毕业设计（论文）中小型钢厂钢水液面自动控制系统的设计.doc

毕 业 设 计学生姓名： 学 号： 110803102 学 院： 专 业： 题 目：中小型钢厂钢水液面自动控制系统的设计指导教师： 评阅教师： 2015年6月 毕业设计成绩评定表姓 名 学 号 成 绩专 业电气工程及其自动化题 目中小型钢厂钢水液面自动控制系统的设计指导教师评语及成绩 指导教师： 年 月 日评阅教师评语及成绩 评阅教师： 年 月 日答辩小组评语及成绩答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见 学院答辩委员会主任： 年 月 日毕 业 设 计 中 文 摘 要 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，而结晶器液位控制系统是连铸系统中非常重要的环节之一， 以迁钢板坯连铸机结晶器作为研究对象，根据实际中对结晶器在液位控制系统的要求，采用电涡流技术和伺服电动机技术相互配合，实现结晶器的闭环钢水液位自动控制系统，在进行系统设计的时候采用西门子S7-200系列PLC进行该控制系统的设计。

涡流式传感器对结晶器液位进行检测，经前置放大器处理后，其液位高度信号被实时地传送到中央处理单元，将处理后的测量值与系统的设定值进行比较，根据比较的结果，给出适当的塞棒调节控制量，调节塞棒，以实现对钢水的流量控制，保证结晶器内钢水液位稳定 关键词 连铸 结晶器；结晶器液位控制；涡流传感器 本科毕业设计 第 Ⅰ 页 共 Ⅰ 页毕 业 设 计 外 文 摘 要Title ××××××××（Times New Roman 14） Abstract×××××××××（Times New Roman 12，1.25--1.5倍行距，第一个字应顶格写）××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××（空2行）Key Words ××× ××× ××× ×××（Times New Roman 12）（Times New Roman 12）目 录1 绪论 21.1 结晶器液位控制技术的意义 21.2 结晶器液位控制技术的发展现状 31.3 课题要求及其主要工作要求 42 连铸工艺和系统结构的介绍 42.1 连铸工艺 42.2 连铸机结构 53 结晶器液位自动控制系统总体设计 83.1 控制系统总体方案 83.2 结晶器液位控制难点 104 系统硬件的选择 114.1 传感器的选择（液位检测系统） 114.2 执行机构的选择 154.3 CPU型号的选择和I/O资源分配 184.4 开关按钮 244.5 LED数码显示器 255 程序设计 265.1 编程软件STEP7 Miro/WIN的简单介绍 265.2 系统程序流程图 261 绪论钢铁是工业的粮食其成本低、资源丰富，具有良好的机械性能，适用于大批量生产，是最常用的金属材料。

在各种领域的社会生产中得到广泛的应用，是不可或缺的战略性产业的产品近年来，钢铁生产中的连续铸造设备逐渐向大型化、高产量和高效益方向发展同时，热装、热送、热轧技术等也不断创新和发展，并对铸坯的质量要求更高因此，对自动控制检测的要求也越来越高结晶器中钢水的液位的自动控制是连续铸造的专用关键的设备，它对于整个系统具有非常重要的作用例如，对铸造速度的提高、改善铸坯质量、提高优质能源、节能减排等因此，液位自动控制系统的精度是一个非常重要的连铸工艺指标，并对产品的质量有很大的影响1.1 结晶器液位控制技术的意义 在连续铸钢的生产的过程中，控制结晶器中液面的高度需要恒稳操作，一是防止钢铁的泄漏和钢铁的溢出；二是保证尽可能的恒定，提升铸件的良品率现在能否可以实现第二个需求代表着连续铸钢控制系统技术高低的重要指标结晶器内液面控制技术可以减轻和防止漏出、溢出钢铁，能够保证生产的过程恒稳的运行，能够有效的避免掺杂结晶器内钢水液体表面夹杂的物体，防止进一步的在铸件的表面和内部产生夹渣形成缺陷防止结晶器保护渣不均匀的流入，避免了产生裂缝，渣条纹等表面缺陷使铸坯初期凝固稳定，以确保在模具内产生均匀的凝固壳。

连续铸钢的过程中，结晶器中液面的高度由于各种原因引起较大的涌动可以大大损害最终产出来的钢坯质量液面波动主要是由以下几个方面引起的：在结晶器中的钢液流动速度的变化，液位波动汇合造成的碰撞产生波动；水口出口处的高速流股在结晶器中形成的振荡波动；结晶器中的液体中形成的气泡在上升过程中引起的扰动波动其中，结晶器中钢水的流动速度是最重要的原因，钢水液面涌动和钢水流动速度之间的关系是显而易见的如何通过控制结晶器内钢水流量的多少来达到控制钢水液面的稳定是连续铸钢生产线上的重要问题连铸结晶器液位控制系统是一个对连铸生产的关键技术，该系统的作用可以用以下几个方面表述：1 通过将结晶器液位自动控制系统的稳定性达到一定程度，可以将结晶器内钢水液面维持稳定，因此可以充分冷却钢铁液水，提高连续铸钢生产线上的产品的生产量；2 结晶器液位控制系统可提高连铸坯表面质量表面质量好的钢材，在后面的生产后，可以减少冷却和其他的钢表面处理工艺，节省了实际生产的流程，起到节能降耗的重要作用；3 结晶器液位控制系统可降低劳动强度，减少工人的劳动量1.2 结晶器液位控制技术的发展现状连续铸钢生产中的核心技术就是能够自动对结晶器内钢水液面的高度进行调节，它有利于保证连铸机安全生产的运行，减轻工人们的劳动的负担，使生产过程高效的运转和提升产品的质量，溢出漏出钢铁事故减少发生，提升连续炼钢技术的生产管理水平都具有及其重要的意义。

液位高度检测系统、执行机构、模型的辨识、控制处理器器和控制的策略共同组成了结晶器内液位自动控制系统结晶器液位自动控制系统中的液位检测技术是阻碍我国在连续铸钢领域实现自动化的生产过程的问题之一结晶器钢水检测技术常见的主要包括使用放射性同位素检测法、热电偶检测法、涡电流法和超声波法现在在国内只有沈阳市的东北大学和核工业部260厂分别设计并且制造成利用超声波的液位计和用Co60为放射性源的结晶器的液位测量仪，但一直没有厂商正规的在生产中使用过在液位检测器使用中，日本生月铁公司、武钢第五炼钢厂和太原钢铁2号铸造钢厂的某几个连铸机使用是涡电流方法，德德国阿尔卡特·米尔公司伏兰克林厂和西安钢铁厂使用具有放射性的同位素法，日本东升月公司第4号板坯连铸机采用热电偶的处理方法，中国宝钢也用过这种方法此外，有电磁感应的方法，激光照射法，红外线测量法和工厂专用电视摄影法等等，这些方法各自有各自的的特征使用起来在全世界都比较理想并且较为成熟的结晶器内钢水液位的检测方法是采用具有放射性的同位素的方法其精确度能够达到5毫米，稳定性也很可靠、进行安装操作也比较人性化、能够长时间使用不会损坏、价格便宜并且在实际中易于使用，各种类型的连铸机都可以进行使用，特别是对于方坯连续铸造机。

然而，由于辐射对于人类的身体有非常大的伤害，现在这种方法已经消失在绝大部分工厂中例如曾经使用过同位素放射性法的鞍山钢铁，目前开始切换到热电偶和电磁感应的测量方法随着涡流法的成熟度和精度的提高，目前国内已经越来越广泛使用到现在结晶器钢水液位控制系统主要执行操作机构包括：低惯量交流无刷伺服电动机、高精度气动数字缸、电气交流无刷伺服电机执行机构、液压执行机构，其中执行机构的第一、第二方式因为运行稳定，使用过程出现问题维修起来非常方便，吸引更多的厂商开始采用这种方式关于控制处理器，因为连续铸钢车间内的条件非常的苛刻，高温多尘目前世界范围内大部分都使用的是具有很高可靠性的可编程控制器作为控制处理器，而且德国的西门子研制生产的PLC是占据着非常大的市场范围关于液位控制的策略，由于仅仅在某种条件下达到有效的结晶器液位控制的传统比例积分微分的控制策略，系统稳定性差，因此出现了有多种以PI（D）为基础的钢水高度控制方法、智能钢液控制方法以及配置零极点的液位控制方法然而，对于系统的稳定性这几种控制方法只是在一定程度上达到了提高，不存在一个通用方法可以有效地处理钢水液位的控制问题，并在受制对象和系统参数之间的联系程度也相当密切，不易实现通一使用。

因此，液位控制策略仍然是目前研究的关键总之，结晶器液位控制系统涉及到多个领域的技术，其中包括：计算机控制技术、信息处理技术、传感器技术等，其作为连铸控制系统的关键环节，网络化和智能化是结晶器液位控制技术的必然趋势1.3 课题要求及其主要工作要求 通过对结晶器液位控制现状及趋势和意义的了解，以此为基础主要使用可编程控制器（PLC）对结晶器控制系统的软硬件进行设计，使其能够可靠稳定的进行工作具体的要求如下： 1）.以迁钢板坯连铸机结晶器作为研究对象，根据实际中对结晶器在液位控制系统的要求，决定采用电涡流技术和伺服电动机技术相互配合，实现结晶器的钢水液位自动控制系统，该系统是闭环自动控制系统的，在进行系统设计的时候决定采用西门子S7-200系列PLC进行该控制系统的设计2．选择合适的PLC型号和扩展模块的型号，熟练使用编程软件step7，完成上下位机的软硬件的设计、编程及调试实现结晶器内液位的PI闭环控制，使其能够在一般的工艺条件下能够进行稳定的液位控制2 连铸工艺和系统结构的介绍2.1 连铸工艺连铸技术是由英国人于1986提出的该技术的工作原理是将液态金属通过特殊的冷却装置、牵引装置、连铸输送装置等进行不间断的浇铸，形成一定形状和尺寸的铸坯。

第二十世纪三十年代连铸技术开始在一些有色金属生产中的应用连续铸造真正应用于钢铁工业是在上世纪六十年代随着连铸技术的向前发展，连铸工艺成为钢铁生产环节的极为核心的组成从开始直接炼钢再到轧钢，在这中间扮演着重要的角色连续铸造的过程中能否稳定连续的进行，不仅影响炼钢厂家生产指标，且会冲击到钢铁产品质量与成品率连铸技术不断促进冶金工业的快速发展连续铸钢生产线系统主要包括输送设备、中间包、中间包车、结晶器、结晶器的振荡装置、二次的冷却装置、钢坯的矫正系统、切割装置和钢坯输出机构等部分生产线工作时，钢水先通过炼钢炉炼出，再通过炉外精炼设备处理后才能够合格通过运载钢液的钢包输送设备旋转、减速、停止通过控制钢包的回转台的旋转度，将钢包置于中间罐上方，通过钢包上面的长水口将钢水流入到中间包，再经中间包上面的水口，。