1、 NANCHANG UNIVERSITY 学 士 学 位 论 文 THESIS OF BACHELOR 题 目 基于 S7-300PLC 的 连铸结晶器液位控制系统 学 院： 信息工程学院 系 电气与自动化工程 专业班级： 测控技术与仪器 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 起讫日期： 摘要 I 基于 S7-300PLC 的连铸结晶器液位控制系统 摘要 近 几十年来， 我国的钢铁产业发展 迅猛，连续铸钢已成为现代 炼钢 的重要工艺之一。 而 连铸机结晶器液位 不稳定 或者大幅度 波动会导致生产 的铸坯质量 低下 ，还会 导致漏钢溢钢事故发生。 所以， 必须 使结晶器 钢水液位 稳定在 一定
2、范围，本文 基于 S7-300 PLC 设计 了一套 连铸 结晶器液位控制系统。 在本方案 设计 的 闭环控制系统 中 ，控制器选用 选 S7-300 PLC， 液位 检测装置选用 电涡流 传感器， 执行机构 选用伺服电动机 。 同时，还 利用 WinCC 组态 软件设计了 液位 运行画面，通过参数连接与设置，实现对 结晶器 液位 的数据 采集和实时监测 、 控制 功能 。 本文对液位 控制系统的各个 对象进行 了数学模型 分析 ，并用 Simulink 工具构建了仿真框图， 观察 P、 PI、 PID 控制算 法 的响应曲线， 比较分析仿真结果， 并不断改变 P、 I、 D 的 参数 大小
3、， 直到满足 液位控制要求。 关键词 ： 结晶器；液位 控制； PLC； PID 控制 Abstract II Liquid Level Control System of Continuous Casting Mold Based on S7-300PLC Abstract In recent decades, Chinas rapid development of iron and steel industry, continuous casting steel has become one of the important modern steelmaking process. And
4、the continuous casting machine mold level instability or large fluctuations will lead to the production of slab low quality, but also lead to leakage of steel spill occurred. Therefore, it is necessary to stabilize the molten steel level of the crystallizer in a certain range. In this paper, a set o
5、f continuous casting mold level control system is designed based on S7-300 PLC. In the closed-loop control system designed by this scheme, the controller chooses the S7-300 PLC, the liquid level detection device selects the eddy current sensor, and the actuator selects the servo motor. At the same t
6、ime, the WinCC configuration software is used to design the liquid level operation screen. Through the parameter connection and setting, the data acquisition and real-time monitoring and control function of the mold level are realized. In this paper, the mathematical model of each object of the liqu
7、id level control system is analyzed and the simulation block diagram is constructed by Simulink tool. The response curves of P, PI and PID control algorithms are observed, and the simulation results are analyzed and the parameters of P, I and D are changed Size, until the level control requirements
8、are met. Keyword: mold； liquid level control； PLC； PID control 目录 III 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 连续铸钢工艺的概述 . 1 1.2 连铸技术的发展和现状 . 2 1.3 本文研究意义 . 3 第二章 结晶器液位控制整体方案 . 4 2.1 整体设计 . 4 2.2 液位控制方法的选择 . 4 2.3 液位检测方法的选择 . 5 2.4 液位控制器的选择 . 6 第三章 液位检测系统的设计 . 7 3.1 电涡流传感器的原理 . 7 3.2 液位检测系统电源模块的设计 . 8 3.3 电涡流传感器线圈激励信号电路的设
9、计 . 9 3.4 检测信号调理电路的设计 . 9 3.5 检测信号数据采集及通信电路设计 . 9 第四章 液位控制系统的设计及 PID 调节 . 12 4.1 闭环控制系统 . 12 4.2 结晶器液位控制系统模型分析 . 12 4.3 PID 控制规律 . 13 4.4 结晶器液位控制仿真实验及结果 . 14 第五章 液位控制算法程序的编写 . 17 5.1 PLC 硬件模块 . 17 5.2 SIMATIC STEP7 简介 . 17 5.3 STEP7 子程序块简介 . 17 5.4 液位控制系统工作过程 . 18 5.5 控制系统程序流程图 . 19 5.6 STEP7 程序 . 2
10、0 第六章 WinCC 软件和监控界面设计 . 21 6.1 WinCC 组态软件概述 . 21 6.2 WinCC 的主要功能 . 21 6.3 WinCC 监控界面的设计 . 21 第七章 总结和展望 . 23 参考文献 . 24 致谢 . 26 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 连续铸钢工艺的概述 连续铸钢 就是 把液态钢 浇铸 到连铸机 中， 并在其中 对 钢液 进行 冷凝 ， 凝固成型的钢坯切割 后 就可得到铸坯。 连续铸钢 是炼钢和轧钢 之间 的一个 工艺 步骤 ，是钢铁 生产 的重要 过程。 相较于传统 模铸 ，经 过连铸 的 钢材，表面更平整，铸坯尺寸精度高， 可省略 表
11、面粗加工， 减少生产钢坯 的 流程，提高金属利用率，降低了劳动强度，更节约能源，损耗更少，可以 实现 钢铁 生产的 自动 化和 机械化 。 以 弧形连铸机为例， 连铸机的 组成部分 主要包括盛钢桶 （ 大包 ） 、中间包、结晶器、结晶器振动装置、二次冷却装置、拉坯矫直装置、切割装置和出坯辊道。如 图 1-1 所示。 1.盛钢桶 (大包 ) 2.塞棒 3.中间包 4.一次冷却装置 5.结晶器 6.振动器 7.二次冷却装置 8.辊列 9.拉坯矫直机 10.切割装置 11.铸坯传送装置 图 1-1 连铸机结构示意图 在 连铸时， 首先运载装置把 大包 传送到 中间包上方， 大包 中的钢水从 大包 底
12、部 的 流钢 孔 流入中间包中， 中间包 底部 的 滑动水口 开口 大小 由 塞棒 控制 ，钢水从水口流入结晶器， 在结晶器中冷凝 ，形成较薄的坯壳， 坯壳 因结晶器振动 装置 的作用不易附着在结晶器内壁，而 是随着 拉矫机 向下 移动， 离开 结晶器 后 经过二次冷却装置， 再一次冷却 ， 此时 钢液已 基本 完全凝固或者 形成较厚 的坯壳， 随后铸第一章 绪论 2 坯 被 矫直 ， 进行切割 、传送。 连铸机各 组成部分的具体作用为： （ 1）钢包 ： 也可称 大包， 用来 盛装 钢水及 部分熔渣， 在 浇铸过程中 ， 通过改变 水口 大小 来控制钢流。 同时，钢包 也可作为精炼炉的重要组
13、成部分， 进行 电极加热、合金加料、吹氩搅拌、 真空脱气 等操作。 （ 2）中间包 ： 处于大包 和结晶器之间， 较大 的钢流会对结晶器内 刚 形成 的较薄坯壳有冲刷作用 ，而 中间包的过渡作用 可以使 钢 水 流 量保持 稳定，保持 钢水在中间包中 内停留适当 长的时间， 也可以 保证 进行 连铸的钢水温度 稳定，还能分离钢液 中的 杂质。在 多流连铸机 连铸过程 中，中间包 可以 将钢水分到多个结晶器中；在多炉连浇过程中， 更换大包的 间隔 中 ，中间包 仍 留有钢水，这部分钢水可以保证连铸过程不被更换大包 而 中断。 （ 3）结晶器及 振动器： 是 连铸设备的 核心，钢液在 结 晶器中
14、凝固， 形 成具有一定厚度的 坯壳； 同时 结晶器振动 使 坯壳 不粘连在结晶器 内壁 ，可以 避免 铸坯被拉破。 （ 4）二次 冷却装置： 经过 一次冷却形成的铸坯虽然 成形 ，但是其坯壳很薄，如果 只进行一次冷却，铸坯容易变形 ， 二次冷却使铸坯进一步冷却 ， 形成较厚的坯壳， 二次冷却 装置 还能 支撑铸坯， 避免铸坯 变形。 （ 5）拉坯矫直 装置 ：将在 结晶器中形成的铸坯 拉出 ，并 把它 矫直。 （ 6）切割 装置： 根据工艺要求 ， 将 矫直的铸坯 切割 成 所需 尺寸的 铸坯 。 1.2 连铸技术的发展和现状 铸钢 生产可以分为 模铸和 连续铸钢两大类，模铸是 将 钢液注入
15、模具 中，使其冷却成型的过程； 连续铸钢 就是使钢液连续不断的通过结晶器， 得到 无限长的铸坯，然后通过切割直接 得到 铸坯。 连铸 逐渐 代替 了 模铸， 成为 工业生产的 主要铸钢方式。 早在 十九世界， Henry Bessemer 就有了 连续 浇注 液态金属的 想法 ，但是受限于 当时的科学水平， 连铸技术 并没 能 应用到工业上。直到 1943 年 ， 结晶器振动 装置的 发明 ，才使连铸技术应用于工业生产 成为 可能 。 1950 年 ， 建成了 世界上的 第一台 连铸机 ，此后 ， 又 建成了 数 台 连铸机 ，连铸技术 逐渐 开始 应用 在工业生产中 ；到了 20 世纪 60
16、 年代 ，连铸技术 在工业生产 中 普及 ， 很多 钢厂 都采用了连铸机； 从 70 年代开始 ， 连续铸钢 技术 高速 发展， 连铸工艺 、设备都逐渐 发展成熟。我国在 20 世纪 50 年代 末就已经开始研究 连续铸钢工艺 ， 1978 年 以后，我国 钢铁 部门 把提高连铸 技术 作为 重点， 并取得了 有目共睹的 成绩 。 近年来，炼钢 生产逐渐 向 自动化发展， 在一些 技术先进的钢厂，已经能做到第一章 绪论 3 利用 计算机技术对钢水温度、 结晶器 钢水液位、拉坯速度 等 参数全自动 控制，同时还 可以 智能检测铸坯质量， 并将残次品 剔除 。 1.3 本文研究意义 结晶器内 钢水
17、液位变化是造成铸坯缺陷及漏钢事故的重要原因之一 ，因此，控制 结晶器钢水液位 保持 稳定 具有 重要的意义。 通过控制 钢水 液位 ， 使钢水液位保持在 恒定 水平， 有以下几个重要作用： （ 1） 稳定 的钢水液位可以使 钢液充分 一次冷却，提高 铸坯 产量 ； （ 2） 能减少漏钢 、 溢钢事故的发生 ； （ 3） 防止杂质进入 铸坯， 导致 铸坯 出现凹陷 或裂纹，能有效提高铸坯的质量 和 产量 ； （ 4） 避免 人为操作带来的误差 ， 提高连铸技术的稳定性，降低工人工作强度。 第二章 结晶器液位控制整体方案 4 第二章 结晶器液位控制整体方案 2.1 整体设计 一个完整的 控制系统包
18、括 被控对象 、控制器 、 执行器 以及 测量变送器。 在 结晶器液位控制系统中，被控对象为 塞棒， 控制器为 PLC， 执行器为伺服电机，测量变送器为电涡流传感器。 连铸机 结晶器 液位控制系统的整体 方案如图 2-1所示。 图 2.1 整体 设计 首先， 电涡流传 感器检 测结晶器内钢 水液位高低， 将采集 到的液 位信息传送到 PLC 中 ， PLC 对 实际值与设定值的 差值 执 行 PID 控制 算法 ，根据 输出值的大小 决定 塞棒 的运动方向，塞棒 动作 改变 中间包出口 流量，从而使结 晶器钢 水液位维持在设定值。 同时 ， 在 工控主机上 用 WinCC 组 态软件 实时监控
19、 结 晶器 液位情况 。 2.2 液位控制方法的选择 在 结晶器液位控制系统 中 ， 常见 的 两种操作变量 为中间包出口流量 和 拉坯速度， 由此可以 分析 得出三种 控制 方案 ： （ 1）通过 改变 流入结晶器 的钢水流量来维持结晶器钢水液位稳定 ， 改变塞 棒的位置或者 滑动 水口的开口大小 可以改变流入 结晶器的钢水流量 。采用这种 控制方法 时 ， 可以 在允许范 围内设定拉速， 使 拉速恒定， 可以 保证铸坯质量。 在控制过程中，将拉速作为扰动量， 这样使得调节 过程平稳， 这样 可以 改善 系统的稳定性 。 （ 2）通过 改变拉 速 来 控制 结晶器内 的 钢水液位， 而 拉速
20、 是 连铸过程中的一个重要参数，应该 由铸坯 质量、铸造要求以及 生产 效率等多 方面 综合考虑而设定，第二章 结晶器液位控制整体方案 5 为满足 结晶器 液位控制的要求，拉速只能在 很小 的范围内进行调节 。拉速波动 会影响铸坯质量和生产稳定性，所以， 应该把 维持 拉速 稳定 作为工艺 目标，而不是作为控制手段， 在实际生产过程中 ， 将 拉速作为唯一操作变 量 的控制方法 已逐渐被淘汰。 （ 3）在一定 范围内，采用拉速控制 来 维持液位 ，当 拉速超过 这个 范围 仍不能 达到控制目的时，才采取 改变中间包 出口流量的方式来进行调节，或者 同时改变 拉速和中间包出口流量 ，但 仍以流量
21、控制为主，直到能满足控制要求。 这种 混合型控制方式常运用于小方坯的连铸生产。 在实际生产 中， 钢厂 常采用控制中间包 出口 流量的方式，这种控制方式经过长期发展已经较为成熟，本设计中将 采取 改变 出口 流量的 方法 来 控制 结晶器 内 的液位。 2.3 液位检测方法的选择 液位 检测常采用的方法有： 放射性 同位素 法 、热电偶 法 、电涡流法、超声波法 、激光法、红外 线 法、 电磁 法等， 表 2-1 详细 列出了各种液位检测方法的主要特性。 表 2-1 常见 液位检测方法的 比较 内容 放射法 电磁法 电视法 红外法 涡流法 测量范围 50200 20600 按安装 按安装 01
22、50 精度 3 3 0.6 （ 35） （ 0.51） 响应时间 1 0.3 0.04 0.3 0.05 安全性 辐射污染 高 高 高 高 液位测量 渣面 钢水面 渣面 半渣面 钢水面 可靠性 中维护 中维护 易维护 易维护 易维护 维护方式 停产 停产 可在线 可在线 可在线 应用范围 板、小方坯 大方坯 板、大方坯 均可 均可 安装范围 结晶器内 结晶器上 结晶器外 结晶器外 结晶器外 安装难易 较难 较易 易 易 易 操作要求 简单 较难 简单 简单 简单 投资 较低 高 中 中 中 运行成本 高 高 较低 较低 中 投资回收 难 中 中 较易 中 由上表 可以看出， 电涡流 法灵敏度
23、高 ，测程长，安装方便， 操作简单 ，易维第二章 结晶器液位控制整体方案 6 护， 操作 简单， 综合 性能好，本设计方案采用电涡流法 ， 选用电涡流传感器检测 结晶器钢水液位。 2.4 液位控制器的选择 连铸环境 恶劣，对控制器要求很高 ，而 PLC 是专为 工业生产 而 设计的工控机，能实现 复杂 的控制功能 ，使用 方便灵活， 可靠性高 ， 配套 的硬件设施齐全，用户可以灵活 选用， PLC 已普遍 应用 在工业 生产的 自动 控制 系统 中。 S7-300 系列 PLC 是中小型 PLC，采用模块化结构 设计，主要由 CPU 模块 、电源模块、信号模块 、 功能模块、通信模块、接口模块和 机架 等部分组成 ，不同的 模块可 以 进行 组合和 扩展 ，适用于 中等控制要求的生产场合。
