毕业设计（论文）基于西门子S7300的钢水液面控制系统

1、2011 届届毕业论毕业论文文 基于西门子 300 系列的钢水液面控制系统 系 、 部： 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 班 级： 完成时间： 摘 要 在现代的连铸生产中，结晶器内的钢水液面扮演着至关重要的角色。钢水 经过精炼完以后在结晶中第一次人为的大范围的冷却，结晶器铜管内外温差相 差有 1000 多度。结晶器中钢水液面的高度直接影响拉坯的质量，液位的波动会 造成皮下夹渣，坯壳凹陷等问题。这样拉出来的钢坯表面质量极差，这样对轧 钢生产带来极大的麻烦。特别是优质钢种的生产对液面稳定要求更高，所以针 对怎样稳定结晶器内的钢水液面，设计了一套基于涡流传感器的塞棒控制系统。 首先，从电磁感

2、应原理出发，结合钢水的导磁特性建立了电路模型进行分 析。对钢水的液面高度进行了有效的采样，将其高度转换为电信号输送给 plc。 其次，在 plc 中对采集过来的电信号进行 a/d 转换，对于得到的数字量信 号进行 pid 调节，得到控制输出量，然后将控制输出量 d/a 转换输送给控制机 构实现系统的稳定。特别指出的是在控制机构的时候，还运用了 parker 驱动器， parker 驱动器是自身具有强大运算能力的变频驱动设备。其中有三环控制原理 电流环控制，速度环控制以及位置环控制。运用了次驱动器可以大大减小 中央控制器的运算量，而且可以对电机的状态实时进行采样，可以有效的抑制 干扰，从而达到更

3、好的控制效果。 最后，为了方便集成管理运用了以太网的通讯方式，将 plc 与工控机经行 通讯。在人机界面上可以实时地读取数据，方便操作人员的观看和使用。在人 机界面上可以观察数据，测试系统的调节效果。 关键字：结晶器；涡流传感器；plc；pid 调节；驱动器；以太网通讯 abstract in the modern casting production, the height of liquid steel surface in crystallizer plays a crucial role. the refined liquid steel through crystallizer is

4、 widespread cooled by human in first time. copper pipe in crystallizer have more than 1,000 centigrade inside and outside temperature differences.the height of the liquid steel surface in crystallizer directly influences the quality of throwing, liquid level fluctuations can cause problems ，such as

5、hypodermic solidified shell slag、 depression in solid steel surface. especially，the production of high quality steel require better stability of the height of liquid steel surface in crystallizer , so how to stable the level, i designed the plug great control system based on a set of eddy current se

6、nsor. firstly, from electromagnetic induction principle, and combining the characteristics of magnetic steel established circuit model analysis. the liquid surface height of molten steel effectively sampling, its height converted to electrical signal transmission give plc. secondly, for the collecte

7、d plc electrical signal to a/d conversion, to get the digital quantity signal pid adjustment, controlled output, and then will control output d/a transformation piped to control mechanism to system stable. specifically is in control of the control mechanism, still used a parker drive, parker actuato

8、r is itself is powerful operation ability of variable frequency drive equipment. there are three-ring control principle - current loop control, speed loop control and position loop control. finally, in order to facilitate the integration management using ethernet communication way, will the line plc

9、 and industrial pc communications. in man- machine interface can real-time data read, convenient operation personnels watch and use. in man-machine interface can be observed data, test system of regulation effect. keyword: crystallizer； eddy current transducer； plc； pid adjustment； drives； ethernet

10、communication 目目 录录 1连铸生产工艺介绍 .1 1.1连铸生产中结晶器介绍.1 1.2连铸生产结晶器液位控制.2 1.3自动化液位控制重要性.2 2钢水液面控制系统的组成及其介绍 .3 2.1系统总体设计.3 2.2中央控制器设计.4 2.3涡流传感器.4 2.4park 驱动器 .6 2.5服电动缸以及塞棒机构.11 3程序设计 .13 3.1程序总体设计.13 3.2输入函数块的设计.14 3.3pid 算法设计 .16 3.4控制器程序设计.17 4系统网络设计 .23 4.1opc 通讯的介绍 .23 4.2opc通讯设计.24 4.3系统调试.28 结束语.31 致

11、 谢.32 参考文献.33 附 录.34 1连铸生产工艺介绍 1.1 连铸生产中结晶器介绍 现代连铸生产工艺是各大冶炼企业所关注和研究的问题，在现代连铸生产 过程中运用了许多自动化生产设备。现代连铸生产车间钢水主要流程分为三个 阶段：大包中包结晶器，在到二次冷车间。其中现在在工厂中得到运用的 设备主要有： 1大包回转台 2大包钢水重量自动称重 3大包钢水下渣自动检测 4从大包到中间包长水口保护浇注 510大容量中间包 6中间包钢水称重 7从中间包到结晶器采用浸入式水口保护浇注 8结晶器采用保护渣自动加入 9结晶器液面自动控制 10结晶器漏钢预报 11多功能辊缝仪 12二次冷却计算机和自动控制

12、13连铸坯质量在线自动判定系统和跟踪系统 14带液芯铸轧和轻压下 15连铸坯自动喷号系统 17连铸坯硫印装置 结晶器是钢水从液态 1500冷却到固态 900的位置，这是钢水第一次人 为冷却的地方，从以上的说明可以看出结晶器是连铸生产工艺上的重要的一环。 其结构图如图 1 所示： 图 1 结晶器结构图 1.2 连铸生产结晶器液位控制 在生产过程中，为了保持钢水结晶过程的稳定以及提高钢水结晶的质量， 必须控制结晶器内钢水液面的高度。钢水液位的频繁波动或者波动幅度过大也 会造成卷入结晶器保护渣，在铸坯表面形成皮下夹渣，影响铸坯质量。当皮下 夹渣2mm 时铸坯在加热的过程中可消除影响；夹渣深度在 2-

13、5mm 时，铸坯必须 进行表面清理。也就是说保证钢水波动幅度小于某一值，皮下夹渣的问题可以 消除。从多年的操作工经验得知，钢水液面波动控制在10mm，可以消除皮下 夹渣。 在旧连铸生产工艺过程中，这一控制环节多是人工控制中包塞棒的开口度。 这样既不能保证生产人员的安全，又会影响到钢坯质量，因为人工控制多数是 凭借工人的经验，所以控制的效果不好。本论文提出自动跟踪钢水液面高度， 实现自动控制塞棒位置，从而达到控制结晶器中钢水液面的高度的效果。 1.3 自动化液位控制重要性 结晶器内液面的高低对于钢坯的质量存在密切的联系，不同的钢种要求结 晶器内液面的高度也不同。再者，为了保证生产安全钢水必须保证

14、不能溢出， 钢水液面必须低于结晶器口约为 70-100mm。并且钢水液面波动过大，会卷入结 晶器保护渣，在铸坯表面形成皮下夹渣，影响铸坯质量。一般液面波动范围一 般控制在10mm。 对于靠操作工单纯人为控制很难到达控制要求和精度，并且很容易造成生 产事故。所以采用自动化液位控制既能减轻工人的工作量，也能很好地保证产 品质量。 2钢水液面控制系统的组成及其介绍 2.1 系统总体设计 此系统的目的是不需人工参与,自动控制结晶器液面的高度。主要是采用控 制系统中闭环控制的原理。闭环控制能有效的实现动态实时控制，抑制闭环内 的干扰，闭环控制系统也便于在硬件上实现。其系统结构如表 1 所示。 表 1 系

15、统结构表 初步设计如同图 2 所示，由传感器定时采样，送给 plc，plc 通过处理控制 驱动器控制电机然后控制塞棒到达控制液位的目的。系统原理是，涡流传感器 中的电磁信号在钢液表面产生涡电流，其感应电流的大小随钢液表面到传感器 底部的距离而变化；最后输出的电信号通过电缆传送给系统 plc；系统 plc 通 过对各种信息进行综合处理，作用于驱动器，控制数控电动缸，调节塞棒位置。 plc 仪表传感器 现场操作箱 工控机 驱动器 电动缸 塞棒机构 图 2 系统框图 通过对塞棒开度的控制，来调节从中包注入结晶器内的钢水流量，达到稳 系统结构名元件名 测量元件涡流传感器 运功控制器park 驱动器 执

16、行机构伺服电动机 中央控制器西门子 s7-300 人机界面工业电脑 定控制结晶器钢水液面高度的目的，从而实现恒拉速恒液面自动浇铸。同时通 过工控机，发出各种报警信息，实现多功能人机对话，实时监控液面。使液面 稳定，系统作业率提高到 99%以上；3mm 以内的液面波动运行率达到 95%以上， 比原设计精度高，中包水口的液渣侵蚀带缩短到 12mm 以内。 2.2 中央控制器设计 针对 2.1 节所介绍的系统设计要求，选择了西门子公司 s7-300 系列的 plc 作为中央控制器。s7-300 是一种通用型 plc，能适合自动化工程中的各种应用 场合，尤其是在生产制造中的应用。 s7-300 是由各

17、种模块部件所组成，各模块能以各种不同的方式组合在一起， 这样方便设计人员根据不同的系统设计出最完美的控制器。s7-300 的指令集包 括 350 多条指令，模块化的程序有便于程序员的编写和阅读。 在该系统中，其配置表如表 2 所示：其中 cpu313-2dp 是自带 16 个数字输 入以及 16 个数字输出的 cpu，cp343-1 是一种用于以太网通讯的模块在第四章 opc 通讯中将作详细说明。sm331:ai8x12bit，sm332:ao4x12bit 都为分辨率为 0.1v 的模拟量输入，输出模块，它在系统中主要用作对外部模拟信号的处理和 向驱动器提供控制信号，其接口表如附录中表 4

18、所示。 表 2 电气配置表 2.3 涡流传感器 主件品名附件品名规格 电源24v/5a cpu313-2dp 数字输入模块di16xdc24v cpu 数字输出模块do16xdc24v/0.5a 存储器卡mmc 卡，128k 前连接器20针，螺钉型端子 前连接器40针，螺钉型端子 模拟量输入模块sm331: ai8x12bit 模拟量输出模块sm332: ao4x12bit 通讯模块cp343-1 导轨 480mm 通讯卡cp5611 系统采用涡流传感器进行检测。涡流传感器中的电磁信号在钢水表面上产 生涡电流，此涡电流在传感器线圈中产生感应信号，其大小随钢水表面到传感 器的距离而变化，其原理图

19、如图 3 所示。一般来说，距离越大则感应电流越小， 距离越小感应电流越大。传感器的感应信号经电缆传送给主机。传感器信号由 主机处理后给出液面高度值和各种报警信息。输出单元将代表液面高度的电压 和电流模拟量送到仪器后面板插座的相应端子上，用于控制拉坯速度或塞棒位 置，其设计时应达到的要求如下： (1) 用于实时检测结晶器内的钢水液面，并实时输出对应液面高度的模拟 量。 (2) 信号传输距离长（120m 以内） ，不需另加放大器和冷却器 (3) 采样时间：0.1 秒。 (4) 输出标准的 410v 电压信号。 (5) 任意设定结晶器工作液面(正常工作液面)。 (6) 高位液面报警。 (7) 低位液

20、面报警。 其中感应电流测量电路主要是通过励磁端的阻抗变化，使电路性能发生改 变从而达到测量的目的，其原理图如图 3 所示。 图 3 涡流传感器原理图 本系统采用的是正反馈电路如图 4 所示，图中为一固定的线圈绕阻抗， r z 为传感器线圈电涡流效应的等效阻抗，d 为测量距离，放大器的反馈电路是 l z 由组成，当线圈与被测体之间的距离发生变化时，变化，反馈放大电路 l z l z 的放大倍数发生变化，从而引起运算放大器输出电压变化，经检波和放大后使 得测量电路的输出电压变化。因此，可以通过输出电压的变化来检测传感器和 被测体之间距离的变化。 图 4 反馈法测量电路原理图 2.4 park 驱动

21、器 2.4.1 驱动器外部结构与系统设计 park 驱动器广泛应用于工业伺服电机的控制，其外观结构如图 5 所示， plc 可以和其进行 dp 通讯，也可以直接硬线控制。本系统采取硬线链接的方式， 有 cpu 的输入输出模块给其 enable,模拟量控制信号。驱动器将伺服电机的位 置信号通过编码器反馈给 plc.其通讯地址表 3 所示。其中，+24vin 口是接+24 电源，可以和 plc 使用同一个电源模块。0va 为位置反馈信号，它是由电机内 部编码器提供的5v 电源，也是通过硬线输送到 plc 模拟输入口，其负极最好 是接地，可以和驱动器电源共地。ref-和 ref+口是 plc 给出的

22、位置信号输入端， 其也是通过硬线连接到 plc 的模拟量输出模块上面，其负极最好和驱动器电源 的负极并联起来，这样可以保证驱动器的正常工作。 表 3 驱动器接口表 标示功能标示功能 +24vin24v+0va4.096v 位置反馈输出- 0vq0vin3 0vain2 ax-in1 电机参考点给定（20ms 以上高电平） ax+in0硬件使能 ref-010v 位置信号输入-out1过流保护 ref+010v 位置信号输入+out0驱动器正常 mon4.096v 位置反馈输出+ 图 5 驱动器外观图 2.4.2 驱动器三环控制原理 本驱动器采用电流、速度、位置三环控制，其中大量运用了 pi 算

23、法，滤波 电路等理论，以下将分别介绍这三个不同的控制环节。 (1) 电流环 其原理图如图 6 所示，电流环在驱动器中也叫做电流调节器，它是根据伺 服电机电枢中的电流作为输入量来调节电机状态的。高性能 ac 伺服驱动器可以 实现矢量控制或磁场定向控制。通常使用 pwm 逆变器作为电压源。矢量控制的 控制指令是定子电流指令，它们由以磁场为参照的两个相互垂直的分量组成。 ac 电动机的电磁转矩由电流与磁场相互作用产生。逆变器电压源直接产生电流 控制环要求的电压。电流控制的性能直接影响伺服驱动系统的性能。 图 6 电流控制系统的信号流程图 如图 6 所示，电流调节器的输入是产生转矩的电流指令 iq 和

24、建立磁场的电 流指令 id。电流调节器的输出馈给逆变器电压源 pwm 调制器。dc 母线电压的在 线测量是为了补偿由 dc 母线电压的波动引起的回路增益的变化。电流控制环是 数字的，它以 16khz 的频率，刷新电流指令。对于两个相互垂直的 d-q 电流分 量，使用两个独立的带扩展的 pi 调节器。图 6 给出了其中一个电流分量调节器 的详细控制结构。 图 7 带扩展的 pi 电流调节器的结构图 如图 7 所示，电流调节器是参照与磁场同步旋转的 d-q 控制。实际定子电 流在以 16khz 采样后利用 e-j 坐标变换得到电流反馈信号 iq、id。然后，三 相正弦定子电流变换为与磁场同步旋转，

25、以 d-q 坐标为参照的定子电流分量。 为了决定 d-q 坐标所必须的磁场位置 ，可以用旋变或编码器测量转子磁 场的位置。如使用旋变，通常用软件实现 r/d 转换。对感应电动机磁场的位置 用建立感应电动机模型的方法来估计。 两个被转换的定子电流分量 iq、id 用来做电流调节器的反馈信号，两个电 流调节器的指令来自驱动系统的外环。转矩电流指令 iq 来自速度调节器，如果 驱动器作为转矩环运行（opmode2、3）直接来自用户转矩指令（数字指令或模 拟量输入） 。d 分量电流指令 id 可以是磁场调节器的输出，对永磁同步电动机 可以是用转矩角提前技术产生的信号。 (2) 速度环 速度环主要是利用

26、电机的转速来调节电机，一般是作为最外环使用。电流 环嵌套在内部如图 8 所示速度反馈信号来自被测量的位置信号进行计算。通常， 用于运动控制的伺服驱动器具有位置传感器。该位置传感器，或是编码器或是 与 rdc 连接的旋变。在两种情况下，伺服控制器根据指定的分辨率知道电动机 轴位置。速度的简单求导算法以较低的分辨率估计计算结果。来自速度估计的 噪音通过伺服环的传播并与可闻噪音一起在电动机中引起额外的电流脉动。分 辨率噪音可以用增加滤波来减少。但是，它以增加能引起超调和不稳定的相位 滞后为代价。另一个降低量化噪音的最简单的方法是使用带高分辨率的反馈装 置，如图 9 所示，这样观察到的位置信号比较纯净

27、，可以很好的减少干扰。可 以通过仿真得到如图 10 所示，在自动调谐速度调节器之后可以看到所得到的最 佳性能。所得到的闭环性能可以检查如下：闭环控制参数：r(带宽)： r=205(hz)，相位延迟-91.7pm(凸峰)：pm0.5db,频率范围 17mm，如式（4） e b 0.001 e1)-e(a 0.1 u （4） (2) 液位波动正负 2mm6mm 之内，如式（5） e b n 0.001 e1)-(e a 0.1 u （5） (3) 液位波动正负 6mm 之外，17mm，如式（6） e b m 0.001 e1)-(ea 0.1 u （6） 即：e ki e1)-(ekp u kp=

28、0.1*a；比例系数 ：积分系数bmb/0.001nb/0.0010.001ki kd=0：微分系数 e ： 液位偏差，即设定液位与实际液位之差 e1： 前次液位偏差 这样细化以后只要调节 a,b,m,n 几个系数就可以做到不同区域的 pi 调节的 过程。dt 调节由于不好控制，而且本身系统的滞后并不大，所以一般不用，在 实际生产中用到的也非常小。 3.3.2 pid 带死区输出设计 (1) 带死区的 pid 控制算法 控制算式： 当ee0 时，如式（7） 。 eki e1)-(ekp u （7） 优点： 带死区的 pid 控制，可消除由于频繁动作所引起的振荡，现程序中 e0 固定 为 0.5

29、；e0 可设置为一可调参数，可根据实际情况进行调整，若值太小，使控 制动作过于频繁，稳定性下降；若值太大，则系统将产生较大的滞后； (2) 带积分分离的 pid 控制算法 控制算式：如式（8） (01) e ki e1)-(ekp u （8） 优点：根据实际情况，不同的偏差范围，设置不同的 系数，当偏差较 大时， 设置往 0 接近，抑制积分项，可避免过大的超调，使系统有较快的响 应；当偏差较小时， 设置往 1 接近，加大积分作用，保证系统的控制精度； 3.3.3 pid 消弱积分设计 控制算式：如式（9） 。 ( 01) eki e1)-(ekp u （9） 优点： 根据实际情况，不同的偏差范

30、围，设置不同的 系数，当偏差较大时， 设置往 0 接近，抑制积分项，可避免过大的超调，使系统有较快的响应；当 偏差较小时， 设置往 1 接近，加大积分作用，保证系统的控制精度。 3.4 控制器程序设计 根据表 2.2 和系统的功能说明，可以设计出 plc 模块的接口表如附录中表 3.2 所示。根据设计要求系统可分为点动，手动，自动三个档位，可以供操作 员工使用。程序中 fc12 为输入处理函数，它可以对数字量输入模块的输入数据 进行处理，转换为 plc 内部寄存器的变量，这些变量对于输出进行控制。对于 piw416 的 0-10v 的信号处理在 fc14 当中，fc14 主要将模拟量信号经过采

31、样量 化得到实数型的数字量格式，这数据存储到 plc 数据块中，供 plc 和界面使用。 其中采样量化程序为 fc105.,采样周期为 100ms。得到液位信号后，经过 3.1 节 所述的 pid 算法的调节得到塞棒控制信号，通过 pow468 以10v 的电压信号输 出给驱动器。对于 d/a 转换程序为 fc106，这两个程序的代码如附录中程序， pid 算法程序如下所示： function comm_pid : void title = version : 0.1 var_input in_auto : bool ; in_i_sel : bool ; in_d_sel : bool ;

32、in_lv : real ; in_setlv : real ; in_kp : real ; in_ti : real ; in_td : real ; in_t : real ; in_deadband : real ; in_minsp : real ; in_maxsp : real ; in_plv : real ; in_pplv : real ; in_spi : real ; in_spd : real ; end_var/结束对于程序块外部封装口得定义。 var_output out_pidval : real ;/ 最终输出值的定义。 end_var var_in_out

33、ti : real ;/时间常数的定义。 end_var var_temp error : real ;/偏差。 preerr : real ;/前次偏差 ppreerr : real ;/前前次偏差 p_part : real ;/比例系数 i_part : real ;/积分系数 d_part : real ;/微分系数 error1 : real ;/偏差绝对值 preerr1 : real ;/前次偏差绝对值 in_kp_temp : real ; in_ti_temp : real ; end_var begin network title = /calculation : erro

34、r l #in_setlv; l #in_lv; -r ; /实际液位-设定液位 t #error; /偏差 abs ; t #error1; /偏差绝对值 network title = l #in_setlv; l #in_plv; /前一次液位 -r ; /前次液位-设定液位 t #preerr; /前次偏差 abs ; t #preerr1; /前次偏差绝对值 l #in_setlv; l #in_pplv; -r ; t #ppreerr; /前前次偏差 network title = /次环节主要是对于带死区积分算法的实现。 a( ; l #error; l #in_deadban

35、d; negr ; /取反 r ; /液位差死区 ) ; a( ; l #error; l #in_deadband; r ; ) ; /如果偏差在死区范围内，orl 中的值为 1. jcn j01; /上不成立跳到 j01，成立顺序执行 l 0.000000e+000; /成立表示在死区里面，输出值为 0. t #out_pidval; ju xo; network title =/calculation : p i d value x01: nop 0; l #error; l #preerr; -r ; l #in_kp_temp; *r ; t #p_part; /p=kp *( er

36、ror - preerr) l #error; l #in_t; *r ; l #ti; /r ; l #in_kp_temp; *r ; t #i_part; /i=kp * error *t/ti l 2.000000e+000; l #preerr; *r ; l #error; tak ; -r ; /#error- #preerr*2 l /#ppreerr; +r ;/#error- #preerr*2+ #ppreerr l #in_td; *r ;/(#error-#preerr*2+ #ppreerr )*td l #in_t; /r ;/(#error- #preerr*2

37、+ #ppreerr )*td/t l #in_kp_temp;/kp*(#error-#preerr*2+#ppreerr )*td/t *r ; t #d_part;/微分算法输出值。 network title = an #in_i_sel;/用 in_i_sel 限制微分输出。 jc d01; / in_i_sel=0，微分环节不输出。 l 0.000000e+000; /满足积分等于 0 t #i_part; d01: a #in_d_sel; jc d03; l 0.000000e+000; /满足微分等于 0 t #d_part; network title = /收敛时，如果偏

38、差大于 5，减弱比例项的作用，加快收敛速度 d03: l #error1; l 5.000000e+000; r ; jc d02; l #p_part; l 5.000000e-001; *r ; t #p_part; network title =/calculation : pid value d02: l #p_part; l #i_part; +r ; l #d_part; +r ; t #out_pidval; /将三个环节的输出值加起来。 network title = /输出幅值的限定，当超过限定幅度输出值为 0. a( ; l #out_pidval; l #in_maxsp

39、; r ; ) ; o ; a( ; l #out_pidval; l #in_minsp; r ; ) ; jc x02; l 0.000000e+000; t #out_pidval; ju xo; x02: nop 0; network title = /save the error value xo: nop 0; /为下次运算做准备。 l #preerr; t #ppreerr; l #error; t #preerr; end_function 4系统网络设计 4.1 opc 通讯的介绍 opc(ole for process control,用于过程控制的 ole)是一个工业标准

40、，管 理这个标准国际组织是 opc 基金会，opc 基金会现有会员已超过 220 家。遍布 全球，包括世界上所有主要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统的公 司。 基于微软的 ole(现在的 active x)、com(部件对象模型)和 dcom(分布式部 件对象模型)技术。opc 包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制 和制造业自动化系统。 opc 全称是 ole for process control，它的出现为基于 windows 的应用程 序和现场过程控制应用建立了桥梁。 在过去，为了存取现场设备的数据信息，每一个应用软件开发商都需要编 写专用的接口函数。由于现场设备的种

41、类繁多，且产品的不断升级，往往给用 户和软件开发商带来了巨大的工作负担。通常这样也不能满足工作的实际需要， 系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性 的即插即用的设备驱动程序。在这种情况下，opc 标准应运而生。opc 标准以微 软公司的 ole 技术为基础，它的制定是通过提供一套标准的 ole/com 接口完成 的，在 opc 技术中使用的是 ole2 技术，ole 标准允许多台微机之间交换文档、 图形等对象。 com 是 component object model 的缩写，是所有 ole 机制的基础。com 是 一种为了实现与编程语言无关的对象而制定的标准，该

42、标准将 windows 下的对 象定义为独立单元，可不受程序限制地访问这些单元。这种标准可以使两个应 用程序通过对象化接口通讯，而不需要知道对方是如何创建的。 例如，用户可以使用 c+语言创建一个 windows 对象，它支持一个接口， 通过该接口，用户可以访问该对象提供的各种功能，用户可以使用 visual basic，c，pascal，smalltalk 或其它语言编写对象访问程序。在 windows nt4.0 操作系统下，com 规范扩展到可访问本机以外的其它对象，一个应用程序所使 用的对象可分布在网络上，com 的这个扩展被称为 dcom（distributed com） 。 通过

43、dcom 技术和 opc 标准，完全可以创建一个开放的、可互操作的控制系 统软件。opc 采用客户/服务器模式，把开发访问接口的任务放在硬件生产厂家 或第三方厂家，以 opc 服务器的形式提供给用户，解决了软、硬件厂商的矛盾， 完成了系统的集成，提高了系统的开放性和可互操作性。 4.2 opc 通讯设计 4.2.1 虚拟站点组态 首先建立 plc 与 pc 机的硬件站点，如图 21 所示，其中 simatic pc 为虚拟 站点它其实就是代表着工控机，在设计的的时候注意两者的一致性。其设计方 法在 4.2.2 节中将做详细的说明。 图 21 硬件设置 在每一个 cpu 中设置其对应的地址，如图

44、 22 所示，设置的地址必须在一个 网络里面，即地址最后一项的设置不同，点击 properties 项可以设置。如图 17 所示，其中 mac 地址为生产商给元器件分配的原始地址是不能更改的，mac 地址在 mac 协议通讯中用到，这里不做详细的说明。 图 22 地址 设置一 在设 置网络地 址的时候， 注意将两 个站点的 地址设置 在同一网 络下。一 般 ip 地址 最后一个 数位不同，设置值可以在 0-255 之间任意选择，图 23 所示。下是不能通讯的， 这里要特别注意,如果要在不同网络之间进行通讯可以使用路由器，机理是一样 的，这里不做详细的说明。 图 23 地址设置二 将每一个 cp

45、u 组好网以后就可以建立网络组态了。 4.2.2 网络组态 首先添加一个 simatic pc station 将其改名为 ram_opcstation 为了和 opc 的虚拟站一致。如图 24 所示： 图 24 硬件组态一 点击 configuration，设置虚拟站点，如图 25 所示，虚拟站点必须和前面 设置的 opc 站点一致，不管是名字还是地址都需要一致，不然通讯的时候会出 错，这一点请设计人员注意。 图 25 硬件组态二 在第一栏和第三栏分别添加 opc server 和 ie general。双击 ie general 设置其地址，地址要与工控机地址一致。如图 26 所示。 图

46、26 opc 站点设置 点击 configure network 查看网络组态，然后就可以设置站点之间的通讯 协议了。点击如图 27 所示的地区。在下面的对话框中插入链接选项如果你要和 cpu 通讯就选择 cpu 315-2 dp 如果你要和 opc 通讯就选择 opc server。如图 27，选择后弹出如图 28 的对话框。值得注意的是在图 28 中 type 是选择通讯协 议，这里用的主站 cpu 只能用 s7 协议。 图 27 网络组态图 图 28 协议设置一 图 29 协议设置二 4.3 系统调试 4.3.1 parker 驱动器带 ser 电机测试 (1) 线路连接 由于都是 re

47、solver 反馈，所以反馈线连接没有什么太大的问题，只要注意 将屏蔽线接好就行。ser 电机和 smb 电机的绕组相位不同，在带 ser 电机时必 须依次将电机的 v/u/w 接入驱动器的 u/v/w 才能正常运行，否则电机会出现剧 烈的抖动。 (2) 速度模式测试 经过更改速度环的参数，设定电机的转速是 400rpm，运行的曲线如图 30 上面的是速度曲线下面的是电流曲线。图 31 左所示上面的是速度曲线下方的是 电流曲线，这时是给了一个缓慢上升的速度。左图右中是给了电机一个 10v 的 脉冲信号，看其电流的变化。电流在额定的 3%，即 0.15a 左右，从开始加速到 稳定为 400 转，

48、用的时间是 200ms 左右。 图 30 parker 驱动器仿真图一 图 31 parker 驱动器仿真图二 (3) 响应速度 用点动的方式查看电机位置响应时间，每次变化的电压是 0.2v。查看的点 动曲线图 32 如下:上两图中都是用位置命令电压值变化，看电机编码器位置反 馈电压值。上图左是不带负载时候的跟随曲线，右为输出一个恒定转矩时候的 跟随情况。根据 2 个图综合比较，响应速度大致为 150ms 以内。用 plc 输出类 似于正弦曲线的电压，查看响应情况，图 32 中的三部分都是用第三方软件查看 的曲线。从图 32（下）可以看出输出一个正弦波时，电机反馈的跟随情况。同 时用驱动器本身

49、的观测器检测到的位置和电流曲线如图 33 所示：位置信号成峰 值为 300rpm 正弦波周期变化时，电流峰值为额定的 2%，即 0.02a。 图 32 电机相应速度响应图一 图 33 电机相应速度响应图二 4.3.2 pid 算法调试 如同 3.1 节中所介绍的 pid 算法，我们可以通过界面仿真调节其各个环节 的系数，使其灵敏度系统性能达到最佳。 如图 34 所示，ab 段的误差为 0，塞棒控制位置趋于稳定，系统调节值为 0。当人为改变设定液位时，误差变差短时间内变化，p 环节起到迅速调节的作 用，塞棒位置随偏差成比例线形变化，如图 34 中的 bc 段所示。再次人为地将 变差调整为 0，系

50、统又恢复稳定状态。这样可以说明 p 环节达到设计的要求， 其前面的系数可以通过实际情况进行调整。 p 环节调整完后，我们可以先将液位偏差设为恒定不变，来观察 i 环节单 独作用下的效果，因为当液位偏差恒定不变时，根据 3.1 节所介绍的可以知道， 此时只有 i 环节起作用。如图 35 所示。从图中可以看出，塞棒位置周期性的增 长，这种周期就是系统更新一次数据所需的时间，一般为 0.02s。 pi 调节都达到了预计的设计效果，保证了系统的稳定性和相应的快速性， 对于结晶器内的钢水液面的稳定起到了很好的调节作用。 图 34 pid 仿真图一 图 35 pid 仿真图二 结束语结束语 科学技术发展，

51、对于改变社会的生产面貌，推动人类文明向前发展，具有 极其重要的意义。在现代连铸迅速发展的今天，结晶器液面控制急速几乎达到 了日新月异的地步。研究开发高性能，高稳定的控制系统是全世界连铸行业所 关注的问题。其主要包括： 1通过也就钢水液面的数学模型，分析液面高度对于不同钢种的要求。 2设计一套良好的控制系统达到人们所需的设定液位的高度。 3设计出良好的人机界面方便操作人员使用。 4可以进行各种通讯，实现集中化，远程可控化的管理 5由于时间所限，本文设计的控制系统还有许多的不足，尚有一些工作需 要继续。 6对于钢厂复杂的环境需要做进一步的分析，设备在高温高噪声的情况下 的抗干扰能力要做进一步的分析

52、。 7对于核心的控制算法，单环控制对于环外的扰动起不到抑制作用，并且 在干扰强的情况下会导致系统瘫痪，所以要引入一些控制环来抑制较强的干扰。 8为了加强炼钢工人的生命安全，要提高设备的可读性，便于操作性。要 有设备的避险和报警装置，确保工人的生命。 。 参考文献 1 汤南.计算机控制系统.西安:西安电子科技大学,1994:25-28 2 高强.西门子 plc 应用程序设计.成都:电子工业出版社,1995.5-6 3 崔坚.西门子 s7 可编程控制器step7 编程指南.北京:机械工业出 版社,2005:15-18 4 胡寿松.自动控制原理.南京:科技出版社,2000:33-35 5 寇宝全.交

53、流伺服电机及其控制.北京:机械工业出版社,2000:25-28 6 西门子有限公司.深入浅出西门子 s7-300plc.北京:北京航天航空大学 出版社,2002:24-26 7 邓君里.信号与系统.北京:高等教育出版社,2006:28-32 8 社阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版,2007:58-62 9 康华光.电子技术基础.北京:高等教育出版社,2003:36-45 10丘关源.电路.武汉:高等教育出版社,2005:26-32 11刘化君.计算机网络与通信.北京:高等教育出版社,2001:68-72 12唐介.电机与拖动.北京:高等教育出版社,2005:38-42 13汤楠.计算

54、机控制技术.北京:机械工业出版社,2006:68-72 14陈后金.信号与系统.北京:北京交通大学出版社,2004:38-42 15许科军.传感器与检测技术.成都:电子工业出版社,2002:45-52 16刘豹.现代控制理论.北京:机械工业出版社,2003:55-56 17陈夕松.过程控制论.北京:科学出版社,2005:38-42 18辜承林.电机学.北京:华中科技出版社,2003:85-92 19 冯如. autocad 自学手册 2008 中文版.北京:人民邮电出版社, 2004:88-94 附 录 function scale : word title = set ; / if(bipo

55、lar=0) a #bipolar; / . jc el01; / l 0.000000e+000; / k1=0 t #k1; / . ju ei01; / else el01: l -2.764800e+004; / k1=-27648.0 t #k1; / . ei01: nop 0; / l 2.764800e+004; / k2=+27648.0 t #k2; / . l #in; / acc1=in itd ; / convert to double integer dtr ; / convert to real t #in_real; / in_real-in as a real

56、 l #hi_lim; / span=hi_lim-lo_lim l #lo_lim; / . -r ; / . t #span; / . l #in_real; / if(in_real=r ; / . jc el02; / l 8; / error t #ret_val; / . l #span; / if(span0) l 0.000000e+000; / . k2) =r ; / . jc ei04; / l 8; / error t #ret_val; / . l #span; / if(span0) l 0.000000e+000; / r ; / . jcn el05; / .

57、l #lo_lim; / acc1=lo_lim ju ei05; / else el05: l #hi_lim; / acc1=hi_lim ei05: nop 0; / t #out; / out=acc1 ju fail; / error ei04: nop 0; / nop 0; / l #k2; / temp1=k2-k1 l #k1; / . -r ; / . t #temp1; / . l #in_real; / in_real-k1 l #k1; / . -r ; / . l #temp1; / divide by temp1 /r ; / . l #span; / multiply by span *r ; / . l #lo_lim; / add lo_lim +r ; / . t #out; / out=scale(in_real) l 0; / return error code 0 t #ret_val; / set ; / rlo = 1 (no