1、 编号： 题 目： 结晶器钢水液位现场总线控制系统 学院： 环境与化学工程学院 专业： 过程装备与控制工程 I 目 录 摘要 . 1 Abstract . 2 第一章 绪论 . 3 1.1 连铸工艺技术的发展和现状 . 3 1.2 连铸工艺过程概述 . 3 1.3 连铸自动化控制技术的发展趋势 . 5 1.4 我国连铸自动化控制技术现状 . 6 第二章 结晶器液位控制系统的方案设计 . 7 2.1 液位控制方法的选择 . 7 2.2 结晶器液位检测方法及其选择 . 8 2.3 执行机构要求及其选型 . 10 2.4 液位控制器的选择 . 11 2.5 现场总线的选择 . 12 2.6 工控机监
2、控软件的选择 . 13 第三章 结晶器液位检测系统的设计 . 16 3.1 电涡流传感器简介 . 16 3.2 电涡流传感器线圈激励信号电路设计 . 16 3.3 检测信号接收电路设计 . 19 3.4 模拟电路温控系统设计 . 22 3.5 检测系统电源模块设计 . 24 3.6 检测信 号数据采集及通信电路设计 . 25 第四章 结晶器钢水液位检测 PROFIBUS DP 总线从站接口设计 . 28 4.1 现场总线概述 . 28 4.2 PROFIBUS-DP从站开发方案 . 30 4.3 结晶器钢水液位检测智能从站设计方案 . 31 4.4 智能从站接口硬件电路设计 . 32 4.5
3、SPC3 与 MPU 接口电路设计 . 34 4.6 GSD 文件编制 . 41 第五章 液位控制策略算法研究 . 44 5.1 结晶器液位控制系统模型分析 . 44 5.2 PID 控制策略 . 45 5.3 结晶器液位控制仿真实验及结果 . 46 II 5.4 智能化液位控制策略简介 . 48 第六章 结晶器钢水液位现场总线控制系统的工程实现 . 50 6.1 可编程控制器概述 . 50 6.2 下位机系统设计 . 50 6.3 STEP 7 程序编制 . 52 6.4 WinCC 监控软件介绍 . 57 第七章 结束语 . 60 7.1 小结 . 60 7.2 展望 . 60 参考文献（
4、 References） . 61 1 结晶器钢水液位现场总线控制系统 摘要 结晶器液位是钢铁连铸生产中极为 重要的工艺参数，直接关系到铸钢的品质和生产安全，本文针对某钢厂连铸设备结晶器对象，设计研发一套基于 SIMATIC S7 300 PLC 的 PROFIBUS DP 现场总线液位控制系统，以实现对结晶器液位的稳定可靠控制，保证连铸生产工艺质量，同时为整套连铸控制系统信息集成提供便捷的总线集成接口。 本结晶器液位控制系统，采用 SIMATIC S7 314C-2DP PLC 为 PROFIBUS DP总线主站控制器，以钢水液位检测系统为 DP 智能检测从站，其间实现总线通信，以塞棒与电动
5、伺服缸为执行机构，构建一套 SISO 闭环负 反馈控制系统，实现钢水液位值的实时检测与控制。 文中针对高温钢水液位检测问题，在比较多种检测方案的基础上，提出涡流检测方案，进行了传感器信号模拟调理与数据采集系统的设计与研究，完成了一套完整的电涡流钢水液位检测系统，该系统实现了钢水液位的线性测量，并提供 RS485 与 420mA两种标准输出信号。继而针对这两种标准信号，以 SIEMENS SPC3 ASIC 为核心，完成一整套 PROFIBUS DP 智能从站接口硬件电路与软件系统设计，从而实现结晶器钢水液位检测 PROFIBUS DP 智能总线从站功能。 同时，文中 针对液位控制系统各环节对象
6、进行了机理建模研究，采用常规PID 算法对系统进行了 Simulink 仿真实验，为改善结晶器液位控制中 PID 策略的某些问题提出了理论研究方向。 最后，采用 S7 300 PLC 编程组态软件 STEP 7，进行了结晶器液位总线控制系统的硬件组态和软件控制程序编制，完成了该系统的工程应用实现，达到了要求的控制效果，并提出了使用上位机监控组态软件 WinCC 实现上位机监控系统的设计方法。 关键词：结晶器， PLC， PROFIBUS， SPC3，电涡流， PID 2 Mold steel level fieldbus control syste Abstract Mould level i
7、s an important parameter in the continuous steel slab casting process, which is directly related to the quality of the steel and the safety of production. This paper designs and develops a set of mould level control system based on fieldbus to realize the steady and reliable control on the mould lev
8、el so as to ensure the process quality and provide a convinient interface of the fieldbus-integration for the integration of the whole system information. This system uses SIMATIC S7 314C-2DP PLC as the main station controller of the PROFIBUS DP fieldbus and intelligently detects the slave station w
9、ith the molten steel level detection system as DP. And it organizes a set of SISO closed-link negative feedback control system through the stopper and servo cylinder in order to accomplish the real-time detection and control of the molten steel level. To solve the problems in the hi-temp molten stee
10、l level detection, the paper proposes a program for eddy current testing, stimulates the regulation of the sensing signals, develops the system of data collection, and finally produces a set of complete system of the eddy current testing which can realize the linear measurement of the molten level a
11、nd provide the two standard output signals: RS485 and 420mA. And then according to the two signals, it focuses on SIEMENS SPC3 ASIC and completes set of intelligent PROFIBUS DP Slave interface hardware circuitry and software system design, in order to achieve the crystallization of molten liquid lev
12、el detection device PROFIBUS DP slave function of the smart bus. Meanwhile, this paper makes a stimulated experiment on level control system in the regular way , as well as points out the reseach direction against some problems in the improvement of mould level control system. At last, this paper ma
13、kes the composition of the hardware situation and software program of this control system with the help of the program compositon software STEP 7 of S7 300 PLC. So far, this system has been applied and achived the expected effect. Finally , the paper proposes some design means on the application of
14、WinCC to realize the main frame monitor system. Keywords： mould， PLC， PROFIBUS， SPC3， electric eddy current， PID 3 第一章 绪论 1.1 连铸工艺技术的发展和现状 在钢铁生产过程中，钢液成型的方法有两种：模铸 法和连续铸钢法。模铸一般是先将钢水浇到钢锭模内凝固成钢锭，然后再将其加工成要求的钢坯尺寸，是钢水凝固成形的基本方法，其典型特征是生产过程的间续化。而连续铸钢工艺是把液态钢水用连铸机浇注、冷凝、切割而直接得到铸坯的新工艺。它是连接炼钢和轧钢的中间环节，是关系到整个钢铁生产过程的
15、一个重要工序。 连铸技术经过几十年的发展已经成为冶金领域最活跃的一个分支，目前己逐步走向成熟，其标志是在生产上以质量和品质为中心，在研究和控制上以全新的现代计算机技术为手段。与传统的模铸相比，连铸技术的应用不仅彻底改变了炼钢车间的生产流程和物流控制，为车间生产的连续化、自动化和信息技术的应用以及大幅度改善环境和提高产品质量提供了条件，而且金属收得率较高、能耗和生产成本也大大低于模铸。此外，连铸技术的发展，还会带动冶金系统其他行业的发展，对企业组织结构和产品结构的简化与优化有着重要的促进作用。 1933 年，连铸的先驱者德国人 S.Junghans 建成了第一台 1700 吨月立式带振动结晶器的
16、连铸机，首先浇铸铜铝合金获得成功，使连续浇铸用于有色金属生产。 1943 年， S.Junghans在德国建成第一台浇铸钢水的试验性连铸机，当时就提出了振动的水冷结晶 器、浸入式水口、结晶器上部加保护渣等技术，为现代连铸机的形成和发展奠定了基础。 1952 年，英国巴罗钢厂将这个概念引入炼钢领域，当时使用的是德国曼内斯曼提供的直结晶器立式连铸机。在 50 年代，连铸技术进入工业应用阶段。 60年代，弧形连铸机的出现使连铸技术在世界范围内得到推广。 70 年代以后，连铸进入大发展时期，连铸设备和工艺技术日益完善，从而促进了连铸的迅速发展。 1.2 连铸工艺过程概述 连铸是炼钢和轧钢的中间环节，是
17、炼钢生产厂 (或车间 )的重要组成部分。连铸生产的正常与否，不但影响到炼钢生产任务的完成，而且也影 响到轧材的质量和成材率。 连铸机主要由大包、中间包、结晶器、结晶器振动装置、液位控制装置、二次冷却装置、拉坯（矫直）装置和切割装置等部分组成。连铸过程中，钢液凝固成型要经过以下环节。如图 1.1 所示。 浇钢时，把装有钢水的大包，通过大包运载装置，运送到连铸机上方，经大包底部的流钢孔把钢水注入到中间包内。打开中间包塞棒 (或滑动水口 )后。钢水流入到下口用引锭杆头堵塞并能上下振动的结晶器中。钢液沿结晶器周边冷凝成4 坯壳。当结晶器下端出口处坯壳有一定厚度时，带有液心并和引锭装置连在一起的铸坯在拉
18、坯机驱动下，离开结晶器沿 着由弧形排列的夹辊支撑下移。与此同时，铸坯被二次冷却装置进一步冷却并继续凝固。当引锭装置进入拉矫机后脱去引锭装置，铸坯在全部凝固或带有液心状态下被矫直。随后在水平位置被切割成定尺长度，置于运坯装置上运送到规定地点。上述整个过程是连续进行的。弧型连铸机的主要设备包括： （ 1）钢液供应设备：炼钢炉炼出供连铸用的合格钢水流入大包，经吹氢调温或真空脱气处理后，将大包送到中间包上方，准备浇注。 （ 2）中间包：中间包首先接受大包中的钢液，然后再对准结晶器中心进行浇注，中间包的冶金作用主要是减压、稳流、除渣、贮钢和分流。 1.盛钢桶 (大包 ) 2.塞棒 3.中间包 4.一次冷
19、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 (3)结晶器及其振动装置：结晶器是连铸设备的心脏，它是一种水冷的特殊钢锭模。钢液通过结晶器后，要凝固成坚固的硬壳，形成所需断面的铸坯，并被连续拉出进入二次冷却区。结晶器的形式按连铸机形式不同，结晶器可分为直的和弧形的两大类。按铸坯规格 和形状来分，有小方坯、大方坯、板坯和异形坯结晶器。结晶器振动的目的，是为了防止铸坯在凝固过程中与铜板粘结而发生粘挂拉裂或拉漏事故，以保证拉坯顺利进行。 5 （ 4）二次冷却系统：从结晶器拉出来的铸坯凝固成一个薄的外壳 (8
20、 15mm)，而中心仍然是高温钢水，边运行边凝固，结果形成一个很长的液相穴。为使铸坯继续凝固，从结晶器出口到拉矫机长度内设置一个喷水冷却区。在二次冷却区设有喷水系统和按弧形排列的一系列夹辊，起支承铸坯和导向作用，使铸坯沿一定弧形轨道运行时，不致产生鼓胀变形。 （ 5）电磁搅拌器：结晶器电磁搅拌的作用 是钢水运动可清洗凝固壳表层区的气泡和夹杂物，改善铸坯表面质量。同时有利于过热度的降低，可适当提高钢水过热度，有利于去除夹杂物，提高铸坯清洁度。钢水运动可把树枝晶打碎，增加等轴晶核心，改善铸坯内部结构。结晶器钢一渣界面经常更新，有利于保护渣吸收上浮的夹杂物。 （ 6）拉坯矫直机：拉坯矫直机是弧形连铸
21、机的重要设备。它是布置在二次冷却区导向装置的尾部，承担拉坯、矫直和送引锭杆的作用。 （ 7）切坯装置：从拉矫机连续不断拉出的铸坯，应按成品规格及后步工序的要求切成定尺长度。由于铸坯的剪切是在浇注过程中进行的，因此剪切机 必须和铸坯同步进行。 （ 8）引锭装置：引锭杆的引锭头用来堵住浇注前结晶器的下口，在开浇时使钢水不会漏出。钢水在结晶器中和引锭杆上端的引锭头凝结在一起，通过拉辊的牵引，使铸坯向下运行，当引锭杆拉出拉矫机后，完成引锭的工作，就把引锭杆脱去，进入正常拉坯状态。 1.3 连铸自动化控制技术的发展趋势 近年来随着网络技术的发展，国外一些先进的连铸生产国更进一步发展了管理级控制系统，统一
22、管理和调度连铸及其相关生产工序，使各工序协调运行，并保存连铸生产的历史数据和提供连铸关键控制环节。 要实现整个企业的信息集成和综合自动化 ，就必须设计出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，形成现场的底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信。 这就发展出了现场总线技术，现场总线控制系统是计算机技术、通信技术、控制技术、显示技术和转化技术的综合和集成。 Profibus 现场总线是近年来最为流行的现场总线，也是数据传输率最快的一种现场总线，目前已广泛应用于各大钢厂的过程控制系统中。 在工业控制中采用计算机控制，可以提高产品的产量和质量，节省能源和人力，提高收得率，降低成本
23、。由于连铸过程对钢水质量要求高，连续作业设备操作难度大 ，再加上凝固过程的复杂性，在连续铸钢过程中引入计算机控制迟于其他类型机组。近年来，由于操作经验的逐渐积累及对连铸过程解析的深入，开始6 逐步采用计算机控制对整个连铸过程进行监控和管理。 但是连铸过程控制中也存在许多难题，这是由连铸过程本身的复杂性决定的。其复杂性主要体现在以下几个方面： (1)存在着可测或不可测的扰动和未建模动态问题； (2)具有时变性和非线性特性； (3)过程本身和执行机构常有较大的滞后； (4)用于过程测量的传感器也常常受到高频测量噪声的影响； (4)连铸过程各环节之间相互耦合； (5)连铸与炼钢和连轧 之间需要协调控
24、制和调度。 由于上述复杂性，目前对于连铸过程建模和控制方面的研究成果虽然较多，但还不能很好地应用到实际生产之中，而常用的 PID 控制方法也不能实现令人满意的控制。因此，国内外一些控制学者和专家正在探讨将自适应控制、预测控制、模糊专家系统等智能控制方法并结合现场总线技术用于连铸生产过程中的各环节。由于连铸在钢铁工业生产中有着十分重要的作用，因此连铸过程控制已成为目前国内外自动控制领域的研究热点之一。 1.4 我国连铸自动化控制技术现状 总体上讲，我国的连铸自动化水平与欧、美、日等发达国家相比还相当 落后。发达国家的连铸机正朝着全自动、智能化、无人浇铸的方向发展。连铸机的操作人员越来越少。国内除
25、了少数引进和近年来新建的连铸机自动化水平较高以外，其它连铸机基本靠常规仪表和一般电气设备进行控制，计算机控制的项目较少，很多靠手动控制。从普及的程度来看，二冷自动配水已为国内大多数铸机所采用，其次为结晶器液面检测与自动控制。近年来，已有少数连铸机采用中间包连续测温技术，但其它如钢流夹渣检测、结晶器热流监测与漏钢预报、铸坯表面缺陷自动检测、铸坯质量跟踪与判定系统等则很少被采用。从总体趋势看，连铸机的产量越来越高，铸 坯质量也越来越好，但连铸机的操作人员却越来越少，这是实现自动化控制的必然结果。因此，如何提高连铸机的自动化水平是摆在国内钢铁企业面前的一个不容忽视的问题。 7 第二章 结晶器液位控制
26、系统的方案设计 连铸机结晶器液位控制系统的实现方案框图如图 2.1 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 2.1 结晶器液位控制系统的实现方案框图 2.1 液位控制方法的选择 连铸的发展过程中，结晶器液位控制大致有三种方法 : 第一 :速度型，即用拉速去控制结晶器液位。这种方法喷溅较少，主要 用于小方坯连铸。在这种方法中，固定中间包流入到结晶器中的钢液量，根据液位变化修正拉坯控制系统的设定值，以使结晶器液位保持恒定。用拉速控制结晶器液位是通过改变拉坯速度来控制液位，其控制特性曲线是线性的。因此，从理论上说其控制精度是很高的。拉速是连铸过程中的一个重
27、要参数，它取决于下列因素： 1) 铸坯的质量、拉速应按凝固理论的要求来设计；不同的钢种、断面尺寸、钢液过热度，就决定了相应的冷却度和拉速。因此，在保证铸坯质量的前提下，拉速应有一个上限值； 2) 为提高铸坯生产效率，拉速应有一个下限值； 为满足上述两个 基本要求，拉速应限制在一定范围内；同时，为满足结晶器液位控制的精度要求，拉速应动态地跟踪液位进行调节。因此，拉速的调节范围应限制在一个较小的动态范围内。由于拉坯速度的变化会引起铸坯凝固制度、二次冷却制度、定长切割系统等一系列环节的修正。而合适浇注温度与合适拉速的配合是连铸稳定生产和取得高质量铸坯的前提，拉坯速度不应该成为控制手段而应该把拉速稳定作为工艺目标。因此，用调节拉速的方式保持结晶器液位稳定的这种做法己经逐渐被淘汰。
