（检测技术与自动化装置专业论文）连铸监控系统及二级系统二冷模块的研究与开发.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 连铸监控系统及二级系统二冷模块的研究与开发 摘要 本文以杭州亚通特钢有限公司小方坯连铸控制系统改造工程为背景，对连铸监 控系统及将二冷温场模型用于二冷过程控制进行研究开发。 首先，根据杭州亚通特钢连铸机的实际工艺情况，分析其连铸控制系统的性能 需求。在此基础上，采用s 7 3 0 0 系列p l c 和工业控制计算机构成基础级自动控 制系统，完成连铸生产过程中的数据采集、二冷水量和结晶器振动的控制等功能。 上位机监控部分采用组态软件w m c c 为开发工具，设计监控系统的监视与控制画 面，通过在现场的运行调试，实现对生产过程数据的动态监视功能、历史数据的归 档功能、异常信号的报警功能和对生产过程的控制功能等。 其次，在监控系统成功运用于现场的基础上，对在连铸二冷过程中如何有效的 利用二冷温场模型进行研究。由于在连铸生产过程中很难通过检测手段获得二冷区 铸坯坯壳厚度和表面温度，而铸坯表面温度又是决定二冷水量的关键因素之一。在 本文中，提出设计连铸二级系统二冷模块，经过二冷温场模型的离线计算，得到对 应于现场常出现的各种工艺情况的理论温场数据，以此设计模型数据库。通过与监 控系统的实时数据交换，将得到的现场工艺参数与数据库中的数据进行比对，得出 与之匹配的温场数据，从而可实时的监视二冷区铸坯表面温度和坯壳厚度的变化趋 势。 本文介绍的连铸监控系统设计合理、功能完善、性能可靠，自投入现场运行以 来一直正常稳定的工作。另外，在此基础上开发的二级系统二冷模块通过在实验室 的仿真运行，可以实现对现场数据的动态采集、模型数据的动态显示。 关键词：连铸监控系统数据库二级系统二冷过程 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t 一 l 一一 d e s i g na n dr e s e a r c n0 ns u p e r v l s o r yc o n t r o ls y s t e ma n d t h es e c o n d a r y c o o l i n gm o d u l eo ft h es e c o n d a r ys y s t e m l。- - o ic o n t i n u o u sc a s t i n g a b s t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do fr e b u i l dt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gc o n t r o ls y s t e mo fh a n g z h o u y a t o n gs p e c i a ls t e e lc o l t d ，t h i sp a p e rh a sm a d ead e e pr e s e a r c ho ns o f t w a r eo f s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e ma n dh o w u s et h eh e a tf i e l dm o d e li nt h ec o n t r o lo fs e c o n d a r y c o o l i n g f i r s t ，a c c o r d i n gt ot e c h n o l o g i cr e q u i r e m e n t s ，m a k eaw h o l ea n a l y s i so fs u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mo fh a n g z h o uy a t o n gs p e c i a ls t e e lc o l t d b a s e do nt h er e q u i r e m e n t s ， d e s i g nt h eb a s i cc o n t r o ls y s t e mt h a tu s i n gt h ei n d u s t r i a lp r o c e s sc o m p u t e ra n ds 7 _ 一3 0 0 s e r i e sp l c t h ef u n c t i o no fd a t aa c q u i s i t i o n ，c o n t r o lt h es e c o n d a r yc o o l i n gw a t e r ，c o n t r o l t h ef r e q u e n c yd u r i n gt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gi sa c c o m p l i s h e db yt h eb a s i cc o n t r o ls y s t e m u s i n gt h ec o n f i g u r i n gs o f t w a r ew i n c c ，d e s i g n e dt h ep i c t u r eo fc o n t r o la n dm o n i t o ra n d p r o g r a m m e dt h ec o n t r o lp r o g r a m u n d e rt h eu s ea n dd e b u g a tt h ef a c t o r y , t h es u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mr e a l i z et h ef u n c t i o no fm o n i t o r i n g ，l o g g i n go fh i s t o r yd a t a ，a l a r m i n go f a b n o r m a ls i g n a l s ，g u i d i n go fc o n t r 0 1 s e c o n d ，t h ep a p e rr e s e a r c hh o wu s et h et e m p e r a t u r ef i e l dm o d e lo nt h eb a s eo ft h e s u p e r v i s o r yc o n t r o li ss u c c e s s f u lu s e da tt h ef a c t o r y b e c a u s ei ti sv e r yd i f f i c u l tt og e tt h e s u r f a c et e m p e r a t u r ea n dt h i c k n e s so ft h eb i l l e t ，b u tt h es u r f a c et e m p e r a t u r ei sav e r y i m p o r t a n tf a c t o ro fd e t e r m i n et h es e c o n d a r yc o o l i n gw a t e r i nt h ep a p e r , d e s i g nt h e s e c o n d a r ym o d u l eo ft h es e c o n d a r ys y s t e mo fc o n t i n u o u sc a s t i n g w ec a l lg e ta l lk i n d so f t e m p e r a t u r ef i e l dd a t ab yt h et e m p e r a t u r ef i e l dm o d e lo f f - l i n ec a l c u l a t e ，a n du s et h ed a t a t od e s i g nad a t a b a s eb yt h er e a lt i m ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m a n dt h es e c o n d a r ym o d u l e ，t h ep r o g r a ms e a r c ht h et e m p e r a t u r ef i e l dd a t at h a tf i tf o rt h e r e a lc a s t i n gp a r a m e t e rf r o mt h ed a t a b a s e s ot h eu s e r sc a nu s et h et e m p e r a t u r ef i e l dd a t a t om o n i t o rt h et e n d e n c yo fs u r f a c et e m p e r a t u r ea n dt h i c k n e s so ft h eb i l l e t 1 1 1 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo fc o n t i n u o u sc a s t i n gi n t r o d u c e db yt h i sp a p e rh a s r a t i o n a ls t r u c t u r e ，c o m p l e t ef u n c t i o n sa n dh i g hr e l i a b i l i t y t h es y s t e mh a sb e e nw o r k i n g v e r yw e l la f t e ri tw a su s e do nt h ec a s t i n gm a c h i n eo fn a n g z h o uy a t o n gs p e c i a ls t e e l c o l t d ，a n di tm e e tt h ee x p e c t a t i o n so fp r o d u c t i o n t h es e c o n d a r ym o d u l eo ft h e s e c o n d a r ys y s t e mt h a td e s i g n e db a s e do nt h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mc a n r u ni nt h e l a b o r a t o r y , a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h es y s t e mr e a c ht h ef u n c t i o no fc o l l e c tr e a l t i m em a n u f a c t u r ep a r a m e t e ra n ds h o wt h et e m p e r a t u r ef i e l dd a t a k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n gs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m d a t a b a s e t h es e c o n d a r ys y s t e mt h es e c o n d a r yc o o l i n g i v 独创性声明 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，不包含其他人己经发表或撰写 过的研究成果，也不包括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均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：储l 氢醒 日期：2 瞄2 2 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 连续铸钢工艺概况 1 1 1 连续铸钢技术 在钢铁生产过程中，钢液成型的方法有两种：模铸法和连续铸钢法。采用连续 铸钢技术之前，一般是先将钢水浇到钢锭模内凝固成钢锭，然后再将其加工成要求 的钢坯尺寸。而连续铸钢工艺是把液态钢水用连铸机浇注、冷凝、切割而直接得到 铸坯的新工艺。它是连接炼钢和轧钢的中间环节，是关系到整个钢铁生产过程的一 个重要工序。 模铸是将高温钢水浇注到一个或多个钢锭模内使之凝固成形的方法，是钢水凝 固成形的基本方法，其典型特征是生产过程的间续化。 连铸是将液体金属经过一组特殊的冷却和支撑装置连续的浇铸成一定断面形 状的铸坯的过程。这个思想是b e s s e m e r 在1 8 5 6 年提出的，2 0 世纪6 0 年代开始真 正应用于钢铁工业中，连铸技术经过几十年的发展已经成为冶金领域最活跃的一个 分支，目前已逐步走向成熟，其标志是在生产上以质量和品种为中心，在研究和控 制上以全新的现代计算机技术为手段。与传统的模铸相比，连铸不但简化了生产工 艺流程，提高了生产率和产品质量，而且金属收得率较高、能耗和生产成本也大大 低于模铸【。 连铸机按照机型可分为立式、立弯式、垂直多点弯曲式、弧型以及水平型等， 其中弧型连铸机占6 0 以上；按照铸坯形状又可分为板坯连铸机、大方坯连铸机和 小方坯连铸机等，其中小方坯连铸机约占5 0 【2 】。本文中是以小方坯弧型连铸机为 背景的。 1 1 2 连铸控制系统发展状况 目前，许多先进工业国家的连铸比已达到8 0 以上，少数国家已实现了全连铸。 近年来，国内外加强了重要参量的检测技术研究，整个控制系统普遍采用了d c s 和p l c 。电气传动控制则采用交流调速和矢量控制技术，并采用二级或三级自动化 系统实现连铸生产自动化。下面简单介绍一些目前代表世界上自动化水平最高的连 铸机自动化系统。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 新曰铁公司君津4 号二流板坯连铸机通过二级计算机系统自动控制结晶器冷却 水量和结晶器振动参数，配备了一些必要的控制仪表和检测元件，如钢包钢水流量 控制仪表、结晶器保护渣喂送仪表、结晶器液位涡流传感器和热电偶等。连铸机中 心控制室与切割室互相结合，由遥控锯完成铸坯切割，通过电视监视器进行生产监 督。在保证最佳收得率的情况下，由过程计算机给出最佳切割长度。采用该系统后， 连铸车间的工作人员数量大大减少。 目前也有一些厂家采用了更先进的三级自动化系统。如德国东方钢铁公司的连 铸机采用的便是一个典型的三级自动化控制和信息处理系统，第一级和第二级分别 由可编程控制器和基础自动化系统构成，第三级为单独的一个计算机系统。还有一 台故障计算机与所有生产设备相连，负责连铸生产过程的故障诊断。此外还有一个 用于离线分析和软件开发的备用控制系统。另外，美国国家钢铁公司2 号连铸机控 制系统也采用了三级计算机控制系统，其中第一级为由可编程控制器p l c 构成的 集散控制系统d c s ，第二级为设备监控系统，它与第一级控制系统进行信息跟踪、 存储和为其提供给定值，并同第三级交换信息；第三级为一个负责练钢和连铸生产 调度的计算机系统。该系统可以根据质量控制系统提供的数据作出关于质量状况、 生产数据、收得率等的详细报表，并为操作员提供操作指导。 此外，国外还有些厂家的连铸机已采用四级自动化系统。如美国内陆钢铁公司 2 号和3 号连铸机都配备了四级自动化信息系统。其中第一级为显示控制系统，由 集散控制系统d c s 、可编程控制器p l c 组成，第二级由过程计算机组成，用于设 备监控；第三级为用于协调和监视连铸车间各生产设备的操作的计算机系统；第四 级为中心数据处理计算机系统，用来管理和调度连铸及其相关工序，使各工序协调 生产，并保存连铸车间的历史数据 3 1 。 目前，我国较大的钢铁企业的连铸自动化系统一般由两级自动化系统构成，它 们分别完成各自不同的任务，通过网络系统相互连接，传送连铸生产过程中相关过 程参数和控制命令。 一级系统为基础级自动化系统，管理整个连铸生产过程。它由可编程控制器 p l c 、上位监控机h m i 、工程师站、冗余服务器及相应的网络等组成。它完成采集 信号、电器设备的顺序控制、过程回路控制、设备运转操作、设备监视、现场数据 采集和报警等基本功能。 二级系统又称为过程优化与管理系统，是以一级系统为基础的相对独立的系 统。它对整个方坯生产过程进行管理和过程控制优化，并预留更高级的管理信息 ( m i s ) 接口。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 计算机监控系统发展现状 9 0 年代以来工业控制和生产过程管理领域的大部分d c s 和p l c 厂商都在自己 的硬件产品中配置了w i n d o w s 监控软件，许多s c a d a 软件也从d o s 版本刊级到 w i n d o w s 版本。计算机监控系统使我们可以了解整个 一程以及整个行业甚至更大范 围内所发生的一切。 1 2 1 计算机控制系统的结构及特点 在现代工业控制中，d c s 、p l c 和$ c a d a 是三种典型的控制系统。它们各有 各自的特点。 1 2 1 1d c s 集散计算机控制系统1 4 1 集散控制系统是一种利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作管理和分 散控制的控制技术。集散控制系统概括起来由集中管理部分、分散控制监测部分和 通信部分组成。 集散控制系统属于大规模控制系统。它适用于测控点数多、测控精度高、测控 速度快的丁业现场。其特点是分散控制和集中监视，具有组网通信能力、测控功能 强、运行可靠、易于扩展、操作维护简便。 常见的d c s 产品有h o n e y w e l l 的t d c 3 0 0 0 ，h i t a c h i 的h a c s 7 0 0 0 。 1 , 2 1 2p l c 及其网络系统 5 l p l c 最初产生是为了取代继电器，构成可靠性很高的新型逻辑控制装置。随着 p l c 的换代，它己发展成具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据 处理功能、联网通信功能的名副其实的多功能控制器。在工业应用中，p l c 机动灵 活，适于各种规模的自动化系统。 p l c 网络经过多年的发展，已经成为具有3 4 级子网的多级分布式网络。加 上配置强有力的工具软件，使它成为具有工艺流程显示、动态画面显示、趋势图生 成 示、各类报表制作的多功能系统。典型的产品有s i e m e n s 公司的s 5 、s 7 系列 町编程控制器及网络等。 1 2 1 3s c a d a 系统 s c a d a 系统，即分布式数据采集和监控系统。属中小规模的澳控系统。它集 中了p l c 系统的现场测控功能强和d c s 系统的信息系统共享和组网通信能力的优 点。s c a d a 系统可以实时采集现场数据，对工业现场进行本地或远程的自动控制， 对工艺流程进行全面、实时的监视，并为生产、管理提供必要的数据。 对工艺流程进行全面、实时的监视，并为生产、管理提供必要的数据。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 计算机监控系统发展现状 9 0 年代以来工业控制和生产过程管理领域的大部分d c s 和p l c 厂商都在自己 的硬件产品中配置了w i n d o w s 监控软件，许多s c a d a 软件也从d o s 版本升级到 w i n d o w s 版本。计算机监控系统使我们可以了解整个工程以及整个行业甚至更大范 围内所发生的一切。 1 2 1 计算机控制系统的结构及特点 在现代工业控制中，d c s 、p l c 和s c a d a 是三种典型的控制系统。它们各有 各自的特点。 1 2 1 1d c s 集散计算机控制系统【4 j 集散控制系统是一种利用计算机技术对生产过程迸行集中监视、操作管理和分 散控制的控制技术。集散控制系统概括起来由集中管理部分、分散控制监测部分和 通信部分组成。 集散控制系统属于大规模控制系统。它适用于测控点数多、测控精度高、测控 速度快的工业现场。其特点是分散控制和集中监视，具有组网通信能力、测控功能 强、运行可靠、易于扩展、操作维护简便。 常见的d c s 产品有h o n e y w e l l 的t d c 3 0 0 0 ，h i t a c h i 的h i a c s 7 0 0 0 。 1 2 1 2p l c 及其网络系统【5 】 p l c 最初产生是为了取代继电器，构成可靠性很高的新型逻辑控制装置。随着 p l c 的换代，它己发展成具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据 处理功能、联网通信功能的名副其实的多功能控制器。在工业应用中，p l c 机动灵 活，适于各种规模的自动化系统。 p l c 网络经过多年的发展，已经成为具有3 _ 4 级子网的多级分布式网络。加 上配置强有力的工具软件，使它成为具有工艺流程显示、动态画面显示、趋势图生 成显示、各类报表制作的多功能系统。典型的产品有s i e m e n s 公司的s 5 、s 7 系列 可编程控制器及网络等。 1 2 1 3s c a d a 系统 s c a d a 系统，即分布式数据采集和监控系统。属中小规模的测控系统。它集 中了p l c 系统的现场测控功能强和d c s 系统的信息系统共享和组网通信能力的优 点。s c a d a 系统可以实时采集现场数据，对工业现场进行本地或远程的自动控制， 对工艺流程进行全面、实时的监视，并为生产、管理提供必要的数据。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 s c a d a 系统软件分为两类，一类是工业控制组态软件用于车间级，可下挂各 种p l c 、工业p c 机等。另一类是生产过程管理软件，用于厂级或公司级生产过程 管理。 随着技术的不断进步，d c s 、p l c 与s c a d a 也相互取长补短，相互融合。 在本文中，采用的控制系统为p l c 控制系统。 1 2 2 计算机监控系统组态软件 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。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 n t r o la n dd 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。 1 2 2 1 组态软件的任务，7 ，8 】 工业控制系统组态软件的任务主要有两方面：一是根据现场的实际任务进行组 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 曲线、流程显示、打印输出等。其中后者属于上位机的监控与管理，是工控组态软 件中不可缺少的一部分。它的实质就是进行数据的记录、维护和再现。在工业控制 中对现场数据进行记录并绘制趋势曲线十分重要。这部分工作主要包括以下内容： 1 数据记录一反映连铸生产过程中的现场参数以一定的采样周期通过通信环 节实时的传到上位机中，对用户感兴趣的部分数据加以保存。 2 数据维护一随着时间的推移数据记录将越积越多，需要对数据进行维护，或 备份或删除。 3 数据再现一记录的数据保存在监控系统自带的数据库中，根据用户的需要， 将数据库中的数据显示到屏幕上生成趋势曲线或输出到打印机上。 1 2 2 2 组态软件的特点f 6 7 ，8 】 组态软件大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 员的工作量。组态软件通常有以下几方面的功能特点： 1 通用性强，组态软件提供了灵活的组态工具和模块，适应于自动化系统的结 构框架基本固定，工艺过程不同的一大类对象。 2 加快系统开发速度，组态软件具有良好的人机界面，提供了各种图形工具， 简化了编程工作，而且系统维护简单。 3 可靠性高，开发组态软件工具一般都是由实力较强的软件公司完成，软件代 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 码经过周密设计和严格测试，系统的可靠性较高。 1 2 2 3 国内外流行的组态软件 近年来，组态软件已成功推向市场，在冶金、化工、电力等领域得到广泛的应 用，组态软件在许多大中型工程中接受了检验。其可靠性、稳定性、功能完备性、 应用领域广泛性得到用户的充分肯定。 常见的组态软件有s i e m e n s 公司的w 协c c ，i n t e l l u t i o n 公司的f i x ，r o c k w e l l 公司的r s v i e w ，g e 公司的c i m p l i c i t y ，北京亚控公司的组态王等组态软件。 1 3 课题提出 本课题的研究背景立足于杭州亚通特钢有限公司的连铸控制系统的改造工程。 杭州亚通特钢连铸机为一机二流弧形连铸系统，铸机的弧形半径为6 m ，结晶器尺 寸为8 0 0 m m ，主要浇铸的铸坯断面尺寸为1 5 0 1 5 0 m m 和1 5 0 2 3 0 m m 的j 4 系列、 c r 系列和3 0 4 系列特种钢小方坯。 1 原有控制系统的构成 原有的控制系统只有过程基础级控制系统( 一级系统) ，没有上位机监控管理 系统，更没有二级管理系统，没有通过现场总线建立起网络系统。现场的控制和操 作主要由操作台上的按钮进行控制，生产过程中的信息主要通过操作台上的信号灯 和仪表盘上的模拟仪表进行显示，操作工人只能通过信号灯和仪表盘上的信息进行 控制，其历史数据靠人工实时记录。 基础级控制系统包括三套p l c 控制系统，都为g e 9 0 - - 3 0p l c 。其中一套p l c 管理公共设备，另外两套p l c 分别管理两个铸流系统的设备。 2 原有控制系统存在的问题 原有的控制系统自动化水平较低，没有网络系统，监控整个系统仅仅依靠模拟 仪表显示系统显示和报警，重要的过程参数依靠人工手动记录，实时数据数量很少， 重要数据状态的变化趋势无法绘制。 通过具体分析主要表现在以下几个方面： 1 ) 监控系统不完善 原有的控制系统的监控部分由仪表和操作台显示灯的显示完成，因此不能完成 如下的功能：准确显示和反馈现场的工艺参数；及时反馈控制系统工作状态；由于 显示盘规格的限制，无法增加其他主要工艺参数的数据采集；实现现场设备故障的 报警等；另一方面，这种监控系统工人劳动强度大，无法保证记录数据的及时性和 正确性。 气 查! ! 查鲎堡主堂堡垒查釜二主鲨笙 2 ) 重要的工艺参数无检测 一些重要的工艺参数如拉速、结晶器振动不能进行监控。 3 1 ) 二冷配水控制不合理 原有的二冷配水制度不合理，二冷配水参数只存在两种，对应着现场浇铸的两 种断面。不能随着钢种的变化而进行相应的调整。经过现场实际考察，发现有时进 行生产时，由于浇铸钢种和参数的不匹配，而由人工手动调节水量。这种情况下一 是操作人员劳动强度大，二是生产可靠性低。 4 ) 原控制系统中无二级系统 在原来的控制系统中更无二级管理系统。一些可靠的理论数学模型不能有效的 用于生产过程控制中。如：不能在线监n - - - 冷区温度场的变化情况，无法预报铸坯 质量，无系统的故障诊断等。 1 4 课题研究内容 本文以杭钢特钢连铸机连铸监控系统为背景，对监控系统的整体功能设计、软 件开发与工程应用进行了深入的研究。其次，在此监控系统成功运用于现场的基础 上就如何将连铸二冷区的温度场数学模型有效的应用于连铸二冷过程控制进行一 定的研究，既本论文第四章中讨论的二级系统二冷模块。具体工作包括以下几个方 面： 1 熟悉杭钢特钢连铸生产现场，了解连铸生产的各个环节，学习现场操作知识， 在此基础上，设计适合杭州亚通特钢有限公司的连铸控制过程的上位机监控界面程 序。 2 通过在连铸机控制过程现场中的应用，验证监控界面程序的可靠性、稳定性； 并根据现场情况不断调试修改上位机监控界面程序，将监控系统较好的应用于杭州 亚通特钢有限公司的连铸控制过程。 3 在监控系统正常稳定的运行于现场的基础上，针对杭钢连铸控制系统无二级 系统，对如何将二冷温场模型有效的运用于连铸生产过程进行研究。即设计二级系 统二冷模块，设计二级系统二冷模块的温度场模型数据库及二冷模块应用程序，以 能根据监控系统传送的现场生产数据在模型数据库中找到与之最为匹配的铸坯表 面温度场和坯壳厚度数据，实现二冷区铸坯表面温度和坯壳厚度的在线监测。 东北大学硕士学位论文 第二章连铸监控系统的设计与开发 第二章连铸监控系统的设计与开发 2 1 杭钢特钢连铸控制系统总体设计 杭州亚通特钢连铸系统原有的控制系统已不能满足生产需要，对整个控制系统 于2 0 0 4 年1 2 月底开始进行改造。系统改造要求如下： 1 具备上位机监控系统，能完成对整个连铸生产过程的监控功能。 2 更换新的p l c 控制系统，加入新的二冷配水及结晶器振动等程序。 下面分硬件和软件加以说明： 2 1 1 控制系统硬件构成 在新的杭钢亚通特钢连铸控制系统中硬件组成主要包括：p l c 控制器和上位监 控机。其中p l c 控制器采用s i e m e n s 公司的s 7 3 0 0 系列，上位监控机采用研华工 控机。另外还有一台工程师工控机，以完成对p l c 程序的编译、下载和调试功能。 杭州亚通特钢连铸机为一机二流系统，三套p l c 控制系统分别完成对公共设 备和一号铸流系统、二号铸流系统的控制。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。 图2 1 控制系统组成 f i g 2 1s t r u c t u r eo f t h ec o n t r o ls y s t e m 2 1 2 控制系统软件构成 系统软件包括上位机的监控程序和下位机的控制程序。 东北大学硕士学位论文 第二章连铸监控系统的设计与开发 下位机的控制程序采用s i e m e n s 公司的s 7 叫5 2 编辑程序和组态。它具有很 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 硬件机架组 态。提供的编程语言非常丰富，有l a d ( 梯形图) 、s t l ( 语句表) 、g r a p h ( 顺 序控制) 、cf o rs 7 ( c 语言) 等，用户可选择其中一种语言编程，也可以混合使 用几种语言编程。这些编程语言都是面向用户的【9 , 1 0 , 1 1 】。 上位机的监控界面采用s i e m e n s 公司运行在微软w m d o w s 2 0 0 0 平台下的 w i n c c 5 1 开发。 在上位机上运行的监控软件需要针对具体的对象设计和编程。目前工业监控软 件的设计已进入采用图形组态软件进行开发的阶段。本系统监控软件采用了 w i n c c 5 1 ，其原因之一是因为w i n c c 5 。l 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用的是s 7 3 0 0p l c 及其编程工具s 7 - v 5 2 ，与w i n c c 5 1 同为s i e m e n s 公司的产品，w i n c c 5 1 本身提供s 7 1 0 0p l c 的通信驱动程序，因 此使p l c 与上位计算机的连接可以变得非常容易。 2 2 组态软件w i n c c 简介 w i n c c 是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。 它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的过程 耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据使其具有高度的实用性。 除了这些系统功能外，w i n c c 还提供了开放的界面用于用户解决方案。这使得 将w i n c c 集成入复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。可以集成通过o d b c 和s q l 方式的归档数据访问，以及通过o l e 2 0 和a c t i v e x 控件的对象和文档的链 接。这些机制使w m c c 成为w m d o w s 世界中性能卓越、善于沟通的伙伴。 w i n c c 是基于w i n d o w sn t3 2 位操作系统。 w i n d o w sn t 具有的抢先多重任 务的特性确保了对过程事件的快速反应并提供了多种防止数据丢失的保护。 w i n d o w sn t 同样提供了安全方面的功能。w i i l c c 软件本身是3 2 位的应用程序， 开发使用调制调解器、面向对象的软件编程技术。 w i n c c 软件是适于监控级应用的软件，它是一个“开放的 h m i ( 人机接口) 软件，可以在任何标准的p c 上运行。w i n c c 完全支持分布式系统结构，它的设计 适合于广泛的应用，可以连接到已存在的自动化环境中，有大量的通讯接口，全面 的过程信息和数据处理。下图2 2 为w i n c c 运行过程。 东北大学硕士学位论文 第二章连铸监控系统的设计与开发 w i n c c 变量标签 图2 2w i n c c 运行过程 f i g 2 2t h er u n n i n gp r o c e s so f w i n c e 2 2 1w i n c c 工程项目类型 在新建一个w i n c c 项目时，系统会提示所建项目的类型，分为单用户项目、 多用户项目、多客户机项目。 客户机：在多用户项目中被永久分配到服务器的客户机。客户机能被用于多用 户的项目或一个分布式的系统。 多客户机：在w m c c 中，一个多客户机可以访问多达6 个服务器的数据。多 客户机不是服务器项目的组件。 服务器：带客户机和多客户机的多用户项目的服务器。冗余服务器组也能代表 一个服务器。 1 单用户项卧1 2 】 单用户项目是单个操作员强骊。征此计算移l 上n , i 以元厩组念、课作、勺赳程思 线的连接以及项目数据的存储。 2 多用户项目1 1 2 】 多用户项目具有多个客户机和一个服务器的特点，它们都工作在相同的项目 下。在此最多能访问1 6 个客户。可以在服务器或任意客户机上组态。项目数据， 如画面、变量和归档更适宜储存在服务器上并可用于全部的客户。服务器执行与过 程总线的连接和过程数据的处理。运行通常由客户机操作。 3 多客户机项目【1 2 j 多客户机项目是能够访问多服务器数据的项目类型。每个多客户项目和相关的 服务器具有自己的项目。在服务器或客户机上完成服务器项目的组态；在多客户机 上完成多客户项目的组态。最多1 6 个客户机或多客户机能够访问服务器。在运行 时多客户机能访问至多6 个服务器。也就是说，例如6 个不同服务器可以可视化在 9 东北大学硕士学位论文 第二章连铸监控系统的设计与开发 多客户机上的同一幅画面。 2 2 2w i n c c 资源管理器 w i n c c 资源管理器中的编辑器可以编辑和控制整个项目。启动w i n c c 后，将 首先打开w i n c c 资源管理器。在此可访问各种编辑器，从中执行操作和监控系统 的指定任务。w m c c 资源管理器中包括的编辑器和管理器包括：计算机、变量管理 器、图形编辑器、报警记录、变量记录、报表编辑器、全局脚本、文本库、用户管 理器、交叉索引等 1 3 , 1 4 1 。w i n c c 资源管理器的主要作用有： 1 完成组态，在组态和运行之间切换。 2 项目的管理，包括打开保存移动和复制；项目中多用户( 客户机、服务器环 境) 的网络编辑功能。即当多个编辑器在一个项目里工作时，能进行协调的数据管 理；项目文件。 3 画面体系系统结构的控制和组态，通过树来显示。 4 全局安装设置，例如：功能选项用户路径设置。 5 为已组态数据进行测试，包括画面改变、变量模拟、状态显示和消息创建、 报表系统状态。 2 2 2 1 计算机 指项目运行所在的计算机，包括计算机类型，对于单用户项目指的是工作站还 是服务器，计算机的名称，指出项目允许所在的计算机；项目的启动设置，包括各 编辑器是否运行，是否添加附加的用户的应用程序；项目的参数设置，包括运行时 语种的设置等；项目运行时图形运行系统的设置，如起始画面的设置等。这些属性 必须在项目激活前设置。 2 2 2 2 变量管理器 w i n c c 变量对于访问过程值是主要的元素。在一个w i n c c 项目内，它们被赋 予唯一的名称和数据类型，以使其有别于其它的内容。一个逻辑连接被分配给一个 w i n c c 变量。该连接确定了通道对应的连接，向变量传送过程值。这些w i r l c c 变 量存储在用于整个项目范围的数据库内。在w i n c c 启动时，所有属于项目的变量 都会被装载并建立起相关的运行结构。 在变量管理器内可装载两种变量：内部变量、外部变量。 内部变量：在系统中无与外部控制设备连接的地址，由w i n c c 中的变量管理 器提供对于整个网络的内部变量。内部变量用于存储如当前日期、时间、当前层面 和当前已登录的用户的常规信息。此外，为了以集中的和优化的方式实现过程间的 1 0 奎! ! 查芏堡主兰堡垒查箜三主垄箜些垄叠丝竺垄苎皇翌叁 通讯，内部变量与应用程序之间能够进行数据交换。 外部变量：外部变量连接到逻辑连接，为了反映不同控制系统的地址信息，外 边变量由多种信息组成，如名称、类型、限制值以及指定的连接部分，指定的连接 部分依赖于逻辑连接。变量管理器以文本格式向应用程序提供外部变量的指定区 域。 2 2 2 3 图形编辑器 图形编辑器是w i n c c 提供的非常重要的一项功能，大部分工作均在此完成。 它是一种用于创建过程画面的面向矢量的作图程序。也可以用包含在对象和样式选 项板中的众多的图形对象来创建复杂的过程画面。可以通过动作编程将动态添加到 单个图形对象上。向导提供了自动生成的动态支持并将他们连接到对象，也可以在 库中存储自己的图形对象。 图形编辑器具有以下特征： 1 简单易用，维持w m d o w s 操作原理。 2 带有集成图标库的最新型组态。 3 导入图形和支持o l e 2 0 接口的开放式接口。 4 由一个辅助( 动态向导) 支持的画面对象的可组态动态行为。 5 通过强大的脚本组态连接到附加功能。 6 可以连接到自己创建的图形对象。 2 2 2 4 报警记录 报警记录提供了显示和操作选项来获取和归档结果。可以任意地选择消息块、 消息级别、消息类型、消息显示以及报表。系统向导和组台对话框在组态期间提供 相应的支持。为了在运行中显示消息，可以使用包含在图形编辑器的对象选项板中 的报警控件。 2 2 2 5 变量记录 变量记录被用来从运行过程中采集数据并准备将它们显示和归档。可以自由地 选择归档、采集和归档定时器的数据格式。可以通过w i n c c 在线趋势和表格控件 显示过程值，并分别在趋势和表格形式下显示。 2 2 2 6 全局脚本 全局脚本是c 语言函数和动作的通称，根据其不同的类型，可用于一个给定的 项目或众多项目中。脚本被用语给对象组态动作并通过系统一内部c 语言编译器来 处理。全局脚本动作用于过程执行的运行中。一个触发可以开始这些动在的执行。 全局脚本是函数和动作的通称，可以区别项目函数，标准函数，内部函数及动 东北大学硕士学位论文第二章连铸监控系统的设计与开发 作等四种类型。 项目函数在创建的项目中是唯一的，用户可以自己编写和修改的函数，只有在 创建它们的实际项目中才有效。可以使用项目函数使图形对象和归档动态化。可以 在其它项目函数和全局脚本动作中使用。 标准函数可以按需要修改，还可以自己创建。标准函数可越过项目识别。可以 在项目函数，其它标准函数和全局脚本中使用它们。系统所提供的标准函数可分为： 报警、图形、变量记录。 内部函数用来给图形对象、归档、项目函数、标准函数和全局脚本动作添加动 态。内部函数可以被不同项目识别。不可以创建新的内部函数或改变已存在的内部 函数。 动作是指用户可以自己创建和修改的动作，只在被创建的实际项目中有效，在 运行时使用全局脚本来控制过程，动作通过触发器来执行。 2 2 2 7 报表编辑器 报表编辑器是为消息、操作、归档内容和当前或已归档的数据的定时器或事件 控制文档的集成的报表系统，可以自由选择用户报表或项目文档的形式。提供了舒 适的带工具和图形选项板的用户界面，同时支持各种报表类型。具有多种标准的系 统布局和打印作业。 2 2 2 8 文本库 使用“文本库”编辑器在运行系统中编辑被多种模板使用的文本。使用控制中 心内“计算机属性”对话框的“参数 变量，指定运行系统中输出何种语言的文本。 在文本库中。可以为许多组态的文本定义其它语言的输出文本。但文本库不管理某 些可组态文本，如图形对象的工具提示。 2 2 2 9 用户管理器 在工作站上为项目建立了多个用户，给每个用户分配了不同等级的权限，包括 管理员权限、操作员权限、设定权限。这样允许不同的用户只执行相应权限内的操 作，便于系统的备份、监控与管理，防止由于非权限内人员的误操作造成不必要的 损失。 2 2 2 1 0 冗余 在运行系统中服务器相互监控，达到提早识别故障服务器的目的。如果一台服 务器出现了故障，客户机将自动从故障服务器切换到仍在运行的服务器上。这样保 证监控和操作过程中所有客户机可用。出现故障时，激活的服务器回继续将w i n c c 项目的所有消息和过程数据归档。故障服务器恢复在线后，所有的内容、过程值以 东北大学硕士学位论文 第二章连铸监控系统的设计与开发 及用户归档将自动复制到恢复的服务器。 2 2 2 1 1 用户归档 将技术过程的数据通过w i n c c 的用户归档连续存储在服务器p c 上。在图形编 辑器中组态w i n c c 用户归档表格控件，这样系统在运行时，将以表格形式显示来 自用户归档的所有在线数据。用户归档还被用来向p l c 提供数据。 2 3 杭钢