西门子plc在炼钢连铸结晶器控制系统中应用
摘 要 随着社会的快速发展，人类对钢材的需求量越来越高，对钢铁质量的要求更高了，所以钢材的生产过程和工艺变得很重要了。怎么高效高质量的生产出社会发展所需要的钢材成了各大钢厂研究的技术问题。现在用的比较多的就是连续铸钢，该工艺流程就是用连铸机把高温下液态的钢水经过结晶器冷凝处理，使其变成各种想要的形状的铸坯。因为这个方法节不仅节约能源，还有很高的效率，钢材浪费少，回收率很高。所以连铸工艺已经成为了现在炼钢行业的主流方法。连铸机的重要组成部分就是结晶器，然而结晶器的质量好不好取决于结晶器的液位控制和振动技术。结晶器的液位受钢水的温度、拉钢坯的速度，冷凝水的温度和流量的影响，这些因素之间相互影响。 结晶器液位控制系统的基本功能是保证结晶器液位稳定。要想改善和提高铸坯的质量，提升工艺到更高的层次，必须保持结晶器液位的稳定。因为只有结晶器液位稳定，它才能使夹渣降到最少。使结晶器处于润滑状态， 保证钢水冷凝条件的平稳，得到更好的铸坯。在连铸的生产中，还要保持结晶器不停的振动，因为铸坯在形成的过程中极其容易与器壁产生粘连，导致拉坯困难，甚至产生钢水泄漏，阻塞钢水溢出的情况，容易出现人员伤亡。为了保证连铸生产的安全性，高效率性，要合理运用结晶器振动技术。确保连铸生产工艺的高质量，高产量有着很深远的意义。然而，为了保证炼钢连铸结晶器的液位稳定和铸坯良好形成，我设计使用S7-400 PLC的实现该工艺的自动化控制。利用PLC的PID调节功能闭环控制和液位检测传感器来达到对结晶器液位的精确控制，为了避免连铸过程中钢坯的冷凝粘连在器壁上，运用了结晶器的非正弦振动技术，满足连铸机安全高效生产的要求。
目 录
第一章 绪论 1
1.1炼钢连铸结晶系统的作用与意义 1
1.2炼钢连铸结晶的传统控制方式 1
1.3炼钢连铸结晶PLC控制方式 2
第二章 总体方案设计 3
2.1炼钢连铸结晶工艺简介 3
2.2结晶器振动装置 4
2.2.1控制方案概述及选择 4
2.2.2方案设计的主要内容 5
2.3炼钢连铸结晶器液位控制系统 7
2.3.1控制方案概述及选择 8
2.4方案设计的主要内容 8
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
2.4.1结晶器钢水液位控制 9
2.4.2在线参数调整 9
2.4.3在线调整比例增益 10
2.4.4振动截止频率过滤 10
2.4.5干扰监视 10
2.4.6阀门的控制 11
2.5控制小结结 11
第三章 PLC控制系统硬件设计 11
3.1PLC 控制器选型及硬件配置 11
3.2现场设备 12
3.2.1涡流传感器 12
3.2.2数字电动缸 14
3.3系统运行过程 15
3.3.1钢水液位设定值 15
3.3.2电动缸取值 15
3.3.3执行器 16
第四章 PLC控制系统软件设计 18
4.1硬件配置和网络图 18
4.2下位机所创建的块 19
4.3 OB1里的程序 19
4.4 OB35里的程序 21
4.5 FC1里的程序 23
4.6 DB3共享数据块 24
4.7上位机模拟画面 24
结束语 25
致 谢 26
参考文献 26
第一章 绪论
1.1炼钢连铸结晶系统的作用与意义
作用： 连续铸钢就是不停的把高温液态的钢水冷凝成所需要的形状的铸坯，它的生产过程简单，流程时间短，节约材料，有很高的金属得到率。而且生产全过程自动化，能得到各种形状的钢成品，相比传统的模铸，产品的质地也有很高的改善。满足中国对钢铁需求量大的要求，减少人力的投入，使得生产更加的健康安全，避免了意外的人员伤亡。
意义：因为连铸有很多的优点，比如生产效率高，钢水变成钢材率高，质量比以前有很大提升，成本降低。所以在最近的一段时间连铸的发展速度很快，占据了炼钢厂的主要生产方式。连铸技术可以说是工业生产一场革命，通过这次变革，钢铁的质量和品种都有了质的飞跃。使得冶金和钢铁工业发展速度加快，改变了过去的钢铁企业生产方式和构架。通过变革，技术的进步，必然带来能源的节约，生产工艺的简单可靠，产品质地的提高等。性价比的提高，大大的增加了钢铁的市场竞争力。也为炼钢行业的自动化发展提供了新的方向和经验。对人类使用工具的进步具有深远的意义。
1.2炼钢连铸结晶的传统控制方式
所谓模铸，就是分成多个步骤得到钢坯，首先高温得到钢水，然后浇铸成许多的钢锭，然后在脱模，最后用轧机进行开坯。这个过程间断进行的。在这种生产方式中，工人看着结晶器液位，根据直觉判断，然后认为调节中间包塞棒开度，这种方法不仅存在很大的误差，使得钢坯的质量得不到很好的保证，也不能很好的确保工作人员的人身安全。所以传统的控制方式存在很多不足。
过去的结晶器液位控制系统主要是CO60，通过控制拉矫机的拉坯的速度改变结晶器的液位，因为没有精确的测量，所以不能保证很精确的控制。还有一种通过改变塞棒开度控制结晶器的液位，但是由于人为操作的局限，反应的速度，稳定性都会比较差。传统的结晶器液位控制系统如下图1 所示。
图1 结晶器液位控制
因为对对塞棒调节后，它要很长时间才能对液位产生变化，从执行到结果时间间隔长，而且控制还不是线性变化的，所以控制的效果不是很好，存在不稳定性，和控制精度也不高。主要有以下几个因素:
塞棒控制的性状有影响。比如，纯度不高的钢水浇铸时，出水口处很容易出现粘连，导致阻塞，钢水不能顺利流通。
随着使用时间变长，塞棒和出口处风吹雨打逐渐的被消融和腐蚀，慢慢的改变了原来的形状，影响到钢水的流向。
(3)结晶器液位受很多的因素影响，比如过程量，还有钢水的温度，中间包的钢水量等。
1.3炼钢连铸结晶PLC控制方式
本系统检测钢水液面位置所用的仪表是涡流传感器。因为远距离传输容易使信号削弱，所以通过一个前置放大器对信号进行放大处理, 将信号在送到PLC,将检测的现场实际的液位和设定值比较，通过S7400 PLC中的PID 运算后, 控制系统将经过放大器处理后加强信号直接传递到数字电动缸, 通过电动缸的丝杆控制中间包的阀门开度, 对结晶器钢水的液面进行控制。该系统采用的是数字电动缸，根据收到的电信号给执行机构，然后控制阀门开到指定的位置，从而改变中间包流入结晶器的钢水量，达到对结晶器液位的控制。使得整个控制环节精确、安全，稳定。
通过伺服阀控制非正弦曲线振动，曲线生成器为伺服阀提供控制信号，上位机根据PLC设定曲线生成器的振幅和频率。根据现场液压缸传来的压力信号和位置反馈信号来改变曲线生成器的振幅和频率。然后将非正弦振动曲线信号转变成能控制伺服阀的电信号。
第二章 总体方案设计
2.1炼钢连铸结晶工艺简介
各大工厂都在探究好的连铸生产技术，都在向全自动化方向转变。现在连铸生产的工业流程分为三个阶段，大包，到中间包，再到结晶器，最后再到冷却的二次车间。其中现在在工厂中得到运用的设备主要有：
[1]大包间
[2]大包间高温液态钢重量测量
[3]大包间钢渣测量
[4]大包钢水流入中间包
[5]中间包
[6]中间包的钢水重量测量
[7]钢水从中间包流入结晶器
[8]结晶器振动设置
[9]结晶器液面控制
[10]结晶器漏钢报警
[11]多功能辊缝仪
[12]二次冷却计算机和自动控制
[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
目 录
第一章 绪论 1
1.1炼钢连铸结晶系统的作用与意义 1
1.2炼钢连铸结晶的传统控制方式 1
1.3炼钢连铸结晶PLC控制方式 2
第二章 总体方案设计 3
2.1炼钢连铸结晶工艺简介 3
2.2结晶器振动装置 4
2.2.1控制方案概述及选择 4
2.2.2方案设计的主要内容 5
2.3炼钢连铸结晶器液位控制系统 7
2.3.1控制方案概述及选择 8
2.4方案设计的主要内容 8
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
2.4.1结晶器钢水液位控制 9
2.4.2在线参数调整 9
2.4.3在线调整比例增益 10
2.4.4振动截止频率过滤 10
2.4.5干扰监视 10
2.4.6阀门的控制 11
2.5控制小结结 11
第三章 PLC控制系统硬件设计 11
3.1PLC 控制器选型及硬件配置 11
3.2现场设备 12
3.2.1涡流传感器 12
3.2.2数字电动缸 14
3.3系统运行过程 15
3.3.1钢水液位设定值 15
3.3.2电动缸取值 15
3.3.3执行器 16
第四章 PLC控制系统软件设计 18
4.1硬件配置和网络图 18
4.2下位机所创建的块 19
4.3 OB1里的程序 19
4.4 OB35里的程序 21
4.5 FC1里的程序 23
4.6 DB3共享数据块 24
4.7上位机模拟画面 24
结束语 25
致 谢 26
参考文献 26
第一章 绪论
1.1炼钢连铸结晶系统的作用与意义
作用： 连续铸钢就是不停的把高温液态的钢水冷凝成所需要的形状的铸坯，它的生产过程简单，流程时间短，节约材料，有很高的金属得到率。而且生产全过程自动化，能得到各种形状的钢成品，相比传统的模铸，产品的质地也有很高的改善。满足中国对钢铁需求量大的要求，减少人力的投入，使得生产更加的健康安全，避免了意外的人员伤亡。
意义：因为连铸有很多的优点，比如生产效率高，钢水变成钢材率高，质量比以前有很大提升，成本降低。所以在最近的一段时间连铸的发展速度很快，占据了炼钢厂的主要生产方式。连铸技术可以说是工业生产一场革命，通过这次变革，钢铁的质量和品种都有了质的飞跃。使得冶金和钢铁工业发展速度加快，改变了过去的钢铁企业生产方式和构架。通过变革，技术的进步，必然带来能源的节约，生产工艺的简单可靠，产品质地的提高等。性价比的提高，大大的增加了钢铁的市场竞争力。也为炼钢行业的自动化发展提供了新的方向和经验。对人类使用工具的进步具有深远的意义。
1.2炼钢连铸结晶的传统控制方式
所谓模铸，就是分成多个步骤得到钢坯，首先高温得到钢水，然后浇铸成许多的钢锭，然后在脱模，最后用轧机进行开坯。这个过程间断进行的。在这种生产方式中，工人看着结晶器液位，根据直觉判断，然后认为调节中间包塞棒开度，这种方法不仅存在很大的误差，使得钢坯的质量得不到很好的保证，也不能很好的确保工作人员的人身安全。所以传统的控制方式存在很多不足。
过去的结晶器液位控制系统主要是CO60，通过控制拉矫机的拉坯的速度改变结晶器的液位，因为没有精确的测量，所以不能保证很精确的控制。还有一种通过改变塞棒开度控制结晶器的液位，但是由于人为操作的局限，反应的速度，稳定性都会比较差。传统的结晶器液位控制系统如下图1 所示。
图1 结晶器液位控制
因为对对塞棒调节后，它要很长时间才能对液位产生变化，从执行到结果时间间隔长，而且控制还不是线性变化的，所以控制的效果不是很好，存在不稳定性，和控制精度也不高。主要有以下几个因素:
塞棒控制的性状有影响。比如，纯度不高的钢水浇铸时，出水口处很容易出现粘连，导致阻塞，钢水不能顺利流通。
随着使用时间变长，塞棒和出口处风吹雨打逐渐的被消融和腐蚀，慢慢的改变了原来的形状，影响到钢水的流向。
(3)结晶器液位受很多的因素影响，比如过程量，还有钢水的温度，中间包的钢水量等。
1.3炼钢连铸结晶PLC控制方式
本系统检测钢水液面位置所用的仪表是涡流传感器。因为远距离传输容易使信号削弱，所以通过一个前置放大器对信号进行放大处理, 将信号在送到PLC,将检测的现场实际的液位和设定值比较，通过S7400 PLC中的PID 运算后, 控制系统将经过放大器处理后加强信号直接传递到数字电动缸, 通过电动缸的丝杆控制中间包的阀门开度, 对结晶器钢水的液面进行控制。该系统采用的是数字电动缸，根据收到的电信号给执行机构，然后控制阀门开到指定的位置，从而改变中间包流入结晶器的钢水量，达到对结晶器液位的控制。使得整个控制环节精确、安全，稳定。
通过伺服阀控制非正弦曲线振动，曲线生成器为伺服阀提供控制信号，上位机根据PLC设定曲线生成器的振幅和频率。根据现场液压缸传来的压力信号和位置反馈信号来改变曲线生成器的振幅和频率。然后将非正弦振动曲线信号转变成能控制伺服阀的电信号。
第二章 总体方案设计
2.1炼钢连铸结晶工艺简介
各大工厂都在探究好的连铸生产技术，都在向全自动化方向转变。现在连铸生产的工业流程分为三个阶段，大包，到中间包，再到结晶器，最后再到冷却的二次车间。其中现在在工厂中得到运用的设备主要有：
[1]大包间
[2]大包间高温液态钢重量测量
[3]大包间钢渣测量
[4]大包钢水流入中间包
[5]中间包
[6]中间包的钢水重量测量
[7]钢水从中间包流入结晶器
[8]结晶器振动设置
[9]结晶器液面控制
[10]结晶器漏钢报警
[11]多功能辊缝仪
[12]二次冷却计算机和自动控制
[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
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