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密级: 公开 NANCHANG UNIVERSITY学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR(20132017年)题 目 基于S7-200PLC的连铸结晶器液位控制 学 院: 信息工程 系 自动化 专业班级: 测控技术与仪器131班 学生姓名: 虞梦溪 学号: 5801213022 指导教师: 张宇 职称: 讲师 起讫日期: 2017年3月至2017年6月 摘要南 昌 大 学学士学位论文原创性申明本人郑重申明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期:学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密,在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。(请在以上相应方框内打“”)作者签名: 日期:导师签名: 日期:摘要基于S7-200PLC的连铸结晶器液位控制专业:测控技术与仪器 学号:580213022学生姓名:虞梦溪 指导教师:张宇摘要在自动化技术高速发展的今天,连铸技术的开发与应用逐步成为衡量一个国家钢铁工业发展水平的标志,而结晶器液位控制系统是连铸生产环节中的关键的一步,其控制精度对提高钢坯质量和生产效率有重要意义,连铸技术对结晶器液位控制的要求也越发严格。因此,提高连铸工艺结晶器液位控制系统的液位控制精度,对提高钢坯的产量和质量有重要意义。本文就连铸结晶器液位控制系统,分析了连铸生产的基本工艺并设计出液面控制的基本方案。采用涡流传感器测量钢水液位,用伺服电机带动塞棒作为控制执行机构控制结晶器开度。本文设计出基于 SIMATIC S7-200 PLC 的液位控制系统,利用STEP 7 Micro/Win程序编写液位控制算法,并用WinCC工控组态软件,设计出一套该对象的运行监控界面。关键词:PLC;连铸;结晶器液位控制;电涡流传感器;WinCCAbstractLevel Control System of Continuous Casting Mould Based on the S7-200 PLCAbstractIn modern continuous casting production, the reliability of continuous casting technology and the quality of billet are getting more and more rigorous, and the crystallization mould level control system is a very important part of continuous casting system, so the requirements of mould level control accuracy are increasingly high. Therefore, it is of great economic significance and social benefit to improve the quality and yield of casting billet by studying the control method of mould level.In this paper, the basic process of the continuous casting production and the basic plan of the control of the liquid level are analyzed. Using eddy current sensor to measure the liquid level of molten steel and using the servo motor to drive the opening of the stopper to realize the intelligent control of the mould level. This paper designs a liquid level control system based on SIMATIC S7-200 PLC, liquid level control algorithm of STEP 7 Micro/Win program is written, and using the WinCC configuration software design a set of the object operation monitoring interface real-time monitoring the whole process.Keywords: PLC;Continuous casting;mold level control;eddy current sensor;WinCC目录目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1连铸技术的发展及现状11.2连铸工艺的简介11.3结晶器液位控制的重要性及趋势2第二章 S7-200结晶器液位控制系统设计52.1液位控制系统方案52.2液位检测系统方案62.3 S7-200的液位控制算法10第三章 S7-200液位控制系统建模及仿真123.1液位控制系统的模型123.2液位控制系统设计和PI参数整定13第四章 S7-200结晶器液位控制系统的工程实现164.1 S7-200控 制器介绍164.2 STEP7-Micro/Win软件设计184.3控制系统程序流程图214.4 WinCC软件和 监 控 界 面设计21第五章 结束语255.1总结255.2 展望25参考文献26致谢28 第一章 绪论第一章 绪论1.1连铸技术的发展及现状连铸即为连续铸钢,是指钢水连续地通过结晶器,凝成硬块后从结晶器下面拉出,喷水将其冷却凝固之后,再剪切成钢坯的铸造工艺。它属于连接炼钢和轧钢的中间环节,是钢铁铸造行业中的关键步骤。英国人Henry Bessemer在1556年提出连续铸造的概念,1930年后连铸技术开始用于有色金属如铜铝的生产行业。连铸技术自其产生开始,就一直在不断地发展。连铸技术的萌芽在19世纪中期就产生了,但限于当时的科技水平,连铸技术并没有很大的发展。随着时间的推移、科技的发展、新理论的提出为连铸技术的发展提供了很好的发展空间,公认的现代连铸技术产生是连铸之父德国人容汉斯发明立式连铸设备,这是世界上第一台现代连铸设备,它采用了结晶器振动系统。此后,容汉斯又改进了连铸设备,为连铸技术的发展做出了伟大贡献。到了20世纪50年代,连铸技术更加成熟,在工业应用方面更是蓬勃发展。随着科技不断发展,计算机技术、传感器技术等不断地发展,连铸技术越发成熟,不仅可以对有色金属及普通钢材进行连铸,也可以对特种钢等生产难度高的钢材进行连铸。21世纪以来,连铸技术朝着高效率、智能化、高精度的方向发展,只要是工业化国家都会大量运用此技术,通过采用结晶器及其冷却方法、液位控制技术、液面检测技术等技术,为企业的技术进步和经济利益带来巨大的提升。连铸技术的应用成为衡量一个国家钢铁行业发展的重要标准。连铸控制系统的模型应用成为近年来国内外研究的热点。1.2连铸工艺的简介连铸工艺过程主要是由精炼炉将转炉生产出的钢水精炼后,根据需求生产出形状、类型不同的钢坯。主要包括回转机、中间包、结晶器、拉矫机等设备。其主要流程是,将装有钢水的钢包转运到回转台,回转台转至浇注位置时,同时结晶器中的液位达到指定高度,开启中间包的滑动水口,钢水流入结晶器,在结晶器中凝固成型。钢材在结晶器振动装置的作用下,脱离结晶器,拉矫机将钢材拉出,这时钢材已经冷却。最后,由切割设备将钢材切成钢坯并输送至存放地。连铸机有立式连铸机、立弯式连铸机、弧形连铸机等机型,其中弧形连铸机2第一章 绪论使用的最多。图1-1是弧形连铸机的构造示意图:图1-1 连铸机结构示意图盛钢桶(大包):存储钢水,将钢水运输至连铸机。中间包:接受来自大包的钢水,将钢水送入结晶器中。中间包有减压、稳流、除渣、贮钢和分流等作用。塞棒:一般是耐火材料制成的棒子,主要作用是控制中间包的水口开度。通过电动缸来控制上下。结晶器:用强制水冷的方式将钢水凝固成均匀有一定厚度的坯壳,坯壳的抗拉强度足够才能够由拉矫机拉出,而不会发生漏钢。结晶器是连铸机的核心部件。振动装置:利用振动分离凝固的铸坯和结晶器铜管,防止二者粘结,避免钢材拉裂或拉漏。二次冷却装置:直接喷水或用气水冷却使结晶器中部分凝固的钢坯快速凝固拉矫机:将钢材从结晶器中拉出,并进行矫直,还有传送钢材的作用。切割机:将铸坯切割成钢坯的装置。1.3结晶器液位控制的重要性及趋势1.3.1中间包冶金技术的重要性中间包是位于钢包与结晶器中间的装置,其主要作用包含:(1) 减小钢水的静压力,稳定注流;(2) 帮助钢渣向上漂浮,净化钢水;(3) 存储钢液。目前中间包冶金技术不断发展深入,连铸生产线得到改善,满足工业要求。钢水从中间包注入结晶器,中间包内钢水液位的高度值与中间包水口的形状以及34第一章 绪论破损将会直接影响钢水注入结晶器的流速,从而影响结晶器液位的保持。此外,中间包内壁在高温钢水的侵蚀下容易脱落,可能堵塞水口,影响液位的稳定状态。1.3.2结晶器液位控制系统的重要性结晶器是连铸机中最重要的部分之一,是连铸机的“心脏”,控制结晶器液位的稳定是连铸生产的最基本要求,稳定的结晶器液位控制要能够避免漏钢和溢钢等生产事故,为了能够获得质量良好的铸坯就要尽可能保持结晶器中钢水液位的稳定。保持钢水液位的稳定是液位控制水平的重要标志。我们研究如何控制结晶器的液位是为了在生产中能够做到以下几个方面:结晶器的液位控制系统由液位检测系统、执行机构、控制系统等部分构成。结晶器是连铸机中最主要的构成之一,是连铸机的“心脏”,保持结晶器液位稳定是连铸生产的最基本要求,良好的结晶器液位控制要能够避免漏钢和溢钢等生产事故,为了能够获得质量良好的铸坯就要尽可能保持结晶器中钢水液位的稳定。保持钢水液位的稳定是液位控制水平的重要衡量标准。我们研究如何将结晶器液位保持稳定是为了在生产中能够做到以下几点:1、保持生产过程稳定,规避漏钢、溢钢等问题;2、保证生产产品的质量,要过滤杂质,防止缺陷;3、确保钢液凝结成厚度统一均匀的坯壳;4、减少操作人员的劳动。连铸生产过程中,生产操作的稳定是首要要求,其次是保持液位的稳定,这是连铸控制水平的衡量标准,以提高铸坯生产出来的质量。结晶器液位控制技术能够尽量避免出现漏钢、溢钢现象,防止结晶器保护渣及其液面上的夹杂物卷入铸坯,在铸坯的表面以及内部出现条痕裂纹等成品缺陷。连铸过程中,结晶器的液面波动会直接影响钢坯生产出来的质量,波动主要原因有:结晶器中钢液的流速变化,钢水碰撞交融引起液面的波动,水口出口高速流股在结晶器中引起的振荡波动,结晶器钢水液面上的气泡在上升过程中往往会造成一定量的扰动波动。其中,钢水流速是导致液面波动的重要因素。如何通过控制钢液的流动速度来保持液面的稳定,是连铸钢坯生产线的研究核心。除了控制器这个核心部分,液位控制策略也决定了控制效果,液位控制策略经过了几十年地发展,目前已经正在应用或即将应用的控制策略有预测控制、模糊控制、PID控制等,其中传统的PID控制策略只有在特定的工艺条件下才能实现有效的控制,系统的鲁棒性差,因此出现了能够提高系统稳定性的基于PID控制的控制策略。但还是没有能够解决液位控制的问题,而且控制策略和被控对象的参数关系紧密,很难通用化。预测控制与现存的PID控制相比,有较高的精度,液位很稳定而且没有稳态误差,能够实现无稳态偏差调节和跟踪;采用预测控制能够显著地提高系统稳定性;它能够获得更好的控制效果。总而言之,结晶器液位控制系统涉及多个领域,有一定地复杂性,它作为连铸机的核心,它的性能决定了产品的质量,因此尤为重要。在未来,结晶器液位控制系统自动化程度会更高、智能化程度会更强,而且能够适应更多材料的生产,这是一个大的趋势。第二章 S7-200结晶器液位控制系统的设计第二章 S7-200结晶器液位控制系统设计2.1液位控制系统方案2.1.1液位控制原理结晶器液位控制系统的构成有:液位检测模块、执行模块和控制模块。由于车间环境恶劣,要求控制器有较高的稳定性和抗干扰能力,因此本设计采用西门子系列的PLC。系 统 采用 涡 流 式 传感器检 测 结 晶 器 液位,采 集完液位数据后,经由传感器调理电路转换成电流信号,再传送到PLC的CPU中进行线性化处理,然后程 序将实际值与系 统设 定值进行比 较,并得到测量值与设定值之间的差值,然后将此差值进行PID算法运算,输 出合 适的控 制 量,电动 缸 根据得到的指 令驱 动中间 包 塞棒 上下 工作,改变中 间 包 水 口开 度,从而实现结晶器的液位控制。上述方案如图2-1:图2-1 液位控制系统方案2.1.2液位控制系统的控 制 器在一个完整的控 制 系统中,控 制 器 是最为 关 键的一步,要想做到整个系统的正常运行就要有一个高性能、功能强的控制器。由于连铸结 晶 器 处于环境恶 劣的连铸车 间,因此,我们需要一个能适应恶劣环境、稳定性好PLC作为控 制 器。目前世界上使用广泛的PLC品牌有西门子、三菱、欧姆龙等,其中西门子PLC占绝对统治地位,为了能与西门子的监考软件WinCC进行匹配通信,本系统设计选用西门子的S7-200系列PLC 作为控制器。2.1.3液位控制系统的执行机构执行机构由控制器控制,考 虑 到 连铸车间的生产环 境和条件,现选出4种执行器 方式作为选择参考:(1)液压 执 行 器 方式。用位置传感器实现控制,速 度 快、稳 定度 高、线 性 好,数字控制时,需要将模拟量转换为数字量,精度较低。(2)电气交流 无刷伺 服电机执行 装置方式。因为该装置配备有减 速 机设备,大大增加了它的重量 ,体积也因此加大,导致其电动机负载过大而容 易损坏。(3)高 精 度 气动 数字 缸 方式。将机床的气动数字 缸 技术应用于连铸技术,具有便于保护设备、全数字化控制、响应快、脉冲控制、精度高等优点,由于是开环控制,没有测量位置的装置,因此速度快,构造简单。(4)低惯量 交流无刷伺服电动 缸 方式。将气动 缸 技术和交流伺服技术结合起来应用于连续铸造工艺,由于该方式结构简单、便于后期维修人员操作,在国内得到广泛应用。根 据本设计系 统的需 求,我们选用数字 电动 缸 为本系统的执 行 器。2.2液位检测系统方案液位检测器是液位控制系统中的核心部件,其测量精度和稳定性会影响整个系统的性能标准。因此,我们在选择检测器时要考虑到稳定性、安全性、抗干扰能力等方面。下面就几种常用的液面检测方式通过图表形式进行比较:表2-1 常见液位检测方法比较内容涡流法电磁法电视法放射法红外法测量范围015020600按安装50200按安装精度(0.51)363(35)响应时间0.050.30.0410.3安全性高高高辐射污染高液位测量钢水面钢水面渣面渣面半渣面可靠性易维护中维护易维护中维护易维护维护方式可在线停产可在线停产可在线应用范围均可大方坯板、大方坯板、小方坯均可安装范围结晶器外结晶器上结晶器外结晶器内结晶器外安装难易易较易易较难易操作要求简单较难简单简单简单投资中高中较低中运行成本中高较低高较低投资回收中中中高较易由上表可看出,电涡流 式检测在响应速度、精度性、耐干扰性、安装维护等方面优势明显。因此本系统设计选用电涡流传感器进行钢水液位的检测。2.2.1电涡流传感器电涡流传感器利用电涡流效应,将线圈探头到钢水液面这种属于非电量的位移量转换为阻抗来测量非电量。如图2-2所示,有一块已知电导率、磁导率、厚度、温度等参数的金属导体板。在其上方x处有一个通有交流电源I1的传感器线圈,线圈半径r且通有交变电流i1,由于电流的变化,根据“电生磁”原理,线圈周围产生了交变磁场H1,金属导体板处于这个交变磁场中,导体板内产生了电涡流i2,电涡流又产生了磁场H2,但H2的方向和H1相反,因此会抵消一部分原磁场,从而导致线圈的阻抗、电感量等都发生了改变。这些变化不仅和激励电流大小有关,也和导体板的各个参数有关,还和线圈和导体板的距离有关。图2-2 电涡流效应示意图2.2.2液位检测系统的电源模块为了保证液位检测系统能够正常工作,必须为其提供幅值不变的、可靠的电源,根据系统的需求,我们设计了包括5V,15V,24V 三种幅值的电源和对应的数字-模拟隔离电路的电源模块。电源模块电路主要由以下几部分组成:整流电路是将工频交流电路转化为具有直流成分的脉冲直流电;滤波电路是将脉冲直流中的交流成分滤除;稳压电路是对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。各个稳压管用相应变压器降压输出,通过典型的4001桥式二极管整流电路实现AC-DC转换,即把交流电转换为有直流成分的脉动直流电,经过能够“阻交流,通直流”的RC滤波电路实现滤波,最后由稳压管稳定直流电压作为电源输出.电源模块设计框图如图2-3所示。图2-3 电源模块设计框图2.2.3电涡流传感器线圈激励信号电路设计根据电涡流传感器的工作原理,传感器探头与钢水液面之间的距离值的大小随钢水液面高度变化,所测距离的变化导致涡流效应改变,从而改变涡流的输入信号。这个基于电涡流效应的输出信号是一个非线性信号模型,因此要在实际显示和控制过程中做线性化处理。下面就具体设计思路作简要描述。首先,根据电涡流传感器的工作原理,线圈只有感应到线圈励磁信号才能探测涡流信号。采用50KHz时钟发生器产生50KHz的方波信号,用MFB式二阶带通滤波器将方波信号进行滤波,得到可用且同频率的正弦信号,再用全波整流电路实现正弦信号和直流信号的转换,然后采用D/A芯片MAX543进行数值幅值调制,最后获得50KHz正弦信号作为正弦激励提供给传感器线圈。图2-4 激励信号的产生电路2.2.4检测信号调理电路设计当涡流信号没有产生时,输出激励和输出是正弦信号,它们频率相同、幅值较小。当涡流现象产生时,其输出会存在差值,为了获得较好的测量信号特性,我们把这个差值作为测量信号。采用典型仪用放大器AD620对信号s1、s2进行差分放大。AD620采用了经典三运放结构,能够有效减少共模信号干扰,而且它适用于传感器微弱信号的前置放大。同时为了确保AD620有较宽的线性区以及获得精确、线性度好的放大信号,要采用15V电源供电。得到微弱的差分测量信号后,利用TL084放大电路把测量信号进一步放大。为了滤除放大时进入的噪声我们用有源二阶带通滤波电路将其滤除。去除噪声之后的信号进行整流处理,正弦信号变换为直流信号,直流信号经过滤波及缓冲阻抗匹配,最后输入ADC812图2-5 信号调理过程图2.2.5检测信号数据采集和通信电路检测信号的数据需要一个专门的芯片来完成数据的A/D转换、采集、通信及相应控制功能。为此,我们选用AD公司生产的ADC812来完成以上功能。ADC812(如图2.6所示)简介: ADC812是一个完全集成的12位数据采集系统,在一个芯片内结合了高性能的自校准多通道12位ADC,双12位DAC和可编程8位微控制器(与8051兼容的指令集)。片内的8K字节闪速/电擦除存储器、640字节片内闪速/电擦除数据存储器和256字节的片内数据静态存储器,均由可编程8051兼容内核控制。另外微控制器具有包括看门狗定时器、电源监视器和ADC DMA功能,为多处理器接口和I/O扩展提供了32条可编程的I/O 线、 兼容的SPI和标准UART串行口I/O 等。微控制器内核和模拟转换器二者均有正常、空闲和掉电三种模式,有适于低功率应用的灵活电源管理方案。在工业温度范围内,有3V 和5V 两种规格电压工作器件可供选择。这个部分要能够实现以下功能:(1)采集、线性化标定传感器调理输出信号并输出显示。(2)片上I/O口提供数字信号给MAX543,获得励磁信号的幅值,经过调理输出50KHz的传感器激励信号。(3)采用ADC812片上DA转换器,将液位测量值与温度测量值转化为模拟电压输出,经TL084电压跟随,调整阻抗匹配,至XTR115提供420mA标准线性DDZIII型电流输出接口。(4)为测量信号提供通信接口,经收发器MAX487后与PLC进行通信。2.3 S7-200的液位控制算法结晶器液位控制系统是一个典型的串级控制系统,但目前研究的重点是外环的液位控制。在研究前沿,外环控制器中使用了很多先进智能控制方法,然而在当前实际应用中,基于比例、积分的外环液位控制设计仍然占有很大的比例。有研究表明,塞棒液压伺服内环串联一个比例控制器,同时抵消滑动水口流量非线性的PI加非线性串联补偿方法效果最好。预测液位控制、非线性串联补偿、主副回路自校正PID控制、模糊液位控制、自适应液位控制等算法是目前常见的几种液位控制算法。为了满足生产要求,同时考虑经济性、实用性,这里采用带死区的PI控制算法。随 着智能控 制理论研究和应用的发 展,智能型PID自整定控制器对 于复 杂的控制对象可以进行良好的控 制。PID是控制过程中应用最广泛的控制规律,由比例、积分、微分三部分组成。给定值与反馈值之间的偏差et=spt-Pv(t)作为 控制输入,其中sp(t)是给定 设定值,Pv(t)为反 馈值。为了使系统获得良好的闭环控制性能,可以调整比例P、积分I、微分D的参数。PID控制器的输 入 输 出关系式为:Mt=KCe+1TI0te dt+TDdedt+Minitial即控制器输出=比例项+积分项+微分项+初始值,M(t)是控制器的输出,是回路输出的初始值;是PID回路的增益,和分别是积分时间常数和微分时间常数。在实际应用中,基于比例、积分的外环液位控制设计仍然比较常见。为了满足生产要求,同时考虑经济性、实用性,本设计采用带死区的PI控制算法。比例(P)和积分(I)通常一起使用,成为比例积分(PI)控制器。为了减小稳态误差,在控制器中加入积分项,积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加而增大,这样,即使误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差减小,直至等于零,从而使系统在进入稳态后无稳态误差。PI调节 较PID调节缺少了D参数,D是微分项,其目的是用来抑制突然的扰动而设计的,一般做PID控制时很少用到。主要原因是:1、现场控制设备很少存在突然的扰动,在很多场合,系统的变化不会出现真实的突跳。2、如果加上微分控制,在现场反而会放大现场的干扰,容易引起系统振荡。另外,PID控制算法对于具有较大滞后特性对象的控制效果不能令人满意,而是采用PI控制器。第三章 S7-200液位控制系统建模及仿真第三章 S7-200液位控制系统建模及仿真3.1液位控制系统的模型我们依靠数学模型来精确地描述被控过程本身的动态特性。数学模型是对所研究生产过程和对象的主要关系、特性的数学抽象和概括。被控制过程的数学模型描述了有输入进入被控过程后,被控过程的状态和输出量随输入变化的数学函数关系,常用传递函数表示。为了能够对结晶器液位控制系统进行仿真,我们需要建立数学模型,这个模型能够精确地描述整个被控过程。假设连铸机处于稳态,不存在拉速突变、中间包更换、塞棒损坏等干扰。仿真框图如图3-1所示,图3-1 液位控制仿真图由仿真框图可知,控制器根据信号测量值和 液 位设定值的偏差输出信号U,执行机构将信号U转变成塞棒的控制信号Xt ,塞棒流量的特 征 按 照Xt 转换成水口流入结晶器的流量Qin ,最后根据结晶器本 身特性将液位信号输出,液位传感器采集液位信号并将该信号反馈到控制器,只要设定值和测量值之间的偏差超过一定的大小,系统就会一直调节直到偏差减小到可接受的范围,从而实现液位控制。(1)伺服电动 缸系统模型该系统理想的数学模型是典型的二阶动态系统,模型与电流环时间常数、电机时间常数等有关,在这里我们可以把它简化成一阶惯性环节:Gds=k1T1S+1(2)塞棒流量特性模型因 为塞棒位置到结晶器中钢水流入量之间存在延迟,浸入式水口流量的变 化造成该延迟特 性,所 以我们用一个惯性环节来代 替:Gss=k2T2S+1(3)结晶器模型结 晶 器的液位是由输出 流量、输入 流量和增益三者共 同 确定的一个很典型的积分环节,它们的关系是:Y=QI-QOAM其 中由于结 晶 器 延 时特别短,所以用一阶 惯性环节表 示:Gjs=k3T3S+1其中:k3为结晶器截面积AM的倒数。(4)电涡流传感器模型使用最 小二乘 法的建 模 方 法,可以同时 辨识 传感器的数学模 型的阶次和系 数,并 且 模 型误差小,编程通 用性比较高。利用函数连接型神经网络进行建模,与BP网络相比算法较为简单,建模精度高,有良好的鲁棒性。这里把传感器模型简化为一阶惯性环节:Gcs=k4T4S+1结合上述几个模型的函数模型,可以得出液位控制的开环传递函数。3.2液位控制系统设计和PI参数整定3.2.1液位控制系统模型仿真根据之前对结 晶 器 液位 控 制系 统数学模 型的假设和分析,利 用现场采 集的数据进 行辨识后获 得到以下的表达式:(1)伺服电动 缸模型:G1s=10.25s+1(2)塞棒流量模型:G2s=0.50.8s+1(3)结晶器模型:G3s=10.25s+1e-5s(4)电涡流传感器模型:G4s=10.58s+1式中,s表示拉氏变换算子。根据以上式子建立MATLAB仿真框图:图3-2 PID控制仿真框图3.2.2控制系统仿真和PID参数整定PI控制器采用Simulink的封装形式,初次取Kp=2,Ki =0,然后再按照仿真效果进行认为不断的修改参数,直至仿真效果最好为止,通过改变比例、积分的值就可以得到多种不同的响应曲线。1、取 比例值Kp=2、Ki=0的仿真效果如下。由图中可以看出,这是典型的二阶响应曲线,而不是一节惯性曲线,因此仅仅用P算法无法满足设计要求。图3-3 P控制仿真图像2、取KP=0.8、Ki=0.01的仿真曲线基本满足要求,调整时间Ts略长,上升时 间偏长,考 虑 到经济性实 用性,此仿真达 到设计目的。图3-4 PI控制仿真图像结论如下:比例调 节作用及 时但有稳 态 误 差,Kp越小,过度过程越稳 定,但稳态 误差越大。积分部分与误差对时间的积分成正比,积分控制作用可以消除余差,但是控制没有比例控制及时。当Ti越大,积分作用越弱,过度过程越平缓,减小稳态误差越慢。第四章 S7-200结晶器液位控制系统的工程实现第四章 S7-200结 晶 器 液位 控 制系 统的工程实 现4.1 S7-200控 制器介绍考 虑 到系 统需求、经济性、可靠性等因 素,我们选用CPU226的PLC作为结 晶 器 液位的控 制 器。4.1.1 S7-200PLC简介S7-200属于小型PLC,不仅可以单机运行,也可以和其它PLC组成复杂的控制系统。随着控制系统的发展,PLC需要更大的容量,因此不断有功能更强大的PLC产生。S7-200系列通信功能强大,可以直接读写模拟量I/O模块,编程简单,人机界面丰富,方便人为操作。 PLC采 用可编程的存 储器,执行 逻辑 运算、顺序 控制、定 时、计 数和算 术运 算等 操 作的指 令 都是存储在可编程的存 储器中,目前工业生产中很多机械或生产过程都是使用PLC通过数字式、模拟式的输入和输出来控制。PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。PLC有以下特点: 编程方法简单易学; 功能强大,性价比高; 硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强; 抗干扰能力强,可靠性高; 系统的设计、安装、调试简便; 维修方便、快捷; 体积小,能耗低。PLC已经广泛地应用在很多工业生产中,随着其性能价格比的不断提高,PLC的应用范围不断扩大,主要有以下几个方面;数字 量 逻 辑 控 制:在PLC没有产生之前,工业控制中的逻辑控制、顺序控制、定时控制等都是用继电器来完成的。PLC 中直接 使 用“与”“或”“非”等指令控制触点串并联。运动控 制:目前生产的 PLC 基本上都有运动控制的功能,它能够对速度、直线、圆周运动的位置等进行控制,也可以对单轴、多轴的位置进行控 制。闭 环 过 程 控 制:是指对压 力、液 位、温 度等 模 拟 量的闭 环 控 制,PLC 可以利用模拟量模块实现闭环的 PID 控制。S7-200 可以用 PID 指令实现 PID 闭环控制。加热炉、热处理、锅炉等设备中就有很多应用了闭环控制,在化工、机械、冶金、电力等领域闭环控制也有广泛应用。数据处理:PLC 有数据采集、分析、处理的功能,这是因为PLC能够进行数学运算、转换、传送等功能。通信联网:PLC 的通信不仅包括两个或多个 PLC 之间的通信、主机和远程 I/O之间的通信也涉及 PLC 和其他设备的通信等。PLC 能用通信功能组成分布式的系统。PLC采取的是一种周而复始的循环工作方式,我们称之为扫描工作方式。在PLC通电后,就会对硬件、软件进行初始化,初始化后的PLC不断处理各阶段的不同任务。PLC的扫描过程如图4.1所示。图4.1 PLC扫描过程本设计中使用的PLC为CPU226的S7-200PLC,它总共有40个I/O口,其中有24个数字量输入I/O口、16个数字量输出I/O口。最多可以扩展7个模块、有16KB的用户程序存储区、10KB的数据存储区、掉电保持时间为100小时、两个RS-485通信接口等。4.1.2实现的功能不断开发和改进结晶器液位控制系统,是为了保证生产出质量良好的钢坯。液位检测模块检测信号经过处理后传送到PLC中,经过PLC数据处理后输出控制信号,并把液位检测的结果显示在上位机。系统在以下状况时将会有声、光信号报警:(1)液位达到上限;(2)液位达到下限;(3)传感器温度过高;(4)传感器信号消失。除此之外,本系统有以下三种模式:(1)手动模式:选择“手动”位置时,系统进入手动控制状态,即由操作人员来直接操作。(2)点 动 模式:选择“点 动”位置时,在此 模 式下,有“ 点 动升”“ 点 动降”,通常是从来测试设备是否正常。(3)自动模式:选择“自动”位置时,系统根据测量值和设定值的偏差大小来确定塞棒调节的幅度大小,完全自动调节,无需人工干预。为了得到一个安全、高效的系统,我们还将设置自动允许、急停、液位设定、液位显示、传感器校准等功能。4.1.3 I/O口分配根据以上控制要求,我们把PLC的地址分配,如下表4-1。表4-1 I/O口 分配表编号地址说明注释1I0.0输入信号自动方式2I0.1输入信号手动方式3I0.2输入信号点动方式4I0.3输入信号点动升5I0.4输入信号点动降6Q0.0脉冲输出口脉冲数量7Q0.1输出信号高位报警8Q0.2输出信号低位报警9AIW0模拟量输入信号液位传感器值4.2 STEP7-Micro/Win软件设计4.2.1 STEP7-Micro/WIN介绍STEP7-Micro/WIN是西 门 子专为SIMATIC S7-200 系 列 设计开发的编 程 软件。它拥有强大的设计功能,且编程语言简单易学,使用者可以用梯形图、语句表或功能块来进行程序的编写,而且各个语法形式可进行相互切换,方便快捷。STEP7主要是以一个主程序为主体结构,通过子程序和中断程序的调用来实现其他多种功能。图 4-2为软件界面:图4-1 STEP7-Micro/WIN软件界面4.2.2 STEP7-Micro/WIN软件程序设计结晶器液位控制系统的PLC程序包括了主程序、子程序、中断程序等,其中主程序中包括了控制应用的指令,PLC将在每个扫描周期内执行这些程序;子程序是可选的程序单元,只有调用它时才会执行,使用子程序可以缩短程序的长度,可以缩短程序扫描的时间,并且它是可传递的,简单方便;中断程序也是一个可选的程序单元,当有特定的中断事件发生且允许中断时,PLC将会执行中断程序。除了这三个主要的部分,PLC的程序中通常还包含了系统块、数据块等组件。在前文中我们介绍了本系统采用了单回路的PID闭环控制,PID控制是液位控制中自动控制模式中最重要的部分之一,PLC的CPU接收了前置放大器的信号后,就是根据PID控制算法及程序设置来输出控制信号。PID控制器根据设定值和测量值的偏差使用PID算法计算出控制器的输出信号,执行机构接收信号去改变控制对象的状态。它是一种闭环负反馈控制,能够抑制扰动,使被控对象在系统要求的范围内变化。S7-200PLC的CPU最多能够支持8个PID控制回路,本设计只需要用一个PID控制回路。计算机化的PID控制算法有增益、积分时间常数、微分时间常数、采样时间等几个关键参数。这部分PID的程序结构图如下:图4-2 PID主程序框图图4-3 PID子程序框图图4-4 中断程序框图4.3控制系统程序流程图结晶器液位控制系统的控制流程图,根据设计要求控制流程图如图4-6所示:图4-5 液位控制系统流程图4.4 WinCC软件和 监 控 界 面设计4.4.1Win CC 组 态 监 控 软 件 介绍WinCC是西门子公司推出的人机接口系统,其功 能 强大,可应用于过程 通信和过程可 视 化。WinCC可与S7系列PLC实现通信连接,操作人员可以在WinCC建立相应的控制系统组态,得到的实时数据和图像会直观的在电脑界面中显示出来,同时操作人员可以在STEP7中编写程序对相应参数进行调试和修改,大大提高了工作效率。Win CC主要性能特点:(1)编辑灵活,由简单任务扩展到复杂任务;(2)基本功能扩展方便;(3)组态过程简易,并支持多语言切换。(4)有强大的标准接口,方便和其他程序交换数据;(5)使用方便的脚本语言;(6)组态过程比较简单,可以多种语言切换;(7)提供主要PLC的通讯通道以及DDE、OPC等非特定控制器的通信通道。除了以上列举的一些性能特点之外,WinCC还有其他的性能特点,在这里不作赘述。在本文前文有介绍,我们使用的PLC有一个通信电缆接口供上位机使用。WinCC有良好的开放性、灵活性。WinCC可以方便地和其他软件进行通信,它能够通过ActiveX,OPC,SQL等标准接口通信。WinCC与S7-200系列PLC的通信,可以采用PPI和Profibus两种通信协议之一进行。为了保证监控的实时性,我们选用Profibus协议进行通信,使用这个协议通信,对软硬件有一定的要求,需要的软硬件有PC机,Windows 98操作系统,S7-200 PLC,CP5412板卡,EM277 Profibus DP模块,Profibus 电缆及接头,安装CP5412板卡的驱动,安装WinCC 4.0,安装COM Profibus软件。4.4.2 WinCC监控界面设计 建立一个WinCC组态监控界面有严格的步骤:(1)启动WinCC并建立一个项目。(2)建立WinCC和PLC的通信连接。(3)定义监控变量。以上步骤必须按照顺序严格执行,这是后续组态的基础,接下来创建和编辑画面,完成数 据 记 录。下面就使用监控主界面的步骤进行简单阐述。首先运行软件,出现主界面。在“塞棒系统主显示区”内,可以显示和设定结晶器液位的真实值。上位机程序调用Prodave 库函数,然后与 PLC 通信后得到实时的“测量液位值” ,以500ms为采集周期,并且不断地变化更新。“设置液位值”是用户对液位的期望值,当监控程序和PLC 连接上后,用户输入完液位的期望值,按监控界面上的“确定”按键,该值被传送到PLC 的存储区,实行 PID控制电机并驱动塞棒上下运动改变水口开度,将液位稳定在“设定液位值”左右,从而达到用户的控制要求。 根据控制系统的控制要求以及WinCC项目的一般习惯,我们建立“起始画面”、“过程画面”、“趋势画面”和“报警画面”。这几个画面可以切换,显示界面上能够显示系统时间。各画面如下:图4-6 起始画面图4-7过程画面图4-8趋势画面图4-9WinCC监控界面第五章 结束语第五章 结束语5.1总结本文设计的连铸 结 晶 器 液 位 控 制 系统因其在钢铁铸造环节有着至关重要的作用,其液位控制的精 度直接影响到钢坯的生产质 量和生产效率,因此设计出一套智能化的高精度结 晶 器 液位 控 制系统能够大幅提高钢铁产业的生产 效率、降低 生产 成 本。本文对钢铁连铸过程中结 晶 器 液位 控 制 系统进行了详细的阐述,该系统是 基于 S7-200 P L C 的液 位 控 制系统,以电涡流传感器为主的检测模块检测钢水液位、使用S7-200PLC 控制、用 STEP-Micro/WIN 软件编写程序、用组态软件 WinCC 设计生产过程的监控界面,并且介绍了连续铸钢生产工艺和 控 制 系统所要用到的软件 介绍等。5.2 展望由于本人学识有限,而且结晶器的液位控制有一定的复杂性,故本设计还有提高、改进的空间。对于连铸 结 晶 器 控 制 系统过程中的各个参 数 设置只能通过 常规的 控 制 方 法 来实现,而对于实际 生 产 过程中遇到的一些不可 抗 因 素 而产生的误差就无法很好的补偿。从这些方面来看,自动化 控 制 技 术 还存在很多需要改进的地方。相信随 着 智 能 控 制 技 术的发展,连铸机 结 晶 器 液位的控 制 技 术 一 定会更加成 熟,走向智 能 化 发 展的道 路。参考文献参考文献1 刘利云. 连铸机液位监控软件的开发D. 南昌大学, 2006. 2 柳林林. 连铸机结晶器液位控制系统的设计D. 南昌大学, 2006. 3 付岩岩. 连铸机结晶器液位控制系统的设计与开发D. 东北大学, 2012.4 孔金满, 周懿. 连铸结晶器检测控制技术的新发展J. 鞍钢技术, 1997(11):1-8.5 徐丽, 马成玲, 刘帅,等. 液位PID控制系统的设计J. 电子测试, 2011(6):94-97.6 曾喜娟, 庄其仁, 吴

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