1、 本科生 毕业设计（论文）开题报告 题 目： 基于 S7-200PLC 的连铸结晶器液位控制系统 一、选题的依据及意义 钢铁是国民经济的中流砥柱，是国家的命脉，是国家生存和发展的物质保障。连铸即为连续铸钢 (英文， Continuous Steel Casting)的简称。连铸工艺是一种把液态钢用连铸机浇注、冷凝而直接得到铸坯的工艺。连铸技术具有大幅提高金属收得率、铸坯质量和节约能源等显著优势。计算机和网络技术的发展，引发了冶金工业自动化控制领域深刻的技术变革。连铸机已广泛应 用于钢铁冶金行业，在研究连铸技术领域中，控制技术在连铸机中的应用研究最为活跃。目前，连铸技术的开发与应用已成为衡量一个
2、国家钢铁工业发展水平的标志。而结晶器是连铸机上的一个关键设备，其液位控制精度对提高钢产量、降低钢坯生产事故率有着重要的意义。但结晶器液位系统具有时变性和非线性特性，且存在许多不确定扰动因素。 为此，需要设计一种特殊的控制系统，可以精确的控制液位，来提高钢的质量，同时保证生产的安全性。 连铸机主要由中间罐、结晶器、振动机构、引锭杆、二次冷却道、拉矫机和切割机组成。结晶器是连铸机的核心部件，结晶器 液位的检测与控制是连铸过程控制的重要环节之一。它对铸坯的质量、浇铸的顺利进行、工人劳动强度的减轻有着决定性的影响。结晶器钢水液位是否稳定对于钢坯质量有至关重要的影响。结晶器液位稳定可以减少和避免漏钢、溢
3、钢，稳定生产操作，防止浮在结晶器液面上的夹杂物卷入铸坯，避免在铸坯表面和内部产生夹渣缺陷，防止结晶器保护渣不均匀流入，避免产生裂纹、炉渣条痕等表面缺陷；还可以使铸坯初期凝固稳定、保证在结晶器内部产生均匀的凝固壳，降低操作人员的劳动强度。因此，结晶器液位控制在连铸机控制系统中的重要性逐渐凸显出来，可以说结晶器液 位控制系统有非常大的市场需求。 随着微处理器与计算机功能的增强和价格的降低，计算机网络得到高速发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统仍采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量和控制难以实现设备与设备之间及系统与外界之间的信息交换。要实现整个企业的信息集成和综合自动化，就必须设计出
4、一种能在工业现场运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统，完成现场自动化设备之间的多点数字通信。 二、 国内外研究现状及发展趋势 1）在国内： 液位检测器研制上，国内目前只有东北大学和核工业部 261 厂分别试制成超声波液位计和用 60Co 作为放射源的结晶器液位测量仪，但还不曾有厂家正式使用。 结晶器液位检测方法中最为成熟的是放射性同位素法，其精确度可达 5mm，性能可靠且稳定，便于安装，使用寿命较长，经济实用，适用于绝大多数连铸机。但是，由于放射线对人体有害，目前几乎己不再使用这种方法了。如宝钢曾经采用放射性同位素法，现在己改用热电偶法和电磁感应法。随着涡流法的成熟和精度的提高，目前国内已得
5、到广泛使用。 2）在国外： 板坯连铸结晶器铜板材质以 Cu-CrZr 和 CuAg 为主，其它铜合金如 CuNiBe、 CuCoBe 等等正在尝试。 在液位检测器使用上，日本新日铁公司、武钢第三炼钢厂以及陕钢第二炼钢厂的部分连铸机采用涡流法，德国阿尔贝德 萨尔公司伏克林根厂及陕西钢厂采用放射性同位素法，日本新日铁公司君 4 号板坯连铸机采用热电偶法，我国宝钢也采用过这种方法。另外，还有电磁感应法、激光法、红外线法以及工业电视摄影法等，它们各有特点，在国内外使用效果也都较好。 结晶器的控制系统主要是以西门子 PLC 为核心的一个控制系统，由于工控现场的环境恶劣，对于 PLC 的选择也是一个重要的
6、考量，西门子 PLC 在自动控制领域举足轻重，其可靠 性高，此国内外各大连铸机生产商大都采用西门子公司的产品。结晶器的液位控制策略经历了多年的发展，目前已有的包括预测控制、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，因此出现了各种 基于 PID 的液位控制策略，这些策略在一定的程度上提高了系统的稳定性，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。预测控制与现场使用的 PID 控制相比，有较高的精度，液位的波动较小且没有稳态误差，能够实现无稳态偏差调节和跟踪；采用预测控制能够提高系统的稳
7、定性；它能够获得更好的控制效果。 总之，结晶器液位控制系统涉及传感器技术、自动控制技术，计算机技术等多个领域，作为连铸机的一个核心，在未来结晶器液位控制系统的智能化是一个大的趋势。 三、 本课题研究内容 本设计针对某钢厂连 铸机结晶器，利用 SIMATIC S7-200 PLC 设计一套液位控制系统，编写液位控制算法的 STEP 7 程序，并利用 WinCC 工控组态软件，设计出一套该对象的运行监控界面。拟采用电涡流传感器测量钢水液位，并利用伺服电机带动塞棒作为控制执行机构控制结晶器开度 1.液位检测系统设计 功能描述：该系统可以连续检测结晶器钢水液位高度和探头的温度，将液位信号和温度信号处理
8、后通过接口电路上传 PLC，接受控制信号用降温机构自动给传感器降温使之工作在额定温度范围内。 结构设计：主要由测量元件，信号处理器，接口电路。测量元件 采用涡流传感器。信号处理器由涡流信号激励电路、感生信号采样电路、检波、滤波、 A/D变换电路、数字信号处理系统、 I/O 信号调理电路等组成。 2.塞棒控制过程对象建模与控制策略算法研究 系统建模包括 :电机伺服系统模型、塞棒流量特性模型和结晶器模型。建模目的在于制定控制策略时进行仿真研究。目前国内对结晶器液位控制所应用的控制策略都是 PID 控制，常规 PID 控制具有结构简单、稳定性好、可靠性高等优点。 3.PLC 程序、 Wincc 组态
9、软件和监控界面设计 S7-PLC200 完成数据的采集，辅助以现场设备完成设 备的控制。组态软件一般由图形界面系统、实时数据库系统、第三方程序接口组件和控制功能组件完成。组态软件通过 I/O 驱动程序从现场 I/O 设备获得实时数据，对数据进行必要的加工后，一方面以图形方式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面按照组态要求和操作人员的指令将控制数据送给 I/O 设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。 四、 本课题研究方案 连铸机结晶器液位控制系统的实现方案框图 如图 1 所示，主要由液位检测传感器、执行机构、工控机、液位控制器和现场总线五部分组成。 图 1 结晶器液位控制系统的实现方案框图 在本
10、课 题中，主要研究内容有 2 个方面：液位检测系统设计 、 塞棒控制过程对象建模 与 控制策略算法研究。 五、研究目标、主要特色及工作进度 研究目标 ： 解决目前冶金过程中结晶器钢水液位控制问题，通过控制塞棒，改变中间包水口开度，使得结晶器钢水液位保持稳定从而最大限度改善铸坯质量。 主要特色 ：通过 PROFIBUS DP 现场总线技术进行主站 PLC 液位控制器与从站液位检测系统的通信，实现了对结晶器液位的实时监控，以达到控制液位参数精确控制的目的。 工作进度 ： 序号 各阶段工作内容 起讫日期 1 系统学习 WinCC 组态软件、 S7-200PLC和 STEP7 Micro/Win 软件
11、 2017-3-12017-3-14 2 系统研究连续铸钢工艺原理 2017-3-152017-3-28 3 研究结晶器控制系统原理，设计控制系统 2017-3-292017-4-12 4 编制液位控制策略程序，完成调试 2017-4-132017-4-26 5 利用 WinCC 组态软件组态监控界面 2017-4-272017-5-10 6 整理，修改论文 2017-5-112017-5-24 7 论文答辩准备 2017-5-252017-5-30 六、参考文献 1 张春 . 西门子 STEP 7 编程语言与使用技巧 (附光盘 )M. 机械工业出版社 , 2009. 2 付岩岩 . 连铸机结晶器液位控制系统的设计与开发 D. 东北大学 , 2012. 3 孔金满 , 周懿 . 连铸结晶器检测控制技术的新发展 J. 鞍钢技术 , 1997(11):1-8. 4 徐丽 , 马成玲 , 刘帅 , 等 . 液位 PID 控制系统的设计 J. 电子测试 , 2011(6):94-97.
