毕业设计（论文）-基于西门子S7300的钢水液面控制系统.doc

2011 届届毕业论毕业论文文 基于西门子 300 系列的钢水液面控制系统 系 、 部： 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 班 级： 完成时间： i 摘 要 在现代的连铸生产中，结晶器内的钢水液面扮演着至关重要的角色。钢水 经过精炼完以后在结晶中第一次人为的大范围的冷却，结晶器铜管内外温差相 差有 1000 多度。结晶器中钢水液面的高度直接影响拉坯的质量，液位的波动会 造成皮下夹渣，坯壳凹陷等问题。这样拉出来的钢坯表面质量极差，这样对轧 钢生产带来极大的麻烦。特别是优质钢种的生产对液面稳定要求更高，所以针 对怎样稳定结晶器内的钢水液面，设计了一套基于涡流传感器的塞棒控制系统。 首先，从电磁感应原理出发，结合钢水的导磁特性建立了电路模型进行分 析。对钢水的液面高度进行了有效的采样，将其高度转换为电信号输送给 plc。 其次，在 plc 中对采集过来的电信号进行 a/d 转换，对于得到的数字量信 号进行 pid 调节，得到控制输出量，然后将控制输出量 d/a 转换输送给控制机 构实现系统的稳定。特别指出的是在控制机构的时候，还运用了 parker 驱动器， parker 驱动器是自身具有强大运算能力的变频驱动设备。其中有三环控制原理 电流环控制，速度环控制以及位置环控制。运用了次驱动器可以大大减小 中央控制器的运算量，而且可以对电机的状态实时进行采样，可以有效的抑制 干扰，从而达到更好的控制效果。 最后，为了方便集成管理运用了以太网的通讯方式，将 plc 与工控机经行 通讯。在人机界面上可以实时地读取数据，方便操作人员的观看和使用。在人 机界面上可以观察数据，测试系统的调节效果。 关键字：结晶器；涡流传感器；plc；pid 调节；驱动器；以太网通讯 ii abstract in the modern casting production, the height of liquid steel surface in crystallizer plays a crucial role. the refined liquid steel through crystallizer is widespread cooled by human in first time. copper pipe in crystallizer have more than 1,000 centigrade inside and outside temperature differences.the height of the liquid steel surface in crystallizer directly influences the quality of throwing, liquid level fluctuations can cause problems ，such as hypodermic solidified shell slag、 depression in solid steel surface. especially，the production of high quality steel require better stability of the height of liquid steel surface in crystallizer , so how to stable the level, i designed the plug great control system based on a set of eddy current sensor. firstly, from electromagnetic induction principle, and combining the characteristics of magnetic steel established circuit model analysis. the liquid surface height of molten steel effectively sampling, its height converted to electrical signal transmission give plc. secondly, for the collected plc electrical signal to a/d conversion, to get the digital quantity signal pid adjustment, controlled output, and then will control output d/a transformation piped to control mechanism to system stable. specifically is in control of the control mechanism, still used a parker drive, parker actuator is itself is powerful operation ability of variable frequency drive equipment. there are three-ring control principle - current loop control, speed loop control and position loop control. finally, in order to facilitate the integration management using ethernet communication way, will the line plc and industrial pc communications. in man- machine interface can real-time data read, convenient operation personnels watch and use. in man-machine interface can be observed data, test system of regulation effect. keyword: crystallizer； eddy current transducer； plc； pid adjustment； drives； ethernet communication iii 目目 录录 1连铸生产工艺介绍 1 1.1连铸生产中结晶器介绍.1 1.2连铸生产结晶器液位控制.2 1.3自动化液位控制重要性.2 2钢水液面控制系统的组成及其介绍 3 2.1系统总体设计.3 2.2中央控制器设计.4 2.3涡流传感器.4 2.4park 驱动器 6 2.5服电动缸以及塞棒机构11 3程序设计 .13 3.1程序总体设计13 3.2输入函数块的设计14 3.3pid 算法设计 16 3.4控制器程序设计17 4系统网络设计 .23 4.1opc 通讯的介绍 23 4.2opc通讯设计.24 4.3系统调试28 结束语.31 致 谢.32 参考文献.33 附 录.34 1 1连铸生产工艺介绍 1.1 连铸生产中结晶器介绍 现代连铸生产工艺是各大冶炼企业所关注和研究的问题，在现代连铸生产 过程中运用了许多自动化生产设备。现代连铸生产车间钢水主要流程分为三个 阶段：大包中包结晶器，在到二次冷车间。其中现在在工厂中得到运用的 设备主要有： 1大包回转台 2大包钢水重量自动称重 3大包钢水下渣自动检测 4从大包到中间包长水口保护浇注 510大容量中间包 6中间包钢水称重 7从中间包到结晶器采用浸入式水口保护浇注 8结晶器采用保护渣自动加入 9结晶器液面自动控制 10结晶器漏钢预报 11多功能辊缝仪 12二次冷却计算机和自动控制 13连铸坯质量在线自动判定系统和跟踪系统 14带液芯铸轧和轻压下 15连铸坯自动喷号系统 17连铸坯硫印装置 结晶器是钢水从液态 1500冷却到固态 900的位置，这是钢水第一次人 为冷却的地方，从以上的说明可以看出结晶器是连铸生产工艺上的重要的一环。 其结构图如图 1 所示： 图 1 结晶器结构图 2 1.2 连铸生产结晶器液位控制 在生产过程中，为了保持钢水结晶过程的稳定以及提高钢水结晶的质量， 必须控制结晶器内钢水液面的高度。钢水液位的频繁波动或者波动幅度过大也 会造成卷入结晶器保护渣，在铸坯表面形成皮下夹渣，影响铸坯质量。当皮下 夹渣 17mm，如式（4） e b 0.001 e1)-e(a 0.1 u （4） (2) 液位波动正负 2mm6mm 之内，如式（5） e b n 0.001 e1)-(e a 0.1 u （5） (3) 液位波动正负 6mm 之外，e0 时，如式（7） 。 eki e1)-(ekp u （7） 优点： 带死区的 pid 控制，可消除由于频繁动作所引起的振荡，现程序中 e0 固定 为 0.5；e0 可设置为一可调参数，可根据实际情况进行调整，若值太小，使控 制动作过于频繁，稳定性下降；若值太大，则系统将产生较大的滞后； (2) 带积分分离的 pid 控制算法 控制算式：如式（8） (01) e ki e1)-(ekp u （8） 优点：根据实际情况，不同的偏差范围，设置不同的 系数，当偏差较 大时， 设置往 0 接近，抑制积分项，可避免过大的超调，使系统有较快的响 应；当偏差较小时， 设置往 1 接近，加大积分作用，保证系统的控制精度； 3.3.3 pid 消弱积分设计 控制算式：如式（9） 。 ( 01) eki e1)-(ekp u （9） 优点： 根据实际情况，不同的偏差范围，设置不同的 系数，当偏差较大时， 设置往 0 接近，抑制积分项，可避免过大的超调，使系统有较快的响应；当 偏差较小时， 设置往 1 接近，加大积分作用，保证系统的控制精度。 3.4 控制器程序设计 根据表 2.2 和系统的功能说明，可以设计出 plc 模块的接口表如附录中表 3.2 所示。根据设计要求系统可分为点动，手动，自动三个档位，可以供操作 员工使用。程序中 fc12 为输入处理函数，它可以对数字量输入模块的输入数据 进行处理，转换为 plc 内部寄存器的变量，这些变量对于输出进行控制。对于 18 piw416 的 0-10v 的信号处理在 fc14 当中，fc14 主要将模拟量信号经过采样量 化得到实数型的数字量格式，这数据存储到 plc 数据块中，供 plc 和界面使用。 其中采样量化程序为 fc105.,采样周期为 100ms。得到液位信号后，经过 3.1 节 所述的 pid 算法的调节得到塞棒控制信号，通过 pow468 以10v 的电压信号输 出给驱动器。对于 d/a 转换程序为 fc106，这两个程序的代码如附录中程序， pid 算法程序如下所示： function “comm_pid“ : void title = version : 0.1 var_input in_auto : bool ; in_i_sel : bool ; in_d_sel : bool ; in_lv : real ; in_setlv : real ; in_kp : real ; in_ti : real ; in_td : real ; in_t : real ; in_deadband : real ; in_minsp : real ; in_maxsp : real ; in_plv : real ; in_pplv : real ; in_spi : real ; in_spd : real ; end_var/结束对于程序块外部封装口得定义。 var_output out_pidval : real ;/ 最终输出值的定义。 end_var var_in_out ti : real ;/时间常数的定义。 end_var var_temp 19 error : real ;/偏差。 preerr : real ;/前次偏差 ppreerr : real ;/前前次偏差 p_part : real ;/比例系数 i_part : real ;/积分系数 d_part : real ;/微分系数 error1 : real ;/偏差绝对值 preerr1 : real ;/前次偏差绝对值 in_kp_temp : real ; in_ti_temp : real ; end_var begin network title = /calculation : error l #in_setlv; l #in_lv; -r ; /实际液位-设定液位 t #error; /偏差 abs ; t #error1; /偏差绝对值 network title = l #in_setlv; l #in_plv; /前一次液位 -r ; /前次液位-设定液位 t #preerr; /前次偏差 abs ; t #preerr1; /前次偏差绝对值 l #in_setlv; l #in_pplv; -r ; t #ppreerr; /前前次偏差 network 20 title = /次环节主要是对于带死区积分算法的实现。 a( ; l #error; l #in_deadband; negr ; /取反 r ; /液位差死区 ) ; a( ; l #error; l #in_deadband; r ; jc d02; l #p_part; l 5.000000e-001; *r ; t #p_part; network title =/calculation : pid value d02: l #p_part; l #i_part; +r ; l #d_part; +r ; t #out_pidval; /将三个环节的输出值加起来。 network title = /输出幅值的限定，当超过限定幅度输出值为 0. a( ; l #out_pidval; l #in_maxsp; r ; ) ; o ; a( ; l #out_pidval; l #in_minsp; =r ; / . jc el02; / l 8; / error t #ret_val; / . l #span; / if(spank2) =r ; / . 37 jc ei03; / l 8; / error t #ret_val; / . l #k1; / acc1=k1 ju writ; / write out ei03: nop 0; / pop ; / if(inlo_lim) l #lo_lim; / . =r ; / . jc ei05; / l 8; / error t #ret_val; / . l #k1; / acc1=k1 ju writ; / write out ei05: nop 0; / pop ; / if(inhi_lim) l #hi_lim; / . =r ; / . jc ei06; / l 8; / error t #ret_val; / . l #k2; / acc1=k2 ju writ; / write out ei06: nop 0; / 38 ei02: nop 0; / ju calc; / perform unscale calculation writ: trunc ; / convert to integer t #out; / out=acc1 ju fail; / error calc: l #k2; / temp1=k2-k1 l #k1; / . -r ; / . t #t