基于S7-300PLC的连铸结晶器液位控制系统毕业设计论文

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1、 NANCHANG UNIVERSITY 学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR（2013 2017 年）题 目 基于S7-300PLC的连铸结晶器液位控制系统 学 院： 信息工程学院 系 电气与自动化工程专业班级： 测控技术与仪器131 学生姓名： 学号： 5801213024 指导教师： 职称： 讲师 起讫日期： 2017.3.12017.5.30 南 昌 大 学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的

2、个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期：导师签名： 日期：摘要基于S7-300PLC的连铸结晶器液位控制系统摘要近几十年来，我国的钢铁产业发展迅猛，连续铸

3、钢已成为现代炼钢的重要工艺之一。而连铸机结晶器液位不稳定或者大幅度波动会导致生产的铸坯质量低下，还会导致漏钢溢钢事故发生。所以，必须使结晶器钢水液位稳定在一定范围，本文基于S7-300 PLC设计了一套连铸结晶器液位控制系统。在本方案设计的闭环控制系统中，控制器选用选S7-300 PLC，液位检测装置选用电涡流传感器，执行机构选用伺服电动机。同时，还利用WinCC组态软件设计了液位运行画面，通过参数连接与设置，实现对结晶器液位的数据采集和实时监测、控制功能。本文对液位控制系统的各个对象进行了数学模型分析，并用Simulink工具构建了仿真框图，观察P、PI、PID控制算法的响应曲线，比较分析仿

4、真结果，并不断改变P、I、D的参数大小，直到满足液位控制要求。关键词：结晶器；液位控制；PLC；PID控制IAbstractLiquid Level Control System of Continuous Casting Mold Based on S7-300PLCAbstractIn recent decades, Chinas rapid development of iron and steel industry, continuous casting steel has become one of the important modern steelmaking process.

5、And the continuous casting machine mold level instability or large fluctuations will lead to the production of slab low quality, but also lead to leakage of steel spill occurred. Therefore, it is necessary to stabilize the molten steel level of the crystallizer in a certain range. In this paper, a s

6、et of continuous casting mold level control system is designed based on S7-300 PLC. In the closed-loop control system designed by this scheme, the controller chooses the S7-300 PLC, the liquid level detection device selects the eddy current sensor, and the actuator selects the servo motor. At the sa

7、me time, the WinCC configuration software is used to design the liquid level operation screen. Through the parameter connection and setting, the data acquisition and real-time monitoring and control function of the mold level are realized. In this paper, the mathematical model of each object of the

8、liquid level control system is analyzed and the simulation block diagram is constructed by Simulink tool. The response curves of P, PI and PID control algorithms are observed, and the simulation results are analyzed and the parameters of P, I and D are changed Size, until the level control requireme

9、nts are met.Keyword: mold；liquid level control； PLC；PID controlII目录目录第一章 绪论11.1连续铸钢工艺的概述11.2连铸技术的发展和现状21.3本文研究意义3第二章 结晶器液位控制整体方案42.1整体设计42.2液位控制方法的选择42.3液位检测方法的选择52.4液位控制器的选择6第三章 液位检测系统的设计73.1电涡流传感器的原理73.2液位检测系统电源模块的设计83.3电涡流传感器线圈激励信号电路的设计93.4检测信号调理电路的设计93.5 检测信号数据采集及通信电路设计9第四章 液位控制系统的设计及PID调节124.1闭

10、环控制系统124.2结晶器液位控制系统模型分析124.3 PID控制规律134.4结晶器液位控制仿真实验及结果14第五章 液位控制算法程序的编写175.1 PLC硬件模块175.2 SIMATIC STEP7简介175.3 STEP7子程序块简介175.4液位控制系统工作过程185.5控制系统程序流程图195.6 STEP7程序20第六章 WinCC软件和监控界面设计216.1 WinCC组态软件概述216.2 WinCC的主要功能216.3 WinCC监控界面的设计21第七章 总结和展望23参考文献24致谢26III第一章 绪论第一章 绪论1.1连续铸钢工艺的概述连续铸钢就是把液态钢浇铸到连

11、铸机中，并在其中对钢液进行冷凝，凝固成型的钢坯切割后就可得到铸坯。连续铸钢是炼钢和轧钢之间的一个工艺步骤，是钢铁生产的重要过程。相较于传统模铸，经过连铸的钢材，表面更平整，铸坯尺寸精度高，可省略表面粗加工，减少生产钢坯的流程，提高金属利用率，降低了劳动强度，更节约能源，损耗更少，可以实现钢铁生产的自动化和机械化。以弧形连铸机为例，连铸机的组成部分主要包括盛钢桶（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、切割装置和出坯辊道。如图1-1所示。1.盛钢桶(大包) 2.塞棒 3.中间包 4.一次冷却装置 5.结晶器 6.振动器7.二次冷却装置 8.辊列 9.拉坯矫直机 10.

12、切割装置 11.铸坯传送装置图1-1 连铸机结构示意图在连铸时，首先运载装置把大包传送到中间包上方，大包中的钢水从大包底部的流钢孔流入中间包中，中间包底部的滑动水口开口大小由塞棒控制，钢水从水口流入结晶器，在结晶器中冷凝，形成较薄的坯壳，坯壳因结晶器振动装置的作用不易附着在结晶器内壁，而是随着拉矫机向下移动，离开结晶器后经过二次冷却装置，再一次冷却，此时钢液已基本完全凝固或者形成较厚的坯壳，随后铸2坯被矫直，进行切割、传送。连铸机各组成部分的具体作用为：（1）钢包：也可称大包，用来盛装钢水及部分熔渣，在浇铸过程中，通过改变水口大小来控制钢流。同时，钢包也可作为精炼炉的重要组成部分，进行电极加热

13、、合金加料、吹氩搅拌、真空脱气等操作。（2）中间包：处于大包和结晶器之间，较大的钢流会对结晶器内刚形成的较薄坯壳有冲刷作用，而中间包的过渡作用可以使钢水流量保持稳定，保持钢水在中间包中内停留适当长的时间，也可以保证进行连铸的钢水温度稳定，还能分离钢液中的杂质。在多流连铸机连铸过程中，中间包可以将钢水分到多个结晶器中；在多炉连浇过程中，更换大包的间隔中，中间包仍留有钢水，这部分钢水可以保证连铸过程不被更换大包而中断。（3）结晶器及振动器：是连铸设备的核心，钢液在结晶器中凝固，形成具有一定厚度的坯壳；同时结晶器振动使坯壳不粘连在结晶器内壁，可以避免铸坯被拉破。（4）二次冷却装置：经过一次冷却形成的

14、铸坯虽然成形，但是其坯壳很薄，如果只进行一次冷却，铸坯容易变形，二次冷却使铸坯进一步冷却，形成较厚的坯壳，二次冷却装置还能支撑铸坯，避免铸坯变形。（5）拉坯矫直装置：将在结晶器中形成的铸坯拉出，并把它矫直。（6）切割装置：根据工艺要求，将矫直的铸坯切割成所需尺寸的铸坯。1.2连铸技术的发展和现状铸钢生产可以分为模铸和连续铸钢两大类，模铸是将钢液注入模具中，使其冷却成型的过程；连续铸钢就是使钢液连续不断的通过结晶器，得到无限长的铸坯，然后通过切割直接得到铸坯。连铸逐渐代替了模铸，成为工业生产的主要铸钢方式。早在十九世界，Henry Bessemer就有了连续浇注液态金属的想法，但是受限于当时的科

15、学水平，连铸技术并没能应用到工业上。直到1943年，结晶器振动装置的发明，才使连铸技术应用于工业生产成为可能。1950年，建成了世界上的第一台连铸机，此后，又建成了数台连铸机，连铸技术逐渐开始应用在工业生产中；到了20世纪60年代，连铸技术在工业生产中普及，很多钢厂都采用了连铸机；从70年代开始，连续铸钢技术高速发展，连铸工艺、设备都逐渐发展成熟。我国在20世纪50年代末就已经开始研究连续铸钢工艺，1978年以后，我国钢铁部门把提高连铸技术作为重点，并取得了有目共睹的成绩。近年来，炼钢生产逐渐向自动化发展，在一些技术先进的钢厂，已经能做到2第一章 绪论利用计算机技术对钢水温度、结晶器钢水液位、

16、拉坯速度等参数全自动控制，同时还可以智能检测铸坯质量，并将残次品剔除。1.3本文研究意义结晶器内钢水液位变化是造成铸坯缺陷及漏钢事故的重要原因之一，因此，控制结晶器钢水液位保持稳定具有重要的意义。通过控制钢水液位，使钢水液位保持在恒定水平，有以下几个重要作用：（1） 稳定的钢水液位可以使钢液充分一次冷却，提高铸坯产量；（2） 能减少漏钢、溢钢事故的发生；（3） 防止杂质进入铸坯，导致铸坯出现凹陷或裂纹，能有效提高铸坯的质量和产量；（4） 避免人为操作带来的误差，提高连铸技术的稳定性，降低工人工作强度。32第二章 结晶器液位控制整体方案第二章 结晶器液位控制整体方案2.1整体设计一个完整的控制系

17、统包括被控对象、控制器、执行器以及测量变送器。在结晶器液位控制系统中，被控对象为塞棒，控制器为PLC，执行器为伺服电机，测量变送器为电涡流传感器。连铸机结晶器液位控制系统的整体方案如图2-1所示。图2.1 整体设计首先，电涡流传 感器检 测结晶器内钢 水液位高低，将采集到的液 位信息传送到PLC中，PLC对实际值与设定值的差值执 行PID控制 算法，根据输出值的大小决定塞棒的运动方向，塞棒动作改变中间包出口流量，从而使结 晶器钢 水液位维持在设定值。同时，在工控主机上用WinCC组 态软件实时监控结 晶器液位情况。2.2液位控制方法的选择在结晶器液位控制系统中，常见的两种操作变量为中间包出口流

18、量和拉坯速度，由此可以分析得出三种控制方案：（1）通过改变流入结晶器的钢水流量来维持结晶器钢水液位稳定，改变塞 棒的位置或者滑动水口的开口大小可以改变流入结晶器的钢水流量。采用这种控制方法时，可以在允许范 围内设定拉速，使拉速恒定，可以保证铸坯质量。在控制过程中，将拉速作为扰动量，这样使得调节过程平稳，这样可以改善系统的稳定性。（2）通过改变拉速来控制结晶器内的钢水液位，而拉速是连铸过程中的一个重要参数，应该由铸坯质量、铸造要求以及生产效率等多方面综合考虑而设定，第二章 结晶器液位控制整体方案为满足结晶器液位控制的要求，拉速只能在很小的范围内进行调节。拉速波动会影响铸坯质量和生产稳定性，所以，

19、应该把维持拉速稳定作为工艺目标，而不是作为控制手段，在实际生产过程中，将拉速作为唯一操作变量的控制方法已逐渐被淘汰。（3）在一定范围内，采用拉速控制来维持液位，当拉速超过这个范围仍不能达到控制目的时，才采取改变中间包出口流量的方式来进行调节，或者同时改变拉速和中间包出口流量，但仍以流量控制为主，直到能满足控制要求。这种混合型控制方式常运用于小方坯的连铸生产。在实际生产中，钢厂常采用控制中间包出口流量的方式，这种控制方式经过长期发展已经较为成熟，本设计中将采取改变出口流量的方法来控制结晶器内的液位。2.3液位检测方法的选择液位检测常采用的方法有：放射性同位素法、热电偶法、电涡流法、超声波法、激光

20、法、红外线法、电磁法等，表2-1详细列出了各种液位检测方法的主要特性。表2-1 常见液位检测方法的比较内容放射法电磁法电视法红外法涡流法测量范围5020020600按安装按安装0150精度330.6（35）（0.51）响应时间10.30.040.30.05安全性辐射污染高高高高液位测量渣面钢水面渣面半渣面钢水面可靠性中维护中维护易维护易维护易维护维护方式停产停产可在线可在线可在线应用范围板、小方坯大方坯板、大方坯均可均可安装范围结晶器内结晶器上结晶器外结晶器外结晶器外安装难易较难较易易易易操作要求简单较难简单简单简单投资较低高中中中运行成本高高较低较低中投资回收难中中较易中由上表可以看出，电涡

21、流法灵敏度高，测程长，安装方便，操作简单，易维第二章 结晶器液位控制整体方案护，操作简单，综合性能好，本设计方案采用电涡流法，选用电涡流传感器检测结晶器钢水液位。2.4液位控制器的选择连铸环境恶劣，对控制器要求很高，而PLC是专为工业生产而设计的工控机，能实现复杂的控制功能，使用方便灵活，可靠性高，配套的硬件设施齐全，用户可以灵活选用，PLC已普遍应用在工业 生产的自动控制系统中。S7-300系列PLC是中小型PLC，采用模块化结构设计，主要由CPU模块、电源模块、信号模块、功能模块、通信模块、接口模块和机架等部分组成，不同的模块可以进行组合和扩展，适用于中等控制要求的生产场合。第三章 液位检

22、测系统设计第三章 液位检测系统的设计3.1电涡流传感器的原理电涡流传感器的工作原理是电涡流效应。由法拉第电磁感应定律可知，当金属导体处于变化的磁场中或在磁场中运动时，金属导体表面会形成闭合的感应电流，这种现象就是电涡流效应，产生的感应电流被称为电涡流。图3-1 电涡流传感器工作原理如图3-1所示，在金属导体附近放置一个通电线圈，给线 圈接入交变电流I1，那么在线 圈的周围会形成一个交变磁场H1，此时在金属导体表面会存在一个电涡流I2，而电涡流同时会产生一个与磁场H1方向相反的交变磁场H2。由于H2的反作用，线圈的有效阻抗会发生改变，线圈的阻抗与金属导体磁导率、电导率、线圈的几何形状、尺寸、电流

23、频率以及线圈与导体之间的距离有关。如果保持线圈和金属导体的其它物理性质不变，仅改变线圈和导体之间的距离，那么有效阻抗的变化就只与线圈和导体之间的距离变化有关，由此可以利用电涡流传感器来进行位移的测量。电涡流法测钢水液位原理图如图3-1-2图3-2 涡流法结晶器钢水液位测量系统原理图第三章 液位检测系统设计检测器由三个匝数相同的绕组构成，当50HZ的高频电压Eout加在差动感应线圈的初级线圈P上时，在结晶器的钢水中产生涡流，受涡流影响的两个次级线圈产生感应电势V1V2的值随结晶器钢水液位的高地（距离h）而变化。钢水液位变化会使得V1V2产生差动电压，经过差动放大，输出420mA的电流。传感器测量

24、范围在0到150mm内，响应时间小于100ms。硬件结构如图2.1.3所示：图 3-3 涡流法结晶器钢水液位测量系统结构图3.2液位检测系统电源模块的设计液位检测系统稳定运行需要可靠的电源，在本设计中，需要5V、15V、24V的工作电源，还要进行相应的数字-模拟隔离。电源模块电路有：整流电路：将交流电转为具有直流电成分的脉动直流电；滤波电路：将脉动直流中的交流成分尽可能滤除；稳压电路：对整流后的直流电压进一步稳定。如图3-2所示。第三章 液位检测系统设计图3-4 电源模块设计框图整 流电路将交 流电转换为单向脉 动性直流电，滤 波电路尽可能减少脉 动直 流电中的交流成分，保留其中的直流成分，使

25、波形变得平滑，稳 压电路使经过整流、滤波的电 压稳定。3.3电涡流传感器线圈激励信号电路的设计由电 涡流传 感器的工作原理，电涡流探 头的线圈中必须有激励信号，电涡流才能产生。线圈激励信号电路的设计如图3-3所示。图3-5 线圈激励信号电路将二阶带通滤波的中心频率设为方波基本频率50HKZ即可得到频率为50KHZ的正弦波信号，带通增益KF=1。通过整流处理，将交流信号转换为直流信号。在实际过程中，距离远近对涡流信号有影响，在距探头较远的地方产生的电涡流信号微弱，而在离探头较近的地方信号很大，有可能超出测量极限，所以需采取给测量线圈提供变激励的励磁信号的方式。采用MAX543对50HKZ正弦波信

26、号进行幅值调制，则可得到50KHZ正弦调幅信号。3.4检测信号调理电路的设计当没有电涡流产生时，线圈输入与输出是同幅值、同频率的交流信号；一旦有涡流信号产生，线圈输入与输出就会存在差值，为得到较好的测量信号特性，采用AD620对激励信号和接收信号进行差分放大，能有效减少共模信号的干扰。放大时，不可避免一定的噪声杂波，采用MFB式二阶带通滤波进行滤波，进而对放大滤波后的50KHz测量信号进行整流处理，将正弦信号变换为直流信号。图3-6 检测信号调理电路3.5 检测信号数据采集及通信电路设计本文采用AduC812 MPU进行数据AD转换、采集、通信、控制功能电路。AduC812简介：AduC812

27、是一个12位数据采集系统，芯片内结合了自校准多通道12位ADC，双12位DAC和可编程8位微控制器。片内的8K字节闪速第三章 液位检测系统设计/电擦除存储器、640字节片内闪速/电擦除数据存储器和256字节的片内数据静态存储器，均由可编程8051兼容内核控制。微控制器具有包括看门狗定时器、电源监视器和ADC DMA功能，为多处理器接口和I/O扩展提供了32条可编程的I/O线、I2C兼容的SPI和标准UART串行口I/O等。微控制器内核和模拟转换器二者均有正常、空闲和掉点三种工作模式，有适于低功率应用的灵活电源管理方案。在工业温度范围内，有3V和5V两种规格电压工作器件可供选择。它有52引脚方形

28、扁平塑料封装及56引脚芯片级封装两种型号。引脚功能如下：DAdd数字正电源电压；AVdd模拟正电源电压；AGND模拟地；CREF去耦输入片上参考，在此引脚与模拟地之间连接0.1 uF；VREF参考输入/输出，此引脚连接到内部基准，通过一个串联电阻，是为ADC内部参考电压标称参考源为2.5V，在此脚可以通过一个外部参考过驱动；P1.0P1.7P1口是一个8位只输入口。SDATA用户选择，兼容或SPI数据输入/输出引脚；SCLOCK串行时钟引脚兼容或SPI串行接口的时钟；DACO从DACO电压输出；DAC1从DAC1电压输出；P3.0P3.7P3是一个具有内部上拉电阻器。P3已给他们拉了1秒的内部

29、上拉电阻高脚双向端口，在这种状态下，他们可以作为输入使用。作为输入，P3口由于内部上拉电阻器各个引脚将被拉外部低电平。P3引脚还包含以下所描述的各种辅助功能。第三章 液位检测系统设计图3-7 检测信号数据采集及相关系统设计框图1）通过ADuC812片上的AD转换器，采集电涡流传感器调理输出信号，进行线性化标定并输出显示；（2）使用AduC812片上I/O口提供数字信号给MAX543的数字信号接口，提供50KHz调幅信号作为涡流传感器的激励信号；（3）使用AduC812片上AD转换器，采集温度并输出显示；（4）利用AduC812实现模拟板温度控制算法，并由I/O口输出控制光控晶闸管以实现对加热丝

30、的控制作用。（5）通过ADuC812片上DA转换器，能够将液位与温度测量值转化为模拟电压输出，再经过TL084电压跟随，并且进行阻抗匹配，使模拟电压信号通过XTR115来产生420mA标准线性DDZIII型电流。实际应用中，不可避免的会遇到各种信号干扰，因此我在电子电路中设计了光电隔离来抗干扰。原理如下：图2.10所示为原理图。当有电信号进人光电耦合器的输入端时，发光二极管通过发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当没有信号输入时，发光二极管不亮，光敏三极管截止，CE不通。同理，输入为数字量时，输入低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导

31、通，输出为低电平“0”。图3-8 三极管型光电耦合器原理图第四章 液位控制系统的设计及PID调节第四章 液位控制系统的设计及PID调节4.1闭环控制系统本设计采用单回 路闭 环控制系统，以S7-300PLC作为控 制器，主要控 制方式为PID控制，执行机构为伺服电机，被控对象为结晶器钢水液 位，测 量元件为电涡流传 感器。传 感器将测得的液 位信 号转换为4-20mA标准信号。经AI模 块进行AD转 换后输入PLC，PLC进行PID算法，输出经AO模块进行DA转换为4-20mA电流信号，控制驱动电机，进而带动塞棒动作，控制框 图如图4-1所示。图4-1 PLC闭环控制系统4.2结晶器液位控制系

32、统模型分析图4-2 结晶器液位控制系统控制方案示意图结晶器液位系统有液压伺服系统和电机伺服系统两种方式，本系统采用电机伺服系统，并对其进行建模分析。假 设连铸机处 于稳 定浇 铸状 态，不存 在非稳 态干 扰。第四章 液位控制系统的设计及PID调节1）电机伺服系统模型电机交 流伺 服系 统是一个典 型的二 阶动 态系 统，其理想化的传递函数为式中：Tm是电动机的机电时间常数，Td是电动机的电磁时间常数。可将其简化为一阶惯性环节：式中：K1=1，T1取0.23s。2）塞棒流量特性模型塞 棒 流 量特性是用来表述塞 棒 位置和结 晶器钢 水流入量的物理关系，可以从产品手册中查得。塞 棒的动 态特性

33、主要为延 迟特性，可用一 阶 惯 性环节代替，其传 递 函 数为：式中：KQ为结晶器截面积AM，T2一般为0.40.9s。3）结晶器液位模型结晶器钢水液位是典型的积分环节，由于结晶器有较小的滞后，所以采用一阶 惯 性环节表示：式中：K3为结晶器截面积AM的倒数，T3取0.1s。4.3 PID控制规律常规PID控制算法：PID控制器的传递函数为： （5-7）式中：-控制器输出； -控制器输入；（s表示拉氏变换）-比例增益；-积分系数；-微分系数。PID算法如下： （5-8）式中：输入的第k次采样值；第k次输入对应的输出；第四章 液位控制系统的设计及PID调节-比例增益；-积分系数；-微分系数。为

34、了消除积分饱和现象，常采用输出的增量式算式： （5-9）式中：-输入变量偏差；偏差和；偏差变化；输出的变化量（k=0,1,2,3.）。PID控制规律为比 例、积 分、微 分控制，三种基本的控制模式为比例控制（P）、比 例 积 分控制（PI）以及比 例 积 分微分控制（PID）。在纯比例控制器中，比例控制作用越强，对扰动反应越迅速，余 差越小，但是系统稳定性会下降。纯比例控制器不能消除余差，在控制要求精度较高的工业生产中，通常不单独使用。积分作用可以消除余差，但积分作用所需时间较长，只有误差累计到一定量才能观察到其控制作用，常和比例控制联用，构成比例积分控制。积分作用越强，对系统的控制越强，而系

35、 统的稳 定性会大大降低，所以在使用积 分 作用时，应适当减小比例作用。微分控制作用通过误差的变化率来预测未来误差的变化趋势，提供的超前作用能使被控过程趋于稳定，常用来抵消积分作用引起的系统不稳定趋势。虽然PI控制可以消除余差，但是系统的响应速度很慢，加入微分作用能缩短过渡过程时间，改善系统动态响应过程。4.4结晶器液位控制仿真实验及结果4.4.1液位控制系统辨识建模分析电动伺服缸模型：塞棒流量模型：结晶器模型：电涡流传感器模型：第四章 液位控制系统的设计及PID调节4.4.2液位控制系统模型仿真利用Matlab中的Simulink工具来进行PID控制的仿真，根据分析得到的数学模型搭建仿真框图

36、，仿真框图如图4-2所示。图4-2 PID仿真框图（1）纯比例控制仿真。反复改变比例系数，观察响应曲线，最终取Kp=2、Ki=0、Kd=0，得到的响应曲线较好，其仿真效果如图4-3所示。虽然纯比例控制能快速响应扰动，但是调 节时 间很长，超调量大，稳定程度较差，且始终存在余差，可见，纯比例控制的控制精度不够，不能满足液位控制要求。图4-3 Kp=2、Ki=0、Kd=0响应曲线（2）比例积分控制仿真。反复调节Kp和Ki的值，观察响应曲线，当取Kp=1.0、Ki=0.7、Kd=0时，可以得到较好的响应曲线，响应曲线仿真图如图4-4所示。由图可见，当采取比例积分控制时，余差很小可忽略，但是超调量较大

37、，上升时间和调节时间较长，调节不够迅速，可以基本满足结晶器液位控制的控制要求，如果要求控制精度高、相应迅速，则需要加入微分作用。第四章 液位控制系统的设计及PID调节图4-4 Kp=1.0、Ki=0.7、Kd=0响应曲线（3）比例积分微分控制。取Kp=1.5、Ki=1.05、Kd=0.63其仿真效果如图4-5所示，可见，采取PID控制，系统响应速度快，超调量小，无余差，系统稳定性很高，适用于高精度控制要求的场合。图4-5 Kp=1.5、Ki=1.05、Kd=0.63响应曲线第五章 液位控制算法程序的编写第五章 液位控制算法程序的编写5.1 PLC硬件模块本设计中，应用的硬件模块有机架，电源模块

38、，CPU模块以及信号模块。电源模块有PS305和PS307两个系列，其中PS305为直流供电，PS307为交流供电，本系统选用PS307（5A）电源模块，安装在主机架1号槽。CPU模块选用CPU314，为标准型CPU模块，工作存储器有96KB，装载存储器大小为8MB，计数器和定时器的数量为256个，有1024个数字量I/O口和256个模拟量I/O口，安装在主机架2号槽。3号槽用来安装接口模块，因本设计不需要扩展机架，所以3号槽空缺。4号槽和5号槽分别安装模拟量输入模块和模拟量输出模块，模拟量输入模块为6ES7 331-7KF01-0AB0，为8通道模拟量输入，地址为PIW256PIW271，模

39、拟量输出模块为6ES7 332-5HB01-0AB0，为2通道模拟量输出，地址为PQW272PQW275。5.2 SIMATIC STEP7简介STEP7是S7-300/400系列PLC的编程软件，由SIMATIC管理器、符号编辑器、硬件组态、多语言的用户程序编辑、硬件诊断、网络与通信配置等六部分功能组件所组成。SIMATIC管理器管理着一个项目的组态数据、模块参数、网络通信的组态数据以及编写的程序；符号编辑器可以管理所有全局符号；STEP7的编程语言有梯形图、语句表和功能图，在软件中可以自动相互转化显示；硬件组态用来对机架配置模块，如输入/输出模块，并设置各模块的属性及参数；硬件诊断可以显示

40、PLC各硬件的工作状态，如正常或发生故障，还能详细显示故障信息；网络组态可以配置通讯网络及参数设置。5.3 STEP7子程序块简介液位控制程序主要包括读取液位检测数据、设定液位控制的设定值、对液位进行PID控制、实现各指示灯及开关量信号输出、实现塞棒伺服电动缸输出控制等部分。在STEP7中，程序由组织块（OB）、功能块（FB）、系统功能块（SFB）、功能（FC）、系统功能（SFC）、背景数据块（DI）和共享数据块（DB）等组成。用户在这些块中编写程序和存储数据，在块与块之间可以进行调用，使程序模块化，简化编程，也方便进行程序移植。本系统用到的组织块有OB1、OB35和OB100，用到的功能块有

41、FB41，用到的功能有FC105和FC106，数据块有DB40。下面简单介绍下所用到的块。第五章 液位控制算法程序的编写OB1：在其中编写主程序，OB1在每个周期都会被执行一次。在一个循环周期中，系统要执行刷新输入、执行程序、刷新输出和其它中断任务等。OB35：循环中断组织块，每隔一定的时间将会自动执行编写在OB35中的中断程序，OB35默认的时间间隔为100ms，用户可以根据需要更改时间间隔。如果需要调用OB35中断程序，也可以SFC40系统功能块进行调用。需要注意的是，执行一次中断程序所用的时间必须远小于中断时间间隔，否则会发生错误。OB100：暖启动组织块，暖启动时，系统将会复位过程映像

42、寄存器、计数器、定时器等。当CPU由STOP变为RUN时，系统最先执行OB100中的程序，然后再执行OB1中的主程序，根据这一特性，可以在OB100中对各模块进行参数初始化。FB41：PID控制功能块，可以直接调用进行PID控制。过程变量可直接由外部设备经I/O口直接输入或转换为浮点数格式输入。FB41可设置手动/自动工作方式，利用这一功能，设置液位控制系统自动/手动控制方式。FC105：可实现模拟量量程转换功能，将一个处于量程上限和下限之间的输入整数转换成与量程对应的实际的工程值（实数），将结果写入OUT。转换公式为OUT=FLOATIN-K1K2-K1HI_LIM-LO_LIM+LO_LI

43、M，式中常数K1和K2取决于输入值的极性，若BIPOLAR为1，表示KI和K2的数据为双极性，则K1=-27648.0，K2=+27648.0；若BIPOLAR为0，这表示KI和K2的数据为单极性，此时K1 =0.0，K2 = +27648.0FC106：可以将一个输入的实数转换成与量程对应的、并处于量程上限与下限之间的量程值（整数）。结果由OUT输出。其转换公式如下：OUT=IN-LO_LIMHI_LIM-LO_LIMK2-K1+K1，常数K1和K2的取值与FC105相同，此处不再赘述。数据块：存储了程序需要调用的数据及程序执行过程中产生的中间变量，且存储的这些数据可以被其它逻辑块使用，数据

44、块有两种形式，一种是所有的逻辑块都可以访问的，即共享数据块，另一种是在模块调用时必须指定一个数据块，存放在该数据块中的数据只能被这个功能块所用，这种数据块为背景数据块。5.4液位控制系统工作过程按下启动按钮，启动指示灯灯亮。系统开始工作后，电涡流传感器采集钢水液位信息，经调理电路调理为4-20mA电流由模拟量输入模块输入PLC，并在输入模块中进行AD转化，对测得值和设定值的差值进行PID调节，得到控制输出值，由模拟量输出模块输出4-20mA电流，根据电流大小控制伺服电机工作，从第五章 液位控制算法程序的编写而改变塞棒位置，改变流入结晶器的钢水流量，使结晶器内的钢水的液位保持稳定状态。本系统设置

45、有自动和手动两种工作方式，首先在手动方式下检查塞棒及其他设备是否正常，然后可进行自动控制，当系统出现故障时，也可进行手动操作。同时还设置了报警装置，当测得结晶器内的钢水液位比120mm高或者比30mm低时，相应的超限指示灯亮。5.5控制系统程序流程图按照设计要求，结晶器液位控制系统程序流程图如图5-1所示。图5-1 程序流程图第五章 液位控制算法程序的编写5.6 STEP7程序OB1：液位控制系统主程序，在主程序中实现系统的启动、停止，改变液位设定值，将设定值传送到PID控制器的设定值中，当液位超过设定的上限或下限时报警，调用FC106功能将PID控制输出的工程量转为数字量，再通过模拟量输出模

46、块输出。OB35：利用程序按照设定的执行周期循环执行之一特性，在OB35中编写模拟量采集程序，利用FC105将经模拟量输入模块转换的数字量转为实际的工程量，进而将实际值与设定值比较，得到一个偏差，调用FB41功能块对差值进行PID控制。第六章 WinCC软件和监控界面设计第六章 WinCC软件和监控界面设计6.1 WinCC组态软件概述WinCC是西门子公司推出的人机接口系统，应用于Windows操作系统，其功能强大，可应用于过程通信和过程可视化。WinCC可以与S7系列PLC连接，并与PLC进行通信，在WinCC中建立相应的控制组态，可以对在STEP7中编写的程序进行调试和修改，这样方便项目

47、的开发，提高工作效率。WinCC还可以对PLC进行系统诊断，使系统的硬件维护变得更加方便。WinCC使用灵活，功能强大，可与多种自动化系统进行集成，能提供过程画面、历史曲线、数据报表、报警界面等功能。6.2 WinCC的主要功能（1）集成用户管理。系统管理员在用户管理器中管理所有的用户及用户组，分配或更改他们的访问权限等。（2）WinCC的图形系统可以绘制生产过程画面，显示所有的输入和输出，还能动态显示各检测量的变化，直观反映生产过程中各部分的运行情况，如液位高低，开关闭合状态等。（3）WinCC可以利用Microsoft SQL服务器将获取的过程信息和事件进行归档存储，在使用时对存储信息进行

48、分类和过滤，可以方便的调用。（5）WinCC有集成的记录系统，可以记录WinCC或者其他应用程序的数据，记录过程值，以表格或曲线的方式显示出来，需要时也可以将这些数据报表打印出来。（6）WinCC可以接收来自数据库的数据和外部数据，组态简便、高效。6.3 WinCC监控界面的设计首先新建一个项目，安装相应的PLC驱动程序，这样WinCC才能与PLC进行通信。然后定义变量，如结晶器内的钢水液位、PLC的设备地址等，完成上述的步骤的后，就是创建并编辑结晶器液位控制过程画面，利用图形编辑器来绘制过程画面，创建启动、停止按钮等，之后设置结晶器内的钢水液位为动态填充量，还可以在不同液位显示不同的颜色，如

49、在允许范围内，结晶器内钢水显示为蓝色，当超过允许范围时，显示为红色，这样可以直观的表现生产过程。如果有需要，还可以设置定时器进行采样，将采样得到的数据保存归档，需要时通过表格或曲线的方式显示过程值，还可以将其打印出来。图6-1为结晶器液位控制的WinCC界面。第六章 WinCC软件和监控界面设计图6-1 WinCC监控画面第七章 总结和展望第七章 总结和展望在本控制系统的设计中，采用了控制结晶器流入的钢水流量的方法来控制结晶器内液位，这种控制方式能使拉速波动较小，选用电涡流传感器来检测钢水液位，其能测量的位移范围为0-150mm。本设计采用PID控制，不需要知道被控对象的数学模型，控制精度高，

50、对扰动的反映很迅速，能满足生产工艺的要求。同时采用WinCC组态软件，实时监控连铸生产过程。但本文设计的液位控制系统如果真实应用于炼钢生产，还是存在很多不完善的地方，如：（1）传统的PID控制算法在一定的工业条件能达到较好的控制效果，但可以采用模糊控制或其他智能控制算法来提高控制精度；（2）本系统采用单回路控制系统，能有效实现对结晶器液位的控制，但不能及时克服扰动的干扰，如拉速、中间包重量等，可采取前馈补偿的方式来进行消除，提高系统控制精度；（3）电涡流传感器的测量范围仅为0-150mm，测量范围较小，允许液位波动的范围也小，如果采取自控开浇的方式，较小的测量范围不能满足自动开浇的要求，不利于

51、提高自动化水平。参考文献参考文献1 王恒强.S7-300 PLC在液位控制系统中的应用J.科技信息，2009(32)：252-253.2 罗庚兴.基于PLC和WinCC的水箱液位模糊控制研究与应用J.工业仪表与自动化装置，2011(5):77-81.3 赵雷.基于S7-300结晶器液位自动控制系统的研究D.大连理工大学，2014.4 Keyser R M C D. Improved mould-level control in a continuous steel casting lineJ. Control Engineering Practice，1997，5(2):231-237.5 S

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56、 罗庚兴.基于PLC和WinCC的水箱液位模糊控制研究与应用J.工业仪表与自动化装置，2011(5):77-81.25 西门子有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子WinCC V6M.北京航空航天大学出版社，2004.致谢致谢时光匆匆，四年的大学生活已经接近尾声了。在这四年的时间里，在各位老师的谆谆教导和同学的热心帮助下，我在各学习生活的方面都有了一定的提高。首先，我衷心感谢我的导师张宇老师，不论是在完成毕业论文期间还是在平时学习生活中，老师都给予了我很多帮助，在完成毕业设计时，老师给我指出了研究方向，提出了很多关键性的指导意见。张老师严谨的科研态度、渊博的知识都让我受益匪浅。我还要感谢在我论文完成过程中鼓励帮助我的学长们，是他们帮我解答了不懂的问题，在学习方面给了我很大的帮助。最后，我特别感谢我的父母，他们二十年来为我无私奉献，不管遇到什么事情，他们始终都是最支持我、最理解我的人，给予我精神上和经济上的支持，使我能够勇往直前。