1、 本科生 毕业设计（论文）开题报告 题 目： 基于 S7-300PLC 的连铸结晶器液位控制系统 一 、 选题的依据及意义 连铸即连续铸钢，是把经过精炼炉处理的高温液态钢水经过连铸机 浇注 成铸坯 的生产工艺。在现代连铸生产工序中，随着基础自动化水平的日益提高和市场竞争的日益激烈，对连铸生产技术的可靠性、稳定性和铸 坯 质量提出了更高的要求，同时也对结晶器液位控制技术精度性和稳定性的要求越来越高。 在整个连铸生产过程中，结晶器钢水液位自动控制是非常重要的环节之一 ，通过结晶器液位自动控制，可以把钢水液位稳定的控制在所要求的范围内，能避免结晶器液位波动、结晶器漏钢、溢钢事故的发生，有提高铸 坯
2、质量、减少人为操作误差和降低劳动强度的作用。为此，需要不断深入的研究结晶器液位控制方式，设计先进的液位控制方法和控制系统，以提高结晶器钢水液位控制的精确性，实现连铸生产的平稳运行和提高铸 坯 的生产质量。 结晶器钢水液位自动控制的重要意义如下 ： （ 1）能减少和避免结晶器发生漏钢、溢钢，提高连铸技术的稳定性； （ 2） 结晶器液位稳定可以使钢水中的杂质和钢渣在结晶器钢水液位上悬浮，能避免卷入还壳中在铸 坯 表面和内部产生夹杂缺陷； （ 3） 能有效控制水口的浸入深度，提高滑动水口的使用寿命； （ 4） 能使铸坯表面在结晶器内形成均匀的凝固壳，保证还壳内的液态钢水均匀 的流动，提高铸 坯 的产
3、品质量； （ 5） 能降低操作人员的劳动强度。 近年来，随着可编程序控制器 技术和 液位 检测技术以及智能化的液位控制方法在国内外钢铁领域应用的日益成熟，以 PLC和 WinCC作为控制系统实现精确控制结晶器钢水液位己经成为连铸技术发展的必然要求。 二 、国内外研究现状及发展趋势 连铸技术由英国人在 1856年提出的，该技术的工作原理是将液体金属经过特殊的冷却装置、拉 坯 装置、运输装置等进行连续地 浇铸 ，形成一定尺寸和形状的铸还。随着连铸技术的不断改进和完善，连铸技术成为炼钢生产的重要组成部分，它是炼钢环节和 轧 钢环节的连接环节，连铸技术的不断完善推动着冶金行业的迅速发展。由于连铸对钢水
4、质量要求高，连续作业难度大，凝固过程复杂，所以计算机控制迟迟没有应用到连铸生产过程中。到了上世纪 90年代以后，该项技术受到世界各国的广泛关注，每年的连铸产线大比例增长。到了 2000年以后，传统的连铸线技术朝着高效率、高精度的方向发展，在所有工业化国家中得到了大量运用，通过新兴的结晶器及其冷却方式、智能液位控制技术、精密度很高的液面检测技术等一系列技术措施的采用，给企业带来带了极大的经济效益。一个国家的钢铁工业发展是否到达一个高水平，连铸技术的开发与应用已成为其中的一个重要的衡量标准。我国是研究和应用连铸技术比较早的国家之一。 随着计算机和自动化技术在连铸生产中的广泛应用，连铸开始向多炉连
5、浇和炼钢、连铸、连轧短流 程联合生产的方向发展。由于连铸技术在钢铁工业生产中占有十分重要的地位，因此对连铸控制系统模型研究和过程控制技术的研究成为国内外专家研究的热点。 由于连铸技术的复杂性，国内外一些专家已经开 始研发并将一些智能化控制方法应用到连铸生产的过程控制之中，如自适应控制、预测控制、模糊系统和神经元网络等。 近年来，随着对连铸生产操作经验的积累和对连铸过程深入的分析，开始釆用计算机控制方式对整个连铸过程进行监控和管理。连铸连轧工艺流程的成功 开 发和应用，对铸 坯 的产量、质量、运输和管理各个方面提出了更高的要求。国内外一些控制学者和专家开始将诸如自适应控制、预测控制、模糊专家系统
6、和神经元网络等智能控制方法应用到连铸生产过程各环节的控制之中，而且较好地解决了各环节之间的 耦合 控制及整个过程的优化和故障诊断与处理等问题。 从总体上看，目前对于连铸过程采用的控制策略主要还是传统的 PID。在结晶器液位控制方面，无法用传统的数学方法来准确描述结晶器液位系统，所以采用传统的控制策略只有在特定的工艺条件下才能实现较为有效的控制。其不足之处主要在于：（ 1） 系统 开 环增益大，即使很小的扰 动也会引起很大的液位波动，滑动水口开度不易稳定，容易产生频繁的大幅度的抖动，系统稳定性差；（ 2） 无法克服系统因为滑动水口等存在的死区或摩擦而具有的非线性特性；（ 3） 对拉速的扰动作用反
7、应不灵敏，系统的抗扰性较差。通常单纯采用控制难以取得期望或者理想的控制效果。 针对传统在钢水液位控制中所遇到的难点，国内外一些控制领域的专家和学者 开 始运用各种手段改善系统性能，如采用非线性串联补偿方法、高频抖动控制，近年来，国外有关结晶器液位检测与控制方法不算涌现，开始了智能控制方法在钢水液位控制中应用的尝试，如自校正控制、模糊 控制广义预测控制、自适应控制等。 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 S7-300PLC 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
8、 。 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。 在本课题中，主要研究内容有 3 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 以及 PLC 程序 、 WinCC 组态软件和监控界面设计 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
9、/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 组态软件和监控界面设计 S7-300PLC 完成 数据采集，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
10、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 四 部分组成。 图 1 结晶器液位控制系统的实现方案框图 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 ： 利用 S
11、IMATIC S7-300PLC 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。 实行 对液位控制系统的实时监控， 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 收集资料、阅读文献 2017-2-272017-3-7 2 写开题报告、外文资料翻译 2017-3-82017-3-18 3 设计液位检测系统 2017-3-192017-4-5 4 液位控制 系统设计及 PID 仿真 2017-4-62017-4-16 5 设计 PLC 程序 2017-4-172017-5-1 6 撰写、修改论文 2017-5-22017-5-15 7 论文答辩 2017-5-162017-5-30 六 、 主要参考资料 1现场总线控制网络技术 雷霖编 电子工业出版社 2 自适应控制 韩增晋编 清华大学出版社 3 MATLAB 语言与控制系统仿真 孙亮 北京工业大学出版社 4 STEP 7 V5.4 编程手册 5西门子 PLC 中文编程实用手册
