拟量输入模块SM331，其主要组成部分是A/D转换器，用于将模拟量转换为CPU内部处理用的数字信号。该模块具有诊断和硬件中断功能，且最多可处理 8 路模拟量输入（例如4~20mA；PT 100；热电偶等）。
4.2 电渣重熔物理量的采集
SM331模拟量输入模块，对电渣炉设备现场过程控制的各种物理量信号进行检测、转换、处理。模拟量数据采集过程如图1所示。
图1中的物理量经过传感器检测，输出的电信号至电流变送器，变换成标准的4~20mA电流信号，经SM331模拟量输入模块，其内部A/D转换成模拟值（数字）进行数据存储。存储数据按操作指令进行传送。
4.3 S7-300 通用型模拟量输出扩展模块SM332
S7-300 模拟量输出模块SM332，主要组成部分是D/A转换器，用于将CPU的数字信号经D/A转换成为标准的电流信号或电压信号。
4.4 SM332模拟量输出控制
电渣重熔冶炼，保持自耗电极下降速度稳定调节，是保证金属熔池在整个冶炼过程中的形状不变，控制自耗电极升降速度就是对炉口电压摆动范围控制，在熔炼过程中，根据来自炉口电压的波动范围大小，从而控制自耗电极在渣池内的升降。电极的升降控制是经CPU模块的运算结果，由SM332模拟量输出模块D/A转换，输出4~20mA电流信号，控制变频调节器，驱动变频电机实现电极的升降。
5 电渣重熔控制系统PLC程序设计
5.1 CPU314 模块的程序
CPU314模块实际工作过程中，运行着两种程序：操作系统程序和电渣重熔控制程序。
操作系统程序是固化在CPU中的程序，它提供了一套系统运行和调度的机制。操作系统主要完成以下工作：
(1)处理启动过程
(2)刷新输入映像寄存器和输出映像寄存器
(3)调用用户程序
(4)检测中断并调用中断程序
(5)检测并处理错误
(6)管理存储区域
(7)与编程设备和其他通讯设备的通讯
电渣重熔控制程序，需要完成以下工作：
(1)启动时的初始化
(2)处理过程数据（数字、模拟信号）
(3)对中断的响应
(4)对异常和错误的处理
5.2 电渣重熔系统PLC程序
电渣重熔系统PLC程序主要有以下三种模式：自动模式、手动模式、报警模式等。
自动模式：在这种模式下，PLC将运行已经设置好的程序和参数。自动模式有三种选择，主要是通过上位机进行选择和设置。即恒电流冶炼控制模式、恒熔速冶炼控制模式、恒功率冶炼控制模式。
手动模式：此模式主要是在手动方式下和自动出现问题的情况下使用。在这种模式下，工艺过程控制主要是通过控制面板的开关来进行的。系统是运行在自动还是手动状态，硬件是在上电时通过一个选择开关来设置。
报警模式：为确保整个系统的安全运行，特设置此模式。报警内容有：过流、欠压、限位、急停、过热、系统报警等内容。进入报警模式将根据不同的情况，做出不同的处理。其中有警告、故障处理、紧急停止等。
5.3 程序块的组成
电渣重熔PLC程序由以下几个程序模块组成：
(1)主程序：完成对电渣重熔主控制程序；
(2)初始化程序：完成PLC上电后的初始化工作；
(3)自动方式下子程序：完成对电渣重熔自动模式下三种方式的控制程序，包括参数设定、数据调入等，供主程序调用；
(4)特殊功能子程序块；供系统程序调用；
(5)串行通讯程序块；
(6)数据块：存储数据与CPU模块之间参数传送；
(7)函数功能块：具有PID 运算功能。
5.4 PLC主程序流程图
PLC主程序流程图如图2所示。
6 结束语
我国在特种冶炼领域应用电渣重熔冶炼技术起步较晚，发展水平较国外相比有一定差距。近年来，随着发电、冶金、运输等行业对相关零部件质量标准要求提高，电渣重熔冶炼技术冶炼特种钢的应用范围不断扩大，从而推动了我国电渣重熔冶炼技术的迅速发展。
参考文献：
[1] 廖常初.S7 300/400应用技术[M].机械工业出版社,2005.
[2] 郭景杰,傅恒志.合金熔体技术[M].机械工业出版社,2005.
[3] 陈杰.传感器与检测技术[M].高等教育出版社,2002.
关键词：电渣重熔自控系统 S7-300 硬件组态
中图分类号：TF1 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2011）012-035-02
1 引言
电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。电渣钢锭的质量取决于合理的电渣重熔工艺和保证电渣工艺的设备条件。而电渣重熔冶炼工艺过程控制是一个复杂的控制过程，其控制目标是一个多变量、非线性、强耦合的对象，用一般常规的控制方法难以保证闭环控制系统技术性能和指标要求。其设备主要由机械、液压部分、电气自动控制部分、水冷却系统、除尘系统等部分组成，本文主要研究的是电气自动控制部分，即用控制理论和方法，实现电渣重熔冶炼的闭环自动控制，以达到冶炼优质合格的电渣锭目的。可编程控制器（PLC），是基于计算机装置的通用工业控制装置，专为工业环境应用而开发，由于它的抗干扰能力强、可靠性高、功能强大、使用方便等特点，是目前工业控制领域主要支柱产品之一。在电渣重熔自控系统中，就是以SIMATIC S7-300 PLC为核心，组成自动控制系统，实现生产过程自动控制的。
2 电渣重熔自控系统的基本控制要求
2.1 控制方式
电渣重熔自控系统设置三种控制方式：即自动运行控制方式、半自动运行控制方式、手动控制方式。
自动运行控制方式：系统自动运行冶炼程序，实现电渣重熔冶炼全过程自动控制。自动控制有三种模式选择：即恒电流控制模式、恒熔速控制模式、恒功率控制模式。
半自动运行控制方式：手动控制电极的初始位置及调整冶炼电流、电压参数，冶炼过程实现自动控制。
手动控制方式：根据电渣重熔冶炼工艺曲线，冶炼全过程全部由手动控制。
2.2 联锁与协调控制
电渣重熔自控系统各部分相互关联，其中高压系统和冷却系统与冶炼控制系统相关环节进行互锁，左臂冶炼控制与右臂冶炼控制环节进行互锁等。
电渣重熔自控系统按各种条件约束，进行联锁和互锁保护。协调整个系统控制合理，当系统条件不满足时，自动禁止系统进行和相关的操作，避免由于控制方面的缺陷，引起事故的发生。
2.3 故障处理
系统自动检测和处理。高压系统各种事故报警，对液压系统，冷却水系统压力、温度、报警，对电气动力系统过流、过载、欠压消耗报警，根据故障的不同级别，系统将做出不同的处理。
2.4 紧急停机
电渣重熔设备多处设置紧急停止按钮。当发生紧急情况时，保证设备能紧急停机。在急停状态下，系统控制保证冷却水系统不中断，否者会导致重大事故发生。
3 S7-300 PLC系统硬件组成设计
3.1 S7-300 PLC系统硬件组态
S7-300 硬件组态是STEP 7软件的一项重要功能，硬件组态就是模拟真实的PLC硬件系统，将CPU、电源和信号模块等组态在相应的机架上，并对PLC硬件模块的参数进行设置和修改。
S7-300 PLC硬件主机架和扩展机架，用STEP 7 软件进行配置，在配置过程中，添加在机架中的模块的订货号，应该与实际相符。
对于S7-300不同型号的CPU可配置的参数也不同，在硬件目录中选择模块，将它们安排在指定的槽位上。
3.2 S7-300 PLC系统模块组态配置
主机架包括：电源模块PS307-1E（1块）、中央处理单元模块CPU314（1块），接口模块IM365（1块）、数字量输入模块SM321（7块）、数字量输出模块SM322（1块）。
扩展机架包括：接口模块IM361（1块）、数字量输出模块SM322（4块）、模拟量输入模块SM331（2块）、模拟量输出模块SM332（1块）、高速计数模块FM350（1块）。
4 S7-300 PLC模拟量信号的采集和处理
电渣重熔自控系统为适应不同物理量的采集，采用了多种不同类型的传感器。这些传感器分别用于检测电流、电压、温度、压力、重量和位移量，传感器采集的信号经二次仪表或变送器变换成标准直流4~20mA电流信号，输入到SM331模擬量输入模块。
电渣重熔冶炼过程自动控制，其过程是将现场的电流、电压、温度、压力、重量等物理量经传感器变换成电信号，输入隔离变换器转换成直流4~20mA的标准信号，引入PLC模拟量输入模块，经模块A/D转换，变成数字信号由系统总线传输，进行存储、运算处理，其运算结果经模拟量输出模块，输出指令控制执行机构实现模拟量控制的目的。
4.1 S7-300 通用型模拟量输入扩展模块SM331
模拟量输入模块SM331，其主要组成部分是A/D转换器，用于将模拟量转换为CPU内部处理用的数字信号。该模块具有诊断和硬件中断功能，且最多可处理 8 路模拟量输入（例如4~20mA；PT 100；热电偶等）。
4.2 电渣重熔物理量的采集
SM331模拟量输入模块，对电渣炉设备现场过程控制的各种物理量信号进行检测、转换、处理。模拟量数据采集过程如图1所示。
图1中的物理量经过传感器检测，输出的电信号至电流变送器，变换成标准的4~20mA电流信号，经SM331模拟量输入模块，其内部A/D转换成模拟值（数字）进行数据存储。存储数据按操作指令进行传送。
4.3 S7-300 通用型模拟量输出扩展模块SM332
S7-300 模拟量输出模块SM332，主要组成部分是D/A转换器，用于将CPU的数字信号经D/A转换成为标准的电流信号或电压信号。
4.4 SM332模拟量输出控制
电渣重熔冶炼，保持自耗电极下降速度稳定调节，是保证金属熔池在整个冶炼过程中的形状不变，控制自耗电极升降速度就是对炉口电压摆动范围控制，在熔炼过程中，根据来自炉口电压的波动范围大小，从而控制自耗电极在渣池内的升降。电极的升降控制是经CPU模块的运算结果，由SM332模拟量输出模块D/A转换，输出4~20mA电流信号，控制变频调节器，驱动变频电机实现电极的升降。
5 电渣重熔控制系统PLC程序设计
5.1 CPU314 模块的程序
CPU314模块实际工作过程中，运行着两种程序：操作系统程序和电渣重熔控制程序。
操作系统程序是固化在CPU中的程序，它提供了一套系统运行和调度的机制。操作系统主要完成以下工作：
(1)处理启动过程
(2)刷新输入映像寄存器和输出映像寄存器
(3)调用用户程序
(4)检测中断并调用中断程序
(5)检测并处理错误
(6)管理存储区域
(7)与编程设备和其他通讯设备的通讯
电渣重熔控制程序，需要完成以下工作：
(1)启动时的初始化
(2)处理过程数据（数字、模拟信号）
(3)对中断的响应
(4)对异常和错误的处理
5.2 电渣重熔系统PLC程序
电渣重熔系统PLC程序主要有以下三种模式：自动模式、手动模式、报警模式等。
自动模式：在这种模式下，PLC将运行已经设置好的程序和参数。自动模式有三种选择，主要是通过上位机进行选择和设置。即恒电流冶炼控制模式、恒熔速冶炼控制模式、恒功率冶炼控制模式。
手动模式：此模式主要是在手动方式下和自动出现问题的情况下使用。在这种模式下，工艺过程控制主要是通过控制面板的开关来进行的。系统是运行在自动还是手动状态，硬件是在上电时通过一个选择开关来设置。
报警模式：为确保整个系统的安全运行，特设置此模式。报警内容有：过流、欠压、限位、急停、过热、系统报警等内容。进入报警模式将根据不同的情况，做出不同的处理。其中有警告、故障处理、紧急停止等。
5.3 程序块的组成
电渣重熔PLC程序由以下几个程序模块组成：
(1)主程序：完成对电渣重熔主控制程序；
(2)初始化程序：完成PLC上电后的初始化工作；
(3)自动方式下子程序：完成对电渣重熔自动模式下三种方式的控制程序，包括参数设定、数据调入等，供主程序调用；
(4)特殊功能子程序块；供系统程序调用；
(5)串行通讯程序块；
(6)数据块：存储数据与CPU模块之间参数传送；
(7)函数功能块：具有PID 运算功能。
5.4 PLC主程序流程图
PLC主程序流程图如图2所示。
6 结束语
我国在特种冶炼领域应用电渣重熔冶炼技术起步较晚，发展水平较国外相比有一定差距。近年来，随着发电、冶金、运输等行业对相关零部件质量标准要求提高，电渣重熔冶炼技术冶炼特种钢的应用范围不断扩大，从而推动了我国电渣重熔冶炼技术的迅速发展。
参考文献：
[1] 廖常初.S7 300/400应用技术[M].机械工业出版社,2005.
[2] 郭景杰,傅恒志.合金熔体技术[M].机械工业出版社,2005.
[3] 陈杰.传感器与检测技术[M].高等教育出版社,2002.