（测试计量技术及仪器专业论文）连铸机三电计算机控制系统.pdf

、 t 。 摘要 洲l i 吣 y 1 7 4 6 3 5 1 摘要 连铸过程控制技术水平的高低与铸坯质量密切相关，将网络技术和人工智 能理论用于连铸机控制，这无疑将加速冶金工业现代化的前进步伐，提高冶金 企业的综合竞争能力和经济效益。本文针对目前连铸过程控制中的若干技术关 键，主要就以下几个方面做了一些创新型的研究工作： ( 1 ) 针对结晶器液位控制具有大惯性、时变、非线性等特点，对其模型和 控制策略进行了研究。以液位偏差最小为目标，先用遗传算法离线优化模糊控 制器参数( c i i ，b ，) 和网络结构，再用b p 算法在线调控输出权值w ，仿真表明， g a 删c 法的应用显著提高了系统的自学习能力和鲁棒性。 随后又提出了一个带校正补偿的专家模糊控制系统( e f c ) 设计方案，它运 用模糊逻辑和现有结晶器液位控制人员的经验知识及求解问题时的启发式规则 来构造控制策略，该策略接近操作员的思维特性，值得在工程应用中深入研究。 ( 2 ) 建立了能适应现场实时控制要求的铸坯凝固传热数学模型，讨论了各 类条件及物性参数的确定，随后对模型进行了差分求解，最后在对铸坯温度场 进行分析和仿真的基础上，采用改进的粒子群算法( m p s o ) 对根据冶金准则建 立的二冷水目标函数进行了优化研究。 ( 3 ) 通过研究和开发工业以太网协议方式，组建了工业以太网网络与s 7 3 0 0 p l c 及其他第三方总线仪表的通信接口，完成了远程、强干扰工况下性能稳 定的连铸机三电计算机控制系统设计，最后用w i n c c 6 0 组态了系统的监控画 面，实现了对工业现场数据的动态监视、历史归档、异常报警等功能。 ( 4 ) 为了研发能实现与国外产品功能相同，但是价格不高的自主以太网产 品，提出了基于网络控制器a x 8 8 7 9 6 b 和单片机m a x 7 6 5 1 、a d u c 8 1 2 为核心 的连铸机控制系统方案。重点就工业以太网接口电路硬件系统进行了介绍。 关键词：连铸；三电控制；结晶器液位控制；模糊神经网络：二冷水优化； s 7 1 0 0 p l c ；工业以太网 a b s t r a c t a b s t r a c t t h el e v e lo fc o n t r o lt e c h n o l o g yi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h eq u a l i t yo fc o n t i n u o u s c a s t i n gs l a bi nt h ep r o c e s so fc o n t i n u o u sc a s t e r t oa p p l yt h en e t w o r kt e c h n o l o g ya n d a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c et h e o r y t ot h ec o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n ec o n t r o lw i l l u n d o u b t e d l ya c c e l e r a t et h em o d e r n i z a t i o np a c eo f t h em e t a l l u r g i c a li n d u s t r y ；i m p r o v e t h e c o m p r e h e n s i v ec o m p e t i t i v e n e s sa n de c o n o m i ce f f i c i e n c y f o ram e t a l l u r g i c a l e n t e r p r i s e t h i sp a p e rf o c u s e s o ns o m ek e yt e c h n o l o g i e sp r o b l e m so fc u r r e n t c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s sc o n t r o l ，f o l l o w i n gi m p o r t a n ti n n o v a t i v er e s e a r c hw o r k h a v eb e e nd o n e ： ( 1 ) t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h em a t r i xa n dc o n t r o ls t r a t e g yo fs t e e lc a s t i n gs y s t e m w h i c hp o s s e s s e st h ec h a r a c t e r i s t i co fg r e a ti n e r t i a ，t i m e - v a r y i n ga n dn o n l i n e a r a i m i n ga tg e t t i n gt h em i n i m u m d e v i a t i o no f l i q u i dl e v e l ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yu s e st h e g e n e t i ca l g o r i t h mt oo f f - l i n eo p t i m i z et h e p a r a m e t e r s ( c ：f ，b j ) o ft h e g a u s s i a n m e m b e r s h i pf u n c t i o na n dt h en e t w o r ks t r u c t u r eo ff u z z yc o n t r o l l e rw h i c ha f f e c tt h e o v e r a l ls y s t e m t h e n , b pa l g o r i t h mi su s e dt oo n l i n er e g u l a t ea n do p t i m i z et h ew e i g h t p a r a m e t e r so ft h ec o n t r o lo u t p u tw h i c ha f f e c tt h es y s t e mp a r t l y t h er e s u l t s o f s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ea p p l i c a t i o no fg a - f n cm e t h o d ss i g n i f i c a n t l ye n h a n c e st h e a b i l i t yo fs e l f - l e a r n i n ga n dr o b u s t n e s so f t h es y s t e m s u b s e q u e n t l y , i ta l s op r e s e n t st h ed e s i g no fa ne x p e r tf u z z yc o n t r o ls y s t e m ( e f c ) w i t hc o r r e c t i o na n dc o m p e n s a t i o nf u n c t i o n t h ee f cu s e sf u z z yl o g i c ，t h e e x i s t i n ge x p e r i e n c ea n dh e u r i s t i cr u l e so fs o l v i n gt h ep r o b l e m st oc o n s t r u c tt h e c o n t r o ls t r a t e g yw h i c hn e a rt h ec r y s t a l l i z e rl i q u i dl e v e lc o n t r o lo p e r a t o r sm i n d ，s o ，i t i sw o r t hi n d e p t hs t u d i e si ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ( 2 ) ah e a tt r a n s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e la b o u ts l a b c a s t e ra d a p t i v et ot h e r e a l - t i m ec o n t r o lr e q u i r e m e n t si se s t a b l i s h e d t h ed e t e r m i n a t i o no fs o m ec o n d i t i o n a n dp h y s i c a lp r o p e r t yp a r a m e t e r so ft h em o d e li sd i s c u s s e dt o o t h e n ，t h ee q u a t i o ni s s o l v e dw i t hf m i t ed i f f e r e n c em e t h o d a f t e ra n a l y z i n ga n ds i m u l a t i n gt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n ，i tu s e sa l li m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( m p s o ) t oo p t i m i z et h e o b j e c tf u n c t i o no fs e c o n d a r yc o o l i n gw a t e rw h i c hb a s e d o nm e t a l l u r g i c a ln o r m i i i a b s t r a c t ( 3 ) t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea m o n gt h e i n d u s t r i a le t h e r n e tn e t w o r k ， s 7 3 0 0 p l ca n do t h e rt h i r d p a r t yf i e l db u si n s t r u m e n ta r es e tu pt h r o u g ht h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r i a le t h e m e tp r o t o c 0 1 a n dt h i sm a k e si tp o s s i b l et o d e s i g nal o n g - r a n g e ，s t a b l ep e r f o r m a n c ee i cc o n t r o ls y s t e mf o rs e q u e n t i a lc a s t i n g u n d e rs t r o n gi n t e r f e r e n c ec o n d i t i o n s t h em o n i t o r i n gi n t e r f a c eo ft h es y s t e mw a s c o n f i g u r e db yt h es o f t w a r ew i n c c 6 0 ，w h i c hr e a l i z e t h ef u n c t i o no fd y n a m i c m o n i t o r i n gi n d u s t r i a ld a t a ，a r c h i v i n gh i s t o r yd a t a ，a l a r m i n gf o rt h ea b n o r m a la n ds o 0 n ( 4 ) i no r d e rt or e s e a r c ha n dd e s i g nt h es e l f - e t h e m e tp r o d u c t sw h o s ep r i c ei s n o t h i g hb u tf u n c t i o n sa r et h es a m ea sf o r e i g no n e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa c o n t r o ls y s t e m p l a nf o rc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n eb a s e do nt h en e t w o r k c o n t r o l l e ra x 8 8 7 9 6 ba n d s i n g l e - c h i pm a x 7 6 5 1a n da d u c 812 ，w h i c he m p h a s i z e st h ei n d u s t r i a le t h e r n e t i n t e r f a c eh a r d w a r ed e s i g n k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ；e i c ( e l e c t r i c a l - i n s t r u m e n t c o m p u t e r ) c o n t r o l ； c r y s t a l l i z e rl i q u i d l e v e lc o n t r o l ；f n c ( f u z z y - n e u r a ln e t w o r k ) ； o p t i m i z a t i o nf o rs e c o n d a r yc o o l i n g ；s 7 - 3 0 0 p l c ；i n d u s t r ye t h e r n e t i v 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 连续铸钢工艺技术及发展1 1 1 1 连铸工艺技术及特点1 1 1 2 连铸技术的国内外进展- 2 1 2 连续铸钢控制技术及发展3 1 - 2 1 连铸控制技术简介3 1 2 2 连铸控制技术的发展趋势4 1 2 3 国内外连铸水平的差距5 1 3 论文的选题依据6 1 4 论文研究的内容7 1 5 本章小结8 第2 章结晶器液位控制9 2 1 引言一9 2 2 液位控制所面临的困难一9 2 3 结晶器液位控制系统建模1 1 2 3 1 液位伺服系统模型1 1 2 3 2 水口流量数学模型1 2 2 4g a n c 方法介绍15 2 5g a f n c 在液位控制中的应用15 2 5 1 液位系统的组成及工作原理1 5 2 5 2 液位模糊推理控制器的设计1 7 2 5 3 液位f n c 网络的学习算法2 1 2 6 液位控制系统的仿真及鲁棒性分析2 5 2 6 1 液位f n c 仿真系统的建立2 5 2 6 2 液位f n c 系统的仿真结果分析2 6 2 7e f c 策略在液位控制中的实现3 0 2 7 1 液位数据库的建立3 1 v 目录 2 7 2 液位控制知识库的建立3 l 2 7 3 专家智能协调级的知识获取3 1 2 8 本章总结3 2 第3 章小方坯凝固传热分析及二冷水优化3 4 3 1 引言3 4 3 2 凝固传热过程分析3 4 3 3 凝固传热过程建模3 4 3 3 1 坐标系的建立3 4 3 3 2 模型的基本假设3 5 3 3 3 三维凝固传热模型的建立3 5 3 3 4 二维凝固传热模型的建立3 7 3 3 5 一维凝固传热模型的建立3 7 3 4 微分方程的求解条件及应用3 7 3 4 1 初始条件及应用3 7 3 4 2 边界条件及应用3 7 3 4 3 物性参数的选取4 1 3 4 4 其他参数的选取4 2 3 5 凝固传热模型的求解与计算机模拟4 2 3 5 1 二维凝固传热模型的离散化求解4 2 3 5 2 坯壳厚度的计算4 5 3 5 3 凝固传热模型的计算机模拟4 5 3 6 二冷区温度场的仿真研究4 8 3 6 1 二冷区冷却强度的确定4 8 3 6 2 二冷区温度场的仿真结果分析。4 8 3 7 二冷配水的优化与控制5 0 3 7 1 二冷配水的发展与现状5 0 3 7 2 冶金准则与冷却方法的选择5 1 3 7 3m p s o 法在优化冷却水量中的应用。5 3 3 7 4 优化结果的分析5 6 3 8 本章小结5 8 v l 目录 第4 章连铸机电气控制系统设计5 9 4 1 引言5 9 4 2 连铸机电气控制系统设计原则5 9 4 3 连铸机控制系统总体方案设计5 9 4 3 1 连铸机控制系统总体方案5 9 4 3 2 控制系统各部分功能及实现6 0 4 4 公共检控区域的硬件设计j 6 2 4 4 1 大包回转台控制6 2 4 4 2 滑动水口控制6 3 4 4 3 中包小车控制6 4 4 4 4 液压伺服机构控制。6 6 4 4 5 系统润滑控制6 7 4 4 6 设备冷却水控制6 8 4 5 铸流检控区域的硬件设计：一6 9 4 5 1 结晶器在线调宽控制6 9 4 5 2 结晶器振动控制7 1 4 5 3 扇形段拉矫控制7 2 4 5 4 辊道控制7 3 4 5 5 火切机控制7 4 4 6p l c 的点数配置及组态7 5 4 6 1p l ci o 点数的计算7 5 4 6 2p l c 系统的配置及组态7 6 4 7 程序设计及调试8 0 4 7 1 现场分散控制级程序设计8 0 4 7 2 集中操作监控级程序设计8 3 4 7 3 综合信息管理级程序设计一8 7 4 7 4 程序的调试8 9 4 8 本章小结8 9 第5 章基于以太网的连铸机控制系统设计。9 0 5 1 引言9 0 v t l 目录 5 2 工业以太网的优点9 0 5 3 连铸机以太网控制系统总体方案9 0 5 4 工业以太网接口电路设计9 1 5 4 1 基于i 盯l 8 0 1 9 a s 的以太网接口电路设计9 1 5 4 2 基于d s 8 0 c 4 1 0 的以太网接口电路设计9 2 5 4 3 基于m a x 7 6 51 的以太网接口电路设计9 6 5 5 温度检测系统电路设计1 0 2 5 5 1 微处理器a d u c 8 1 2 简介1 0 2 5 5 2 温度检测系统设计方案1 0 2 5 5 3 温度检测系统电路实现1 0 2 5 6 压力检测系统电路设计1 0 4 5 6 1 压力检测系统设计方案1 0 4 5 6 2 压力检测系统电路实现1 0 4 5 7 大包控制系统电路设计一1 0 5 5 7 1 大包控制电路设计方案1 0 5 5 7 2 大包控制系统电路实现1 0 6 5 7 3 大包控制系统程序流程图1 0 8 5 8 中包控制系统电路设计1 0 9 5 8 1 中包控制系统电路设计方案1 0 9 5 8 2 中包控制系统电路的实现1 1 0 5 9 本章小结1 l o 第6 章全文总结与展望1 1 1 6 1 引言1 11 6 2 主要成果1 11 6 3 展望11 2 至| 谢一113 参考文献1 1 4 攻读学位期间的研究成果1 18 v i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 连续铸钢工艺技术及发展 1 1 1 连铸工艺技术及特点 模铸法和连续铸钢法是钢液成型的两种基本方法。模铸法一般是先将钢水 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，其典型特征是 生产过程的间续化，而连续铸钢法是把液态钢水用连铸机浇注、冷凝、切割之 后直接得到铸坯的新工艺。与传统的模铸法相比，连铸技术的应用不但加快了 炼钢车间的生产效率，改善了劳工环境，降低了工人的工作强度，而且产品质 量有保证、金属收得率较高、能耗和生产成本也较低，因而得到了迅速发展【l 一4 1 。 连铸机主要是由大包、中间包、结晶器、结晶器振动装置、二次冷却装置、 拉坯( 矫直) 装置和切割装置等组成的。钢液凝固成型要经过如图1 1 所示的工 艺流程，其中，矩形框表示各个流程点，箭头表示相应流程的进行方向，椭圆 形框表示要实现该步工艺所要借助的设备【2 】。 ， p 甲 ，1一7一 电炉h 蜊。精炼炉h 钢包回转台洲中间包及中间包车旧结晶器 燃装哆 竺徘9 结晶器振动装置 道一割机h 辊道阿磊刊一冷熹置 装 1i 道h 板h 道h 磊刊r 冷床收 集台架 图1 1 连铸工艺流程 第1 章绪论 浇注钢坯时，先要把装有钢液的大包，通过大包回转台运送到连铸机的正 上方，然后打开大包底部流钢孔的阀门让钢水注入到中间包进行稳流，等钢液 达到一定程度后再打开中包的滑动水口，钢水便流入到下端用引锭杆头堵塞并 能上下振动的结晶器中开始冷凝，接着把带有液心并和引锭杆连在一起的铸坯 拉过弧形辊道，并接受位于其两侧的二次冷却装置不断冷却，铸坯在继续凝固 的同时被送入拉矫机进行脱引锭和矫直操作，最后再由切割机等设备按定尺长 度切割成所需要的铸坯经推钢机堆放到合适的位置存放。上述整个过程是连续 不断进行的【1 4 】。 1 1 2 连铸技术的国内外进展 连铸是连接炼钢和轧钢的中间环节，自问世以来，就得到了许多冶金企业 的广泛关注和研究p 。1 引。1 9 6 4 年，全世界所有的连铸机总共不到9 0 台，总生产 率大约为7 1 0 万吨年，但到1 9 9 6 年以后，生产的连铸坯就已经达到了5 7 6 8 9 万吨年。2 0 0 0 年全球粗钢产量已经突破8 亿吨，全球钢铁工业的连铸比已经 达到8 5 以上。2 0 0 3 年全球粗钢产量达9 6 2 5 0 万吨，比2 0 0 0 年增加了5 9 6 0 万 吨。近年来，虽然受经济危机的影响，钢产量的增长速度大不如从前，但由于 人民生活水平的提高，对钢材的需求量仍在不断上涨，所以钢材的产量也是有 增无减。相对而言，日本和美国的连铸生产发展最快，这不但加快了世界冶金 工业发展的现代化步伐，而且也对冶金行业的企业结构调整产生了深刻的影响。 中国是世界上开发和应用连铸技术较早的国家之一，但经历了一个曲折的 过程。2 0 世纪5 0 年代中期就进行过连续铸钢方面的试验研究。进入2 0 世纪6 0 年代，连铸技术的开发与应用曾掀起了一股高潮，突出表现在对弧型连铸技术 的开发上。1 9 7 9 年以来，国家确定以经济建设为中心，冶金工业部把发展连铸 作为重大技术政策，并在总结我国连铸生产经验的基础上，提出：“以连铸为中 心，炼钢为基础，设备为保证 的生产技术路线，从此，我国连铸技术进入新 的发展时期。为了学习国外的先进技术和经验，促进我国连铸生产的发展，一 些企业从7 0 年代后期就开始引进国外技术和设备，如武汉钢铁公司二炼厂在 1 9 7 8 年1 0 月、1 9 7 9 年2 月、1 9 7 9 年3 月先后投产了3 台从德国西马克德马 克公司引进的单流板坯连铸机。宝山钢铁公司和鞍山钢铁公司分别在1 9 8 9 年和 1 9 9 0 年投产了从日本引进的大型双流板坯连铸机。1 9 9 6 年1 0 月开工的武钢三 炼厂又投产了一台从西班牙引进的高度现代化的双流大板坯铸机，而且该厂也 2 第1 章绪论 是国内第一家以全连铸方式投产的大型钢厂。发展到1 9 9 9 年，我国共有连铸机 3 4 2 台，生产能力达到1 3 5 0 3 5 万吨，连铸坯产量达到9 3 6 7 万吨，居世界第一 位。2 0 0 6 年，我国产钢4 1 8 7 8 万吨，同比增长1 8 4 8 。2 0 0 9 年全球产钢1 2 2 亿吨，中国占4 6 6 ，全球产生铁8 9 8 亿吨，中国占6 0 5 。由此可见，中国的 钢、铁产量占全球比例大幅度升高，体现出我国的连铸水平在不断攀升【3 一。 1 2 连续铸钢控制技术及发展 1 2 1 连铸控制技术简介 连铸的特点之一是易于实现自动化，其目的在于改善操作人员的工作环境， 减轻劳动强度，减少人为因素对生产过程的干扰，保证连铸生产和铸坯质量的 稳定，优化生产过程和生产计划，从而降低生产成本【3 1 。 科学技术的不断发展一方面促使连铸设备的自动化、智能化和集成化程度 得到了不断的提高，另一方面促使其价格有所下降，良好的性价比使其得到了 快速的推广和应用。目前，连铸过程的监控系统一般都是由过程控制级和现场 操作级所构成的一个二级系统。过程控制级的主要任务是对生产计划进行管理 和实施，接收现场设备提供的各类数据并为其工作提供指导和优化；现场操作 级的主要任务是调度现场的各种设备( 如塞棒、冷却装置、切割设备等) 按照工艺 要求完成相应的生产操作。过程控制级和现场操作级的自动化程度直接关系到 连铸生产是否顺畅和铸坯的质量问题“圳。国内外连铸机上已经应用的检控技术 主要有以下几个方面1 3 以o j ： ( 1 ) 中间包钢液连续测温技术： ( 2 ) 结晶器液面检控技术； ( 3 ) 结晶器热流监测技术； ( 4 ) 二冷水智能控制技术； ( 5 ) 铸坯质量跟踪与判定技术； ( 6 ) 动态轻压下控制技术； 由于现代连铸生产过程中的检测手段尚不完善，所以仍有许多关于连铸的 理论和技术难题需要去做更进一步的解决。正在研究的内容有铸坯结壳厚度检 测、拉漏预报、钢水夹渣报警、铸坯表面缺陷在线检测等。这些研究内容的深 入将使连铸过程控制的精度进一步得到提高。铸坯凝固传热数学模型的完善， 3 第1 章绪论 会极大地提高无缺陷铸坯的成品率。 1 2 2 连铸控制技术的发展趋势 近年来，随着对各类先进控制方法和优化算法的不断深入研究，虽然已经 有好多的智能方法相继应用到了连铸过程中，对改善其控制性能发挥了一定的 作用。但是应用中也存在许多难题，这是由连铸过程本身的复杂性决定的，主 要体现在以下几个方面【l 。0 j ： ( 1 ) 存在着可测或不可测的扰动和未建模动态问题； ( 2 ) 具有时变性和非线性特性； ( 3 ) 过程本身和执行机构常有较大的滞后； ( 4 ) 用于过程测量的传感器也常常受到高频测量噪声的影响； ( 5 ) 连铸过程各环节之间相互耦合； ( 6 ) 连铸与炼钢和连轧之间需要协调控制和调度。 基于上述问题，目前已经有人在连铸过程建模和控制方面做了很多的研究 工作【纯6 1 。胡志坤等以有色冶金过程为工程背景，阐明了数据挖掘在工业过程中 应用的策略，对可能遇到的困难及解决方案进行了探讨；曹光明等针对结晶器 内钢水液位控制非线性、时变、多干扰等特点，建立了包含液压执行机构在内 的结晶器液位模型，提出了一种模糊自适应策略；辛菁等提出了基于遗传整定 的模糊免疫p i d 控制算法并将其应用于双液位控制系统中，效果令人满意；程 武山以马鞍山钢铁公司烧结厂现场生产数据为依托，建立了基于神经网络的烧 结终点预报系统，实际应用效果良好；谢书明等建立了炼钢期间声音的偏差及 其变化率的模糊子集，采用三角形隶属函数和t 2 s 确定性模糊推理对氧枪枪位 进行连续调节，克服了固定枪位不能及时适应炉况变化的缺点；李英顺等针对 真空感应炉的温度控制，提出了一种基于遗传算法的p i d 控制方法，该方法利 用遗传算法全局搜索能力获取一组最优的p i d 参数，得到了较好的p i d 参数整 定效果，完善了p i d 控制的动静态特性、自适应性和鲁棒性；s a n t o s 等在优化 连铸制中提出了把数学模型、遗传算法和参变量知识库整合起来的策略，并得 到了很好的效果；徐荣军应用模式识别与人工神经网络相结合的方法，建立了 板坯连铸的二次冷却水模型，该模型运用于生产实际后，铸坯表面裂纹大大减 少；c h a k r a b o r t 等基于凝固传热方程用遗传算法优化二冷和辐射区的参数，改进 了搜索效率，提高了连铸机参数的预测计算准确性；陈志凌等人使用启发式g a 4 第1 章绪论 优化算法优化方坯二冷换热系数和拉速，满足了生产需要；张建立等使用粒子 群算法对二冷区各段的水量进行优化，优化之后的二冷制度使得铸坯各段表面 温度冷却速率和温度回升速率趋于平缓，与冶金准则对改善铸坯冷却过程和提 高产品质量的要求相吻合。 由此不难得出工厂自动化技术与i t 技术结合将成为未来冶金工业技术发展 的方向，随着人工智能新技术在冶金行业中的应用和逐步成熟，人工智能技术 将会在冶金工业迎接新挑战的过程中扮演更加重要的角色。 1 2 3 国内外连铸水平的差距 连铸技术自问世以来，就在我国得到了迅速的发展并有不少冶金企业将其 投入到了实际生产中，对提高车间的生产率，提高铸坯质量产生了很大的影响， 但总体来看，我国的连铸水平和国外一些发达的工业化国家相比仍有很大的差 异【3 4 】，具体体现在： ( 1 ) 国外一些发达国家的常规连铸生产技术已经趋于成熟，连铸机的作业 率和铸坯质量不仅得到了普遍提升，而且事故次数也得到了有效控制，而我国 连铸机的生产稳定性普遍较差，事故明显多于国外，铸坯质量与工业发达国家 相比还有一定的差距。 ( 2 ) 近终成形连铸连轧技术在国外已实现产业化或正加快实现产业化的步 伐。而我国好多己建和在建的生产线均由国外引进，自主研发水平总体上还处 于实验室阶段。 ( 3 ) 结晶器液面检测与控制技术、计算机铸坯质量跟踪和判定技术、漏钢 预报警与控制技术等在国外已普遍采用，而我国自行研发的大部分连铸机不具 备上述功能，总体自动化水平还比较落后。 ( 4 ) 国外精炼比迅速提高，相关配套技术同步发展。虽然国内大中型钢铁 企业炼钢系统已基本配备了不同形式的炉外精炼设备，但总体上看，钢水精炼 水平还比较低，己经明显地影响了连铸生产的优化和完善，成为制约我国钢种 生产的一个瓶颈。 ( 5 ) 国外合金钢连铸比一般己达到8 0 以上，最高可达9 2 。而我国低于 这个水平。 综上所述，我国的连铸自动化水平与发达的工业化国家相比还相当落后。 发达国家的连铸机正朝着集成化、智能化、信息化的方向发展。国内除了一些 5 第1 章绪论 引进和近年来新建的连铸机自动化水平较高以外，大部分还是靠常规仪表和一 般电气设备进行控制，有些甚至要靠手动才能实现控制。从普及的程度来看， 二冷自动配水已为国内大多数铸机所采用，其次为结晶器液面检控。近年来， 已有不少连铸机相继采用了二冷自动配水、结晶器液面检控、中间包连续测温 等技术，但其它如钢流夹渣检测、结晶器热流监测与漏钢预报、铸坯质量跟踪 与判定系统等则很少被采用 3 , 4 1 。因此，如何提高连铸机的自动化水平，加快冶 金过程的生产效率，提高铸坯质量和降低生产成本是摆在国内钢铁企业面前的 一个不容忽视的问题。 1 3 论文的选题依据 计算机和网络技术的发展，引发了冶金工控领域深刻的技术变革，连铸机 控制系统结构的主要潮流将向网络化、全数字化、开放性方向发展。由于连铸 生产过程涉及部门较多，设备庞大繁琐，这就要求企业从现场控制层到管理层 实现全面的无缝信息集成，目前基于现场总线的连铸机控制系统尚不能满足这 些要求，促使人们开始关注到以太网技术。将以太网技术用于连铸领域可以实 全厂甚至世界范围内的信息共享，统一管理和调度，这无疑将加速冶金工业现 代化的前进步伐，提高冶金企业的综合竞争能力和经济效益【8 ，9 j 。 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) ，英文缩写为a i ，是一门由计算机科学、 控制论、信息论、语言学、神经生理学、心理学、数学、哲学等多种学科相互 渗透而发展起来的综合性新学科。自问世以来a i 经过波波折折，但终于作为一 门边缘新学科得到世界的承认并且日益引起人们的兴趣和关注。不仅许多其他 学科开始引入或借用趾技术，而且似中的专家系统、自然语言处理和图象识 别已成为新兴的知识产业的三大突破口。目前人工智能主要的研究内容包括分 布式人工智能与多智能主体系统、人工思维模型、知识系统( 包括专家系统、 知识库系统和智能决策系统) 、知识发现与数据挖掘( 从大量的、不完全的、模 糊的、有噪声的数据中挖掘出对我们有用的知识) 、遗传与演化计算( 通过对生 物遗传与进化理论的模拟，揭示出人的智能进化规律) 、人工生命( 通过构造简 单的人工生命系统并观察其行为，探讨初级智能的奥秘) 、人工智能应用( 如： 模糊控制、智能大厦、智能人机接口、智能机器人等) 等等。近年来，为了实 现对各个连铸生产过程更加严格的控制，以满足用户对产品质量的高要求，同 6 第1 章绪论 时将生产成本最小化的目标，很多专家和学者将人工智能新技术有效地应用于 冶金工业生产中，解决了许多无法用数学模型精确描述的工艺问题，获得了用 传统方法控制时难以达到的性能。人工智能新技术与冶金工业的融合，极大地 促进了冶金企业的发展，必将成为今后冶金行业应用的重点1 7 , 1 1 , 1 2 】。 钢铁企业由于部门较多，设备庞大繁琐，更新时间不同，导致各设备控制 方式不同，这就需要一套既能连接各生产管理部门，使生产数据与画面及时地 在企业内部网络上传送，又能让企业管理者随时掌握生产情况，对生产数据进 行分析整理的工控解决方案。三电计算机控制系统恰好解决了这一问题，它实 时采集生产数据，对其进行处理后通过以太网传送至网络，并通过上位机显示， 企业管理者可以通过网络了解生产情况并进行相关决策的实施，基于此，研制 集工业以太网、计算机信息、人工智能、显示、转化与可编程控制技术为一体 的连铸机三电计算机控制系统就成为了可能，而且是一种需要。因此，选择了 “连铸机三电计算机控制系统作为研究课题。 1 4 论文研究的内容 本课题来源于校企横向合作研究课题。该课题为武汉九鼎冶金电气设备有 限公司对外工程项目“连铸机三电计算机控制系统的研制 的内容，本论文要 求针对某钢厂连铸机设备，在深入学习连铸机生产工艺过程的基础上，完成以 下工作： ( 1 ) 针对结晶器液位系统控制参数庞杂，高度非线性和滞后等特点，建立 液位控制的相关数学模型，应用智能控制和优化算法对液位控制策略进行深入 研究，随后模拟实际工况进行仿真实验。 ( 2 ) 通过对小方坏连铸二次冷却段水量分配原则及影响因素的搜集和分 析，建立连铸坯温度场数学模型，并用有限差分法对其进行求解，确定二次冷 却段的冷却强度及各段温度场的耦合关系，在对温度场进行仿真实验的基础上， 根据冶金准则，建立相应的总体优化目标函数，最后采用粒子群算法对二冷配 水水量进行优化和仿真研究。 ( 3 ) 在深入研究连铸机各环节控制方案，理清各部分连锁、互锁关系的基 础上，通过研究和开发工业以太网协议方式，组建工业以太网网络与s 73 0 0 p l c 及其他第三方总线仪表的通信接口、建立人机交互式界面，实现远程、强干扰 7 第1 章绪论 工况下性能稳定的三级连铸机电气控制系统设计，保证生产数据及画面能及时 地在企业内部网络上传送，又能让企业管理者随时掌握生产情况，对生产数据 进行分析、整理。 ( 4 ) 西门子公司生产的好多工控产品虽然能实现高性能的组网控制，但是 价格普遍较贵，国内好多中小型冶金企业无力负担高额的设备费用，所以研发 能实现与西门子工控产品功能相同，但是价格相对不高的自主以太网组网产品 是必需的。论文要求采用微控制器m a x 7 6 5 1 和以太网控制器a x 8 8 7 9 6 实现工 业以太网接口电路设计，最后，在此基础上构建基于微控制器m a x 7 6 5 1 、 a d u c 8 1 2 和以太网控制器a x 8 8 7 9 6 的连铸机控制系统设计方案。 1 5 本章小结 本章在概括介绍了连续铸钢工艺技术及其发展的基础上，进一步介绍了连 续铸钢控制技术及发展的历史现状，从而清楚地阐明了研究连续铸钢控制技术 的重要性和必要性，紧接着从网络信息化和工业控制人工智能化两个方面点明 了研究连铸机三电计算机控制系统的可行性，得出了选题依据及研究意义，最 后给出了论文的课题来源及研究内容。 8 第2 章结晶器液位控制 第2 章结晶器液位控制 2 1 引言 液位波动不但直接影响铸坯的质量( 如夹渣、鼓肚和裂纹等) ，而且会导致 生产效率的降低，情况严重时会引起浇注过程中的溢钢和漏钢，一旦拉漏，不 但会打乱整个生产计划，而且会烧坏设备，造成对生产工人的人身伤害【卜7 】。所 以结晶器钢水液位控制是连铸生产中至关重要的技术，也是历年来各国竟相研 究的课题。 本章首先分析了结晶器液位控制所面临的困难，然后针对结晶器液位控制 具有大惯性、时变、非线性等特点，不但对其模型和控制策略进行