中小型钢厂钢水液面自动控制系统的设计

1、毕 业 设 计学生姓名： 学 号： 110803102 学 院： 专 业： 题 目：中小型钢厂钢水液面自动控制系统的设计指导教师： 评阅教师： 2015年6月 毕业设计成绩评定表姓 名 学 号 成 绩专 业电气工程及其自动化题 目中小型钢厂钢水液面自动控制系统的设计指导教师评语及成绩 指导教师： 年 月 日评阅教师评语及成绩 评阅教师： 年 月 日答辩小组评语及成绩答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见 学院答辩委员会主任： 年 月 日毕 业 设 计 中 文 摘 要 现代连铸生产中，随着自动化技术的快速发展，对连铸技术的可靠性和钢坯的质量要求越来越严格，而结晶器液位控制系统是连铸系统中非常重

2、要的环节之一， 以迁钢板坯连铸机结晶器作为研究对象，根据实际中对结晶器在液位控制系统的要求，采用电涡流技术和伺服电动机技术相互配合，实现结晶器的闭环钢水液位自动控制系统，在进行系统设计的时候采用西门子S7-200系列PLC进行该控制系统的设计。 涡流式传感器对结晶器液位进行检测，经前置放大器处理后，其液位高度信号被实时地传送到中央处理单元，将处理后的测量值与系统的设定值进行比较，根据比较的结果，给出适当的塞棒调节控制量，调节塞棒，以实现对钢水的流量控制，保证结晶器内钢水液位稳定。 关键词 连铸 结晶器；结晶器液位控制；涡流传感器 本科毕业设计 第 页 共 页毕 业 设 计 外 文 摘 要Tit

3、le ××××××××（Times New Roman 14） Abstract×××××××××（Times New Roman 12，1.25-1.5倍行距，第一个字应顶格写）×××××××××××××××××××××

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6、;×××××××××××××××××××（空2行）Key Words ××× ××× ××× ×××（Times New Roman 12）（Times New Roman 12）目 录1 绪论21.1 结晶器液位控制技术的意义21.2 结晶器液位控制技术的发展现状31.3 课题要求及其主

7、要工作要求42 连铸工艺和系统结构的介绍42.1 连铸工艺42.2 连铸机结构53 结晶器液位自动控制系统总体设计83.1 控制系统总体方案83.2 结晶器液位控制难点104 系统硬件的选择114.1 传感器的选择（液位检测系统）114.2 执行机构的选择154.3 CPU型号的选择和I/O资源分配184.4 开关按钮244.5 LED数码显示器255 程序设计265.1 编程软件STEP7 Miro/WIN的简单介绍265.2 系统程序流程图261 绪论钢铁是工业的粮食其成本低、资源丰富，具有良好的机械性能，适用于大批量生产，是最常用的金属材料。在各种领域的社会生产中得到广泛的应用，是不可或

8、缺的战略性产业的产品。近年来，钢铁生产中的连续铸造设备逐渐向大型化、高产量和高效益方向发展。同时，热装、热送、热轧技术等也不断创新和发展，并对铸坯的质量要求更高。因此，对自动控制检测的要求也越来越高。结晶器中钢水的液位的自动控制是连续铸造的专用关键的设备，它对于整个系统具有非常重要的作用。例如，对铸造速度的提高、改善铸坯质量、提高优质能源、节能减排等。因此，液位自动控制系统的精度是一个非常重要的连铸工艺指标，并对产品的质量有很大的影响。1.1 结晶器液位控制技术的意义 在连续铸钢的生产的过程中，控制结晶器中液面的高度需要恒稳操作，一是防止钢铁的泄漏和钢铁的溢出；二是保证尽可能的恒定，提升铸件的

9、良品率。现在能否可以实现第二个需求代表着连续铸钢控制系统技术高低的重要指标。结晶器内液面控制技术可以减轻和防止漏出、溢出钢铁，能够保证生产的过程恒稳的运行，能够有效的避免掺杂结晶器内钢水液体表面夹杂的物体，防止进一步的在铸件的表面和内部产生夹渣形成缺陷。防止结晶器保护渣不均匀的流入，避免了产生裂缝，渣条纹等表面缺陷。使铸坯初期凝固稳定，以确保在模具内产生均匀的凝固壳。 连续铸钢的过程中，结晶器中液面的高度由于各种原因引起较大的涌动可以大大损害最终产出来的钢坯质量。液面波动主要是由以下几个方面引起的：在结晶器中的钢液流动速度的变化，液位波动汇合造成的碰撞产生波动；水口出口处的高速流股在结晶器中形

10、成的振荡波动；结晶器中的液体中形成的气泡在上升过程中引起的扰动波动。其中，结晶器中钢水的流动速度是最重要的原因，钢水液面涌动和钢水流动速度之间的关系是显而易见的。如何通过控制结晶器内钢水流量的多少来达到控制钢水液面的稳定是连续铸钢生产线上的重要问题。连铸结晶器液位控制系统是一个对连铸生产的关键技术，该系统的作用可以用以下几个方面表述：1 通过将结晶器液位自动控制系统的稳定性达到一定程度，可以将结晶器内钢水液面维持稳定，因此可以充分冷却钢铁液水，提高连续铸钢生产线上的产品的生产量；2 结晶器液位控制系统可提高连铸坯表面质量。表面质量好的钢材，在后面的生产后，可以减少冷却和其他的钢表面处理工艺，节

11、省了实际生产的流程，起到节能降耗的重要作用；3 结晶器液位控制系统可降低劳动强度，减少工人的劳动量。1.2 结晶器液位控制技术的发展现状连续铸钢生产中的核心技术就是能够自动对结晶器内钢水液面的高度进行调节，它有利于保证连铸机安全生产的运行，减轻工人们的劳动的负担，使生产过程高效的运转和提升产品的质量，溢出漏出钢铁事故减少发生，提升连续炼钢技术的生产管理水平都具有及其重要的意义。液位高度检测系统、执行机构、模型的辨识、控制处理器器和控制的策略共同组成了结晶器内液位自动控制系统。结晶器液位自动控制系统中的液位检测技术是阻碍我国在连续铸钢领域实现自动化的生产过程的问题之一。结晶器钢水检测技术常见的主

12、要包括使用放射性同位素检测法、热电偶检测法、涡电流法和超声波法。现在在国内只有沈阳市的东北大学和核工业部260厂分别设计并且制造成利用超声波的液位计和用Co60为放射性源的结晶器的液位测量仪，但一直没有厂商正规的在生产中使用过。在液位检测器使用中，日本生月铁公司、武钢第五炼钢厂和太原钢铁2号铸造钢厂的某几个连铸机使用是涡电流方法，德德国阿尔卡特·米尔公司伏兰克林厂和西安钢铁厂使用具有放射性的同位素法，日本东升月公司第4号板坯连铸机采用热电偶的处理方法，中国宝钢也用过这种方法。此外，有电磁感应的方法，激光照射法，红外线测量法和工厂专用电视摄影法等等，这些方法各自有各自的的特征。使用起来

13、在全世界都比较理想并且较为成熟的结晶器内钢水液位的检测方法是采用具有放射性的同位素的方法。其精确度能够达到5毫米，稳定性也很可靠、进行安装操作也比较人性化、能够长时间使用不会损坏、价格便宜并且在实际中易于使用，各种类型的连铸机都可以进行使用，特别是对于方坯连续铸造机。然而，由于辐射对于人类的身体有非常大的伤害，现在这种方法已经消失在绝大部分工厂中。例如曾经使用过同位素放射性法的鞍山钢铁，目前开始切换到热电偶和电磁感应的测量方法。随着涡流法的成熟度和精度的提高，目前国内已经越来越广泛使用。到现在结晶器钢水液位控制系统主要执行操作机构包括：低惯量交流无刷伺服电动机、高精度气动数字缸、电气交流无刷伺

14、服电机执行机构、液压执行机构，其中执行机构的第一、第二方式因为运行稳定，使用过程出现问题维修起来非常方便，吸引更多的厂商开始采用这种方式。关于控制处理器，因为连续铸钢车间内的条件非常的苛刻，高温多尘。目前世界范围内大部分都使用的是具有很高可靠性的可编程控制器作为控制处理器，而且德国的西门子研制生产的PLC是占据着非常大的市场范围。关于液位控制的策略，由于仅仅在某种条件下达到有效的结晶器液位控制的传统比例积分微分的控制策略，系统稳定性差，因此出现了有多种以PI（D）为基础的钢水高度控制方法、智能钢液控制方法以及配置零极点的液位控制方法。然而，对于系统的稳定性这几种控制方法只是在一定程度上达到了提

15、高，不存在一个通用方法可以有效地处理钢水液位的控制问题，并在受制对象和系统参数之间的联系程度也相当密切，不易实现通一使用。因此，液位控制策略仍然是目前研究的关键。总之，结晶器液位控制系统涉及到多个领域的技术，其中包括：计算机控制技术、信息处理技术、传感器技术等，其作为连铸控制系统的关键环节，网络化和智能化是结晶器液位控制技术的必然趋势。1.3 课题要求及其主要工作要求 通过对结晶器液位控制现状及趋势和意义的了解，以此为基础主要使用可编程控制器（PLC）对结晶器控制系统的软硬件进行设计，使其能够可靠稳定的进行工作。具体的要求如下： 1）.以迁钢板坯连铸机结晶器作为研究对象，根据实际中对结晶器在液

16、位控制系统的要求，决定采用电涡流技术和伺服电动机技术相互配合，实现结晶器的钢水液位自动控制系统，该系统是闭环自动控制系统的，在进行系统设计的时候决定采用西门子S7-200系列PLC进行该控制系统的设计。2选择合适的PLC型号和扩展模块的型号，熟练使用编程软件step7，完成上下位机的软硬件的设计、编程及调试。实现结晶器内液位的PI闭环控制，使其能够在一般的工艺条件下能够进行稳定的液位控制。2 连铸工艺和系统结构的介绍2.1 连铸工艺连铸技术是由英国人于1986提出的。该技术的工作原理是将液态金属通过特殊的冷却装置、牵引装置、连铸输送装置等进行不间断的浇铸，形成一定形状和尺寸的铸坯。第二十世纪三

17、十年代连铸技术开始在一些有色金属生产中的应用。连续铸造真正应用于钢铁工业是在上世纪六十年代。随着连铸技术的向前发展，连铸工艺成为钢铁生产环节的极为核心的组成。从开始直接炼钢再到轧钢，在这中间扮演着重要的角色。连续铸造的过程中能否稳定连续的进行，不仅影响炼钢厂家生产指标，且会冲击到钢铁产品质量与成品率。连铸技术不断促进冶金工业的快速发展。连续铸钢生产线系统主要包括输送设备、中间包、中间包车、结晶器、结晶器的振荡装置、二次的冷却装置、钢坯的矫正系统、切割装置和钢坯输出机构等部分。生产线工作时，钢水先通过炼钢炉炼出，再通过炉外精炼设备处理后才能够合格。通过运载钢液的钢包输送设备旋转、减速、停止。通过

18、控制钢包的回转台的旋转度，将钢包置于中间罐上方，通过钢包上面的长水口将钢水流入到中间包，再经中间包上面的水口，该水口是浸入式的。最后注入结晶器。浇铸时，塞棒打开以后，钢液进入能够实时测量其液位高低的结晶器，钢水液面的高度通过传感器进行检测并传送到钢水液面的自动控制系统，通过伺服驱动的塞棒的运动，实现对钢水液面的调节控制。钢水在结晶器内部边沿冷凝成还壳，当结晶器出口的还壳厚度达到一定值时，启动后面的导向装置和结晶器振动装置，使中心部位还是液体钢水的铸还进入由很多夹辑组成的弧形导向段。铸坯在这个位置在下行的过程中经受二次冷却，在其周围有许多的喷嘴，不断的喷出的雾化水，就是通过这种冷却方式是将其冷却

19、，使中心钢液温度降低成铸还。当铸还进入矫直区域以后，铸还在此处被矫直，但此时铸还有可能仍未完全凝固，处于液心状态。当矫直完毕而且中心再无钢液的时候，通过钢坯的切割装置在水平的位置上的移动，将铸坯按照工业生产要求切割分成指定的长度，由横移台将切割好的铸坯拖运离开，整个连续铸钢线的生产过程是连续不间断的进行的。该系统的控制系统结构图如图2.1。图2.1 控制系统结构图 在连续铸钢线的自动控制系统中所起到的作用以及按照不同的部件，可以分为以下五个区域：平台的控制区域、铸流的控制域、后区的控制区域、液压及润滑区域、仪的表控制区域。（修改到处）2.2 连铸机结构连铸机按照形状连铸机又可分为板坯连铸机、小

20、方坯连铸机和大方坯连铸机等，这其中小方坯连铸机大约占50。还可以分为立式、垂直多点立弯式、弧型、立弯式以及水平型等不同的机型，这些机型中弧形连铸机占60以上。一台完整的连铸机构主要是由盛钢桶、中间包、结晶器、结晶器的振动装置、液位自动控制装置、二次冷却装置、矫直装置、切割装置和铸坯装置等部分组合而成的，如图2.2。图2.2 控制系统结构图铸钢时，通过盛钢桶的运载装置，将盛有钢水的盛钢桶，运送至连铸机的上方，钢水通过盛钢桶底部的流钢孔注入到中间罐内。当打开滑动水口后。钢水流进到结晶器，结晶器的下口用引锭杆头堵塞并能上下振动。结晶器周边的温度较低，钢液沿其周边冷凝成坯壳。当坯壳在结晶器下端出口处有

21、一定厚度时，在拉坯机驱动下使带有液心并和引锭装置连在一起的铸坯沿着由弧形排列的夹辊支撑下移。同时，在二次冷却装置的作用下铸坯将会被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铸坯，使得铸坯在全部凝固或带有液心状态下被矫直。在水平位置上随后将会被切割成定尺长度，置放于运坯装置上，进而运送到规定地点。上述整个生产过程是连续进行的4。弧型连铸机的主要设备：1） 液钢供给装置：连铸炼钢精炼炉出的用合格的钢水倒入钢水罐，通过吹氢调节温度或真空脱气处理后，钢水罐送到至中间罐上方，准备浇注。有三种方式承托钢水罐：固定座架，门型罐车和液钢旋转台。2 中间包和中间包车：中间包车是用来支持、运送中间包，并

22、用来更换中间包的设备，将中间包从预热的位置运送到铸钢的位置，以及向相反方向运送。一般连铸机配备两部中间包车，中间包车配有两台电机，并和齿轮箱进行连接，电机配备有一体型的抱闸装置。中间包用于钢液浇铸的过渡装置，它位于钢包与结晶器之间，主要起着浇铸生产缓冲的作用，某个钢包的钢水当流空以后，钢包回转台当旋转一定的角度，使另一个臂上的钢水包旋转至浇铸位，准备时间需要数分钟。其次是净化钢水，给注入中间包内钢水中的杂质提供了一个上浮的时间。3 结晶器：结晶器是连铸机构是核心部件，连铸生产过程的主体想法就是将液态的钢水直接冷却铸造成成型的特定产品，结晶器就是液态的钢水冷却成固态钢坯的关键部件，钢坯的外形取决

23、于结晶器的形状。其作用就是急剧降温并形成钢坯的初始形状，并进行净化钢水中的杂志，通过水冷铜壁装置降低液态的钢水的温度，使其进行凝固，同时钢水在结晶器时，杂质将会上浮，通过保护渣吸收成块，由现场工人清理除去。 4 结晶器冷却系统：一次冷却系统的目的是带走液态钢水通过结晶器铜管传递过来的热量。冷却系统为水处理闭环回路，每一流有一独立的流量控制回路，而且结晶器出口温度测量在出口部分，进水温度的测量共用于所有的流。二次冷却系统主要作用于二冷区域的铸还。直接接受来自结晶器的高温薄壳铸还，但内部仍为液态钢水。采用直接喷水冷却带有液芯的铸还，使其迅速冷却至完全凝固，避免铸还产生鼓肚变形。二冷装置的夹辑则起到

24、支撑和导向铸还和引徒杆的作用，防止其跑偏。开路水用于冷却并与设备冷却水集中在一起，在处理罐内进行除油除杂质处理，再次使用之前，回到水处理站进行处理。至控制区域的水流量可以通过安装在水流量控制区域前面的主进口阀来实现开关。 5 电磁搅拌器：结晶器中电磁搅拌器的作用是通过钢水运动可以对凝固壳表层区的夹杂物和气泡进行清洗，可以有效的提升铸坯表面质量。同时也对热度的降低非常有力，通过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，改善铸坯内部结构。结晶器钢渣界面是经常更新，利于保护渣吸收上浮运动的夹杂物。 6 拉矫装置：用以启动浇铸过程，移动与存放引键杆、控制热钢流速度以

25、及在饶铸末端推动钢流的设备，位于二次冷却区尾部，用于绕钢期间拉出热钢还，同时将铸还从弧形曲面矫直后送入中间辑道；在浇铸准备期间用于将引锭杆经二冷室导向插入结晶器中和结晶器铜管形成铸型。在连铸中，由于钢种不同，要求绕铸的速度不同，拉矫机的拉速也不同。7 切坯装置：铸坯从拉矫机中连续不断拉出，应按成品规格及后步工序的要求切成规定的长度。由于在浇注过程中进行铸坯的剪切，因此剪切机必须和铸坯保持同步进行。8 引锭装置：浇注前结晶器的下口由引锭杆的引锭头来堵住，这样在开浇时才不会使钢水漏出。在结晶器中钢水和在引锭杆上端的引锭头凝结在一起，在拉辊的牵引，使铸坯缓慢的向下运行，当引锭杆被拉出拉矫机后，引锭的

26、工作完成，此时把引锭杆脱去，进入正常拉坯状态。3 结晶器液位自动控制系统总体设计3.1 控制系统总体方案本章主要介绍结晶器液位控制系统的构成。以此为基础研究最优的结晶器液位自动控制方案。 连铸机结晶器液位控制系统的结构如图3.1，主要由三部分组成分别是：液位检测传感器、液位控制器、执行机构。不同的控制方法可以采用不同的控制策略，例如可以采用通过调节滑动水口的开度、塞棒位置或拉坯速度等多种方法来控制结晶器液位的平稳。但是这些方法的原理都是相同的的，都是通过控制进出结晶器内的液体流量平衡来达到控制目的。图3.1 结晶器液位控制系统组成示意图结晶器钢水液位控制的通常有3种方法来实现，分别为流量型、速

27、度型、混合型。流量控制与拉速控制的结晶器液位相比较：两种控制方法均适用于浇注普通炭钢或对质量要求不高的钢种。拉速控制液位虽线性的，但其速度不稳定从而影响铸坯的质量。目前在连铸现场有两种方法可以用来调节中间包到结晶器的钢液流量，一种是采用滑动水口，另一种是塞棒。这两种装置将都采用液压系统来进行驱动，这样可以提高执行机构的快速性。结晶器液位系统在一千多度的高温下检测和控制比较困难，而且像液压执行机构、阀门等元件和设备也非常的腐蚀损坏，这使得存在诸多不利因素和较多的非线性影响结晶器液位控制，数学建模也非常的困难，但是恒拉速也具有很大的优点，其对保证铸坯质量是非常稳定的。当浇注特殊钢种时应综合采用这两

28、种控制方法。因为此时连铸工艺不但要保证液位的稳定，同时也要保证拉速的稳定8。流量型液位控制方法在连铸结晶器液位控制中应用的比较多、也比较成熟，所以我们在此项目中决定采用此方法。流量控制具有两种形式：一种是改变流量是通过调节塞棒和浸入式水口之间的间隙，另外一种改变流量是通过调节滑动水口的开度来调节中包进入结晶器的流量；综合以上的方案的特点，本系统采用塞棒控制系统；主要是由液面检测、PLC、驱动器、电动缸、执行机构等设备组成，有下面几个优点7：1恒拉速、恒液面的优秀品质能够满足连铸的工艺要求：2液面稳定，可以根据生产工艺要求设定拉速，可以根据拉速调节振动与配水，使影响铸坯质量的因素均得到了有效的控

29、制，从而实现预定质量要求。控制原理总结：系统采用涡流式传感器对结晶器液位进行检测，通过涡流传感器能够检测出结晶器内钢水液位的高度信号，经前置放大器处理后，其液位高度信号被实时地传送到中央处理单元，读取液位测量值并执行线性化处理，将处理后的测量值与系统的设定值进行比较，然后，根据比较的结果，执行控制算法，给出适当的塞棒调节控制量，控制交流伺服电动缸驱动中间包塞棒执行机构，调节塞棒，改变水口开度，以实现对钢水的流量控制，保证结晶器内钢水液位稳定。3.2 结晶器液位控制难点在实际生产中，除去稳定的绕注状态外，还存在许多非稳态的干扰情况，如生产过渡、操作调节、开绕、停淺、拉速变化、水口阻塞、阻塞脱落、

30、塞棒焰损、中间包水口更换等情况，会引起显著的时变特性。目前液位控制技术面临如下问题：1 摩擦与后冲塞棒通过一个支撑臂连接在驱动装置上，这种机械连接可能包含摩擦和后冲，致使塞棒在任何情况下都无法准确定位，因此摩擦和后冲降低了受控系统的精度。2 中间包水口和塞棒中间包水口、塞棒的溶蚀，导致同样的塞棒位置，但是钢水流量不同。水口和塞棒粘上凝固钢液或钢渣以及其突然脱落，均会使塞棒特性曲线中的工作点发生突变和控制系统的特性变化。3 钢种的变化钢液在塞棒和浸入式水口间的流动状态取决于钢种的點度，因此钢种对塞棒特性曲线和受控系统特性均会产生影响。4 拉速波动的影响； 当连铸机出现异常、设备故障、连铸还出现缺

31、陷或更换中间包水口时会调整拉速，拉速的波动会产生液位波动。5 结晶器液位波动现象实际生产中发现，结晶器液位在设定值周围存在周期性的波动，即“极限环振荡”。对这种现象的解释目前还没有十分明确的理论。一般认为是连铸还在夹辑之间会产生鼓肚，又在通过夹辊时压回。铸还在夹辅之间的周期性鼓出、压回，形成铸还内液芯的振荡。6 结晶器振动为了避免铸还在结晶器内凝固并粘附于结晶器壁这种情况的发生，结晶器以一定的频率上下振动，从而影响结晶器液位的测量，结晶器液位的测量值包含结晶器振幅，因此影响了结晶器液位控制的精度。结晶器振动频率是常量或随拉速变化。7 各种操作调整对液位的影响生产操作对液位的影响主要表现在短时内

32、的拉速调节、铸还厚度和宽度调整、中间包水口更换等等。由于调节过程中改变了结晶器流量特性，从而使液位产生波动。4 系统硬件的选择 系统的硬件包括：开关按钮、控制器、涡流传感器、数码管显示器、伺服电机及其驱动装置。本章节将选择根据实际情况选择各个硬件的型号，组成最优的系统。4.1 传感器的选择（液位检测系统）在结晶器液位控制系统中液位检测器作为眼睛在整个液位控制中起着非常重要的作用整个控制系统的品质的高低一定程度上取决于液位检测系统的精度和性能总体来说安全、稳定、可靠、便于维护、耐高温、抗干扰始终都是对结晶器钢水液位检测的基本要求最好能够做到保护渣对测量的结果无影响目前结晶器钢水液位检测的方法很多

33、种例如有放射法(Co60，Cs137)、红外法、热电偶法、激光法、浮点法、电磁法、电视法和涡流法等 下面是几种有简单的常见的液位检测方法原理及特点： 1 铯源型 铯源型根据辐射穿透衰变等因素，以及吸收理论和距离因素，综合了铜管壁、导流水套及水层厚度，使制造出的的仪表能够测量射线数量，根据射线数来测量液位高度的精确。特点：信号稳定，干扰少，灵敏度高，使用维护方便，但精度不高，并且辐射对人体有害。2 红外型红外摄像机能够感知钢水液面的热信号强度，通过其处理的信号发送给主机，主机根据热信号的强度计算出液位高度。特点：抗干扰能力强，安装方便，视觉图像，但只有在不加保护渣的任何类型的连铸机上使用。3 电

34、磁式传感器安装在结晶器导流水套，感应表面和导流水的内套表面齐平；传感器发射电磁信号并接受涡流的回归，其强度与钢液表面成比例，控制器根据涡流信号强度读取液位的高度。特点：灵敏度高，信号衰减少，系统简单、可靠，其缺点是安装维修不方便。4 涡流型通电的励磁线圈产生上电磁场，将会钢水和周围导电产生涡流效应，在差动感应线圈中的两个次级线圈将会分别产生感应电势,感应电动势和线圈高度的钢液的差异是成正比关系的。涡流电磁场的分布取决于结晶器中钢水的液面高度，因此钢水液面的高度可根据感应电势差的大小测得。通过探头可以钢水液位高度转换成电信号,前置放大器通过处理转换成对应的电流信号,最后送至给处理器进行处理,就能

35、够测量精确的结晶器内的钢水液位高度,将标准4-20毫安电流信号输出PLC。 常用液面钢水检测方法的主要特性如表4.1 。内容放射性(Co60)电磁法电视法红外法涡流法测量范围5020020600按安装按安装0150精度±3±3±06±(35)±(0.51)响应时间l<o3<004<O3<O05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方圆坯大方坯板、大方坯均可均可安装位置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

36、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表4.1 常用液面钢水检测方法的主要特性(长度单位：mm，时间单位：s)近年来，对涡流式钢水液位计的实际应用飞速发展，具有反应速度快、测量精确、安全防护级别低、易于安装和维护等等。所以在这里我们使用涡流式钢水的检测方法。在本系统方案中,结晶器液位检测使用的是由世界最著名的结晶液位传感器制造商捷克VUHZ.A.S生产的液位传感器（型号为：SH7-S10）、前置放大器（型号为：SH-P）、VUHZ信号处理器（型号为：SH-E）。涡流传感器的实物图如图4.1。图4.1 VUHZ液位传感器实物世界最著名的结晶液位

37、传感器制造商捷克VUHZ.A.S的产品广泛地应用于世界各大钢厂,在中国，包钢、邯钢、湘钢、涟钢、宝钢、鞍钢、首钢京唐、唐钢等大中小型钢厂都在使用VUHZ生产的液位检测产品。VUHZ.A.S公司具有世界上最领先的科技水平，其VUHZ产品以巨大的优势突破了传统的检测系统的局限。传统的液位检测系统一般采用Co60或者浮球。Co60检测虽然精度很高，但是其具有很强的放射性，因此只有在专业人员保管下才能使用，安全性能不高。采用耐材制造的浮球会受到钢水的侵蚀，因此需要人为定期更换并进行预热，中断整个控制系统增加自动化程度，增加了操作人员的劳动强度并且降低连铸机的效率。VUHZ公司生产的涡流式电磁感应传感器

38、，测量范围是0160毫米。VUHZ传感器安装在结晶器的顶部。直接采用连铸机的一次冷却水闭环冷却作为其冷却系统，几乎不需要增加其他的设备。VUHZ传感器内部基本结构是由励磁线圈S、检测线圈L和检测线圈R组成。励磁电压采用峰峰值15V频率800HZ的信号。浇注时由于有保护渣层在钢液面上，励磁产生的电磁信号是可以穿透10mm渣层和18mm钢水。但是电磁信号是不能穿透铜板，所以在传感器的其它部位外壳使用得铜质材料。经过钢液面反射回来的电磁信号将分别在两个检测线圈上产生与钢液面的高度成相应关系的感应电动势VL和VR。电动势Ve(Ve=VL+VR)和结晶器振动的频率(fo)和振幅(Fo)信号一起作为变送器

39、的输入信号经过补偿、转换成标准的010V液位信号。图4.2 涡流传感器原理示意图该液位传感器的特点如下:1 其不受钢渣及结晶器保护渣的影响，检测到的液位信号为结晶器内钢水的实际液位。2 钢水钢种不会影响传感器的特性。3 可用于自动开浇，在线实时测量。4 使用螺栓使传感器固定在结晶器上,不需要现场操作人员操作。该液位传感器技术参数如下表4.2:表4.2 VUHZ位传感器技术参数一般测量范围距结晶器顶部边缘以下20160mm额定测量范围距结晶器顶部边缘以下60100mm最大测量范围距结晶器顶部边缘以下250mm输出信号 010V输出特性 0V=160mm; 10V=0mm。0V=50；10=100

40、线性度 ±3%测量稳定性±5mm响应时间 0.12.5s (可调)工作温度 -10100本系统使用的电磁涡流钢水液位传感器SH7-S10和SH-E型变送器具有良好的线性稳定性,测量之前只需对其进行零点标定即可保证测量钢水液位的精确性。根据上面的要求,为了尽量避免由于零点标定不准确导致的误差,在本系统中设置了自动校准功能。当中间包车行走至浇铸位并下降至浇铸高度时,在延时10s后由中间包车对应的液位控制PLC向SH-E变送器发出自动标定信号,SH-E变送器在完成标定后向液位控制PLC发送标定成功信号,完成自动校准动作,做好测量准备。4.2 执行机构的选择在结晶器液位自动控制系统

41、，执行器是一个关键的组成部分，与其他控制系统一样，系统不能正常运行的原因绝大因素在执行器。连铸结晶器液位控制系统，由于高温和恶劣的环境，条件更加严峻。对执行器的要求可表示为： 1 能适应连铸的恶劣环境，包括粉尘、高温。2 方便安装、更换和维护。3 有一个非常小的死区时间，滞后时间要小，响应迅速：4 有良好的线性关系。目前，有4种执行器方式可供选择： 1 液压执行器方式：它是快速的、线性的。外国及进口的连铸结晶器钢水液位控制系统大多数运用这种方式的。由于中间的运动，而油箱和泵等处于地面，虽然软管连接这些设备，但毕竟是不方便。为了实现位置控制，需要配备位置传感器（一般为差动变压器），大部分信号是模

42、拟量，进行数字控制必须进行需要变换，会产生误差。 2 电气交流无刷伺服电机执行装置方式：这是近几年发展起来的，兰州钢薄板坯连铸结晶器钢水液位控制系统是用这种方式。但由于减速器，这是很难实现的一种体积小，重量轻（也用低速交流电机，变频调速装置，从而消除了减速器），并电机易堵而损坏。 3 高精度气动数字缸方式:这是我国近年来发展起来的一种新的连铸结晶器钢水液位的控制执行器，这是连铸机应用了气动数字缸技术，其优点是数字量、脉冲控制、精度高、开环、不怕堵塞损坏设备，所以速度很快，没有位置测量装置，所以结构简单，易于维护。它已成功地用于板坯连铸，液位控制精度已稳定+（1 2）毫米，比国外一些发达国家的控

43、制技术还要精确。 4 低惯量交流伺服电动机方式:这是一种新技术，交流伺服技术和气体连铸动态缸技术结合共同用于连铸机构，这种方式是目前在国内许多最多的，其机构简单、安装维护方便、精度高，因此本系统中选用这种控制方式。目前，高精度气动数字缸低惯量交流伺服电机作为驱动器控制塞棒在国内许多厂家在使用。 伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，

44、和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速

45、反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。根据液位控制的要求，本系统采用日本松下公司生产的交流无刷伺服电机系统，其伺服系统的性能指标如表4.3。表4.3 伺服电机的技术参数伺服电动机（型号MSME5AZS1SOP）电机类型交流无刷伺服电机最大速度100mm/s反应速度20ms定位精度0.lmm最大驱动力6O0daN最大操作负载32Okg密闭IP65手动可行性可以位置检测反馈脉冲行程(标准)12

46、0mm最小工作温度最小工作温度-20最大工作温度70最大内部温度80重量13kg 该伺服电机驱动器（MADHT150511）是专为MSME5AZS1SOP设计的,提供驱动MSME5AZS1SOP 所必须的信号，它与系统控制器的界面为模拟和数字输入/输出。连接器XA包括主电源输入端子和控制电源输入端子，可独立；连接器XB的电机连接端子连接到伺服电机，固定接线，不可反接。（U相 红色、V相 白色、W相 黑色）；X6 接口编码器反馈信号。X4端口：I/O 控制信号端口。YL-335B接线如图4.4。图4.4 伺服驱动器YL-335B接线图4.3 CPU型号的选择和I/O资源分配 传统的控制方法是继电

47、接触器控制。这种控制系统非常的复杂，系统的可靠性会和设备的工作效率都会由于大量的硬件接线降低。可编程逻辑控制器（PLC）较好地解决了该问题，可编程逻辑控制器（PLC）是一种计算机技术、自动控制技术和通信技术相结合的新的工业自动控制设备，不仅可以实现开关信号的逻辑控制，还可以与智能设备如上位机等进行通信。因此，可编程控制器应用于多种液体混合灌装机，能满足控制要求。它具有操作简单，运行可靠，修改方便、自动化程度高的优势。由国际电工委员会（IEC）发布PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境中的应用。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时

48、、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出来控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，应易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。 PLC的一般结构如图4.5。图4.5 PLC的结构图1 中央处理单元（CPU）：和通用计算机的CPU一样，系统中PLC的CPU是其核心部件，主要是由运算器、控制器、寄存器，以及用于它们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线等构成，此外还有外围芯片和总线接口电路。CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能，如整个系统的

49、体积、容量、速度和内存等。2 存储器：存储系统软件的存储器称为系统程序存储器。应用软件的存储器称为用户程序存储器。PLC常用的存储器类型的EPROM、EEPROM、RAM等。3 I/O模块：输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。PLC的外部功能是通过I/O接口模块和外部世界之间的连接来实现的。输入模块和输出模块是PLC和I/O设备或装置之间的连接部分，起着PLC和外部设备之间传送功能。I/O模块还具I/O端子端子排和状态显示功能的，方便连接和监控。4 电源部分PLC一般使用220V的交流电源或者24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、±1

50、2V、24V等直流电源，整体式的小型PLC还提供一定容量的直流24V电源，供外部有源传感器使用。PLC所采用的开关电源输入电压范围宽（如20.428.8VDC或85264VAC）、体积小、效率高、抗干扰能力强。 5 扩展接口 扩展接口用于将扩展单元或功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。6 通信接口PLC配有多种通信接口，这些通信接口一般都具有通信处理器。PLC通过通讯接口可以与显示器、打印机、其他PLC、计算机和其他设备通信的实现通讯交流。PLC与打印机的连接，可以实现处理信息和打印系统参数；与显示器连接，可以将过程控制图像的显示；和其他PLC连接，可组成

51、多机系统或连接到网络，实现更大范围的控制。与计算机的连接，可以形成一个多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合的功能。 在本控制系统中，所需的开关量输入为7点，开关量输出为15点，考虑到系统的可扩展性和维修的方便性，选择西门子的S7-200作控制单元来控制整个系统。之所以选择这种PLC，主要考虑到S7-200系列PLC有以下特点： 1 丰富的指令系统。在S7-200系列PLC中，即使是小型机，也具有近200条指令。除能实现一般的逻辑控制外，还可进行运动控制、复杂数据处理，甚至可直接控制变频器实现电动机调速控制。而且各类PLC产品的指令系统都具有向上兼容性，便于应用程序的移植。 2 快速的CPU

52、处理速度、大程序容量。 3 网络通信功能。可直接连接调制解调器，可方便地与其他PLC或上位机连成通信网络，通过上位计算机对生产现场的PLC进行实时监控。在生产规模较大，所控制的机床达到两台以上时，可采用1：n上位链接通信方式，用一台计算机管理多台床，构成一个二级分布式集一散控制系统。 4 编程及监控功能强大、维护简单、价格适中、方便扩展。其中选用的CPU是224XP CN，其订货号：6ES7 214-2AD23-0XB8本CPU集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。22k字节

53、程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHZ),2个100KHZ的高速脉冲输出，2个RS485通讯、编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力，本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O,位控特性，自整体PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。输入地址的分配4.4：表4.4 CPU输入地址分配序号输入地址名称序号输入地址名称1I0.0系统开6I0.5塞棒手动上升2I0.1系统关7I1.0塞棒手动下降3I0.2转换开关（自动）8I1.14I0.3转换开关（手动）5I0.4测试报警装置表4.5 CPU输出

54、地址分配序号输出地址作用1Q0.0驱动数码管显示器2Q0.13Q0.24Q0.35Q0.46Q0.57Q0.68Q0.79Q1.010Q1.1选用的模拟量扩展模块是EM235 CN，其订货号：6ES7 235-0KD22-0XA8，模拟量扩展模块EM235 CN输入输出特性如表4.6。输入输出口地址分配如表4.7。 表4.6 模拟量扩展模块EM235 CN输入输出特性模拟量的输入点数4输入范围电极（单极性）010V 05V 01V 0500mV 0100mV 050mV电极（双极性）±10V ±5V ±2.5V ±1V ±500mV ±

55、;250mV ±100mV ±50mV ±25mV电流020mA数据字格式双极性全量程范围-32000+32000单极性全量程范围032000分辨率12 位A/D 转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出±10V电流输出020mA数据字格式电压-32000+32000电流032000分辨率电流电压12 位电流11 位表4.7 输入输出口地址分配序号输入地址名称1AIW4主传感器液位高度信号2AIW6主传感器温度信号3AIW8备用传感器液位高度信号4AIW10备用传感器温度信号选用数字量扩展模块EM222数字量输出模块配置信息如表4.8。EM2

56、22数字量输出模块地址分配如表4.9。表4.8 EM222输出模块配置信息EM222数字量输出模板订货号DC输出6ES7 222-1BD22-0XA0物理尺寸外形尺寸（宽x高x深）重量46x80x62120g输出特点输出点数额定电压电压范围逻辑1（最小）逻辑0（最大）424 VDC20.428.8 VDC20 VDC0.2 VDC表4.9 EM222数字量输出模块地址分配序号输出地址作用1Q0.0数码管显示器驱动2Q0.1驱动器脉冲信号3Q0.2驱动器方向信号4Q0.35Q0.4上限报警6Q0.5下线报警7Q0.68Q0.74.4 开关按钮 本系统使用到两种开关器件，一种是控制按钮，一种是转换开关。控制按钮简称按钮，是一种结构简