毕业设计（论文）基于西门子S7300的钢水液面控制系统

1、20112011 届毕业论文届毕业论文 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

2、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

3、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iiabstractin the modern casting production, the height of liquid steel surface in crystallizer plays a crucial role. the refined liquid steel through crystallizer is widespread cool

4、ed 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 solid

5、ified 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, fr

6、om 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 s

7、ignal 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 pow

8、erful 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

9、 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 communicationiii目目 录

10、录1连铸生产工艺介绍 .11.1连铸生产中结晶器介绍.11.2连铸生产结晶器液位控制.21.3自动化液位控制重要性.22钢水液面控制系统的组成及其介绍 .32.1系统总体设计.32.2中央控制器设计.42.3涡流传感器.42.4park 驱动器 .62.5服电动缸以及塞棒机构.113程序设计 .133.1程序总体设计.133.2输入函数块的设计.143.3pid 算法设计 .163.4控制器程序设计.174系统网络设计 .234.1opc 通讯的介绍 .234.2opc通讯设计.244.3系统调试.28结束语.31致 谢.32参考文献.33附 录.3411连铸生产工艺介绍1.1 连铸生产中结晶

11、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

12、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21.2 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2mm 时铸坯在加热的过程中可消除影响；夹渣深度在 2-5mm 时，铸坯必须进行表面清理。也就是说保证钢水波动幅度小于某一值，皮下夹渣的问题可以消除。从多年的操作工经验得知，钢水液面波动控制在10

13、mm，可以消除皮下夹渣。在旧连铸生产工艺过程中，这一控制环节多是人工控制中包塞棒的开口度。这样既不能保证生产人员的安全，又会影响到钢坯质量，因为人工控制多数是凭借工人的经验，所以控制的效果不好。本论文提出自动跟踪钢水液面高度，实现自动控制塞棒位置，从而达到控制结晶器中钢水液面的高度的效果。1.3 自动化液位控制重要性结晶器内液面的高低对于钢坯的质量存在密切的联系，不同的钢种要求结晶器内液面的高度也不同。再者，为了保证生产安全钢水必须保证不能溢出，钢水液面必须低于结晶器口约为 70-100mm。并且钢水液面波动过大，会卷入结晶器保护渣，在铸坯表面形成皮下夹渣，影响铸坯质量。一般液面波动范围一般控

14、制在10mm。对于靠操作工单纯人为控制很难到达控制要求和精度，并且很容易造成生产事故。所以采用自动化液位控制既能减轻工人的工作量，也能很好地保证产品质量。32钢水液面控制系统的组成及其介绍2.1 系统总体设计此系统的目的是不需人工参与,自动控制结晶器液面的高度。主要是采用控制系统中闭环控制的原理。闭环控制能有效的实现动态实时控制，抑制闭环内的干扰，闭环控制系统也便于在硬件上实现。其系统结构如表 1 所示。表 1 系统结构表初步设计如同图 2 所示，由传感器定时采样，送给 plc，plc 通过处理控制驱动器控制电机然后控制塞棒到达控制液位的目的。系统原理是，涡流传感器中的电磁信号在钢液表面产生涡

15、电流，其感应电流的大小随钢液表面到传感器底部的距离而变化；最后输出的电信号通过电缆传送给系统 plc；系统 plc 通过对各种信息进行综合处理，作用于驱动器，控制数控电动缸，调节塞棒位置。plc仪表传感器现场操作箱工控机驱动器电动缸塞棒机构图 2 系统框图通过对塞棒开度的控制，来调节从中包注入结晶器内的钢水流量，达到稳系统结构名元件名测量元件涡流传感器运功控制器park 驱动器执行机构伺服电动机中央控制器西门子 s7-300人机界面工业电脑4定控制结晶器钢水液面高度的目的，从而实现恒拉速恒液面自动浇铸。同时通过工控机，发出各种报警信息，实现多功能人机对话，实时监控液面。使液面稳定，系统作业率提

16、高到 99%以上；3mm 以内的液面波动运行率达到 95%以上，比原设计精度高，中包水口的液渣侵蚀带缩短到 12mm 以内。 2.2 中央控制器设计针对 2.1 节所介绍的系统设计要求，选择了西门子公司 s7-300 系列的 plc作为中央控制器。s7-300 是一种通用型 plc，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造中的应用。s7-300 是由各种模块部件所组成，各模块能以各种不同的方式组合在一起，这样方便设计人员根据不同的系统设计出最完美的控制器。s7-300 的指令集包括 350 多条指令，模块化的程序有便于程序员的编写和阅读。在该系统中，其配置表如表 2 所示：其中 cp

17、u313-2dp 是自带 16 个数字输入以及 16 个数字输出的 cpu，cp343-1 是一种用于以太网通讯的模块在第四章opc 通讯中将作详细说明。sm331:ai8x12bit，sm332:ao4x12bit 都为分辨率为0.1v 的模拟量输入，输出模块，它在系统中主要用作对外部模拟信号的处理和向驱动器提供控制信号，其接口表如附录中表 4 所示。表 2 电气配置表2.3 涡流传感器主件品名附件品名规格电源24v/5acpu313-2dp数字输入模块di16xdc24vcpu数字输出模块do16xdc24v/0.5a存储器卡mmc 卡，128k前连接器20针，螺钉型端子前连接器40针，螺

18、钉型端子模拟量输入模块sm331: ai8x12bit模拟量输出模块sm332: ao4x12bit通讯模块cp343-1导轨 480mm通讯卡cp5611 5系统采用涡流传感器进行检测。涡流传感器中的电磁信号在钢水表面上产生涡电流，此涡电流在传感器线圈中产生感应信号，其大小随钢水表面到传感器的距离而变化，其原理图如图 3 所示。一般来说，距离越大则感应电流越小，距离越小感应电流越大。传感器的感应信号经电缆传送给主机。传感器信号由主机处理后给出液面高度值和各种报警信息。输出单元将代表液面高度的电压和电流模拟量送到仪器后面板插座的相应端子上，用于控制拉坯速度或塞棒位置，其设计时应达到的要求如下：

19、(1) 用于实时检测结晶器内的钢水液面，并实时输出对应液面高度的模拟量。(2) 信号传输距离长（120m 以内） ，不需另加放大器和冷却器(3) 采样时间：0.1 秒。(4) 输出标准的 410v 电压信号。(5) 任意设定结晶器工作液面(正常工作液面)。(6) 高位液面报警。(7) 低位液面报警。其中感应电流测量电路主要是通过励磁端的阻抗变化，使电路性能发生改变从而达到测量的目的，其原理图如图 3 所示。图 3 涡流传感器原理图本系统采用的是正反馈电路如图 4 所示，图中为一固定的线圈绕阻抗，rz为传感器线圈电涡流效应的等效阻抗，d 为测量距离，放大器的反馈电路是lz由组成，当线圈与被测体之

20、间的距离发生变化时，变化，反馈放大电路lzlz的放大倍数发生变化，从而引起运算放大器输出电压变化，经检波和放大后使得测量电路的输出电压变化。因此，可以通过输出电压的变化来检测传感器和被测体之间距离的变化。6图 4 反馈法测量电路原理图2.4 park 驱动器2.4.1 驱动器外部结构与系统设计park 驱动器广泛应用于工业伺服电机的控制，其外观结构如图 5 所示，plc 可以和其进行 dp 通讯，也可以直接硬线控制。本系统采取硬线链接的方式，有 cpu 的输入输出模块给其 enable,模拟量控制信号。驱动器将伺服电机的位置信号通过编码器反馈给 plc.其通讯地址表 3 所示。其中，+24vi

21、n 口是接+24电源，可以和 plc 使用同一个电源模块。0va 为位置反馈信号，它是由电机内部编码器提供的5v 电源，也是通过硬线输送到 plc 模拟输入口，其负极最好是接地，可以和驱动器电源共地。ref-和 ref+口是 plc 给出的位置信号输入端，其也是通过硬线连接到 plc 的模拟量输出模块上面，其负极最好和驱动器电源的负极并联起来，这样可以保证驱动器的正常工作。表 3 驱动器接口表标示功能标示功能+24vin24v+0va4.096v 位置反馈输出-0vq0vin30vain2ax-in1电机参考点给定（20ms以上高电平）ax+in0硬件使能ref-010v 位置信号输入-out

22、1过流保护ref+010v 位置信号输入+out0驱动器正常mon4.096v 位置反馈输出+7图 5 驱动器外观图2.4.2 驱动器三环控制原理本驱动器采用电流、速度、位置三环控制，其中大量运用了 pi 算法，滤波电路等理论，以下将分别介绍这三个不同的控制环节。(1) 电流环其原理图如图 6 所示，电流环在驱动器中也叫做电流调节器，它是根据伺服电机电枢中的电流作为输入量来调节电机状态的。高性能 ac 伺服驱动器可以实现矢量控制或磁场定向控制。通常使用 pwm 逆变器作为电压源。矢量控制的控制指令是定子电流指令，它们由以磁场为参照的两个相互垂直的分量组成。ac 电动机的电磁转矩由电流与磁场相互

23、作用产生。逆变器电压源直接产生电流控制环要求的电压。电流控制的性能直接影响伺服驱动系统的性能。图 6 电流控制系统的信号流程图如图 6 所示，电流调节器的输入是产生转矩的电流指令 iq 和建立磁场的电8流指令 id。电流调节器的输出馈给逆变器电压源 pwm 调制器。dc 母线电压的在线测量是为了补偿由 dc 母线电压的波动引起的回路增益的变化。电流控制环是数字的，它以 16khz 的频率，刷新电流指令。对于两个相互垂直的 d-q 电流分量，使用两个独立的带扩展的 pi 调节器。图 6 给出了其中一个电流分量调节器的详细控制结构。图 7 带扩展的 pi 电流调节器的结构图如图 7 所示，电流调节

24、器是参照与磁场同步旋转的 d-q 控制。实际定子电流在以 16khz 采样后利用 e-j 坐标变换得到电流反馈信号 iq、id。然后，三相正弦定子电流变换为与磁场同步旋转，以 d-q 坐标为参照的定子电流分量。为了决定 d-q 坐标所必须的磁场位置 ，可以用旋变或编码器测量转子磁场的位置。如使用旋变，通常用软件实现 r/d 转换。对感应电动机磁场的位置用建立感应电动机模型的方法来估计。两个被转换的定子电流分量 iq、id 用来做电流调节器的反馈信号，两个电流调节器的指令来自驱动系统的外环。转矩电流指令 iq 来自速度调节器，如果驱动器作为转矩环运行（opmode2、3）直接来自用户转矩指令（数

25、字指令或模拟量输入） 。d 分量电流指令 id 可以是磁场调节器的输出，对永磁同步电动机可以是用转矩角提前技术产生的信号。(2) 速度环速度环主要是利用电机的转速来调节电机，一般是作为最外环使用。电流环嵌套在内部如图 8 所示速度反馈信号来自被测量的位置信号进行计算。通常，用于运动控制的伺服驱动器具有位置传感器。该位置传感器，或是编码器或是与 rdc 连接的旋变。在两种情况下，伺服控制器根据指定的分辨率知道电动机轴位置。速度的简单求导算法以较低的分辨率估计计算结果。来自速度估计的噪音通过伺服环的传播并与可闻噪音一起在电动机中引起额外的电流脉动。分辨率噪音可以用增加滤波来减少。但是，它以增加能引

26、起超调和不稳定的相位滞后为代价。另一个降低量化噪音的最简单的方法是使用带高分辨率的反馈装9置，如图 9 所示，这样观察到的位置信号比较纯净，可以很好的减少干扰。可以通过仿真得到如图 10 所示，在自动调谐速度调节器之后可以看到所得到的最佳性能。所得到的闭环性能可以检查如下：闭环控制参数：r(带宽)：r=205(hz)，相位延迟-91.7pm(凸峰)：pm0.5db,频率范围 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，

27、17mm，如式（6） e b m 0.001 e1)-(ea 0.1 u（6）即：e ki e1)-(ekp u kp=0.1*a；比例系数 ：积分系数bmb/0.001nb/0.0010.001ki kd=0：微分系数 e ： 液位偏差，即设定液位与实际液位之差 e1： 前次液位偏差17这样细化以后只要调节 a,b,m,n 几个系数就可以做到不同区域的 pi 调节的过程。dt 调节由于不好控制，而且本身系统的滞后并不大，所以一般不用，在实际生产中用到的也非常小。3.3.2 pid 带死区输出设计(1) 带死区的 pid 控制算法 控制算式：当ee0 时，如式（7） 。 eki e1)-(ek

28、p 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）

29、 。 ( 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18piw416 的

30、 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 : voidtitle =version : 0.1var_input in_auto : bool ; in_i_se

31、l : 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

32、输出值的定义。end_varvar_in_out ti : real ;/时间常数的定义。end_varvar_temp19 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_varbeginnetworktitle

33、=/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networktitle = 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network20title =/次环节主要是对于带死区积分算法的实现。 a( ; l #err

34、or; l #in_deadband; negr ; /取反 r ; /液位差死区 ) ; a( ; l #error; l #in_deadband; r ; ) ; /如果偏差在死区范围内，orl 中的值为 1. jcn j01; /上不成立跳到 j01，成立顺序执行 l 0.000000e+000; /成立表示在死区里面，输出值为 0. t #out_pidval; ju xo; networktitle =/calculation : p i d valuex01: nop 0; l #error; l #preerr; -r ; l #in_kp_temp; *r ; t #p_pa

35、rt; /p=kp *( error - preerr) l #error; l #in_t; *r ; l #ti; /r ; l #in_kp_temp; *r ; t #i_part; /i=kp * error *t/ti21 l 2.000000e+000; l #preerr; *r ; l #error; tak ; -r ; /#error- #preerr*2 l /#ppreerr; +r ;/#error- #preerr*2+ #ppreerr l #in_td; *r ;/(#error-#preerr*2+ #ppreerr )*td l #in_t; /r ;/(

36、#error- #preerr*2+ #ppreerr )*td/t l #in_kp_temp;/kp*(#error-#preerr*2+#ppreerr )*td/t *r ; t #d_part;/微分算法输出值。networktitle = an #in_i_sel;/用 in_i_sel 限制微分输出。 jc d01; / in_i_sel=0，微分环节不输出。 l 0.000000e+000; /满足积分等于 0 t #i_part; d01: a #in_d_sel; jc d03; l 0.000000e+000; /满足微分等于 0 t #d_part; networkti

37、tle =/收敛时，如果偏差大于 5，减弱比例项的作用，加快收敛速度d03: l #error1; l 5.000000e+000; r ; jc d02; l #p_part; l 5.000000e-001; *r ; t #p_part; networktitle =/calculation : pid valued02: 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。networktitle =/输出幅值的限定，当超过限定幅度输出值为 0. a( ; l #out_pidval; l #i

38、n_maxsp; r ; ) ; o ; a( ; l #out_pidval; l #in_minsp; r ; ) ; jc x02; l 0.000000e+000; t #out_pidval; ju xo; x02: nop 0; 23networktitle =/save the error valuexo: nop 0; /为下次运算做准备。 l #preerr; t #ppreerr; l #error; t #preerr; end_function244系统网络设计4.1 opc 通讯的介绍 opc(ole for process control,用于过程控制的 ole)是

39、一个工业标准，管理这个标准国际组织是 opc 基金会，opc 基金会现有会员已超过 220 家。遍布全球，包括世界上所有主要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统的公司。基于微软的 ole(现在的 active x)、com(部件对象模型)和 dcom(分布式部件对象模型)技术。opc 包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统。opc 全称是 ole for process control，它的出现为基于 windows 的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。在过去，为了存取现场设备的数据信息，每一个应用软件开发商都需要编写专用的接口函数。由于现场设备的种类繁多，

40、且产品的不断升级，往往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。通常这样也不能满足工作的实际需要，系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性的即插即用的设备驱动程序。在这种情况下，opc 标准应运而生。opc 标准以微软公司的 ole 技术为基础，它的制定是通过提供一套标准的 ole/com 接口完成的，在 opc 技术中使用的是 ole2 技术，ole 标准允许多台微机之间交换文档、图形等对象。com 是 component object model 的缩写，是所有 ole 机制的基础。com 是一种为了实现与编程语言无关的对象而制定的标准，该标准将 windows

41、下的对象定义为独立单元，可不受程序限制地访问这些单元。这种标准可以使两个应用程序通过对象化接口通讯，而不需要知道对方是如何创建的。例如，用户可以使用 c+语言创建一个 windows 对象，它支持一个接口，通过该接口，用户可以访问该对象提供的各种功能，用户可以使用 visual basic，c，pascal，smalltalk 或其它语言编写对象访问程序。在 windows nt4.0操作系统下，com 规范扩展到可访问本机以外的其它对象，一个应用程序所使用的对象可分布在网络上，com 的这个扩展被称为 dcom（distributed com） 。通过 dcom 技术和 opc 标准，完全可

42、以创建一个开放的、可互操作的控制系统软件。opc 采用客户/服务器模式，把开发访问接口的任务放在硬件生产厂家或第三方厂家，以 opc 服务器的形式提供给用户，解决了软、硬件厂商的矛盾，完成了系统的集成，提高了系统的开放性和可互操作性。254.2 opc 通讯设计4.2.1 虚拟站点组态首先建立 plc 与 pc 机的硬件站点，如图 21 所示，其中 simatic pc 为虚拟站点它其实就是代表着工控机，在设计的的时候注意两者的一致性。其设计方法在 4.2.2 节中将做详细的说明。图 21 硬件设置在每一个 cpu 中设置其对应的地址，如图 22 所示，设置的地址必须在一个网络里面，即地址最后

43、一项的设置不同，点击 properties 项可以设置。如图17 所示，其中 mac 地址为生产商给元器件分配的原始地址是不能更改的，mac地址在 mac 协议通讯中用到，这里不做详细的说明。图 22 地址设置一在设置网络地址的时候，注意将两个站点的地址设置在同一网络下。一般26ip 地址最后一个数位不同，设置值可以在 0-255 之间任意选择，图 23 所示。下是不能通讯的，这里要特别注意,如果要在不同网络之间进行通讯可以使用路由器，机理是一样的，这里不做详细的说明。图 23 地址设置二将每一个 cpu 组好网以后就可以建立网络组态了。4.2.2 网络组态首先添加一个 simatic pc

44、station 将其改名为 ram_opcstation 为了和opc 的虚拟站一致。如图 24 所示：图 24 硬件组态一点击 configuration，设置虚拟站点，如图 25 所示，虚拟站点必须和前面设置的 opc 站点一致，不管是名字还是地址都需要一致，不然通讯的时候会出错，这一点请设计人员注意。27图 25 硬件组态二在第一栏和第三栏分别添加 opc server 和 ie general。双击 ie general设置其地址，地址要与工控机地址一致。如图 26 所示。图 26 opc 站点设置点击 configure network 查看网络组态，然后就可以设置站点之间的通讯协议

45、了。点击如图 27 所示的地区。在下面的对话框中插入链接选项如果你要和cpu 通讯就选择 cpu 315-2 dp 如果你要和 opc 通讯就选择 opc server。如图27，选择后弹出如图 28 的对话框。值得注意的是在图 28 中 type 是选择通讯协议，这里用的主站 cpu 只能用 s7 协议。28图 27 网络组态图图 28 协议设置一图 29 协议设置二294.3 系统调试4.3.1 parker 驱动器带 ser 电机测试(1) 线路连接由于都是 resolver 反馈，所以反馈线连接没有什么太大的问题，只要注意将屏蔽线接好就行。ser 电机和 smb 电机的绕组相位不同，在

46、带 ser 电机时必须依次将电机的 v/u/w 接入驱动器的 u/v/w 才能正常运行，否则电机会出现剧烈的抖动。(2) 速度模式测试经过更改速度环的参数，设定电机的转速是 400rpm，运行的曲线如图 30上面的是速度曲线下面的是电流曲线。图 31 左所示上面的是速度曲线下方的是电流曲线，这时是给了一个缓慢上升的速度。左图右中是给了电机一个 10v 的脉冲信号，看其电流的变化。电流在额定的 3%，即 0.15a 左右，从开始加速到稳定为 400 转，用的时间是 200ms 左右。图 30 parker 驱动器仿真图一图 31 parker 驱动器仿真图二30(3) 响应速度用点动的方式查看电

47、机位置响应时间，每次变化的电压是 0.2v。查看的点动曲线图 32 如下:上两图中都是用位置命令电压值变化，看电机编码器位置反馈电压值。上图左是不带负载时候的跟随曲线，右为输出一个恒定转矩时候的跟随情况。根据 2 个图综合比较，响应速度大致为 150ms 以内。用 plc 输出类似于正弦曲线的电压，查看响应情况，图 32 中的三部分都是用第三方软件查看的曲线。从图 32（下）可以看出输出一个正弦波时，电机反馈的跟随情况。同时用驱动器本身的观测器检测到的位置和电流曲线如图 33 所示：位置信号成峰值为 300rpm 正弦波周期变化时，电流峰值为额定的 2%，即 0.02a。图 32 电机相应速度

48、响应图一图 33 电机相应速度响应图二314.3.2 pid 算法调试如同 3.1 节中所介绍的 pid 算法，我们可以通过界面仿真调节其各个环节的系数，使其灵敏度系统性能达到最佳。如图 34 所示，ab 段的误差为 0，塞棒控制位置趋于稳定，系统调节值为0。当人为改变设定液位时，误差变差短时间内变化，p 环节起到迅速调节的作用，塞棒位置随偏差成比例线形变化，如图 34 中的 bc 段所示。再次人为地将变差调整为 0，系统又恢复稳定状态。这样可以说明 p 环节达到设计的要求，其前面的系数可以通过实际情况进行调整。p 环节调整完后，我们可以先将液位偏差设为恒定不变，来观察 i 环节单独作用下的效

49、果，因为当液位偏差恒定不变时，根据 3.1 节所介绍的可以知道，此时只有 i 环节起作用。如图 35 所示。从图中可以看出，塞棒位置周期性的增长，这种周期就是系统更新一次数据所需的时间，一般为 0.02s。pi 调节都达到了预计的设计效果，保证了系统的稳定性和相应的快速性，对于结晶器内的钢水液面的稳定起到了很好的调节作用。图 34 pid 仿真图一图 35 pid 仿真图二32结束语结束语科学技术发展，对于改变社会的生产面貌，推动人类文明向前发展，具有极其重要的意义。在现代连铸迅速发展的今天，结晶器液面控制急速几乎达到了日新月异的地步。研究开发高性能，高稳定的控制系统是全世界连铸行业所关注的问

50、题。其主要包括：1通过也就钢水液面的数学模型，分析液面高度对于不同钢种的要求。2设计一套良好的控制系统达到人们所需的设定液位的高度。3设计出良好的人机界面方便操作人员使用。4可以进行各种通讯，实现集中化，远程可控化的管理5由于时间所限，本文设计的控制系统还有许多的不足，尚有一些工作需要继续。6对于钢厂复杂的环境需要做进一步的分析，设备在高温高噪声的情况下的抗干扰能力要做进一步的分析。7对于核心的控制算法，单环控制对于环外的扰动起不到抑制作用，并且在干扰强的情况下会导致系统瘫痪，所以要引入一些控制环来抑制较强的干扰。8为了加强炼钢工人的生命安全，要提高设备的可读性，便于操作性。要有设备的避险和报

51、警装置，确保工人的生命。33参考文献1 汤南.计算机控制系统.西安:西安电子科技大学,1994:25-282 高强.西门子 plc 应用程序设计.成都:电子工业出版社,1995.5-63 崔坚.西门子 s7 可编程控制器step7 编程指南.北京:机械工业出版社,2005:15-184 胡寿松.自动控制原理.南京:科技出版社,2000:33-355 寇宝全.交流伺服电机及其控制.北京:机械工业出版社,2000:25-286 西门子有限公司.深入浅出西门子 s7-300plc.北京:北京航天航空大学出版社,2002:24-267 邓君里.信号与系统.北京:高等教育出版社,2006:28-328

52、社阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版,2007:58-629 康华光.电子技术基础.北京:高等教育出版社,2003:36-4510丘关源.电路.武汉:高等教育出版社,2005:26-3211刘化君.计算机网络与通信.北京:高等教育出版社,2001:68-7212唐介.电机与拖动.北京:高等教育出版社,2005:38-4213汤楠.计算机控制技术.北京:机械工业出版社,2006:68-7214陈后金.信号与系统.北京:北京交通大学出版社,2004:38-4215许科军.传感器与检测技术.成都:电子工业出版社,2002:45-5216刘豹.现代控制理论.北京:机械工业出版社,2003:55

53、-5617陈夕松.过程控制论.北京:科学出版社,2005:38-4218辜承林.电机学.北京:华中科技出版社,2003:85-9219 冯如. autocad 自学手册 2008 中文版.北京:人民邮电出版社,2004:88-9434附 录function scale : wordtitle = set ; / if(bipolar=0) a #bipolar; / . jc el01; / l 0.000000e+000; / k1=0 t #k1; / . ju ei01; / else el01: l -2.764800e+004; / k1=-27648.0 t #k1; / .ei0

54、1: nop 0; / l 2.764800e+004; / k2=+27648.0 t #k2; / . l #in; / acc1=in itd ; / convert to double integer dtr ; / convert to real t #in_real; / in_real-in as a real l #hi_lim; / span=hi_lim-lo_lim l #lo_lim; / . -r ; / . t #span; / . l #in_real; / if(in_real=r ; / . jc el02; / l 8; / error t #ret_val

55、; / . l #span; / if(span0) l 0.000000e+000; / . k2) =r ; / . jc ei04; / l 8; / error t #ret_val; / . l #span; / if(span0) l 0.000000e+000; / r ; / . jcn el05; / . l #lo_lim; / acc1=lo_lim ju ei05; / else el05: l #hi_lim; / acc1=hi_limei05: nop 0; / t #out; / out=acc1 ju fail; / errorei04: nop 0; / n

56、op 0; / l #k2; / temp1=k2-k1 l #k1; / . -r ; / . t #temp1; / . l #in_real; / in_real-k1 l #k1; / . -r ; / . l #temp1; / divide by temp1 /r ; / . l #span; / multiply by span *r ; / .36 l #lo_lim; / add lo_lim +r ; / . t #out; / out=scale(in_real) l 0; / return error code 0 t #ret_val; / set ; / rlo =