（检测技术与自动化装置专业论文）杭钢转炉3＃连铸机二冷动态配水控制系统开发.pdf

查韭垄鲎堡主兰堡丝查 塑墨 杭钢转炉3 连铸机二冷动态配水控制系统开发 摘要 连铸二冷区是指从连铸机结晶器出口到拉矫机的长度内设置的一个喷水冷却 区。铸坯从结晶器出来后，内部还是液心，需要在二冷区继续冷却，使铸坯完全 凝固，二次冷却的好坏直接影响到铸机产量和铸坯质量。当其他工艺条件一定时， 二冷强度增加，可提高拉速，从而提高了铸机生产率：而二次冷却强度又与铸坯 缺陷密切相关。因此必须对铸坯二次冷却过程进行实时控制，使得铸坯表面温度 分布均匀，克服冷却不均匀、温度回升大而造成的铸坯缺陷。 目前常用的二次冷却控制方法主要分为静态配水和动态配水。其中，静态配 水中最具代表性的是按水表配水，而动态配水则根据钢种、断面、拉速、中间包 中钢水温度等诸多因素对各段水量迸行实时控制。显然动态配水法考虑的因素更 全面，因此如果控制得当，控制效果要比静态配水更好。 本文首先从控制系统的角度出发，编制了连铸二冷动态配水的控制程序，然 后再利用数学模型和现场调试实验，对杭钢转炉3 # 连铸机二冷配水系统进行了改 进。具体结论如下： 1 通过现场长时间的连续运行，实践证明二冷动态配水的控制程序是可靠的， 实现了预期的控制要求。控制系统的稳定运行给下一步的配水系数调整提供了前 提。 2 原来杭钢转炉3 # 连铸机使用的配水方案是水表法，而且拉速变化频繁导致 水量变化频繁，存在着不合理性。二冷区冷却强度过大且水量波动频繁，导致二 冷区内冷却不均匀，温度回升大引起凝固前沿的张应力超过了钢的高温允许强度 和临界应变，使得铸坯表面和中心之间就会出现中间裂纹等质量缺陷。 3 现在杭钢转炉3 # 连铸机二冷配水系统采用动态配水，从数学模型出发，找 到最佳的二冷配水系数世，、k ：、k ；、丘。再根据二冷配水系数，得到合理的二 冷水量：q = 足，矿2 + k ：矿+ 如+ 墨f ( a t ) ，式中矿为滤波处理后的拉坯速度。最 后再通过现场铸坯质量分析，得到最优的二冷配水系数运用于生产过程中。 关键词连铸二冷配水动态控制 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t d y n a m i c c o n t r o lo f s e c o n d a r yc o o l i n gw a t e r i nt h e n o 3c o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n eo f h a n g z h o u s t e e lp l a n t a b s t r a c t t h es e c o n d a r yc o o l i n gz o n ei sas p r a y i n gw a t e rz o n ef r o mt h ee x i to fm o l dt ot h e d r a w i n g m a c m n ei nc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e w h e nt h eb i l l e tc o m e so u to f t h em o l d ， t h es u r f a c eo ft h eb i l l e ti ss o l i d ，b u tt h ei n n e ro ft h eb i l l e ti s n o ts o l i dc o m p l e t e l y b e c a u s ei ti s l i q u i di nt h ei n n e r , t h eb i l l e t h a st oc o n t i n u ec o o l i n gi nt h es e c o n d a r y c o o l i n gz o n e t h eb e n e f i to fs e c o n d a r yc o o l i n gi sd i r e c t l yc o n t e c t e dw i mt h eq u a n t i t y o fb i l l e ta n dt h eq u a l i t yo fb i l l e t w h e nt h es e c o n d a r yc o o l i n gi ss t r o n g e r ，t h ec a s t i n g s p e e di s m u c hi m p r o v e d t h e r e f o r e ，t h ep r o d u c t i v i t yi si m p r o v i n go b v i o u s l y b u tt h e s e c o n d a r yc o o l i n gw a t e ra f f e c t s t ot h ed e f e c to ft h eb i l l e t w eh a v et oc o n t r o lt h e s e c o n d a r yc o o l i n gw 剐时i n o r d e rt op r o d u c tt h eg o o db i l l e t s t a t i cc o n t r o la n dd y n a m i cc o n t r o la r et w ow a y si n c o n t r o l l i n gs e c o n d a r yw a t e r n o w a d a y s t h ew a y o fw a t e rt a b l ei st y p i c a li nm a n ys t a t i cc o n t r o l l i n gw a y s t h e nt h e d y n a m i cw a y sc o n t r o ls e c o n d a r yc o o l i n gw a t e rb yk i n d ，s e c t i o n ，t e m p e r a t u r ea n d v e l o c i t ya n d s oo n ，o b v i o u s l yd y n a m i cc o n 拄o li sb e t t e rt h a ns m i l ec o n t r 0 1 i nt h i sd i s s e r t a t i o nia m e n dt h e s y s t e m o f s e c o n d a r yc o o l i n g w a t e r u s i n g m a t h e m a t i cm o d e la n dl o c a lt e s t t h e r ea r em yc o n c l u s i o n s ： 1 t h ed y n a m i c c o n t r o l l i n gs y s t e mi ss t a b l eb e c a u s e i th a sa l r e a d yb e e nu s e df o ra l o n gt i m e a tt h es a m et i m e ，w ec a l la m e n d t h ec o e f f i c i e n to f k l 、k 2 、如、k 4 t o i m p r o v e t h eq u a l i t yo f b i l l e ti no u rd y n a m i c c o n t r o l l i n gs y s t e m 2 t h eo r i g i n a lc o n t r o l l i n gs y s t e mi sn o ti nr e a s o n i ns e c o f l d a l yc o o l i n gz o n e ，t h e i n t e n s i t yo fc o o l i n gw a t e r i st o os t r o n ga n dt h ef l u c t u a t i o ni s v e r yf r e q u e n t t h e nt h e e f f e c to fc o o l i n gw a t e ri sn o te q u a l t e n s i l es t r e s si nt h ef r o n to fc o n c r e t i o ni sb i g g e r t h a ng r a n ti n t e n s i t ya n dc r i t i c a ls t r e s s t h e r ea r eal o to fm i d d l ec r a c k sb e t w e e nt h e s u r f a c ea n dm i d d l e 3 t h ed y n a m i cc o n t r o li su s e dt ot a k et h ep l a c eo f t h e o r i g i n a lc o n t r o l l i n gs y s t e m t h ec o e f f i c i e n to fk 1 、k 2 、k ，、k 4i sf o u n da c c o r d i n gt oo p t i m u mc a l c u l a t i o n ，t h e n w ec a r lc a l c u l a t et h ea m o u n to f s e c o n d a r yc o o l i n g w a t e r a c c o r d i n g t o i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t o = k l 矿2 + k 2 矿+ k 3 + 世4 f ( a t ) i nt h i sf o r m u l a ，矿i s f i l t e r e d v e l o c i t y i n t h e e n d ，t h ec o e f f i c i e n to fk l 、k 2 、k 3 、k 4 i s o p t i m i z e da c c o r d i n gt oa n a l y s i s o f d i a g r a m sf o rm a c r o s t r u c t u r e k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ，s e c o n d a r yc o o l i n gw a t e r ，d y n a m i cc o n t r o l i v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论 文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得其他学 位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名： p 象绳 e t期：州哗，- 名 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 连铸的发展概况 1 1 1 连铸发展的历史和现状 连铸技术是一项把液体金属经一组特殊的冷却和支撑装置连续地浇铸成一定 断面形状的铸坯的工艺。它的出现从根本上改变了一个世纪以来占统治地位的钢 锭一初轧工艺。1 9 3 3 年，连铸的先驱者德国人j u n g h a n 建成了第一台1 7 0 0 吨月 立式带振动结晶器的连铸机。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。1 9 4 3 年，j u n g h a t l 在德国建成了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。5 0 年代，连铸技术进入工业应用阶段。6 0 年代，弧形连铸机n 1 的出现使连铸技术在世界范围内得到推广。7 d 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，从而促进了连铸的发展。 1 9 6 4 年，全世界仅有8 0 多台连铸机，总生产率为7 0 0 万吨年，连铸比仅为5 6 ， 而到1 9 9 6 年全世界生产的连铸坯达到5 7 6 8 9 万吨，年，连铸比已达到7 7 6 ，近 年来，主要产钢国家由于经济不景气，钢产量基本保持不变，在7 5 亿吨左右， 可连铸比不仅没有衰退，反而发展更快。1 9 9 9 年全世界生产的连铸坯达到6 6 2 2 8 6 万吨，连铸比己达到8 4 4 。其中，日本、德国、法国等一些工业发达国家的连 铸生产发展较快。近年来世界上许多炼钢厂相继以全连铸生产取代模铸生产，到 1 9 9 4 年实现全连铸的国家已达“个。 1 1 2 连铸技术的优越性n 连铸生产得以如此迅速的发展，主要是它与传统的模铸相比有着不可比拟 的优势： 1 投资和操作费用可节省4 0 ： 2 占地面积可减少5 0 ； 3 设备费用可降低7 0 ； 4 耐材消耗可降低1 5 ： 一1 一 东北大学硕士学位论丈 第一章绪论 5 成材率可提高6 1 0 ； 6 产量可提高1 0 ； 7 吨钢能耗可降低1 0 4 6 7 0 0 k j ； 8 可实现高度的自动化和质量控制。 1 1 3 我国连铸技术的发展 中国是世界上开发和应用连铸技术较早的国家之一，早在1 9 5 8 年我国就建成 了第一台连铸机组，但此后相当长的一段时间处于停滞状态。进入6 0 年代，中国 连铸技术尤其是在弧形连铸方面曾掀起一股高潮。但由于缺乏和国外的交流，不 能及时有效地借鉴国外的先进技术，使得我国的连铸技术水平与国外的距离明显 拉开。从7 0 年代后期一些企业开始引进国外技术和设备，我国的连铸生产呈现出 快速、稳步的增长势头。1 9 7 8 年我国的连铸坯产量仅为1 1 2 7 万吨，连铸比仅为 3 5 5 。8 0 年代中后期，我国的连铸技术有了迅猛的发展。1 9 9 0 年，连铸坯产量 达到1 4 8 0 7 3 万吨，连铸比为2 2 3 ；1 9 9 4 年，连铸坯产量升至3 8 8 5 0 3 万吨， 连铸比提高至4 0 3 ；到1 9 9 7 年，连铸坯产量已达6 6 0 6 万吨，连铸比为6 0 6 5 。 从1 9 9 0 年起，连铸坯增产成为中国钢产量增长的主要推动力。2 0 0 1 年我国连铸 坯产量为1 3 8 2 0 万吨，连铸比达到9 2 8 0 ，其中有9 9 家企业实现了全连铸。2 0 0 2 年我国生产钢材1 8 1 5 5 万吨，连铸坯产量达到1 6 8 8 5 万吨，连铸比达到9 3 ，超 过世界平均先进水平8 8 5 个百分点。 1 1 4 连铸自动化技术的发展状况 随着工业自动化技术的发展和连铸工艺的不断提高，连铸的自动化技术得到 了迅速的发展，目前已经由局部的继电器逻辑控制和传统的模拟控制仪表发展到 大规模的d c s 集散控制系统或p l c 控制，电气传动则采用交流调速和矢量控制 技术，这种基础自动化是用新的控制策略实现高级综合控制的系统，从而为提高 系统的控制的品质提供了很大的便利和灵活性。在连铸过程检测和控制自动化中， 可充分利用d c s 或p l c 系统连续p i d 控制和顺序逻辑控制及可进行较为复杂的 运算等特点，实现复杂的方式切换、连锁、自适应、动态补偿等。现在又新增加 专家控制系统等新技术，即d i c s 口1 ，使现在连铸过程的控制更加完善。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如中间包和结晶器液位控制、二冷水控制 等的动态控制模型”1 。 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 由于连铸生产过程的复杂性，传统的p i d 控制系统不能实现满意的控制效果， 因此国内外一些控制专家已经将诸如自适应控制、预测控制、h 。控制、模糊专 家系统、神经元网络等智能控制方法用到连铸生产的各个控制环节中，并且较好 地解决了各环节之间的耦合控制及整个过程的优化和故障诊断与处理等问题。这 些检测和控制项目充分利用控制理论、计算机技术、网络技术方面的最新技术和 成果，对改善铸坯的质量、提高浇铸速度，指导生产，节能和降低运行费用等方 面都具有很重要的意义。 1 2 连铸二冷控制技术的发展 二次冷却的强度和方式十分重要，将直接影响着铸坯的质量和连铸机的生产 率”1 。控制技术有下面几种方式： 1 人工配水：开浇前根据钢种设定二冷水总水量和各冷却段的水量。浇注过 程之中水量不变，或由操作人员观察铸坯表面温度后作适当的调整。 2 比例控制：采用比水量的方法，即根据q = k v ( v 为拉速，k 为系数) 确 定各冷却段的水量，调节阀门使冷却水量与拉速适应。 3 参数控制：根据钢种，按q = a v 2 + b v + c 进行配水。预先设定好a 、b 、c 参数，拉速改变时，二冷水量随之改变。当拉速急剧变化时，水量也随之急剧变 化，造成铸坯表面温度的显著波动。 4 目标表面温度动态控制”1 ：考虑钢种、拉速及浇注状态，由二冷配水控制 数学模型每隔一段时间计算一次铸坯的表面温度，并与考虑了二冷配水原则所预 先设定的目标表面温度进行比较，根据差值来调整该二冷段的水量，以使得铸坯 的表面温度与目标表面温度相吻合。但由于二冷段测温环境极为恶劣，很难获得 可靠的实际铸坯表面温度，而使得该控制方式的应用受到很大限制。 5 计算机动态控制方式：一种“在线”模拟器依据传热数学模型计算出铸坯 内部和表面温度，并根据计算温度和目标温度确定最佳配水量。该方式包括了大 量的计算，需要较长的计算时间。在高拉速条件下，可能会因此带来冷却效果的 偏差。动态控制法o ”在俄罗斯拉阿赫兹克钢厂和日本k a s h i m a 钢厂2 # 连铸机得 到应用。 6 英国d a v y 开发的组元一寿元一时间1 8 ( e l e m e n t - l i f e t i m e ) 计算机动 态方式( 简称d a v y e l t 方式) ：根据预设数据和实时数据来计算最佳二冷水量， 其目的在于将稳定态和非稳定态拉速条件下的铸坯温度保持在预设温度范围以 内。 一3 一 蔓! ! 苎兰墨主兰堡垒墨 苎二兰竺堡 h _ _ - - _ - _ _ _ - - _ ，- - - - 一 一 1 3 连铸二冷动态配水的重要性 连铸过程其实质是凝固传热过程四1 ，也就是钢水通过水冷结晶器和二次喷淋 冷却区把钢液热量带走，从而使之变为固体的过程。带有液芯的铸坯从结晶器出 来进入二次冷却区，冷却水直接喷在铸坯上进一步冷却和完成全部凝固任务。因 此，连铸坯质量在很大程度上决定于二次冷却强度、冷却水的分配与控制、冷却 方式、二冷区设备的水平 i 0 o 二冷配水直接影响着铸坯的质量。铸坯的内部裂纹、 表面裂纹、铸坯鼓肚、铸坯菱变等缺陷均由不合理的二冷造成。由此可见，二冷 对于生产出质量合格的连铸坯具有重大的意义。 连铸的表面缺陷主要为纵裂纹、横裂纹、角横裂等。为了获得表面无缺陷连 铸坯，目前可采用合适的连铸保护渣，合适的连铸拉速，合适的水i ：i 结构，合适 的结晶器振动参数，合适的一次冷却和二次冷却制度等n 。 连铸坯的内部缺陷主要为内裂、中心偏析和中心疏松。为了防止连铸坯产生 内部缺陷，目前可采用合适的钢水过热度，合适的连铸拉速，合适的二次冷却技 术；采用轻压下列技术，连续弯曲和连续矫直技术等，严格控制板坯连铸机的 开口度，准确对弧1 。 二次冷却条件直接影响铸坯质量的好坏。众所周知，固体和液体界面上的冷 却条件严重影响液固两相区微观组织的生长，弱的二次冷却能够减少c 偏析4 1 和改善晶合格组织。生产过程中，根据不同的钢种、不同断面选择合适的冷却曲 线便可实现二次冷却配水的合理控制。 近年来，连铸二冷控制技术在国内外得到了很大发展。过去，二次冷却控制 是研究较少的个重要问题，国内许多厂家仍然采用传统的手工调节或仪表调节， 而没有以有效的铸坯表面温度闭环控制为基础的冷却水量控制方法z 1 5 。目前常用 的冷却水动态控制方法，虽然因为采用温度计算值而避免了铸坯表面温度测量误 差的影响，但铸坯温度计算值与实际值之间毕竟有很大差异。实际上先进控制方 法在二冷水系统的应用研究还很不深入，还没有采用参数辨识的方法建立系统模 型或用自适应控制、神经元网络和遗传算法等智能方法进行二次冷却系统的建模 与控制的研究。 在连铸技术发展的过程中，提高铸坯质量，生产优质无缺陷铸坯一直是连铸 工作者的理想。在最近的几十年中，人们用多种先进技术来改进生产连铸坯的工 艺，其中包括改善铸坯表面和内在质量，提高生产效率等方面的过程仿真技术。 二次冷却与连铸机产量和铸坯质量密切相关。因此，连铸二冷控制技术近年来倍 受关注。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 本文的主要内容、研究目的和意义 本文研究的内容是以杭钢转炉3 # 连铸机二冷配水系统为研究对象，建立数学 模型来计算从结晶器到二冷区末端连铸坯的温度场，通过对传热仿真模型分析， 对二冷配水制度进行优化，并重新编制p l c 配水程序和上位机人机画面来实现了 上述功能。 由于杭钢转炉3 # 连铸机原来的配水控制系统系统存在不合理性。在二冷区， 二冷水量大，冷却强度过大且水量波动频繁，导致二冷区内冷却不均匀，温度回 升太。当施加到凝固前沿的张应力超过钢的高温允许强度和临界应变时，铸坯表 面和中心之间就会出现中间裂纹等铸坯缺陷。本文对二冷配水制度的优化是按照 二次曲线配水的基础之上考虑过热度的影响，根据模型确定合理的系数，把过热 度作为前馈控制引入二冷控制中，这一前馈的加入对生产过程中出钢温度波动较 大，且中间包钢水温度又没有加热设备的条件下不可避免的波动能起到很好的补 偿作用。实验结果表明，这种前馈反馈控制系统，既能克服由于过热度波动对铸 坯表面温度的影响，又能使反馈调节弱化其他次要扰动的影响，从而达到提高铸 坯质量的目的。 具体研究的内容如下： 1 不同过热度、不同冷却强度条件下，沿铸机长度方向上铸坯表面温度、坯 壳厚度的变化规律； 、 2 通过对杭钢动态配水数学模型的计算，得到优化后的配水系数； 3 重新编制杭诵转炉3 # 连铸机动态配水程序和上位枫界面，并现场实际调 试和运行； 4 通过低倍分析得到不同钢种条件下过热度、拉速等因素对铸坯质量影响 规律。 5 一 东北大学硕士学位论文 第二章抗钢二冷配水控制系统概况 第二章杭钢二冷配水控制系统概况 2 1 杭钢3 # 铸机的二冷控制系统现状 杭钢转炉3 # 连铸机为1 台4 机4 流链式引锭杆全弧形连铸机，铸机半径r ：6 m ， 流间距1 2 0 0 m m ，设计拉速1 6 m m i n ，结晶器铜管长度8 0 0 m m ，浇铸断面为1 5 0 m m 1 5 0 m m 。原有的二冷配水控制系统在硬件结构上与铸机的其它设备控制系统分 离，独立成系统。 铸坯冷却过程由一冷控制和二冷控制两部分构成，连铸坯由结晶器“出生” 后，即经过一次冷却形成的初生坯壳进入半径为6 m 的扇形辊道所组成的二冷区， 然后进入拉矫机矫直。根据3 # 连铸机的生产工艺和铸坯质量的要求，结合铸机冶 金长度和二冷水控制的要求，把二冷区段分为4 段，即足辊段、一段、二段和三 段，但目前第三段没有使用。现场的二冷水控制工艺流程见图2 ! ： 图2 1 二冷水控制工艺流程图 f i g 2 1c r a f t w o r k f l o w c h a r t o f s c c o n d a y c o o l i n g w a t e r - 6 一 东北大学硕士学位论文 第二章杭钢二冷配水控制系统概况 二冷水的喷嘴安装在扇形辊道的四周，一流各段的长度和喷嘴数量见表2 1 。 表2 1二冷区各段长度和喷嘴数量 t a b l e2 1t h el e n g t ho f e a c hs e g m e n ta n d t h eq u a n t i t yo f n o z z l ei ns e c o n d a r yc o o l i n gz o n e 根据冷却水在二冷区整个长度上的分配要与铸坯凝固相适应的原则，而且铸 坯的坯壳厚度占是随着时间r 的平方根而增加“，即占= 足r ，其中f = s v ， 1 式中s 为结晶器液面n - 冷区某一点的长度，v 为拉速。从而可得：q 。c ， 4 s v 二冷水控制中水量的大小应该与钢种、断面、钢水温度、拉坯速度等因素有关。 对于钢种、断面已知的浇铸过程，杭钢的二冷控制采用了水表法，即将速度 0 5 m m i n 到2 6 m m i n 按照0 1 m m i n 的步长增加的同时各段的水量也相应的增 加。表2 2 反映了水表的一部分。但由于速度的频繁变化对各段水量的波动影响 很大，从而造成了水量的不稳定，因此导致了二冷区内冷却不均匀7 1 ，就会导致 铸坯表面温度呈现周期性的回升，凝固前沿的张应力超过钢的高温允许强度和临 界应变时，铸坯表面和中心之间就会出现中间裂纹。 表2 21 5 0 1 5 0 断面的普碳钢水表的一部分 t a b l e2 2t h ep a n o f w a t e r t a b l e o f c o a l m o nc a r b o ns t e e l w i t h1 5 0 + 1 5 0s e c t i o n 拉速普碳钢( 低碳低硅钢) 水量( t h ) q 1q 2q 3q 4 7 一 东北大学硕士学位论文第二章杭钢二冷配水控制系统概况 铸坯质量的影响因素很多，有拉速、钢水过热度、二冷强度、钢水成份、电 磁搅拌等等“”。原系统的水表方法只是简单的考虑了拉速阶梯变化对水量的影 响，并不能动态的反映拉速与水量的关系，而且又没有考虑钢水温度的影响，所 以这种方法无法实现准确有效的铸坯表面温度闭环控制。为此，本文在对二次冷 却进行建模研究的基础上给出了一个温度串级控制系统引，其中流量控制为副回 路，由控制器、电动调节阀等组成，铸坯表面温度为主回路，由铸坯表面温度模 型、水流量设定值、钢水温度前馈量等组成，此模型经过p l c 编程在杭钢得到实 现，取得了良好的效果。 2 2 控制系统硬件构成 系统框图见图2 2 。两台研华工控机作为上位机。1 台计算机作为操作站放在 主操作室，供操作人员监视系统运行状态，在线进行各种生产数据设定；另l 台作 为工程师站放在主电室，主要供工程师人员对系统控制功能的修改和系统的维护。 两台工控机通过g e 工业以太网与两台g ef a n u c 公司的g e 9 0 3 0 p l c 实现信息交换。 该网络支持标准的t c p i p 以太网协议，传输速率为1 0 m b s 。 2 台g e 9 0 3 0 p l c 之间进行热备冗余，同时和3 台v e r s a m a x 远程i o 通过 g e n i u s 总线连接起来。v e r s a m a x n i u 采集现场的数字量和模拟量信号，其本身不 具备处理数据的能力，必须通过g e n i u s 总线传递给p l c ，同时将p l c 的输出量 送给现场的被控设备。 图2 2 双冗余控制系统的结构图 f i g 2 2 t h es t r u c t u r a ld i a g r a mo f r e d t m d a n tc o n t r o ls y s t e m 一8 一 东北大学硕士学位论文 第二章杭钢二冷配水控制系统概况 p l c 的硬件配置框图见图2 3 。以下是g e 9 0 3 0 p l c 选用的c p u 和一些模板 的性能简介： 1 i c 6 9 3 c p u 3 6 0 ： 新的c p u 3 6 0 除了具有c p u 3 5 0 的所有功能外，采用8 0 3 8 6 c p u ，具有很强 的运算功能，内存可达到2 4 0 k ，可运行更大的程序，除此以外，它也支持浮点运 算功能和s o e 功能，数字量输入输出点可分别达到2 0 4 8 ，模拟量输入输出字可 分别达到8 k ，寄存器字可达1 6 k ，内部存储点可达4 0 9 6 。 2 i c 6 9 3 b e m 3 3 1 系列9 0 3 0 p l cg e n u s 总线控制器i c 6 9 3 b e m 3 3 1 是一个接口模块，用于 g e n i u sy o 串行总线和9 0 3 0 p l c 之间的接口。g b c 模块可发送和接收1 2 8 个字 节带控制数据，同g e n i u s 总线上多达3 1 个装置进行数据交换。 3 i c 6 9 3 c m m 3 2 i i c 6 9 3 c m m 3 2 1 以太网卡为单槽模块，直接插在9 0 3 0 机架上，为9 0 3 0 p l c 和t c p f l p 计算机以太网通讯提供了硬件接口及t c p i p 协议驱动软件。该卡内部 为3 8 6 e xi n t e l 处理器，设有复位按钮用于初始化。 一 l 一 型 cg_ o b uc q 1 厂 弋 e t h e m e ti n t e r f a c e 图2 3p l c 的硬件配置框图 f i g 2 3p l ch a r d w a r ec o n f i g u r a t i o nd i a g r a m 4 模拟量输入模块i c 2 0 0 a l g 2 6 0 i c 2 0 0 a l g 2 6 0 是安装在v e r s a m a xi 0 上的模拟量输入模块，提供了一个1 2 位的8 路电流和电压接口。可以通过跳线j m p i 和j m p 2 来选择电压或电流操作和 电压范围，分辨率为4 u a 。 5 模拟量输出模块i c 2 0 0 a l g 3 2 0 i c 2 0 0 a l g 3 2 0 是安装在v e r s a m a xi o 上的模拟量输出模块，提供了一个1 2 位4 路、4 - - 2 0 m a 电流输出。具有一定的过电流范围，大约每个通道最大可提供 2 0 3 8 m a 的输出电流用于驱动输出负载，分辨率为4 u a 。 一9 一 东北大学硕士学位论文 第二章杭4 日- - - - 冷配水控制系统概况 2 3 控制系统软件构成 p l c 控制级编程软件v e r s a p r o 编程软件包，具有很强的编程和组态的能力，操 作界面清晰直观，易于掌握，同时能对p l c 主机架组态。目前以提供了对梯形图、 指令表和c 语言编程方式的支持，可见v e r s a p r o 将成为g ef a u c ep l c 的主要编程软 件。同时使用r e m o t ei om a n a g e r 软件对v e r s a m a xi o 站进行组态，选择网络接 口单元( n i u ) 选项卡，并选择i og e n i u sn i u 。最后将正确的配置下载到v e r s a m a x i 0 站里。 上位机监控软件选用了目前工业自动化领域中较为常用的美国g ef a n u c 公司 的c i m p l i c i t y 监控软件，这是一种基于p c 机的监控组态软件，用户可以利用它提 供的各种功能，在操作站上对生产工业过程的运行参数和状态进行集中监控，包 括参数的设置、报警，报表的打印等过程。该公司针对不同的工业控制环境开发 了不同的软件版本，其主要产品有：c i m p l i c i t yh m ip l a n te d i t i o n 、c i m p l i c i t y m a c h i n ee d i t i o n 及b u n d l e ds o l u t i o n 。不同的版本各有特点，但它们提供的用户 接口均类似，且各个版本提供的实用工具都是通用的，所以仅以p l a n te d i t i o n 为 例分析c i m p l i c i t y 组态软件的结构及特点，其结构如图2 4 所示。 lp 。i n tc 。n t r o lp a n e l 图2 4c l m p l i c i t yh m ip l a n te d i t o n 结构不意图 f i g 2 4c o n f i g u r a t i o n a ls k e t c hm a p o f c l m p l i c i t yh m ip l a n te d i t o n w o r k b e n c h 是一个集成开发环境，它将被监视系统的所有资源以类似w i n d o w s 资源管理器的形式组织起来，负责管理资源配置和运行，在功能上相当于一个实 时数据库。在这里，用户需要配置端口，指定设备驱动并设定相应的点( p o i n t ) 信 息以封装通信数据。c i m p l i c i t y 重要功能之一的代码编辑器也在这里启动，用户 用它可以编制与调试自己的程序。程序运行时，c i m p l i c i t y 将加载必要的线程， 一1 0 一 一 东北大学硕士学位论文 第二章杭钢二冷配水控制系统概况 启动设备驱动，打开通信端e t ，最后建立通信连接。 c i m e d i t c i m v i e w 实现了图画功能。它提供了一些基本图形，如直线、矩形、 折线等，用户可以绘制一些简单的图形。它有一个元件库，里面提供了包括仪表、 油罐、指示灯等常用的工业自动控制元件，用以简化用户作图。此外c i m e d i t c i m v i e w 还支持微软m e t a f i l e 图形文件格式，a u t o c a d ，p o w e r p o i n t ，v i s i o ， c o r e d r a w 等的图形可以插入c i m p l i c i t y 中，并可被拆组和动态连接。 2 4 系统涉及的关键技术 2 4 1m a x - o n 冗余技术 m a x - o n 冗余有三种不同的方式，分别为m a x o nl i t e 、m a x o ns t a n d a r d 和 m a x o ne x t e n d e d 。同步数据在两个p l c 之间进行传递，但最多只能有6 组同步数 据，每组同步数据都有起始地址和数据长度组成，表2 3 列出了每组最大的长度。 表2 3 同步数据 t a b l e2 3 s y n c h r o n i z i n g d a t a c a t a l o g n u m b e r d e s c r i p t i o nr e g i s t e r sd i s c r e t eo u t p u t si n t e r n a lc o i l sa n a l o go u t p u t s m a x o nl i t e 和m a x o ns t a n d a r d 能采用g e n i u s 网进行数据同步，同步时间 相对较长，大约为1 2 5 3 0 秒。m a x o ne x t e n d e d 可选择g e n i u s 网进行数据同 步，也可用以太网模块进行数据同步，同步时间相对较短，大约为0 5 3 秒。 m a x o n 冗余软件只能安装在英文操作系统下，同时要注意当我们选择p l c 冗余时，上位机的组态软件c i m p l i c i t y 必须选择冗余协议，否则上位机将不能正 常和p l c 进行通讯，v e r s a m a xn i u 的n e t w o r k 选项卡中c p ur e d u n d a n c y 中的n o n e 改为h o ts t a n d b y ，然后再将配置下载到v e r s a m a x 站中。 2 4 2g e n i u s 网络总线技术规范 东北大学硕士学住论文 第二章杭钢二冷配水控制系统概况 g e n i u s 总线网是g ef a n u c 最具有特色的p l c 网络通信方式。它是一种可用 于多个自动控制系统之间或自动控制系统与分散的现场i 0 设备之间进行实时 数据高速传输的现场总线。图2 5 反映了g e n i u s 总线网中各站的联接。 它采用i e e e 8 0 2 4 通信协议，属于令牌总线网络，各网上设备通过优化的“令 牌传递”方式进行对等通信；支持屏蔽双绞线、光纤两种通信介质；网络通信速 率最高为1 5 3 6 k b p s ；在采用屏蔽双绞线时，最大通信距离可达2 2 8 0 米：每个网 络最多支持3 2 台设备。 g e n i u s 网络总线技术规范”：采用逻辑令牌环协议控制通讯介质的分配使 用，每个站设备有唯一的站地址( s b a ) ：从0 到3 1 每个站获得令牌后，可发送1 2 8 个字节的数据，可实现p l c 与p l c 之间、p l c 与分散i o 之间的通讯。使用双绞 线，不加中继器，总线最长可达2 3 公里。总线上最多可有3 2 个站设备使用调频 信号调制方式( f s k ) ，常用波特率为1 5 3 6 k b p s 、7 8 6 k b p s 、3 8 4 k b p s ，可使用光 纤增强抗干扰能力和增加传输距离。 d e v l c e 3 o n t h e 日u s ：, ：四鼎删，a 4 3 3 0 ：3 i o 图2 5g e n i u s 总线网中各站的联接 f i g 2 5 t h el i n ko f d e v i c e s0 1 1t h eg e n i u sb u s g e n i u s 网中各个通信站的接线方法是：将各个站上的1 # 线、2 # 线接线端子一 一对应连接起来，依次将前一个站的“屏蔽线o u t ”接到下一个站的“屏蔽线i n ” 上，第1 个站的“屏蔽线i n ”不接线，最后一个站的“屏蔽线o u t ”不接线， 各站的接线方法见下图2 6 。 0 一 工置 d 一 9赳 刊l咄工_r 咄7 图2 6 各站的接线方法 f i g 2 6 t h el i n km e t h o do f d e v i c e s 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章杭钢二冷配水控制系统概况 当两个p l c 通过g e n i u s 网热备冗余时，根据上电时启动的先后顺序来决定 两个p l c 的主从关系，即先启动的为p l c 主，后启动的为从p l c 。当主p l c 出 现故障时，将自动切换到从p l c 上，将控制权交给从p l c ，从而实现了控制的可 靠性和稳定性。 2 4 3 现场仪表信号的引入 现场的供电是相互独立的，9 0 3 0 p l c 和v e r s a m a x 的2 2 0 伏交流电源都是通 过空气开关独立提供的。而且相关模块的2 4 伏直流电源也是通过空气开关独立提 供的。本系统包括了4 2 0 m a 输入的模拟量信号9 0 多个，1 6 个4 2 0 m a 输出的 模拟量信号和9 个开关量输出声音报警。模拟量输入信号又有无源和有源之分。 有源信号的输入和无源信号的输入在模块按法上是不同的。图2 7 表示了有源信 号是如何引入到p l c 的输入模块的。图2 8 表示了无源信号是如何引入到p l c 的 输入模块的。 l + p l c 输入通道一 4 2 0 m a + 现场信号一 图2 7 有源信号的引入 f i g 2 7 t h e i m p o r t o f a c t i v es i g n a l 图2 8 无源信号的引入 f i g 2 8 t h e i m p o r t o fi n a c t i v es i g n a l 东北大学硕士学位论文 第三章二冷传热模型的研究 第三章二冷传热模型的研究 3 1 传热学概述乜 按照热力学第二定律，凡是有温差的地方，就有热量自发地从高温物体向低 温物体转移。这是由于温度差引起的热量转移过程统称为热量传输，或称为传热。 传热有三种基本方式，即导热、对流和热辐射 2 2 , 2 3 o 实际上，工程中的许多 传热现象，常常是由这几种基本方式共同作用的结果。 3 1 1 导热 导热又称热传导，它是指物体内不同温度的各部分之间或不同温度的物体相 接触时发生的传热现象。从微观角度看，导热是依靠物体中的分子、原子或自由 电子等微观粒子的热运动而进行的能量转移过程。 3 1 2 对流 对流是指流体各部分之间发生相对位移而引起的传热现象。流体流过与其温 度不同的物体表面时所发生的传热过程，称为对流给热。对流给热的完成一方面 是依靠流体分子热运动产生的导热作用，另一方面是由于流体流动产生的对流作 用。因此，影响对流给热的因素有流体的流动情况、流速、密度、粘度、比热和 导热系数等。 对流给热过程中流体的流动按其发生的原因可分为：强制流动和自然流动。 强制流动是由于外力作用引起的流动；自然流动是由于流体各部分温度不同，致 使各部分密度不同而引起的流动。相应于这两种流动的对流给热分别称为强制对 流给热和自然对流给热。 3 1 3 辐射 物体间相互辐射和吸收的综合结果形成了热量由高温物体向低温物体的传 递，这种通过物体间相互辐射和吸收进行的热量传递过程称为辐射换热。在计算 物体表面之间的辐射换热时必须考虑物体表面的温度、表面状况、以及物体表面 之间的几何因素等问题。对于同时存在对流给热和辐射换热的情况，工程上为计 一1 4 查! 坠兰塑主兰堡芝查 苎三主三垒堡垫堡型塑堑窒 算方便，常把辐射换热量的计算，用对流给热公式表示。 3 2 铸坯凝固传热的特点