（机械电子工程专业论文）铝杆连铸连轧机控制算法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近几年来我国电力事业蓬勃发展，铝合金圆杆在国内市场上的需求量随之增大，同 时对杆线产品的质量要求也越来越高。利用先进、成熟、可靠的生产设备，先进的连铸 连轧技术，开发各种铝合金杆是众望所归的发展趋势。当前世界上最通用的生产工业用 杆线材的设备是连铸连轧机设备，我国国内的连铸连轧生产设备的总体水平较低，生产 线多是上世纪9 0 年代之前投产的，装备的水平较差，产品的产量、质量低，已经不能适 应圆铝杆市场的要求，因此对其进行技术改造势在必行。 本文所研究的内容是基于“优化设计铝杆连铸连轧机生产设备 项目开始的。本 文主要针对铝杆连铸连轧机的控制系统进行研究与设计。这包括连铸机液位控制部分的 优化设计以及连轧机传动机构控制优化设计。 本文设计了连铸机结晶器液位控制系统，连铸机浇包液位控制的精度不仅直接关系 着铸造出的铝锭坯的质量，更是影响着连轧机轧制出最终的铝杆的质量。文章设计了液 位控制系统的结构，针对高温铝液的特点对液位控制系统的检测、控制、执行机构部分 进行了选型。文章简要介绍传统p i d 算法与模糊控制算法，并比较了它们之间的特点， 在其基础上结合圆铝杆连铸机浇口塞棒的非线性特征，设计了鲁棒性更好、更为适用于 铝液浇包的模糊p i d 控制算法。文章通过s i i i l u l i i l l 【仿真比较了不同控制算法的控制效果。 结果验证结合了p m 和模糊控制的算法具有控制精度高，鲁棒性好的优点。 在连轧机部分，本文首先比较了国产连轧机和国外产连轧机的机械传动结构部分， 本项目中的轧机组是由一台大型直流电机带动一个齿轮系驱动的，整个系统庞大，复杂， 且齿轮减速箱造价高，各级机架功率分配无法调整，系统损耗大，所以在轧辊孔型以及 相邻轧辊速比分配不变，轧机成本不高于改进前的情况下，改造连轧机的传动机构为电 机直接驱动。改进后连轧机的控制问题就变为对电机的控制问题。本文针对改进后电机 的控制部分进行研究。文章对交流变频电机直接转矩控制进行了介绍，研究了多采样率 下直接转矩控制的控制性能。同时因改原有的齿轮系传动为电机直接驱动连轧机各单元 轧辊的结构，传动部分的控制还需要考虑多电机的同步控制，故本文对多电机的同步协 调控制进行了研究，比较了现行的各种控制方案，并对所选方案进行了建模仿真。 关键词：铝杆；连铸；连轧；控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t 1 1 1r e c e my e a r s ，l ee l e c t r i cu t i l i 够i n d l l s 仃yi sd l w e l o p i n gr a p i d l yi 1 1c h i l l 钆n l em a r k 或 d e m 锄do fa l u i i l j m 肌a l l o yr o u n db a r 锄dt i l eq u 甜时r e q u i 】锄e i l ：t so fm c t s 晰ui l l c r e a s e u s i i l ga d v 锄c e d ，m 叭鹏锄dr e l i a b l ep r o d u c t i o ne q u i p m e 鸭u s i l l ga d v 锄c e dc o u sc a s t i n g 锄dr o l l m gt e c l l i l o l o 既锄dd e v e l o p i n gv 撕o u sa l u n 血ma l l o yb a ra r eap o p u l a r 仃e n d e n c y c l 册e n t l y ，吐l em o s tc o m m o ne q u i p m e n tf o rp r o d u c t i i l g 抽捌mp o l e s 硼d 诵r e si s 砧u n 蛐 r o dc o m i n u o u sc 枷n ga i l dr o l l i i l g 1 1 1 eo v e r a l l l e v e lo fd o m e s t i cc o n t j m l o l l sc 枷n g 趴d r 0 1 l i l l gl i n e si sl o w 既m o s tp m d u c t i o nl i i l e sw e r ep u ti i l t oo 脚i o n b e f o r e 廿l e9 0 si i ll a s t c e r m l r y ，s ot 1 1 el e v e lo ft l l ee q u i p m 朗t si sn o tl l i g k 锄dp r o d u c t i o na n dq u a l 时o ft l l ep r o d l l c t s i sl o w t 1 1 i sh a sb e e l lm a b l et 0m e e tt l l em a r k e tr e q u i 他m e n t so f 也er o l n l da l 岫眦p o l e ，s o 昀n s f o m 血l gt e c l l l l o l o g yo f 也el i l l e si sn e c e s s a 够 t h ec o m e n ：t so ft l l e s t l j d y a r eb 嬲e d0 n 廿l ep r o j e c t “h p r o 、，i n ga n dd e s i 伊l i i 培o f 砧啪i i l 啪r o dc 0 n t i l l u o u sc 刎n ga 1 1 dr o l l i l l g ，m s 枷c l em a j l l l yr e s 黜h e sa 1 1 dd e s i g n sa c o i n r o ls y 阳nf o r 灿1 疵埘髓r 0 dc o n 血u o u sc 袖g 觚dr o l l i l l g i t 硫l u d e so 岫谳d e s i g n s o ft l l e1 i q u i dl e v e lc o 曲o ls y s t e mo fc o n 血u o u sc a s t i n gp a i ta i l dt l l e 荫诎唱a c 嘣o ro f c o n t m o u sr 0 1 1 啦p a r t t h ep a p e rd e s i 罂l sm em 砌dl e v e lc 0 m r o ls y s 钯mo fo 嘲t i l l l l o u sc a s t e e 也ea c c u m c yo f t h ei n o u l dl e v e lc o m r o l 黟s t e mn o to i l l y 缸r e c t sn l eq u a l i 够o ft l l ea l m i l i n i 啪i i l g o t ，b 毗a l s o h 弱锄e 丘& t0 n 让屺q u m 时o fm e 砧l 朋i n i u mp 0 1 e sr o l l e db yc o n 血u o u sr o l l i i 培t h ea n i c l e 1 1 a sd e s i g n e das t l l j c 嘁o fm em o u l dl e v e lc o n t r o ls y s t e l i l ，锄dh 雒辩1 e c t e d 锣p e sf 0 rm e t e s t i n g ，蛐l 锄d 嬲t t 蜘r o f t i l em o u 帕l e v e l 蝴ls ) ，s t e mc o m b 幽g 诵m 缸1 ef b a t l 鹏so f 1 1 i 曲t 锄p e r a ：t l l r ea l 眦1 i i l i u ml i q u i d t h ea n i c l e 嘶e f l yi n 仃0 d u c e sm e 仃司i t i o n a lp da l g 矾1 i n a n d 如z 巧a l g o r i 吐l n l ，锄dc o m p a r e st l l ef e a ：t u r e sk 婀佗e nn l e m c o i l s i d e r i n gn o l l l i i l e 雒f e a ：t u r e s o f 咖p p e r 鹏a rt 1 1 ei n g a t ei i lc 伽6 n u o u sc 啦p a n t l l e a n i c l ed e s i g n sa 舵巧p da 1 9 0 r i 曲n w m c hh 硒b 嫩e rr o b 嘞e s s 觚da p p l i c a t i o nf o r 也e 瑚o u l d t h ep a p e rc o m p a r e sm ec o n t t o l e 能c t so fm 跪叫a 1 9 0 r i 衄l s a n dm er e s u l t sv 萌黟i a t 龇缸巧p d 甜g o r i 吐l n ll l a s a d v a n t a g e s ，s u c h 嬲l l i 曲p 陀c i s i o no fc o n 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恤a c m o t o ra i l dr e s e 鲫c h e sn l ep r o p e r 眵o fm u h 曲t ed 硫c tt o 】r q u ec o 仰帕1 b e c a u s eo fc h a l l g i i l gn l e g e a r “、，i n gt od c tm m o r 嘶v m g ，w e h a v et oc o i l s i d e r 也e 跚c l l r o n 协i o nc o n 仃0 lo fn l e m o t o r s s ot l l e 弘l p e rr e s e a r c h e sn l es y n c l l l - 0 i l i z a t i o nc c i n 仃d 1o fm em o t o r s ，c o m p a r e sd i 伍醯e n t s 仃纰e g i e sw l l i c ha r eu s e d 、 ，i d e l yn o w ，锄db u i l d su pm o d e l s 锄ds i i i l u l a t i o i l sf o rc h o s e n s 扛a ：t e 西e s k e yw 0 溅：a 1 哪i n 啪b a r ；c o n t h l u o u sc a s t i n g ；c o n t i n u o u sr 0 l l i i l g ；c o n 仃o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 随着我国国民经济的快速增长，电力事业也在快速的发展着，电工级铝线杆因其大 量用于普通电线和电力输变电线，所以市场对其产量与质量方面都有非常强劲的需求。 目前我国每年电工级铝杆的生产产量已经高达数十万吨，我国已然成为铜铝加工生产大 国和消费大国。电力线路对铝杆的要求一般情况下包括机械和电气两个方面，因此提高 其机械性能与电气性能对于指导产品的实际生产与降低电力损耗是有着非常重要的意义 的。相应的业内对圆铝杆的生产设备和生产技术的提高也有一定的要求。随着连铸连轧 技术日益发展，目前世界各国的圆铝杆生产几乎全部采用的是连铸连轧的生产工艺。我 国9 0 以上的铝杆生产设备也是采用的连铸连轧生产线。 有色金属连铸连轧生产设备和生产技术的发展是自上世纪3 0 、4 0 年代开始的，意大 利c 0 n t i n u l i s 公司建立了世界第一条圆铝杆连铸连轧生产线，自此标志着连铸连轧技术 成功地应用在圆铝杆生产上。连铸连轧生产工艺成功应用在铜杆生产上，最早是源于美 国南方线材公司，它于1 9 6 5 年建立了世界上第一条连铸连轧生产线( s c r 法) 。在上世纪 7 0 年代初我国设计制造了国产的第一条圆铝杆连铸连轧生产线。 图1 1 铝连铸连轧机成套系统示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 上图给出了圆铝杆连铸连轧生产线结构示意以及大致工艺流程简介，其中还包括检 测控制系统的部分简介。 1 2 铝杆连铸连轧国内外发展现状 1 、连铸连轧机设备发展现状 目前世界上技术比较先进的、产品质量比较好的、用户比较多的圆铝杆连铸连轧生 产线主要有：美国南方线材公司的s c r 生产线、意大利c o m i l l u u s 公司的p r o p e 商生产 线和法国c l e c i i i l 公司的s e c o r 生产线。我国铝杆连铸连轧设备的供应商主要有东方电 工和陕西压延设备厂等。连铸连轧作为这一种比较成熟的生产工艺，国内、外的连铸连 轧生产线设备的组成是基本相同。包括熔化保温炉、除气过滤装置、轮带式铸造机、多 机架连轧机和卷取机【l 】。国内外设备产品存在较大差异的地方主要是在连铸机、连轧机、 和卷取机的装机水平、设备结果、生产工艺和自动化程度等方面。本文研究内容为生产 线的自动化控制系统，故此处主要就国内外连铸机液位控制系统和连轧机传动系统发展 状况进行介绍。 国外比较先进的生产设备实现了铸造水的液位或流量自动控制，甚至实现了包括对 轧制乳液和淬火水的分区控制，各区均配有电磁流量计和流量控制阀等，通过p l c 控制 水和乳液的流量。生产圆铝杆时，通过控制各区轧制乳液和冷却水的流量，可实现在线 热处理。此外可能在系统计算机中还存储有可修改的生产不同种圆铝杆时每个区域乳化 液或冷却水的流量配置方案，用于生产时根据相应产品类型自动调用配置方案。 一般国外产设备，连轧机生产系统是全封闭的，传动系统主要采用交流变频电机， 因其功率因数高，对环境的适应性较强，故采用此驱动方式的连轧设备加工装配精度比 极高，因其配备有先进的控制系统，使得设备整体性能稳定可靠，生产能力得到充分发 挥，相比之下，有效地降低了设备运行、维护的费用和生产成本。 国外一些先进生产线还配备有在线探伤等检测系统，系统能够连续的在线检测轧制 铝杆的质量，记录相关数据，并反映可能存在的缺陷。这种具有先进计算机监控系统的 生产线，能实现实时监控，可显示当前工业参数和相关信息，并具有报警功能，生产自 动化程度很高。 由于生产的需要，近年来国内一些大中型国有有色金属加工企业和部分民营铜铝杆 线材制造企业都对原有的系统进行了技术改造，或是引进了国外先进设备，或是对外来 引进的技术和设备进行消化、吸收，在此基础上自行研究开发新设备、新工艺和新技术。 目前其中部分加工装备或生产设备已经达到一定的先进水平，其中有很多成套的铸轧装 备包括技术都己出口国外。 但是目前我国国内工厂中的小型连铸连轧设备很大部分都是引用上世纪6 0 年代 p r 删公司的连铸连轧机工艺来生产铝杆线材的。因此，产能普遍偏低；没有过程检 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 测技术而致使生产的铜铝杆在性能、质量上波动较大成为国内连铸连轧生产设备要解决 的主要问题。此外设备的规格普遍偏小，总变形率小，能耗降不下来，产品质量欠佳等 问题，都要求小型连铸连轧设备及技术需要进行大改进和大发展。本文研究了国产连铸 设备的液位控制技术和连轧设备的驱动电机的控制技术。 2 、控制技术发展现状 目前连铸机生产现场浇堡小槽内的液面高低及波动的控制，主要是凭塞棒杠杆操作 人员用肉眼观察来对上浇堡液位作出判断，手动微调杠杆来调节浇口流量，以此控制下 浇堡液位高度，从而保证铸造出的铝锭毛坯质量均匀，性能稳定。但可想而知这种人工 的操作方式极为原始，液位的检测部分完全靠师傅经验控制，很容易受铝水保护渣厚薄， 工作人员所处观察位置，操作者的体力和经验等因素的影响，同时工人工作强度大，铝 液温度高，很容易出现事故，这样的控制存在很多局限性。 现阶段关于我国钢铁连铸行业的液位检测系统的研究有很多。虽然对有色金属连铸 加工的控制研究较少，但参照研究钢铁连铸技术的发展设计研究了铝杆连铸生产自动控 制技术方案也是适用的。在液位控制方面必须解决的难题就是检测技术问题，实现自动 化技术的基础正是检测技术，针对高温金属溶液液位，如果测不出参数值，要自动控制 该浇堡的液位是难以想像的。小型连铸连轧生产过程中的一些重要参数的检测技术，至 今还未很好解决，需要花大力研制，有一些公司也开发出了比较适用于高温熔融金属液 位的检测装置，但是一般价格比较昂贵。 在液位控制算法上，现在应用最广泛，效果最好的就是p d 控制算法，常规p d 具 有控制器结构简单、在稳态下控制精度较高、无静差，有良好的控制效果等优点，但是 它的缺点是达到稳态的过渡时间长，抗扰动性差，不能根据现场的情况进行在线自整定， 像结晶器液位控制这种非线性系统用常规p d 控制往往不能获得较好的控制效果。模糊 控制对结晶器的非线性特征的适应性比较强，但是其本身却具有控制粗糙的缺点，所以 设计算法将p i d 与模糊控制结合起来具有一定的应用价值。在铝线杆的连轧过程中，目 前一般采用的是“一台大功率直流电动机+ 机械减速机构”的驱动方式。齿轮箱减速机 构占据空间大，结构笨重，而且经过十几级的传动，其传动效率只有8 1 9 0 左右。选 用的直流电机额定功率高，常处于低负荷状态，功率因数低。生产能力低，生产成本高。 因此推广交流调速技术是很必要的，因为从省电还有设备维护方面来看，交流系统是优 于直流传动的。 1 3 课题研究背景及意义 虽然我国的圆铝杆连铸连轧生产应用很广，但是几十年来，我国圆铝杆生产线很少 有本质上的改进。随着经济发展，随着市场对电工圆铝杆的质量数量要求的提高，对高 强度、多种类铝合金杆的需求量越来越大，国产的连铸连轧生产线改进势在必行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 为了增加竞争力，国内的厂家纷纷作出措旌，改进铸机及浇嘴结构，改进轧机轧辊 布置，加大电机功率，在线增设除气过滤装置，检测装置、自动控制装置等。有一些厂 家靠引进国外现代先进的设备提高生产量与生产工艺。但这部分设备在国内只占很少一 部分。为了适应圆铝杆市场要求，引进借鉴国外先进设备及技术，综合考虑成本及优化， 我们对国产设备进行的改进，尤其在自动控制方面的改进是很有前景的，对国内铜铝杆 连铸连轧生产线的发展也具有重要意义。 1 4 本论文的主要研究内容 通过对传统铝连铸连轧生产现场数据采集和分析，对传统传动装置深入研究，参考 钢铁行业连铸连轧控制系统，调研国外同类型产品并进行借鉴，本文设计多个方案，并 从成本、性能、总体布置上综合考虑和优化，最终确定了连铸机结晶器液位控制和连轧 机传动方案。 本论文主要内容如下： 文章第一部分主引言部分阐述了我国有色金属加工行业的现状。简要介绍了我国小 型的铝杆连铸连轧生产线的现状，并对比现在国内外比较先进的铝杆生产设备及技术， 其中主要讨论了控制技术方面需要改进的热点问题，得出了本文研究的内容及意义。 第二部分主要对铝液流量( 液位控制) 智能化自动控制方案及算法进行研究。设计了 铝杆连铸机结晶器的液位控制系统，并对系统各个部分进行了选型讨论。文章简要介绍 了传统的p i d 算法，模糊控制算法，针对频繁停机导致结晶器设备结晶，并考虑塞棒堵 塞，要求算法具备高度鲁棒性而重点讨论了实现结晶器液位精确控制及高鲁棒性的自学 习模糊控制算法，在此基础上结合铝液上下浇堡的状况设计了自整定模糊p i d 控制算法， 并对其进行仿真研究。 第三部分针对多品种、多规格材料的轧制力要求，论文提出运用变频电机控制替代 传统齿轮减速箱控制，实现电机变频控制。介绍了在交流调速中直接转矩控制的应用， 直接转矩控制系统原理，结构组成，电压空间矢量的概念以及在控制中的影响地位。同 时给出了输出多采样理论的基本原理，建立了基于此理论下的直接转矩控制的数学模型， 并进行仿真研究。并对改进后多电机直接驱动的传动结构的控制进行研究。在连轧机的 多电机控制中讨论了多电机实现协调控制方案，并对可行方案进行了研究与仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章连铸机浇堡液位控制设计 目前大部分铝杆连铸生产过程中，都采用的是上下浇堡的浇注结构，浇堡铝水液位 波动严重会导致浇铸过程中的铝液外溢或者外漏事故。铝水液位的波动同样会影响浇铸 铝坯的质量，铸坯质量的不稳定会影响轧制铝杆的质量，尽可能的保持下浇堡液位稳定， 来提高铸坯质量成为本设计的最终要求。国产连铸机浇堡液位控制很多仍采用“钓鱼” 式手动控制，这种方式仅凭人的肉眼判断液位，凭操作人员经验控制塞棒开度，故精度 粗糙，工人劳动强度大，容易疲劳造成事故，劳动成本高，存在很大的控制局限性【2 】。 这种手动控制方式从根本上影响着产品的质量。本章针对此情况，综合考虑成本和性能， 在原系统基础上改进设计了浇堡控制系统，包括硬件及算法的选用与设计。 2 1 浇堡液位控制系统结构设计 通常，液位控制系统结构主要包括三部分：液位检测装置，液位控制器，执行机构。 本文对浇堡铝水液位系统的结构设计同样采用三部分构成一闭环控制系统。设定一液位 值为目标液位，过程变量由传感器通过测量液位给出，经处理后通过控制装置发出控制 信号，控制执行器作用，即控制出水口开度，进而控制进入浇堡铝液的流量，来尽量保 证下浇堡液位波动值在距目标液位士3 m m 范围内。下图为浇铸机浇堡液位控制系统示意 图： 图2 1 铝水浇包液位控制系统 2 1 1 液位检测装置的选用 本设计中实现铝液流量智能化自动控制的方法是，通过检测下浇堡液位高度及液位 波动，来调节上浇堡浇口开度，以此改变铝液流量从而达到控制下浇堡液位波动在较小 范围内的目的。其中检测铝水液位高度是最重要的环节，是调节液位的基础。液位检测 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 系统的精度和性能在一定程度上决定了整个控制系统的品质。因为本系统要检测的是融 化状态下的铝水液位，铝的熔点为6 6 0 4 ，考虑检测装置工作温度很高，再考虑到季 节对生产环境的影响，使得检测装置的选择更加困难。 由于我国液位检测技术存在很大局限性，虽然测量高温熔融状态下金属液位的方法 有很多种，但完美实用的技术大多都处在理论研究阶段。本文参照目前钢坯生产过程， 列举几种适用于超高温液位检测方法。常见的结晶器液位检测方法主要有放射性同位素 法、热电偶法、涡流法、超声波法；除此还有电磁感应法、激光法、红外线法以及工业 电视摄影法等。总体来讲，对铝水液位检测的要求是安全、稳定、可靠、便于维护、耐 高温、抗干扰，最好是能达到保护渣对测量不造成影响的效果。 1 放射性同位素法 放射性同位素法是结晶器液位检测方法中最为成熟的方法，一般常用c 0 6 0 、c s l 3 7 作为放射源。此法具有的优点有：性能可靠稳定，受干扰少，灵敏度高，使用寿命较长， 便于安装，使用维护方便。但是由于放射线有辐射污染，所以国内许多现场操作人员比 较不受欢迎此种检测方式，在欧美诸国，由于他们操作人员比较少，且管理严格，所以 多采用此方法进行高温熔化金属液位的测量，尤其是在连铸钢生产上的应用已比较成熟。 放射性同位素法的测量原理：以同位素铯1 3 7 为例，主要是根据物质的密度对射线 有阻挡作用的原理进行的。放射源发出的丫射线产生光闪烁，贯穿容器及液体，浇堡内 金属溶液的高度越高，对射线阻挡的能力就越强，通过金属溶液的y 粒子就越少，位于 放射源另一侧的闪烁计数器所接收到的射线强度就越低。 现在铸钢业中所用的放射性液位计，发射端，丫射线发出光闪烁，然后通过光电倍 增管将其转化为电脉冲，另一端探测器接收信号，探测器外壳内的高压发生器连接电缆， 同时传输低压电源和脉冲信号给探测器中前置放大器，放大器计算电脉冲信号后输出标 准电脉冲。探测器发出的是脉冲信号，经过微处理器的运算，将其转换成标准的电流、 电压信号输出，从而判断出金属溶液的实际位置。然后根据测量液位控制器控制结晶器 的流量，保持钢水在结晶器内的液面稳定。 2 涡流法 采用涡流法测量的系统中核心装置就是涡流位移传感器，这种新型液位仪是根据电 磁感应原理制作的。涡流法，我们主要是指电涡流传感器，涡流位移传感器主要组成： 其中主要包括涡流探头部分与测量转换装置。探头由3 个线圈( 空心线圈1 个，测量线圈 2 个) 组成的，其中两个测量线圈相互关联并反向连接。测量部分主要包括有振荡部分， 检测滤波，放大部分与线性修正等组成。 图2 2 简要示意了工作原理：电涡流传感器的振荡器发出高频电流，此电流经过反 馈放大通入探头的空心线圈后，就产生一个交变的高频磁场。当发射出的高频磁场到液 体表面( 被测体表面) 时，产生的电动势就形成了电涡流，该电涡流再产生新的磁场，发 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 射给测量线圈，并在其中同样形成差分电动势。这个过程中，空心线圈与被测体表面间 的距离影响产生的电涡流大小，电涡流大小影响着最后输出的差分电动势大小，因此就 测量出了距离。最后涡流传感器的电动势信号通过放大、转换后变成电流信号，可通过 专用屏蔽电缆输出。 金晨 图2 2 电涡流作用原理图 涡流法常用于连铸结晶器的液面控制中，而且测量精度等性能比较高，因为电涡流 传感器不需要接触液面，所以一定程度上解决了处理高温金属液体的问题。国内此方法 广泛应用于钢坯的连铸生产上，用于连铸钢的电涡流液位测量系统具有测程长，测量稳 定、可靠，灵敏度高，信号线性度好，环保的特点。又因测量组件直接安装在结晶器上， 所以克服了保护渣、烟尘、振动对其影响。鉴于在钢水液位测量的成功应用，本文铝杆 连铸机浇包液位测量系统最初也选用电涡流法。但是市场上多数电涡流位移传感器高温 度适用范围不足够适用于高温熔融金属液面的测量，需另行设计一降温装置，一般为水 冷装置作用在探头周围降温。由于另行设计安装降温装置，所以此测量方法成本较高。 3 超声波法 由于超声波法同样采用的是非接触式测量，被测介质范围很广。超声波的反射原理 是超声波液位计设计的依据。在工作时，超声波液位计探头部分发射出超声波，发出的 超声波到达液面后被反射，再返回液位计探头。按照声波的传播时间与声波的发出到物 体表面的距离成正比的原理，通过计算超声波往返过程时间，来计算传感器到被测物体 的距离，然后将位移信号转换成电信号输出。 要注意的是，在安装超声波液位计时需考虑到超声波液位计存在盲区的问题，当液 位上升或下降到盲区时，超声波液位计是无法测量并获得液位数据的，所以在安装超声 波液位计时，必须保证超声波液位计探头至少要高于液位一定距离。 超声波传感器具有精度高，测距远，安装维护简便和价格低廉的特点，在此试验中 可以考虑使用性能较好的超声波液位仪。 除了上述的几种常用测高温液体液位的方式外，还有通过红外摄像机来感知金属溶 液液面热信号的强度，通过热信号的强度来计算液面的高度。此法抗干扰能力强，安装 方便，图像直观，但仅适合于不加保护渣的铸机。连铸钢生产中还有一种采用电磁型传 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 感器的液位测量法，安装于结晶器导流水套上电磁型传感器，发射电磁信号并接受返回 的涡电流，其强度与钢水液面成正比，此法同样根据涡电流信号强度不同导出液面高度， 与点涡流法一致。特点是信号衰减少，灵敏度高，系统比较简单可靠，安装维护不方便。 由于铝水温度过高的问题，使得选择液位检测装置成为连铸机浇堡液位控制设计的 一大难点，由于现有的适合高温测量的测量装置，测量技术的局限，再从降低设备成本 方面出发，还可以考虑使用压力传感器的方式用于测量液位。 生产过程中，除了对铝水液位进行测量外，还需要测量熔融金属液体温度。热电偶 传感器可以用于测量各种温度物体，测量范围极大。它适用于炼钢炉、炼焦炉等高温地 区，也可测量液态氢、液态氮等低温物体，故此选用热电偶温度计对铝水温度进行测量。 2 1 2 控制器的选用 控制器是控制系统的核心。现在工业上常用的控制器有p l c ，d s p ，单片机等。针 对不同的控制系统，选择合适的控制器是控制系统的一大要点。 l 、p l c p l c 是目前工业生产中运用最广泛的控制设备，它功能强大，可靠性高，同时又方 便使用，它具有的这些优点使其常常被用来采集现场数据和进行设备控制。本设计就是 选用p l c 实现铝水液位的自动控制。 p l c 具有的功能与特点很多，下文总结了7 个方面： ( 1 ) 可靠性高。工业现场中，为使系统稳定可靠，首先要解决的就是干扰问题，p l c 是从硬件和软件双方面入手，都做了抗干扰处理，这就大大增强了控制器的抗干扰能力， 同样可靠性就得到了提高。 ( 2 ) 应用方便灵活、编程简单。p l c 可应用到各行各业，它的用户程序简单，容易编 写与修改，可根据实际工作状况随意设定修改，能适应不同工艺流程要求十分方便。大 多数p l c 采用的编程方式是很容易被接受的梯形图编程方式( 继电器控制形式) ，很多 p l c 还针对一些具体问题，自行设计了可直接应用的程序，给用户编程提供了更大的方 便。 ( 3 ) 具有标准化软硬件设计，安装维护容易。p l c 的标准化设计使其通用性强，系统 简单，安装维护工作量少，这应该是其能够成功开发与应用的重要因素。 ( 4 ) 现场采用封装的方式。这种方式使其不仅能抗干扰，进一步提高了可靠性，还使 其能适用于恶劣的工业环境，包括各种腐蚀性、震动、有毒等场合。 ( 5 ) 具有完善的监视和诊断功能。p l c 内部工作状态、i o 点状态、通信状态、异常 状态都有相应的显示，哪个环节异常，都可以检测到并醒目提示。同时还可以诊断编程 的语法错误、数据通信异常、内部电路运行异常、存储器出错、i o 模板配置状态变化 在盘 口o 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 6 ) 扩展性好且连接方便。因其采用的活动端子排提供了多种端子功能，既是统一接 线方式又可拆装，适应多种电气规格。 ( 7 ) 体积小、低能耗、控制功能强、性价比很高。 现阶段工业生产的各个领域都有p l c 的身影，其应用主要包括以下几个方面。 ( 1 ) 用于开关量逻辑控制。开关量逻辑控制是p l c 的最早也是最基本应用，它可以灵 活的应用于逻辑控制、顺序控制，利用p l c 取代常规的继电器逻辑控制已是非常广泛的 应用。如用于组合机床、自动化生产线等的控制，高炉的上下料，自动电梯升降，港口 码头的货物存取，采矿业的皮带运输等的控制，既可用于单机控制，也可用于多机控制。 ( 2 ) 用于闭环过程控制。大中型p l c 都具有p i d 控制功能，p l c 的p i d 控制已经广 泛应用于各种生产机械的闭环位置控制和速度控制以及锅炉、冷冻、反应堆等方面。 ( 3 ) p l c 配合数字控制。p l c 和机械加工中的数字控制及计算机数控组为一体，实现 数值控制，有的已将c n c 控制功能和p l c 融为一体，实现p l c 和c n c 设备间的内部 数据自由传送，通过软件窗口，用户可以独立编程，由p l c 送至c n c 使用。 ( 4 ) 用于数据处理。 ( 5 ) 用于通信联网。这包括p l c 与p l c 之间，p l c 与上位机，与其他智能设备之间 的通信。近年来，工厂自动化网络系统正在兴起，其中这个控制系统中，基层与中层都 需要p l c 作为数据采集管理、调度、协调控制的控制单元。 本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，系统中由s 7 2 0 0 系列p l c 完 成数据的采集和对电机等设备的控制任务。基于s 7 - 2 0 0p l c 的编程软件，采用模块化的 程序设计方法，大量采用代码重用，减少软件的齐发和维护。系统利用对p l c 软件的设 计，实现电机的启动和停止和故障诊断。 2 、d s p 数字信号处理器是用来实现数字信号处理的器件，一般分为专用d s p ，通用d s p 两大类【2 】。通常数字信号处理器指的是通用数字信号处理器，简称d s p 。具体含义：它 是一个微控制器，即一个单片机；但它是高性能的m c ( 微控制器) ；它很适用于实时高速 数据的处理和控制。它是基于软件实现数字信号处理的。 d s p 同p l c 一样可编程，实时运行速度非常快，能在一秒钟内处理千万条复杂指令 程序，它是具有优越性能的电脑芯片，在数字化电子世界中的地位日益重要。它通过将 采集接收到的模拟信号转换为数字信号( 0 或1 ) 后，对转换到的数字信号进行修改、强化、 删除等处理，再将处理后的数字数据送入其他系统芯片中进行解译，最终返回模拟的或 符合实际环境格式的数据方式进行工作的。这种处理器在速度和处理能力上的优越性主 要源自于以下特点。 ( 1 ) d s p 使用哈佛结构或增强哈佛结构。即将程序指令与数据的存储空间分开，使其 各自有自己的地址与数据总线，这就可以并行操作处理指令和数据，大大提高了处理效 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 率【2 】。这种方式使得程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据，实现取指和执行 的完全重叠。 ( 2 ) d s p 使用硬件乘法累加器( m a c ) 。这使其在一个指令周期内可完成一次乘法和一 次加法的运算，即乘和累加可以在一个指令周期完成，有利于数字信号处理。 ( 3 ) d s p 使用众多的片内外设资源，如模数接口、d m a 控制器、中断控制器、事件 捕获器、p w m 接口、通信口、c a n 总线、洲和r o m f l a s h 等，这些资源性能优 良，可做并行的数据传送而不影响处理速度。 ( 4 ) d s p 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器，具有适用于数字信号处理的指 令和快速寻址方式。 ( 5 ) d s p 支持流水线操作技术，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行，流水线的 级数越多，效率越高。 1 m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 供电电压低，功耗低，f l a s h 和s a r a m 容量加大，具 有更多的中断源和完善的中断管理，a d c 部件通道数增多，s c i 、s p i 、c a n 接口便于 与其他处理器、部件、智能传感器连接。片内集成的事件管理器，几乎能完成控制所需 的所有输入信号处理和产生控制输出信号。尤其是1 m s 3 2 0 c 2 4 ) o 【，1 m s 3 2 0 c 2 8 硪系 列d s p 器件是专门为控制设计的高性能芯片，特别适合直流电机( 有刷或无刷) 、交流感 应电机( 单相或三相) 和步进电机的控制，也适用于做变频逆变器、u p s 电源以及功率因 数补偿等设备的控制器【2 j 。 、 d s p 微处理器除了一些通用功能，相比通用微处理器较弱外，由于d s p 对元件值的 容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小，容易实现集成；v l s i 可以分时复用，共 享处理器；方便调整处理器的系数实现自适应滤波；可实现线性相位、多抽样率处理、 级联、易于存储等模拟处理不能实现的功能；可用于频率非常低的信号。但是需要注意 的是，d s p 数据采集处理，需要模数转换；因其还受采样频率的限制，故处理频率范围 有一定限度；由于构成数字系统的是耗电的有源器件，这方面没有无源设备可靠。 3 、单片机 单片机，又称为微控制器，它是一种集成的电路芯片，这个小小的电路芯片实际上 算是一个相对比较完善的计算机系统，这个系统是由超大规模集成技术集成了包括。 c p u 、只读r o m 、随机r a m 、多种i o 口、中断系统和定时器计时器等( 还可以包括模 拟多路转换器、a d 转换器，脉宽调制电路、显示驱动等电路) 。 单片机的组成部分包括控制器、运算器、存储器、i o 设备等。单片机是无界面的、 专用的设备，它系统结构简单，但实现了模块化，一般以单片形式工作，必要时还可以 在外部扩展其他硬件，使系统扩大使用起来很方便。同时单片机可靠性很高，可工作到 1 0 6 1 0 7 小时无故障，相对地处理功能强，速度也较快。 单片机本身属于器件级的计算机系统，可以被嵌入到任何单个对象或体系中，这使 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 应用范围更加广泛，只要是实现智能化控制的各个领域都可以涉及到单片机，小到如助 听器、手表这样的微型机械。此外低到几元、十几元价位的集成器件，非常有利于单片 机普及到许多我们日常所用家电、玩具中去。单片机的出现革新了原有的电子系统，它 所构成的新的电子系统已深入到我们的生活，如采用单片机控制的微波炉，可以方便地 进行时钟设置和功率控制等操作，还具有程序记忆的功能；采用单片机的空调机不但设 置遥控参数方便，能自动变换运行状态，还可实现变频控制。除了一般民用，单片机还 可以用在智能的仪器仪表上，部分的工业现场控制和网络通信领域。 相比其他控制器来说，虽然它价位低，功耗少，但是不太适用于太复杂的工业控制， 无界面，抗干扰能力差些。 表2 1d s p 和单片机的性能比较 2 1 3 执行机构的选用 在图2 1 所示的铝水液位控制系统的3 个主要组成部分，除了检测机构，控制机构 外，另一重要的部分就是执行机构了，即图示的塞棒驱动装置部分。 对于铝杆连铸机来讲，除了要求必要的精度外，工作环境也比较恶劣，这样对执行 器的要求相对就比较高，在选用时大致要考虑以下几个方面： ( 1 ) 连铸连轧工作现场环境的主要影响因素是粉尘与高温，要求其能适应这样的恶劣 环境。 ( 2 ) 为满足结晶器液位控制要求，需要执行机构具有极小的死区，响应快，滞后时间 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 不能过长等特点。 ( 3 ) 此外执行器还需要具有较好的线性度，具有执行稳定性能好，波动小的特点。 ( 4 ) 所有的执行机构还要求易于安装，这样便于维护和更换。 本文考虑了以下几种执行机构，下文对其结构和性能进行了简要介绍，最后给出表 2 2 总结比较了它们的一些特点。 1 、电液推杆 电液推杆是一种集合机、电、液于一体的新型柔性传动机构。它的组成主要包括油 缸、油泵电机、液压控制阀组等。其中电动机通过正反转驱动双向液压泵正反输出压力 油，经液压控制阀送至油缸，实现活塞杆的往复运动。它的结构形式多样，可根据不同 的现场情况进行变化安装。适用于需要往复推拉直线或往复旋转一定角度的运动，也可 用于需要上升、下降或夹紧工作物的场所，并可实现远距离危险地区的集中或自动控制。 由表2 2 比较5 种执行器，总结电液推杆有如下优点： ( 1 ) 电液推杆不仅可以带负荷启动又具有高可靠的过载自动保护性能，即使超负荷或 运行至行程终点时，电机照样正常运转，却不会烧毁或损坏其他机件。 ( 2 ) 在额定的推、拉力范围内，电液推杆的推、拉力可进行无级调节，增大了驱动范 围。 ( 3 ) 在保证推力和速度一样的状况下，电液推杆与电动执行机构和电动推杆相比，消 耗的电能却能减少一半。 ( 4 ) 因为采用全液压传动，电液推杆在保证平稳运行和准确控制行程的情况下，还能 有效地缓解冲击力。 ( 5 ) 因为集合机、电、液于一体，油路又完全封闭在一个无压钢筒内循环工作，电液 推杆整体结构全封闭，这保证了其不漏油、不进水、不吸尘、内部不锈蚀并且体积小便 于安装维护，使用寿命较长。 ( 6 ) 投资小，维修方便。与气缸相比，电液推杆不需要建空压站，减小了投资又避免 了管路泄漏不稳定和高噪音的问题；与液压缸相比，电液推杆只需要电源不需要建液压 站，降低了成本。正因为其成本较低，结构简单，所以在出现故障时，必要时只需整体 更换。而气缸、液压缸在出现问题时要先查明是哪部分的故障原因，相比下维修比较麻 烦。 2 、电动推杆 电动推杆是一种通过电力驱动，由齿轮减速机构减速和丝杆螺母机构将电动机的旋 转运动转变为推杆的直线往复运动的执行机构装置【3 】。电动推杆通过电机的正反转实现 推杆的往复动作，它还可以通过增加摇杆或连杆等机构完成其他复杂动作，可以增加、 改变杠杆机构力臂长度改变推杆的行程。 电动推杆作为执行机构可用在不同的的工艺流程中，既可以实现远距离控制又可以 西南交通大学硕士研究生学位论文第1