PLC液位控制系统开题报告

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1、本科生毕业设计（论文）开题报告题 目： 基于S7-300PLC的连铸结晶器液位控制系统学院：环化系过程装备与测控工程专业：测控技术与仪器班级：测仪093班学号：5801209094姓名：邱发生指导教师：张宇填表日期：2013年 3月 12 日目录一、选题的依据和意义 3二、国内外研究现状及发展趋 32.1软PLC研究现状32.1.1国外现状32.1.2国内现状32.2 软P LC技术的发展趋势42.3 连铸结晶器的研究现状52.4 连铸结晶器的发展趋势5三、本课题研究内容64.1液位检测系统设计74.2塞棒控制过程对象建模与控制策略算法研究74.3 PLC程序、Wince组态软件和监控界面设计

2、7五、研究目标、主要特色和工作进度85.1研究目标85.2 主要特色85.3 工作进度8六、主要参考文献8一、选题的依据和意义钢铁是国民经济的中流砥柱，是国家的命脉，是国家生存和发展的物质保障。 钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是国家经济水平和综合国力的重要标志。 随着国际产业的转移和我国国民经济的快速发展，我国钢铁工业取得了巨大成 就。我国钢铁工业不仅为我国国民经济的快速发展做出了重大贡献，也为世界经 济的繁荣和世界钢铁工业的发展起到积极的促进作用。在现代连铸生产中,随着 自动化技术的快速发展 ,对连铸技术的可靠性和钢坯的质量要求越来越严格 ,而 结晶器液位控制是连铸系统中非常重要的环节之

3、一,所以对结晶器液位控制精度 的要求也越来越高。因此,不断深入研究结晶器液位控制方式提高液位控制精度, 对提高铸坯的产量和质量有重要的经济意义和社会效益。连续铸钢（连铸）是把液 态钢用连铸机浇注、冷凝而直接得到铸坯的工艺。结晶器液位控制是冶金连铸系 统中非常重要的环节之一1,液位波动会造成结晶器保护渣和杂质大量卷入钢水, 严重影响铸坯的质量 ,甚至可能导致浇铸过程中溢钢和漏钢事故的发生 ,因此必 须将结晶器液位控制在一个合适的范围内。为此需要设计一种特殊的控制系统， 可以精确的控制液位，来提高钢的质量，同时保证生产的安全性。随着计算机技术的发展，PLC技术在国内的日益成熟，通过PLC及Winc

4、e来 精确控制液位也成为可能了。从控制系统的总体设计、硬软件配置以及程序设计 和监控画面设计等方面进行阐述,实际运行表明该控制系统性能稳定、可靠性高, 在安全生产、提高经济效益等方面发挥了重要作用,并为节能降耗提供了技术保 证,具有一定的先进性和推广性。二、国内外研究现状及发展趋2.1 软 PLC 研究现状2.1.1 国外现状在欧美等国家，软 PLC 已开始投入工业使用，而且市场份额每年都在增加， 根据 ARC 的调查和估计，1997 年全球的软 PLC 市场有 3 千 6 百万美元，到 2000 年软 PLC 的市场达到了 1 亿 4 千 5 百万美元，2001 年差不多又增长了一倍。目 前

5、，欧美等西方国家都把软 PLC 作为一个重点投资对象进行研究开发。典型的软 PLC 应用产品有：SOFTPLC 公司的 SoftPLC、SIEMENS 公司的 SIMATIC WinAC、CJ International 公司的 ISaGRAF。2.1.2 国内现状软 PLC 大约在 1996 年以后才被介绍到国内来。目前国内的一些工控方面的 公司及研究机构在这方面也开展了部分基础技术研究工作，但起步较晚，现在还 没有一家公司或机构可以推出比较完整的产品。国内有一些著名的自动化软件公 司(如北京亚控自动化软件科技有限公司)正在研究开发具有自主版权的中文软 PLC产品，另外也有一些自动化工程公司

6、开始代理销售这些商用化的软PLC产品。 我国自行开发的 DCS 系统，如上海自仪公司的 SUPMAX- 800，选用法国 CJ International公司的符合IEC61131-3的IsaGraf和美国的强实时操作系统 Vxworks。吕涌等开发的面向DCS控制组态软件中包含一些软PLC功能，它只是DCS系 统的一部分，不能独立运行。李左章等对软PLC技术进行了大量的研究，取得了 一定的成果，其开发的数控内嵌式PLC具有软PLC的特点，但功能单一，不能作 为独立系统运行，且无联网通讯能力。罗华丽等提出了一种基于开放式数控系统 的嵌入式软件PLC子系统的实现方法，给出了一个软件PLC的结构模

7、型，并对 PLC的梯形图程序编程环境、梯形图程序与语言程序的相互转换、PLC程序执行 等软件部件的设计和开发进行了研究。2.2软P LC技术的发展趋势虽然软PLC具有很大的发展潜力，但作为一项新的技术，目前还有以下问题 需要解决：作为软PLC首选的操作系统Windows NT,受其响应时间限制，它 并不能满足硬实时；软PLC的控制任务应具有不低于NT系统进程的优先级， 这样，在操作系统发生蓝屏(The blue-screen of death)等情况下还能进行控 制；可靠性还有待加强，即能在高温、振动、多灰尘等恶劣环境下正常工作。 因此，在今后若干年内，软PLC的发展将着重在以下几个方面：(1

8、) 进一步提高系统的开放性。现在的软PLC产品大部分是基于Windows系 统，并不支持其他操作系统的应用程序；在没有开放式硬件和软件的支持下，并 不能保证产品的开放性；不允许用户更改底层控制算法；不严格遵守一些适用的 国际标准等。(2) 进一步增强系统的可靠性与实时性。增强系统可靠性与实时性的 关键在于提高操作系统的实时性。现有的实时操作系统能够基本满足工业控制的 需要，随着一些实时性更高的操作系统的不断出现，必将会大大增强软PLC系统 的实时性与可靠性。（3）进一步提高网络通讯能力和与第三方软件的整合性。随着网络科技的 发展，良好的通讯能力已成为现代工业控制所必备的功能，远程控制、远程诊断

9、、 网络数据处理等功能都将得到加强。控制软件间的协同工作能力是衡量开放式控 制系统性能的重要指标。进一步加强各种控制软件间的数据交换能力是提高控制 系统性能的重要手段。（4）进一步加强和改善企业整合能力。工厂控制与企业管理的整合是工业 控制领域的一种趋势。软 PLC 控制系统可以通过以太网或 TCP/IP 连接到企业信 息系统，与其进行数据交换，将设备运行状况，产品质量等与控制过程相关的详 细信息。2.3 连铸结晶器的研究现状国外方面，板坯连铸结晶器铜板材质以 Cu-CrZr 和 CuAg 为主，其它铜合金 如 CuNiBe、CuCoBe 等等正在尝试。结晶器液位控制系统主要包括液位检测系统、

10、 执行机构、模型辨识、控制器及控制策略几个方面。结晶器液位检测技术是制约 我国连铸过程自动化和生产自动化的瓶颈之一。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、涡流法以及超声波法等。液位检测器研制上，国 内目前只有东北大学和核工业部261厂分别试制成超声波液位计和用Co 60作为 放射源的结晶器液位测量仪，但还不曾有厂家正式使用。在液位检测器使用上， 日本新日铁公司、武钢第三炼钢厂以及陕钢第二炼钢厂的部分连铸机采用涡流 法，德国阿尔贝德萨尔公司伏克林根厂及陕西钢厂采用放射性同位素法，日本 新日铁公司君 4号板坯连铸机采用热电偶法，我国宝钢也采用过这种方法。另外， 还有电磁感应法、

11、激光法、红外线法以及工业电视摄影法等，它们各有特点，在 国内外使用效果也都较好。结晶器液位检测方法中最为成熟的是放射性同位素 法，其精确度可达5mm,性能可靠且稳定，便于安装，使用寿命较长，经济实用, 适用于绝大多数连铸机，尤其是小方坯连铸机。但是，由于放射线对人体有害， 目前几乎己不再使用这种方法了。如宝钢曾经采用放射性同位素法，现在己改用 热电偶法和电磁感应法。随着涡流法的成熟和精度的提高，目前国内已得到广泛 使用。2.4 连铸结晶器的发展趋势 结晶器是连铸设备中最关键的部件，是连铸机的心脏。结晶器性能对于提高 连铸生产率，维持连铸过程正常生产，以及保证铸坯质量都起着至关重要的作用。 分类

12、：结晶器的类型很多，按溶液获得过饱和状态的方法可分蒸发结晶器和冷却 结晶器；按流动方式可分母液循环结晶器和晶浆循环结晶器；按操作方式可分连 续结晶器和间歇结晶器。连铸结晶器最理想的材料是铜合金和铜基符合材料，合 金化和复合材料的原则是在保证一定的导热性的前提下提高机械强度即高强度 高导铜合金和铜基复合材料。加入适量的合金元素强化铜基体来提高强度，同时 尽量避免对电导率的不良影响；引入第二项复合材料，通过复合强化取长补短， 达到高强高导。铜基复合材料的主要思路是弥散强化，米散强化的方法是将细小 坚硬的增强粒子均匀的弥散分布在铜基体中。它能阻碍位错运动，强化基体，对 导电性损害小，是获得高导电性与

13、高强度的最有效的方法。弥散强化的材料即使 是在长时间接触铜熔点的高温下工作，其性能也大体保留或变化不大，非常适合 做连铸结晶器。氧化弥散强化的强化相主要是氧化钴、氧化铝、氧化硅等，氧化 弥散的强化工艺方法较多，具有广阔的应用前景，是目前的研究的特点，离规模 生产有待时日。三、本课题研究内容连铸机是钢厂承上启下的设备，其主要作用是将高温钢水转化为铸胚，然后 到轧机轧制成钢材。连铸机主要由大包、中包、结晶器、电磁搅拌、二冷段、拉 矫机、切割机等部分构成，钢水由大包进入中间包，在结晶器和二冷段固化，然 后定尺切割。其中，结晶器中的钢水液位是炼钢连铸过程的一个重要技术参数， 对后续工序产生决定性的影响

14、，需要设计一套完备的控制系统实现对液位参数的 精确控制。本设计针对某钢厂连铸机结晶器，利用SIMATIC S7-300 PLC设计一套液位 控制系统，编写液位控制算法的STEP 7程序，并利用WinCC工控组态软件，设 计出一套该对象的运行监控界面。拟采用电涡流传感器测量钢水液位，并利用伺 服电机带动塞棒作为控制执行机构控制结晶器开度。连铸机结晶器液位控制系统的实现方案框图如图1所示，主要由液位涡流检 测传感器、执行机构、监控界面、液位控制器和、现场总线和PLC编程设计六部 分组成。图1结晶器液位控制系统的实现方案框图在本课题中，主要研究内容有2个方面：液位检测系统设计、液位控制算法、 控制液

15、位参数监测和控制、PLC程序编写、Wincc6.2工控组态软件和监控界面设 计。四、本课题研究方案4.1液位检测系统设计功能描述：该系统可以连续检测结晶器钢水液位高度和探头的温度，将液位 信号和温度信号处理后通过接口电路上传PLC,接受控制信号用降温机构自动给 传感器降温使之工作在额定温度范围内。结构设计：主要由测量元件，信号处理器，接口电路。测量元件采用涡流传 感器。信号处理器由涡流信号激励电路、感生信号采样电路、检波、滤波、A/D 变换电路、数字信号处理系统、I/O信号调理电路等组成。4.2塞棒控制过程对象建模与控制策略算法研究系统建模包括：电机伺服系统模型、塞棒流量特性模型和结晶器模型。

16、建模 目的在于制定控制策略时进行仿真研究。目前国内对结晶器液位控制所应用的控 制策略都是PID控制，常规PID控制具有结构简单、稳定性好、可靠性高等优点。4.3 PLC程序、Wincc组态软件和监控界面设计S7-PLC300完成数据的采集，辅助以现场设备完成设备的控制。组态软件一 班由图形界面系统、实时数据库系统、第三方程序接口组件和控制功能组件完成。 组态软件通过I/O驱动程序从现场I/O设备获得实时数据，对数据进行必要的加 工后，一方面以图形方式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面按照组态要求和 操作人员的指令将控制数据送给I/O设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。五、研究目标、主要特色和工作进度5.1