1、 NANCHANG UNIVERSITY 学 士 学 位 论 文 THESIS OF BACHELOR 题 目 基于 S7-200PLC 的连铸结晶器液位控制 摘要 基于 S7-200PLC 的连铸结晶器液位控制 摘要 在自动化技术高速发展的今天 ， 连铸技术的开发与应用逐步 成为衡量一个国家钢铁工业发展水平的标志 ， 而结晶器液位控制系统是连铸生产环节中 的 关键的一步 ， 其控制精度对提高钢坯质量和生产效率有重要意义 ，连铸技术对结晶器液位控制的要求也越发严格 。因此 ， 提高连铸工艺结晶器液位控制系统的液位控制精度 ， 对提高钢坯的产量和质量有重要 意义。 本文 就 连铸结晶器液位控制系
2、统 ， 分析了连铸生产的基本工艺并设计出液面控制的基本方案 。 采用涡流传感器测量钢水液位，用伺服电机带动塞棒作为控制执行机构控制结晶器开度 。 本文设计出基于 SIMATIC S7-200 PLC 的液位控制系统， 利用 STEP 7 Micro/Win 程序编写液位控制算法，并用 WinCC 工控组态软件，设计出一套该对象的运行监控界面。 关键词： PLC；连铸；结晶器液位控制；电涡流传感器； WinCC Abstract Level Control System of Continuous Casting Mould Based on the S7-200 PLC Abstract In
3、 modern continuous casting production, the reliability of continuous casting technology and the quality of billet are getting more and more rigorous, and the crystallization mould level control system is a very important part of continuous casting system, so the requirements of mould level control a
4、ccuracy are increasingly high. Therefore, it is of great economic significance and social benefit to improve the quality and yield of casting billet by studying the control method of mould level. In this paper, the basic process of the continuous casting production and the basic plan of the control
5、of the liquid level are analyzed. Using eddy current sensor to measure the liquid level of molten steel and using the servo motor to drive the opening of the stopper to realize the intelligent control of the mould level. This paper designs a liquid level control system based on SIMATIC S7-200 PLC, l
6、iquid level control algorithm of STEP 7 Micro/Win program is written, and using the WinCC configuration software design a set of the object operation monitoring interface real-time monitoring the whole process. Keywords: PLC； Continuous casting； mold level control； eddy current sensor；WinCC 目录 目录 摘要
7、 .I Abstract . II 第一章 绪论 . 1 1.1 连铸技术的发展及现状 . 1 1.2 连铸工艺的简介 . 1 1.3 结晶器液位控制的重要性及趋势 . 2 第二章 S7-200 结晶器液位控制系统设计 . 5 2.1 液位控制系统方案 . 5 2.2 液位检测系统方案 . 6 2.3 S7-200 的液位控制算法 . 10 第三章 S7-200 液位控制系统建模及仿真 . 12 3.1 液位控制系统的模型 . 12 3.2 液位控制系统设计和 PI 参数整定 . 13 第四章 S7-200 结晶器液位控制系统的工程实现 . 16 4.1 S7-200 控 制器介绍 . 16
8、4.2 STEP7-Micro/Win 软件设计 . 18 4.3 控制系统程序流程图 . 21 4.4 WinCC 软件和 监 控 界 面设计 . 21 第五章 结束语 . 25 5.1 总结 . 25 5.2 展望 . 25 参考文献 . 26 致谢 .28 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 连铸技术的发展及现状 连铸即为连续铸钢 ， 是指钢水连续地通过结晶器 ， 凝成硬块后从结晶器下面拉出 ， 喷水将其冷却凝固之后 ， 再剪切成钢坯的铸造工艺 。 它属于连接炼钢和轧钢的中间环节 ， 是钢铁铸造行业中的关键步骤。英国人 Henry Bessemer 在 1556年提出连续铸造的概念
9、， 1930 年后连铸技术开始用于有色金属如铜铝的生产行业。 连铸技术自其产生开始，就一直在不断地发展。连铸技术的萌芽在 19 世纪中期就产生了，但限于当时的科技水平，连铸技术并没有很大的发展。随着时间的推移、科技的发展、新理论的提出为连铸技术的发展提供了很好的发展空间，公认的现代连铸技术产生是连铸之父德国人容汉斯发明立式连铸设备，这是世界上第一台现代连铸设备，它采用了结晶器振动系统。此后， 容汉斯又改进了连铸设备，为连铸技术的发展做出了伟大贡献。到了 20 世纪 50 年代，连铸技术更加成熟，在工业应用方面更是蓬勃发展。随着科技不断发展，计算机技术、传感器技术等不断地发展，连铸技术越发成熟，
10、不仅可以对有色金属及普通钢材进行连铸，也可以对特种钢等生产难度高的钢材进行连铸。 21 世纪以来，连铸技术朝着高效率、智能化、高精度的方向发展，只要是工业化国家都会大量运用此技术，通过采用结晶器及其冷却方法、液位控制技术、液面检测技术等技术，为企业的技术进步和经济利益带来巨大的提升。连铸技术的应用成为衡量一个国家钢 铁行业发展的重要标准。连铸控制系统的模型应用成为近年来国内外研究的热点。 1.2 连铸工艺的简介 连铸工艺过程主要是由精炼炉将转炉生产出的钢水精炼后，根据需求生产出形状、类型不同的钢坯。主要包括回转机、中间包、结晶器、拉矫机等设备。 其主要流程是，将装有钢水的钢包转运到回转台，回转
11、台转至浇注位置时，同时结晶器中的液位达到指定高度，开启中间包的滑动水口，钢水流入结晶器，在结晶器中凝固成型。钢材在结晶器振动装置的作用下，脱离结晶器，拉矫机将钢材拉出，这时钢材已经冷却。最后，由切割设备将钢材切成钢坯并输送至存放地。连铸机有立式连铸机、立弯式连铸机、弧形连铸机等机型，其中弧形连铸机第一章 绪论 2 使用的最多。图 1-1 是弧形连铸机的构造示意图： 图 1-1 连铸机结构示意图 盛钢桶（大包）：存储钢水，将钢水运输至连铸机。 中间包：接受来自大包的钢水，将钢水送入结晶器中。中间包有减压、稳流、除渣、贮钢和分流等作用。 塞棒：一般是耐火材料制成的棒子，主要作用是控制中间包的水口开
12、度。通过电动缸来控制上下。 结晶器：用强制水冷的方式将钢水凝固成均匀有一定厚度的坯壳，坯壳的抗拉强度足够才能够由拉矫机拉出，而不会发生漏钢。结晶器是连铸机的核心部件。 振动装置：利用振动分离凝固的铸坯和结晶器铜管，防止二者粘结，避免钢材拉裂或拉漏。 二次冷却装置：直接喷水或用气水冷却使结晶器中部分凝固的钢坯快速凝固 拉矫机：将钢材从结晶器中拉出，并进行矫直 ，还有传送钢材的作用。 切割机：将铸坯切割成钢坯的装置。 1.3 结晶器液位控制的重要性及趋势 1.3.1 中间包冶金技术的重要性 中间包是位于钢包与结晶器中间的装置，其 主要作用包含 ： （ 1） 减小钢水的静压力 ， 稳定注流 ； （
13、2） 帮助钢渣向上漂浮 ， 净化钢水 ； （ 3） 存储钢液。 目前中间包冶金技术不断发展深入 ， 连铸生产线得到改善 ， 满足工业要求。钢水从中间包注入结晶器 ， 中间包内钢水液位的高度值与中间包水口的形状以及第一章 绪论 3 破损将会直接影响钢水注入结晶器的流速 ， 从而影响结晶器液位的保持。此外 ， 中间包内壁在高温钢水的侵蚀下容易脱落 ， 可能堵塞水口 ， 影响液位的稳定状态。 1.3.2 结晶器液位控制系统的重要性 结晶器是连铸机中最重要的部分之一，是连铸机的“心脏”，控制结晶器液位的稳定是连铸生产的最基本要求，稳定的结晶器液位控制要能够避免漏钢和溢钢等生产事故，为了能够获得质量良好
14、的铸坯就要尽可能保持结晶器中钢水液位的稳定。保持钢水液位的稳定是液位控制水平的重要标志。我们研究如何控制结晶器的液位是为了在生产中能够做到以下几个方面： 结晶 器的液位控制系统由液位检测系统、执行机构、控制系统等部分构成。结晶器是连铸机中最主要的构成之一，是连铸机的 “心脏”， 保持结晶器液位稳定是连铸生产的最基本要求 ， 良好的结晶器液位控制要能够避免漏钢和溢钢等生产事故， 为了能够获得质量良好的铸坯就要尽可能保持结晶器中钢水液位的稳定 。保持钢水液位的稳定是液位控制水平的重要衡量标准 。 我们研究如何将结晶器液位保持稳定是为了在生产中能够做到以下几点 ： 1、 保持生产过程稳定，规避漏钢、
15、溢钢等问题； 2、保证生产产品的质量，要过滤杂质，防止缺陷； 3、确保钢液凝结成厚度统一均匀的坯壳； 4、减少操作人员的劳动。 连铸生产过程中，生产操作的稳定是首要要求， 其次是保持液位的稳定 ， 这是连铸控制水平的衡量标准，以提高铸坯生产出来的质量。结晶器液位控制技术能够尽量避免出现漏钢、溢钢现象 ， 防止结晶器保护渣及其液面上的夹杂物卷入铸 坯 ， 在铸坯的表面以及内部出现条痕裂纹等成品缺陷 。 连铸过程中 ， 结晶器的液面波动会直接影响钢坯生产出来的质量 ， 波动主要原因有 ： 结晶器中钢液的流速变化 ， 钢水碰撞交融引起液面的波动，水口出口高速流股在结晶器中引起的振荡波动，结晶器钢水液
16、面上的气泡 在上升过程中往往会造成一定量的扰动波动。其中 ， 钢水流速是导致液面波动的重要因素。如何通过控制 钢液的流动速度来保持液面的稳定 ， 是连铸钢坯生产线的研究核心 。 除了控制器这个核心部分，液位控制策略也决定了控制效果，液位控制策略经过了几十年地发展，目前已经正在应用或即将应用的控制策略有预测控制、模糊控制、 PID 控制等， 其中传统的 PID 控制策略只有在特定的工艺条件下才能实现有效的控制，系统的鲁棒性差 2，因此出现了能够提高系统稳定性的基于 PID第一章 绪论 4 控制的控制策略。但还是没有能够解决液位控制的问题，而且控制策略和被控对象 的参数关系紧密，很难通用化 3。
17、预测控制与现存的 PID 控制相比，有较高的精度，液位很稳定而且没有稳态误差，能够实现无稳态偏差调节和跟踪；采用预测控制能够显著地提高系统稳定性；它能够获得更好的控制效果。 总而言之，结晶器液位控制系统涉及多个领域，有一定地复杂性，它作为连铸机的核心，它的性能决定了产品的质量，因此尤为重要。在未来，结晶器液位控制系统自动化程度会更高、智能化程度会更强，而且能够适应更多材料的生产，这是一个大的趋势。 第二章 S7-200 结晶器液位控制系统的设计 5 第二章 S7-200 结晶器液位控制系统设计 2.1 液位控制系统方案 2.1.1 液位控制原理 结晶器液位控制系统的构成有 ： 液位检测模块、执
18、行模块和控制模块。由于车间环境恶劣，要求控制器有较高的稳定性和抗干扰 能力， 因此本设计采用西门子系列的 PLC。 系 统 采用 涡 流 式 传感器检 测 结 晶 器 液位 ， 采 集完液位数据后，经由传感器调理电路转换成电流信号，再传送到 PLC 的 CPU 中进行线性化处理，然后程 序将实际值与系 统设 定值进行比 较，并得到测量值与设定值之间 的差值，然后将此差值进行 PID 算法运算 ，输 出合 适的控 制 量 ， 电动 缸 根据得到的指 令驱 动中间 包 塞棒 上下 工作，改变中 间 包 水 口开 度，从而实现结晶器的液位控制。 上述方案如图 2-1： 图 2-1 液位控制系统方案
19、2.1.2 液位控制系统的控 制 器 在一个完整的控 制 系统中 ， 控 制 器 是最为 关 键的一步，要想做到整个系统的正常运行就要有一个高性能 、功能强 的控制器。由于连铸结 晶 器 处于环境恶 劣的连铸车 间，因此，我们需要一个能适应恶劣环境 、 稳定性好 PLC 作为控 制 器。目前世界上使用广泛的 PLC 品牌有西门子、三菱、欧姆龙等，其中西门子 PLC占绝对统治地位，为了能与西门子的监考软件 WinCC 进行匹配通信，本系统设计选用西门子的 S7-200 系列 PLC 作为控制器。 第二章 S7-200 结晶器液位控制系统的设计 6 2.1.3 液位控制系统的执行机构 执行机构由控
20、制器控制 ， 考 虑 到 连铸车间的生产环 境和条件 ， 现选出 4 种执行器 方式作为选择参考： （ 1）液压 执 行 器 方式。用位置传感器实现控制，速 度 快、稳 定度 高、线 性 好，数字控制时，需要将模拟量转换为数字量，精度较低。 （ 2） 电气交流 无刷伺 服电机执行 装置方式。因为该装置配备有减 速 机设备，大大增加了它的重量 ，体积也因此加大 ， 导致其电动机负载过大而容 易损坏 。 （ 3） 高 精 度 气动 数字 缸 方式。将机床的气动数字 缸 技术应用于连铸技术，具有便于保护设备、全数字化控制、响应快、脉冲控制、精度高等优点，由于是开环控制，没有测量位置的装置，因此速度快
21、，构造简单。 （ 4） 低惯量 交流无刷伺服电动 缸 方式。将气动 缸 技术和交流伺服技术结合起来应用于连续铸造工艺，由于该方式结构简单 、 便于后期维修人员操作 ，在国内得到 广泛应用 。 根 据本设计系 统的需 求，我们选用数字 电动 缸 为本系统的执 行 器。 2.2 液位检测系统方案 液位检测器是液位控制系统中的核心部件，其测量精度和稳定性会影响整个系统的性能标准。因此，我们在选择检测器时要考虑到稳定性、安全性、抗干扰能力等方面。 下面就几种常用的液面检测方式通过图表形式进行比较： 表 2-1 常见液位检测方法比较 内容 涡流法 电磁法 电视法 放射法 红外法 测量范围 0150 20600 按安装 50200 按安装 精度 （ 0.51） 3 6 3 （ 35） 响应时间 0.05 0.3 0.04 1 0.3 安全性 高 高 高 辐射污染 高 液位测量 钢水面 钢水面 渣面 渣面 半渣面 可靠性 易维护 中维护 易维护 中维护 易维护 维护方式 可在线 停产 可在线 停产 可在线 应用范围 均可 大方坯 板 、 大方坯 板 、 小方坯 均可 安装范围 结晶器外 结晶器上 结晶器外 结晶器内 结晶器外
