（检测技术与自动化装置专业论文）组态软件在动态二冷配水系统中的应用.pdf

东北大学硕士学位论文 中文摘要 组态软件在动态二冷配水系统中的应用 摘要 本文所作的上位机监控界筒为动态二冷配水系统服务，在小方坯涟铸机的现 场搭建调试平台并投入运行。通过在杭钢转炉3 # 涟铸梳控制系统中的应焉，可靠 性翻实用性彳导到了验证。具体结论如下： ( 1 ) 杭钢转炉3 # 述铸机原二冷配水系统采用了美国g ef a n u c 自动化公司的 9 0 3 0 系裂p l c 。本系统蕊缀态软俘采鬟了c i m p l i c i t y ，莛覆因之一是因为 c i m p l i c i t y 是目前所有组态软件中功能比较强大的一种，二是考虑到下位机选 鬲的是g e9 0 3 0 系苑p l c ，与c i m p l i c i t y 溺为美霞g e f a n u c 露动健公司的产品， c i m p l i c i t y 本巍提供与g e9 0 3 0 系列p l c 通讯的款件，因此使p l c 与上饿计算 机的连接变得比较容易。 是靠软件人员通过编程实现的，工作蹙太得惊人。这样设计出来的软件通用性极 差，对于每个不弼的应糟对象都要重新设计或修改程序，这种方法实现的软件功 能可靠性也比较低。近锋寒工娥控制缀态软咎愿到了广泛的重视秘迅遮夔发黢。 自二十世纪3 0 年代来，自动化技术获得了惊人的成就，已在工业生产和科学 发袋串莛饕关键戆俸蔫。当蓠，謇动往装嚣鑫戒为大鳌我备不可分割静重要缱成 部分，可以说，如果不飘置合适的自动控制系统，大型生产过程是根零无法运行 的，实际上，生产过程自动化的程度已成为衡量工业企渡现代化水平的一个麓要 标志。 从7 0 年代中期开始，针对工业生产规模大，过程参数和控制回路多的特点。 力了满足工泣藤计算耨i 纛翔吴有高度西靠毪莘霹灵活性夔器求，氐糯了一种分布式 控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，d c s ) ，又称榘散控制系统。 然而，传统的d c s 系统，其软件功能奎簧靠程序员编程实域，工作量：除入， 对予每个不弱载戏用对象，都要重袈设诗或修改瑕枣，从嚣导致软搏系统憨开发 周期很长，且由于时间限制，常常来做充分的测试就投入现场，甚至出现在现场 遍谪试透惨改源稔序弱漪况，横本无法保诞较释系统静成熬霹嚣淫。为了瓣决上 述问题，提高软 牛生产翠，人们纷纷哿找d c s 软彳牛开发鼬新途经，设计组态软件 就是其中的种简便实用的方法。并髓近年来，计薄机控制技术的发展突飞猛进， 掇鸯建姆款入枫接嗣( 粼1 ) 跫经残为广大工业鼹户熬遮韬震袋。在王程设计过 程中提供一个可靠直观、实时有效的h m i 也日益引起人们的高度重视。对于工程 。5 东北大学硕士学位论天第一章绪论 项目来说，既要做出高质量的h m i 又要控制成本。在组态软件出现之前，工控领 域的用户通过手工或委托第三方编写h m i 应用程序，开发时间长，效率低，可靠 性差：或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满 足需求，很难与外界进行数据交换，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软 件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套 最适合自己应用的系统。 组态软件是随着分布式控制系统及计算机技术的日趋成熟而发展起来的，尤 其是近几年，随着计算机网络技术的发展，使得监控设备之间的互连变得更加简 便，提高了自动化工程的工作效率，减少了系统维护和升级的费用。 国外的组态软件更是不胜枚举，如美国，组态软件已较为成熟，推入市场的 组态软件有很多种。如i n t c l l u t o n 公司的i f i x 、w o n e n v a r e 公司的i n t o u c h 、u s d a t e 公司的f a c o r y l i n k 、i b m 公司的p l a n t w o r k s 、美国g e 公司的c i m p l i c i t y 、美国a b 公司( r o c k w e l l 自动化) 的r s v i e w 3 2 、德国西门子公司的w i n c c 等。本论文工 作中采用的c i m p l i c i t y 即是美国g e 公司公司开发的一种组态软件。所谓组态， 就是工程技术人员按应用要求，选择所需的功能模块，确定其运行力式，结合相 关信息组成合适的应用系统。组态软件，就是一种通过其运行从而帮助人们完成 组态的工具软件 6 】。组态软件产品于8 0 年代初出现，并在8 0 年代末期进入我国。 但在9 0 年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。究其原因，大致有以下 几点： 1 内用户还缺乏对组态软件的认识； 2 很长时间里，国内用户的软件意识还不强，面对价格不菲的进口软件( 早 期的组态软件多为国外厂家开发) ，很少有用户愿意去购买正版，甚至在 多数项目预算中不包含软件费用； 3 当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高，组态软件提供了对 大规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并可以将处理的结果生成管 理所需的数据，这些需求并未完全形成。 随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时， 人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式，对项目来说是费时费力、得不偿 失的。因此，在1 9 9 5 年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。 6 东北赶学硕士学位论文第一章绪论 1 5 本课题的选择及研究内容 本课题属于杭钢项目。杭钢转炉3 # 连铸机2 0 0 1 年度铸坯质量如下表 表11 铸坯质麓统计 t a b l el + ic o n t i n u o u s c a s t i n gp r o d u c t sq u a l i t ys t a t i s t i c 根据上表的铸坯质髓情况对杭钢转炉3 # 连铸机二冷黼水系统进行了调研，发 现其二冷酝求系统存在不合璎往。在二冷嚣，二冷东量太，冷帮强度避大，整承 量波动频繁，导致二冷区内冷却不均匀，温度回升大而产生由予热应力造成的铸 坯缺陷。针对以上铸坯质量的状况本课题组决定猩该系统中实施二冷区配水的动 态按刳，扶传热数学模激移孛潮包连续测溢魍基础上实现二冷嚣怒承鲶动态掇刳， 本文所作上位机监控界黼就是为实施二冷区配水的动态控制而搭建的现场调试实 验静平台，在杭镄转炉3 聋连铸梳二冷配求系统遴行了瘦鲻研究。台理二冷酝承裁 度，提高铸坯质量。具体内容包括以下几个方面： ( 1 ) 熟悉连铸生产现场，了解连铸生产的各个环节，学习现场操作知识，同时 学习并澄纯上垃极整控器嚣熬缀态理掺c i m p l i c i t yh m i ，在j 地基础上，编制适 合杭钢转炉3 # 连铸机动态二冷配水的上位机监控界面程序； ( 2 ) 逶过在遥铸租二冷配窳系统瓣应用，验证滚控界舔程序豹可靠憔、稳邂性； ( 3 ) 为生产工艺和质量分析的需要采集现场的数据并予以保存： ( 4 ) 建立调试实验平台，在不影响生产的情况下验证上位机靛控界面和下位机 控镧程序黢正确瞧； ( 4 ) 将二冷配水系统的最饿方案成用于杭钢转炉3 # 遣铸机二冷配水系统。 7 东北大学硕士学位论文第二章杭钢转炉3 # 连铸机二冷配水控制系统现状 第二章杭钢转炉3 连铸机 二冷配水控制系统现状 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15 0 r a m 1 5 0 r a m 。1 9 9 6 年年末投产，设备经过几年运行，系统出现拉速偏低，炉机匹配 困难，铸坯成本高，质量不稳定等许多问题，而且控制水平较低，其中电气控制 为常规电气控制，控制元件可靠性差，故障率高，仪表仅作就地显示，二冷配水 手动操作难以适应拉坯速度和温度的不断变化，严重影响了铸机生产的质量和产 量，未设置上位机监控系统，不能对整个系统进行有效的监控。针对这些情况， 杭钢转炉厂于2 0 0 2 年8 月对整个系统进行了改造。 2 1 连铸机控制系统概况 3 # 连铸机控制系统构成情况如下图2 1 所示 图2 13 # 连铸机控制系统构成 f i g 2 1 n o 3c o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n et h ec o n t r o ls y s t e mt h ec o m p o s i n g 二冷系统作用：二冷配水工艺状态的显示 铸流p l c 作用：结晶器振动冷却拉矫机切割机工作方式选择 液位控制仪作用：结晶器液位的检测和控制液位信号送铸流p l c 8 查! ! 垄兰堡点茎堡堡墨 篓三主垫塑壁芝! ! 鎏壁垫三堡坠查堡型墨垫墨苎 连铸枧戆控趣速度蠢铸渡p l c 爱滚位控制仪共恩宠成。 2 2 二冷配水窖动控制系统概况 自动亿控制系统中主要控制装置采用了茨国g e f a n u c 公司盼g e 9 0 3 0 p l c 及 其通讯网终系统、工业以太网、g e n i u s 现场总线等，它们与上位机构成了一个集 中管理、分散控制的自动控制系统。 控制系统构成采用分教控铡、集中管理缝控刳模式，配墨了嚣级控裁：基礁 自动化级和过程膝控级。 基础蠡动纯缀采蠲2 套冗余鲍g e 9 0 3 0 p l c 实缓数攥莱集、逻辑逑镇秘造续 控制。过程般控级采用2 台研华工控机作为上位机，配有5 3 c m 彩色显示器，多媒 体音褊，宽行打印梳。上位视蕊控软件采用美莺g ef a n u c 自动讫公司遥彳亍在徽软 鬻2 。2 二冷控割系统结撬强 f i g - 2 - 2s e c o n d a r yc o o l i n gc o n t r o ls y s t e mc o n f i g u r a t i o n w i n d o w s 2 0 0 0 平台下的c i m p l i c i t y h m i 开发，c i m p l i c i t y i - l m i 是目前工业自 - 9 - - 东北大学硕士学位论文第二章杭钢转炉3 # 连铸机二冷配水控制系统现状 动化领域中较为常用的监控软件，这是一种基于p c 机的监控组态软件，用户可以 利用它提供的各种便利功能，在操作站上对整个连铸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。 其中1 台工控机为工程师站，主要供维护人员对整个自动控制网络系统的维 护和系统控制功能的修改；另1 台工控机为操作员站，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、数学模型修改。 工控机内置以太网卡，工程师站、操作员站与基础级的g e 9 0 3 0 p l c 之间采 用基于1 0 m b s 以太网进行通讯，工控机和p l c 之间的通讯遵从t c p i p 协议。模 块经由双绞线相连，构成一个总线型结构的计算机网络。控制系统的配置如图2 2 所示。 2 3 基础自动化级硬件配置 基础自动化级采用2 套冗余的g e 9 0 3 0 p l c 实现数据采集、逻辑连锁、连续 控制和网络通讯。2 套配置相同，其基本配置如下所示： p o w e rm o d u l ec p um o d u l eg b cm o d u l ee t h e m e tm o d u l e 图2 3 基础自动化级硬件配置 f i g 2 3 f o u n d a t i o na u t o m a t i o nc l a s st h eh a r d w a r ec o n f i g u r e 2 3 1 电源模块 电源模块i c 6 9 3 p w r 3 3 0 输入交流1 2 0 2 4 0v ( 功率9 0w ) 或者输入直流1 2 5v ( 功率5 0w ) ，允许交流8 5 2 6 4v 或直流1 0 0 3 6 0 v 的输入啊。它能提供三种形 式的输出： 1 0 东北大学硕士学位论文第二章杭钢转炉3 # 连铸机二冷配水拣制系统现状 ( ) + 5 v d c 功率1 5 w ，辕出电压5 o v 一5 。2 v ( 振壤5 。lv ) ，过电压保护投 限：6 4 7 v ，4 a ( m a x ) 。 ( 2 ) + 2 4 v d c “缝毫器”毫深，为系翔9 0 3 0 继瞧器输璐模块提供毫滚。 功率1 5 w ，输出电压2 4 v 2 8 v 。 ( 3 ) “隔离”+ 2 4 v d c 被某些模块在内部应用，同样也可阻为2 4v d c 输入 模块提供羚郏电源，功率2 0 w ，输出瞧压2 1 + 5 v 2 8 v 。 2 。3 2c p u 模块 i c 6 9 3 c p u 3 6 0 ，它悬g ef a n u c 题动化公司的系列9 0 可编穰控制器家庭中的 一员，提供最先避的编耩特性，易于组态便于安装，采用3 8 6 c p u ，具有很强的运 算功糍，热蠹装p i d 、终棱化缡程、中叛控制、间接寻址及各静淤能接块，熊完藏 复杂的操作。具体参数见表2 1 。 表2 1 系列9 0 _ 3 0 c p u 3 6 0 参数 t a b l e2 。is e r i e s9 0 3 0c p u 3 6 0 p a r a m e t e r 系歹69 0 - 3 0c p u 3 6 0参数 工作电嚣 主频 处理器 工作温度 翔撼速率 用户程序空间 数字竣入 数字输如 内挪存储尊元 寄存器革元 定时，计数器 举行端露 嗣络支持 蠢存粪黧 浮点数运算 中叛模式 十5 v d c 2 5 m h z 8 0 3 8 似 0 6 0 2 2 i l l s 8 0 k 2 。0 4 8 q2 ，0 4 8 m4 0 9 6b i t s r 9 9 9 9w o r d s 大于2 ，0 0 0 s n p e t h e m e t ，p m f i b u s r 茂嫩，f l a s h 支持 龛诲 2 3 3g b c 模块 i c 6 9 3 b e m 3 3 l 是系捌9 0 一3 0 的g b c ( g e n i u s b u sc o n t r o l l e r ) 模块。应用于o e n i u s i o 设备逡接到系列9 0 * 3 0p l c 豹接鞠，这个g b c 模块能接收或尝发送1 2 8 字节约 一儿 查! ! 苎兰翌主兰堡垒墨堑三兰垫塑堑芝型堡箜垫三全璺查堇塑墨丝翌鉴 控制数据，在g e n i u s 总线上最多允许3 1 个设备。 2 3 4 以太网模块 以太网接口模块i c 6 9 3 c m m 3 2 1 操作简便，很容易地将p l c 接入以太网，能在 p l c 之间传递数据，用主机访问的时候，能同时与多个设备通讯，兼容g ef a n u c 其他的设备，也兼容其他公司的设备。g ef a n u c 系n 9 0 3 0 p l c 应用的t c p i p 以太 网接口，具备诊断管理功能。特别在发现问题之前它很重要，如需要升级通讯软 件的时候，可以通过内置的串行端口下装软件到这个接口。 用调制解调器或连接电缆与远程计算机通过s l i p ( s e r i a ll i n ei n t e r a c t p r o t o c 0 1 ) 协议进行通讯，远程计算机可以用第三方的通讯软件通过它能访i h 7 t c p i p 网络。 2 4g e n i u s 通讯网络 g e n i u s 通信网络是美国通用电器公司推出的专门用于工业环境的计算机通信 网，目前在工业生产计算机控制系统中获得了广泛的应用。该通信网络具有抗干 扰能力强、组网简单、使用方便等优点。在杭钢转炉3 # 连铸机二冷配水控制系统 中，选用了g e n i u s 通信网络进行通信。 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。它是一种点对 点的“令牌总线”系统，配制灵活，功能强大。在一个g e n i u s b u s 上最多可以挂 3 1 个i o 站。在其中一个站上，用通信控制模块g b c ( g e n i u sb u sc o n t r o l l e r ) 控 制p l c ( 主站) 和该网上其它站之间的通信。网络长度取决于通信波特率，共有4 种波特率可供选择，通信波特率与其对应网络长度见下表： 表2 2 通信波特率与其对应网络长度 t a b l e 2 2c o m m u n i c a t i o nb a u dr a t ea n di t sc o r r e r o n d i n gn e t w o r kl e n g t h 同一g e n i u s 网上的所有设备的通信波特率必须相同。另外，在一个网络的头 尾两个设备上( 主站和从站均可作为网络的起点站和终点站) ，必须采用7 5q 、1 0 0 q 、1 2 0q 或者1 5 0q 的终端电阻。该连铸机二冷配水控制系统采用了g e n i u s 通信 网络。传输速率为1 5 3 6 k b s 。网络长度可达2 3 k m 。 一1 2 查! ! 垄堂翌生兰堡堡墨 叠三主苎塑鲎芝! ! 釜塑垫三堡坠查燕型至垫墨鉴 2 。4 1g e n i u s 网络的缝或 g e n i u s 网为双冗余照置，这撰可提高通信的可靠性，在这个g e n i u s 网上共挂 有5 个通信站，其中第1 个为主站，通信控制模块g b c a 及主p l c 放置在主站 上，簿2 个为鼓懿，逶僖控利模块g b cb 及胰p l c 敖鬟在麸站上，箕余3 个通 信站为远稷i o 站，这些通信站通过网络接阴模块n i u ( n e t w o r ki n t e r f a c eu n i t ) 整在g e n i l i s 瘫上。嚣令g e n i u sb u s 控割模块g b c窝分剐控嗣主_ a g b cbp l c 和从p l c 与远程i o 站的通信。3 # 5 群站为分布在生产线上的迸程i o 站，分别 控制不同静设备。潮络上酶l # 菇为本黼络静第1 个涟，5 襻站为竣后1 个菇，其余 的站( 包括3 1 # 站) 为中间站。各通讯站之间的连接结构见下图。 g e n i u s 总线 圈2 4g e n i u s 总线及奠各通讯站结构图 f i g 2 4 t h ek n o tc o m p o s i t i o no f g e n i u sb u sa n di t se a c hc o m m u n i c a t i o ns t a n d 在每个接线单元上有4 个接线端子，分别为“信号线1 ”、“信号线2 ”、“屏蔽 ”翔“屡藏o u t ”。头遑嚣拿蛞必绥接终娥邀疆，烬终媲电阻上豹4 个接线端子 一一对应掇到1 # 站和5 # 站的4 个接线端子上。各个通信站的接线方法是：将各个 站主熬l # 线、2 毒线接线壤子一一对应连接莛寐，婊次将懿一个站熬“器毅线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 豹“屏蔽线o u t ”不接线。系绫框窝觅餮2 5 。 两个p l c 是并列独立配置的。网络配爨分为软件配爨和硬件配置两部分。软 件配置用专用的配置软件进行，配置内容为黼络上所有鳐翡站芍、输入输出点的 类型和数爨、每一输入输出点的地址等。硬件配鼹是在备个站上设置站号( 黉与 软彳串配置的站号相对应) 、通信波特率等，液特率的选择墩决于箍个网络的长度。 该鄹络逯债波特率选用1 5 3 6 k b s 拣准) 。本文介缨魏g e n u s 阙终已予2 0 0 2 年8 月成功地皮用于杭钢转炉3 撑造铸机二冷配水控制系统中，网络工作稳定、故障率 攫低，瑟巍易于兔现场工程技零大受掌握塞接受。瓣予g e n i u s 弼冗余两络主熬套 】3 东北大学硕士学位论文第二章杭钢转炉3 # 连铸机z - 冷配水控制系统现状 个通信站，第1 次上电时，根据启动的先后决定哪个p l c 是主，即先启动的p l c 为主，当主p l c 出现故障时，该站的控制权自动切换到另一个p l c 上( 其它站仍 保持工作状态) 。反之亦然。 f i 随 l a s t d目vjdofico s e r i a ls e 尺i a l s e r l a ls e 剐0 l 工 s e r i a ls e 同a l8 e r 】a l s e r i l o 22 2 s h i e l ds h i e l d s h i e l d8 h l e l d 8捌划 s 卜e l d s hj e l d s h i e l d 玉 s h i e l d 足啦c 可 图2 5g e n i u s 总线的接线图 f i g 2 5h o o k u po f g e n i u s b u s 2 4 2 网络接口单元( n i u ) 网络接口单元i c 2 0 0 g b l 0 0 1 作为现场控制站，属于g ef a n u c 自动化公司的 v e r s a m a x 系列远程i o ，它是目前唯一的一种既可以作为其它主控设备的y o 模 块，以可以单独构成p l c 系统，还可以作为分布式控制系统的产品。可用于把i o 模块与g e n i u s 总线连接起来。与其它模块构成一i o 站点，它具有1 2 8 点数字量、 模拟量输入，1 2 8 点数字量、模拟量输出的能力。系统主机可以是任意p l c 或具 有控制g e n i u s 总线能力的计算机。通过旋转拨盘设置其在g e n i u s 总线网上配置的 地址和通讯波特率。采用它是真正的即插即用，i o 模块可以带电插拔；省配线； 安装费用低；高通讯速率；高可靠性。 2 4 3 模拟量输入模块 模拟量输入模块i c 2 0 0 a l g 2 6 0 提供一个8 路电流或电压输入接口。模块用电 由底板供给，模块的智能处理n i u 由完成。每一路供给1 6 位的模拟量输入数据。 该模块若工作在电流工作方式，模块接收4 2 0 m a 的电流信号输入。 1 4 东北尢学硕士学位论文第2 - 章杭锢转炉3 # 连铸机二冷配水摭制系蟪现状 2 4 。4 模拟量输怨模块 模拟量输出摸炔i c 2 0 0 a l g 3 2 0 提供一个4 鼹4 - - 2 0 m a 的媳流输出。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 受载。输出要求一令努郝匏壹滚电源，摸块瓣智旋处理由n i u 蹇藏。簿一路按牧 1 6 位的模拟量输出数据。利用跳线可以将模块的输出设鬣成保持当前状态或默认 的4 m a 状态，外部的用户电源簧傈持不中断。 2 5 二冷水控制方式及二冷区相关参数 原系统二冷配水控制方式分为手动和自动方式。自动方式采用水袋法，即拉 坯速度每交亿0 1 m m i n 二冷段配水爨随之傲一阶跃性调懿，调熬量基本稳定，控 制系统只熬到根撼拉坯遽度查既水表萍控制相应水量的佟耀。巍拉坯速度的变化 小于0 1 m m i n 时，二冷段配水量不变。另外，原水表法的二冷段配水蹙没有考虑 钢东翡渥菠发生交纯懿情况， 嚣在实嚣赘生产瑗场钢承熬湛凄怒发生变纯懿，帮 每一包的钢水温度开始商，随后逐步下降，若此时盖上包盖，温度下降会减慢。 这样，原系统二冷配水控制方式显得有些不足。所以在藏基础上迸行动态二冷配 承蠢着重要的意义。 二冷区相关参数详见下列释表： 表2 33 # 连铸机二冷喷嘴技术参数 t a b l e2 3n o ，3c o n _ c i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e s e c o n d a r yc o o l i n gh o z z l et e c h n i q u ep a r a m e t e r 表2 43 # 逐铸辊二冷各段长度 t a b l e2 4n o ，3c o n t i n u o u s c a s t i n gm a c h i n es e c o n d a r yc o o l i n ge a c h s e c tl e n g t h 1 5 查些垄兰堡主兰竺丝查 茎三羔垫塑煞翌! ! 堡壁垫三全坠查茎型墨丝墨整 裘2 53 簸铸搬= 冷各段末 t a b l e2 , 5n o 3c o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n es e c o n d a r yc o o l i n ge a c hs e c tw a t e rf l o w 表2 63 # 连铸机二冷工藏参数 t a b l e2 6n o 3c o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n es e c o n d a r yc o o l i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r 水量( m 3 h ) 2 2 3 08 一l o2 0 一2 88 l o 。1 6 东北戈学硕士学位论丈第三章动态二冷配水系统的拘建 第三章动态二冷配水系统的构建 3 1 系统调试硬件平台 搭建系统调试平台的譬懿楚在不影璃连铸枫正常生产的情撬下，对二冷醚永 系统进行调试。为了达到这一目的，系统调试平台应满足以下条件： 1 能够扶生产的状态切换至调试狄态；反之亦然。 2 。无埝在生产的状态还是在调试状态，均能保证系统稳定地运行。 3 对原系统的影响最小；硬件改动最小。 为了搜掰搭建系统调试平螽溱足上述条件，经过多方调研，最后决定采玻以 下方案：在原g e n i u s 总线上再挂两个通讯站，一个是用于调试的p l c ；另一个是 远程u o 羹。 黧3 ，l 慕统调试结褥嚣 f i g 3 ，1s y s t e md e b u gc o n f i g u r a t i o nm a p - 1 7 - 东北大学硕士学位论文 第三章动态二冷配水系统妁构建 用于调试的p l c 的配置与原来系统的主p l c 、从p l c 相间。包括电源模块、 c p u 模块、g b c 模块葶羹以太嬲模块。调试p l c 熬俸曩是运行瑟装二冷醚东羧刘程 序。在新的二冷配水控制程序中增加了控制模式、配水系数、信号滤波等功能。 远程i 0 站瞧就是主匿中麓4 # l i o 站，与覆来系统中餐 、2 、3 # u o 菇籀窀鬟。 4 # i 0 站豳电源、网络接口单元( n i u ) 、模拟量输出模块组成。它的作用魑对二 冷番流备羧静承鬟调节澜送行控裁。 原g e n i u s 总线上鞭挂两个通讯站后，总线结构见下图： g e n i u s 总线 圈3 , 2 系统调试g e n i u s 总线结构嚣 f i g 3 2s y s t e md e b u gg e n i u sb u sc o n f i g u r a t i o nm a p 新的系统与原系统的协调： l ，整令生产现场鹣臻入傣号裁、l 霾系绫共享； 2 新、旧系统的输出控制信号谯某一时刻只能有一个系统是有效的，另一个 系统懿输窭控裁信号怒悬空瓣； 3 ，通过继电器实现某一时刻只有一个系统有效的功能； 4 。狠据生产现场的情况决定薪系统莛谣参与控翻。 - 1 8 东北大学硕士学位论文 第三章动态二冷配水系统的构建 3 2 系统调试方案 通过传热数学模型的分析，对杭钢原有二冷水控制系统引入过热度控制，可 达到改善铸坯质量的目的。连铸机每一流的二冷区由足辊段、一段、二段组成， 各段的控制原理相同。 3 2 1 二冷水的控制原理 杭钢二冷配水控制由p l c 中的子程序以及标准p i e ) 模块、滤波子程序等组成。 在原控制系统的基础上增加过热度前馈克服中包温度波动对铸坯表面温度的影 响，系统工作原理图如下： 过热度 数 _ ( 刊流量调嘏h 五卜回 学 模 速度 型 一流量蛮送器l 图3 3 二冷控制系统原理图 f i g 3 3s e c o n d a r yc o o l i n gc o n t r o ls y s t e me l e m e n t sm a p 二冷控制的目标是使铸坯的表面温度按照满足冶金准则的曲线降温，在这个 前馈控制系统中，主回路控制由二冷水流量控制器、电磁调节阀构成，采用标准 p i d 控制实现；主回路中引入对铸坯表面温度影响最大的两个因素拉速和过热度作 为前馈，以克服浇铸温度和拉坯速度对铸坯表面温度的影响。 3 2 2 动态二冷配水的内容 从模型计算的结果可知，解决该厂铸坯质量问题的主要措施是重新优化二冷 配水制度，合理分配二冷段沿拉坯方向的水量，所以，动态二冷配水的方案是基 于中间包连续测温和拉速前馈控制的二冷动态控制。 通过传热模型的计算，可以得到一系列不同钢种、不同断面、不同拉速条件 下的各路配水量，用最小二乘法确定出各回路的最佳配水参数，作为自动控制系 1 9 东北大学硕士学位论文第三章动态二冷配水系统的构建 统实现水量动态控制的依据。 ( 1 ) 拉速前馈配水控制 拉速是铸坯表面温度的重要影响因素之一，速度前馈采用二次曲线方式，它 和二冷水流量之间的具体关系可以表达为： q 】= k 】v 2 + k 2 v + k 3( 3 1 ) 式中：k l 为配水参数，单位( l m i n m 2 ) ； 恐为配水参数，单位( l 1 2 1 ) ； 飓为配水参数，单位( l m i n ) ； 矿为拉速，单位( m 1 1 1 i n ) ； q l 为水量，单位( l r a i n ) 。 配水参数根据铸坯的规格尺寸，钢种等因素由传热模型来确定；通过此式， 当拉坯速度发生变化时能对所设定的流量进行修正。 ( 2 ) 过热度的引入 二冷配水参数均是在某一固定的过热度下由传热模型确定，当过热度发生变 化时，其计算出的目标配水量与实际需求量不同，另外，在铸坯表面温度大于等 于8 0 0 ( 2 时，铸坯表面形成稳定蒸汽膜阻止水滴与铸坯接触，在过热度较大时，铸 坯表面温度升高，在此隋况下并不是拉速越大，水量越大，铸坯质量就越好。所 以二冷配水量应根据过热度的变化对水流量进行修正。中间包温度前馈可简单表 示为： a q = f l ( x lk 4 )( 3 2 ) 式中：a q 为修正后的二冷水量，单位( l m i n ) ； r 为钢水过热度，单位( ) ； 缸为配水参数，单位( l m i n ) 。 这样总的二冷水量的关系式： q2 = q 1 + q( 3 3 ) 式中：a q 为引入过热度修正后的二冷水量，单位( l m i n h q l 为拉速前馈水量，单位( l m i n h q 2 为总水量，单位( l m i n ) 。 通过将过热度、拉坯速度引入到配水模型中，再根据低倍试验的结果修正二 冷配水量，可以解决现场二冷配水不合理的问题，提高铸坯内部质量。 2 0 东北大学硕士学位论交第三章动态二冷配水系统的构建 3 2 3 动态二冷配水的系数 应用骈建立豹连铸凝匿传热模型在计算机上对操作参数进行模拟和优纯，可 建立合理的二冷制度控制模型。控制模型的建立可为连铸工艺过程的过程控制打 表3 。1 蛰碳锻醚承参数 t a b l e3 i c o o l i n g w a t e r d i s t r i b u t i o np a r a m e t e ro f c o m m o nc a r b o ns t e e l 表3 2 低含金钢既水参数 t a b l e3 2 c o o l i n g w a t e rd i s t r i b u t i o np a r a m e t e ro f l o wa l l o ys t e e l 表3 3 中高碳钢配水参数 t a b l e3 3 c o o l i n gw a t e rd i s t r i b u t i o np a r a m e t e ro f m i l da n dh i g hc a r b o ns t e e l 下基础，可为连铸一热送一轧制提供铸坯工艺和质量上的保证，可使铸机充分发 挥其漤力，达到较褰鲍生产效率，褥裂矮量魄较甓炎戆铸坯。嚣j 羹：建立连铸二冷 过程控制模型具有煎要的实际意义。通过传热模型的计算，可以得到一系列不同 铜静、不蘑凝西、不同拉速条午字下静各路配水量，群最小- 7 - 乘法确定出备回路的 一2 1 东北大学硕士学位论文第三章动态二冷配水系统的构建 最佳配水参数，作为自动控制系统实现水量动态控制的依据。 3 3 系统调试运行 3 3 1 调试运行的步骤 1 调试准备阶段 a 确定二冷配水系数的范围。 b 考察现场控制柜的接线情况，根据有关流量阀的接线及注意事项，安排流量 阎控制信号的接线。 c 在冗余配置下再加入两个站( p l c ，i o 站) ，保证配置正确。 d 接入输出站，不参与水量的控制，运行一个浇次，期间观察控制信号。 e 将中间包连续测温信号引入系统，并观察连续测温信号的效果。 2 控制调试阶段 a 模拟运行正常后将调节阀输入信号接入新站，参与控制某一流的第二段二冷 水量。 b 调节该段1 个浇次，观察曲线，分析存在问题及产生的原因，修改程序。完 善后再运行一个浇次，同时，观察并分析是否还存在问题。 c 成功后扩展至一段和足辊段，按照第二段调试方法进行调试，确保系统可靠 稳定。 3 动态配水模型运行阶段 a 根据实际浇注的钢种及时修改配水系数，由于钢种不同，水量差异比较大。 b 结合南钢经验调试一个流的二冷配水，同时做低倍实验。由于连铸生产的特 殊性，观察相关参数的变动对铸坯质量的影响。达到提高铸坯质量的目标。 3 3 2 动态二冷配水的模式 二冷水控制根据实际情况可选择以下四种方式：自动、速度关联、水表法、 手动方式。 自动即为速度前馈和中间包连续测温前馈控制； 速度关联是在中间包连续测温失效时去掉温度前馈，以速度前馈值作为流量 的设定基准： 水表法是根据不同的速度而给出不同的流量设定值： 手动方式是从上位机直接输入二冷水调节阀的阀位以控制流量。 这四种控制方式以下图3 4 、图3 5 、图3 6 、图3 7 表示： 2 2 东北尢学硕士学位论文 第三章动态二冷配水系统的构建 藩续控赘1 只畜在叁动窝速黢关联方式中方可s | 搦。 过热度数 引流量调节器h i 订丁i 升 学 i t l 二_ 二二一l _ 二_ _ j r 模 速度型 一流量蛮洪器| 图3 , 4 二冷水控制自动方式 f i g 3 4 s e c o n d a r yc o o l i n gw a t e rc o n t r o la u t om o d e 数 1 一流量调节器h 阀门 _ _ 流鬣 - 学 速度 模 型 流量变送嚣 匿3 5 二冷求控割逮度联接方式 f i g 。3 。5s e c o n d a r yc o o l i n gw a t e r c o n t r o ls p e e dl i n km o d e 圈3 6 二冷水控制求表法方式 f i g ，3 。6s e c o n d a r yc o o l i n g w a t e rc o n t r o lw a t e rt a b l em o d e 图3 7 二冷水控制手动方式 f i g ，3 。7s e c o n d a r yc o o l i n gw a t e rc o n t r o lm a n u a lm o d e - 2 3 东北大学硕士学位论文第三章动态盎冷配水系统的构建 3 3 。3 过热度前馈弓 起的二冷水量变化 在调试运行过程中，连铸机工作在速度连接方式，通过上位机界面设定对应 静琵求液参数k l 、k 3 、，二冷承求量随之交诧，下表分别为不糊遥热度所 对应的二冷水水量。从下表可以看出，过热度为2 5 时，二冷水水量没有变化， 醚羞遂热度夔舞亳，二冷东东鬟罐大；夔羞蓬煞度戆黪低，二冷拳承赛减，l 、。 过热度加入到二冷水控制中直接影响到铸坯表面的温度分布，从而大大改善 铸坯的蕨量。域场的实验说爨了g 入避热度1 l 誊馈以后戆系绞，遥过谡熬二冷水量 使铸坯表面的溆度分布保持稳定。 寝3 4 过热度：4 5 ? 如l e3 4 o r e r h e a t i n gd e g r e e4 s 表3 5 过热度：3 5 曲l e3 。5 秘e r h e a t i n gd e g r e e3 5 袭3 6 过热度：2 5 t a b l e3 。6o v e r h e a t i n gd e g r e e2 5 - 2 4 - 圭! ! 垄兰翌主兰竺笙查 茎三兰型查三全坠查至竺塑塑壅 表3 7 过热度；1 5 t a b l e3 7o v e r h e a t i n gd e g r e e1 5 2 5 东北大学硕士学位论文 第四章组态软件在生产中的应用 第四章组态软件在生产中的应用 组态的概念最早来自英文c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算机及软件 的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置自动完成特定任务，达 到使用者要求的目的【8 】。组态软件是面向监控与数据采集( s u p e r - v i s o r yc o l l t h e la n d d a t a a c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方便灵活， 功能强大。 4 1 组态软件的发展 自二十世纪3 0 年代来，自动化技术获得了惊人的成就，已在工业生产和发展 中起着关键的作用。当前，自动化装置已成为大型设备不可分割的重要组成部分， 可以说，如果不配置合适的自动控制系统，大型生产过程是根本无法运行的，实 际上，生产过程自动化的程度己成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。 在工业控制技术的不断发展和应用过程中，p c ( 包括工控机i p c ) 比以前的 专用系统具有的优势曰趋明显。这些优势主要体现在：p c 技术保持了较快的发展 速度，各种相关技术已臻成熟；由p c 构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成 本；p c 的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强；基于p c 的控制系 统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在p c 技术向工业控制领域 的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。虽然目前国内对于组态软 件还缺乏权威的定义，但可以做一个描述性的定义：组态软件是使用灵活的组态 方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。 组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数 据管理和网络功能。对应于原有的h m i ( 人机接口软件，h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ) 的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的h m i 的软件工具，或开发 环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写h m i 应 用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的 系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加 功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以 利用组态软件的功能，构建最适合自己的系统。 2 6 东北大学硕士学位论文第四章纽态软件在生产中的应用 4 2 组态软件的任务及功能特点 4 2 。1 工盏控制系统缀态软件的经务 工业控铡系统篷态坎俘戆任务主要有两方瑟：是缀据褒场戆实鼯 壬务进行 组态编程，对不同的工业过程实现自动控制；二是对现场的数据进行记录、绘制 趋势麓线、流程显示、打印输出等 9 1 。其中西者属于上位枫的监控与管瑷，是工控 组态软件中不可缺少的部分。它的实质就是进行数掇的记录、维护和再现。 在工业控制中时现场数据谶行记浆并绘制趋势曲线十分重要。这部分工作主 要包括良下痰容： 数据记录一反映工业现场状态的参数通过通信设备实时的传递到上位机的内 存中，其中部分用产感兴趣的数据需糯以保存，这擅数据是实时每刻的数据都加 以保存，这就需要对这些实时数据进行一定弼期的采样。为了不影响瑷彦的逸行 速度和磁盘的寿命，采样后的数据应先放在缓冲区辩定期送到磁斑保存。 数据维护一夔凑对霹豹摆移数据记录褥越积越多，这靛需要辩数摇涟荨亍维护， 或备份或删除。 数据再现一记录静数据主纂保存在文件中，根据用户躺需要，将磁盘中的数 据显豕到屏幕上势生成趋势噬线或输出到打印规。 4 2 2 组态软件的功能特点 组态软件太都由专业软件公司开发，提高了系统的可靠性，减轻了工程开发 人员的工作嚣。 缝态软l 串通常鸯以下几方嚣的功熊： 1 强大的画谢显示缎态功能。 嚣羲，王控缝态软终大都运行子w i n d o w s 嚣凌下，充分显示了w i n d o w s 豹图 形功能完备，界面荧观的特点，提供给用户率富的作图工具，可随心所欲的绘制 出各种工业灏面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的画面设计中解放出来， 丰富的动画连接方袋，如隐含、闪烁、移动等，傻漱霹生动、妻淡。 2 良好的开放性。 专会纯静大生产，霞褥系统褥畿熬全部较、硬释不胃能密鸯一家公司的产晶， “异构”是当今控制系统的主要特点之一。开放性媳指组恣软件能与多萃中通讯协 议互联，支持多种硬件设备。开放性魑衡量一个组淼软件好坏的覆要指标。组态 2 7 东北大学硕士学位论文第四章组态敞件在生产中的应用 敬传自下应能与实际懿数摆处爨器遘谖，向上黢与诗算援逯讯，实现上使规积下 位机的双向通讯。 3 丰富的凌能模块。 提供丰富的控制功能库，满足用户的测控簧求和现场要求。利用功能模块， 完成实时监控、产