畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于西門子S7300的鋼水液面控制系統(tǒng)

1、20112011 屆畢業(yè)論文屆畢業(yè)論文 基于西門子 300 系列的鋼水液面控制系統(tǒng)系 、 部： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱 專 業(yè)： 班 級： 完成時(shí)間： i摘 要在現(xiàn)代的連鑄生產(chǎn)中，結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液面扮演著至關(guān)重要的角色。鋼水經(jīng)過精煉完以后在結(jié)晶中第一次人為的大范圍的冷卻，結(jié)晶器銅管內(nèi)外溫差相差有 1000 多度。結(jié)晶器中鋼水液面的高度直接影響拉坯的質(zhì)量，液位的波動(dòng)會(huì)造成皮下夾渣，坯殼凹陷等問題。這樣拉出來的鋼坯表面質(zhì)量極差，這樣對軋鋼生產(chǎn)帶來極大的麻煩。特別是優(yōu)質(zhì)鋼種的生產(chǎn)對液面穩(wěn)定要求更高，所以針對怎樣穩(wěn)定結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液面，設(shè)計(jì)了一套基于渦流傳感器的塞棒控制系統(tǒng)。首先，從電磁感應(yīng)原理

2、出發(fā)，結(jié)合鋼水的導(dǎo)磁特性建立了電路模型進(jìn)行分析。對鋼水的液面高度進(jìn)行了有效的采樣，將其高度轉(zhuǎn)換為電信號輸送給plc。其次，在 plc 中對采集過來的電信號進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換，對于得到的數(shù)字量信號進(jìn)行 pid 調(diào)節(jié)，得到控制輸出量，然后將控制輸出量 d/a 轉(zhuǎn)換輸送給控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。特別指出的是在控制機(jī)構(gòu)的時(shí)候，還運(yùn)用了 parker 驅(qū)動(dòng)器，parker 驅(qū)動(dòng)器是自身具有強(qiáng)大運(yùn)算能力的變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備。其中有三環(huán)控制原理電流環(huán)控制，速度環(huán)控制以及位置環(huán)控制。運(yùn)用了次驅(qū)動(dòng)器可以大大減小中央控制器的運(yùn)算量，而且可以對電機(jī)的狀態(tài)實(shí)時(shí)進(jìn)行采樣，可以有效的抑制干擾，從而達(dá)到更好的控制效果。最后，為了

3、方便集成管理運(yùn)用了以太網(wǎng)的通訊方式，將 plc 與工控機(jī)經(jīng)行通訊。在人機(jī)界面上可以實(shí)時(shí)地讀取數(shù)據(jù)，方便操作人員的觀看和使用。在人機(jī)界面上可以觀察數(shù)據(jù)，測試系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果。關(guān)鍵字：結(jié)晶器；渦流傳感器；plc；pid 調(diào)節(jié)；驅(qū)動(dòng)器；以太網(wǎng)通訊iiabstractin the modern casting production, the height of liquid steel surface in crystallizer plays a crucial role. the refined liquid steel through crystallizer is widespread cool

4、ed 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 hypodermic solid

5、ified 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 sensor.firstly, fr

6、om 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 collected plc electrical s

7、ignal 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 actuator is itself is pow

8、erful 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 and industrial pc

9、 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 communicationiii目目 錄

10、錄1連鑄生產(chǎn)工藝介紹 .11.1連鑄生產(chǎn)中結(jié)晶器介紹.11.2連鑄生產(chǎn)結(jié)晶器液位控制.21.3自動(dòng)化液位控制重要性.22鋼水液面控制系統(tǒng)的組成及其介紹 .32.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).32.2中央控制器設(shè)計(jì).42.3渦流傳感器.42.4park 驅(qū)動(dòng)器 .62.5服電動(dòng)缸以及塞棒機(jī)構(gòu).113程序設(shè)計(jì) .133.1程序總體設(shè)計(jì).133.2輸入函數(shù)塊的設(shè)計(jì).143.3pid 算法設(shè)計(jì) .163.4控制器程序設(shè)計(jì).174系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) .234.1opc 通訊的介紹 .234.2opc通訊設(shè)計(jì).244.3系統(tǒng)調(diào)試.28結(jié)束語.31致 謝.32參考文獻(xiàn).33附 錄.3411連鑄生產(chǎn)工藝介紹1.1 連鑄生產(chǎn)中結(jié)晶

11、器介紹現(xiàn)代連鑄生產(chǎn)工藝是各大冶煉企業(yè)所關(guān)注和研究的問題，在現(xiàn)代連鑄生產(chǎn)過程中運(yùn)用了許多自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備?，F(xiàn)代連鑄生產(chǎn)車間鋼水主要流程分為三個(gè)階段：大包中包結(jié)晶器，在到二次冷車間。其中現(xiàn)在在工廠中得到運(yùn)用的設(shè)備主要有：1大包回轉(zhuǎn)臺2大包鋼水重量自動(dòng)稱重3大包鋼水下渣自動(dòng)檢測4從大包到中間包長水口保護(hù)澆注510大容量中間包6中間包鋼水稱重7從中間包到結(jié)晶器采用浸入式水口保護(hù)澆注8結(jié)晶器采用保護(hù)渣自動(dòng)加入9結(jié)晶器液面自動(dòng)控制10結(jié)晶器漏鋼預(yù)報(bào)11多功能輥縫儀12二次冷卻計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制13連鑄坯質(zhì)量在線自動(dòng)判定系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)14帶液芯鑄軋和輕壓下15連鑄坯自動(dòng)噴號系統(tǒng)17連鑄坯硫印裝置結(jié)晶器是鋼水從液

12、態(tài) 1500冷卻到固態(tài) 900的位置，這是鋼水第一次人為冷卻的地方，從以上的說明可以看出結(jié)晶器是連鑄生產(chǎn)工藝上的重要的一環(huán)。其結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示：圖 1 結(jié)晶器結(jié)構(gòu)圖21.2 連鑄生產(chǎn)結(jié)晶器液位控制在生產(chǎn)過程中，為了保持鋼水結(jié)晶過程的穩(wěn)定以及提高鋼水結(jié)晶的質(zhì)量，必須控制結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面的高度。鋼水液位的頻繁波動(dòng)或者波動(dòng)幅度過大也會(huì)造成卷入結(jié)晶器保護(hù)渣，在鑄坯表面形成皮下夾渣，影響鑄坯質(zhì)量。當(dāng)皮下夾渣2mm 時(shí)鑄坯在加熱的過程中可消除影響；夾渣深度在 2-5mm 時(shí)，鑄坯必須進(jìn)行表面清理。也就是說保證鋼水波動(dòng)幅度小于某一值，皮下夾渣的問題可以消除。從多年的操作工經(jīng)驗(yàn)得知，鋼水液面波動(dòng)控制在10

13、mm，可以消除皮下夾渣。在舊連鑄生產(chǎn)工藝過程中，這一控制環(huán)節(jié)多是人工控制中包塞棒的開口度。這樣既不能保證生產(chǎn)人員的安全，又會(huì)影響到鋼坯質(zhì)量，因?yàn)槿斯た刂贫鄶?shù)是憑借工人的經(jīng)驗(yàn)，所以控制的效果不好。本論文提出自動(dòng)跟蹤鋼水液面高度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制塞棒位置，從而達(dá)到控制結(jié)晶器中鋼水液面的高度的效果。1.3 自動(dòng)化液位控制重要性結(jié)晶器內(nèi)液面的高低對于鋼坯的質(zhì)量存在密切的聯(lián)系，不同的鋼種要求結(jié)晶器內(nèi)液面的高度也不同。再者，為了保證生產(chǎn)安全鋼水必須保證不能溢出，鋼水液面必須低于結(jié)晶器口約為 70-100mm。并且鋼水液面波動(dòng)過大，會(huì)卷入結(jié)晶器保護(hù)渣，在鑄坯表面形成皮下夾渣，影響鑄坯質(zhì)量。一般液面波動(dòng)范圍一般控

14、制在10mm。對于靠操作工單純?nèi)藶榭刂坪茈y到達(dá)控制要求和精度，并且很容易造成生產(chǎn)事故。所以采用自動(dòng)化液位控制既能減輕工人的工作量，也能很好地保證產(chǎn)品質(zhì)量。32鋼水液面控制系統(tǒng)的組成及其介紹2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)此系統(tǒng)的目的是不需人工參與,自動(dòng)控制結(jié)晶器液面的高度。主要是采用控制系統(tǒng)中閉環(huán)控制的原理。閉環(huán)控制能有效的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制，抑制閉環(huán)內(nèi)的干擾，閉環(huán)控制系統(tǒng)也便于在硬件上實(shí)現(xiàn)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如表 1 所示。表 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表初步設(shè)計(jì)如同圖 2 所示，由傳感器定時(shí)采樣，送給 plc，plc 通過處理控制驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)然后控制塞棒到達(dá)控制液位的目的。系統(tǒng)原理是，渦流傳感器中的電磁信號在鋼液表面產(chǎn)生渦

15、電流，其感應(yīng)電流的大小隨鋼液表面到傳感器底部的距離而變化；最后輸出的電信號通過電纜傳送給系統(tǒng) plc；系統(tǒng) plc 通過對各種信息進(jìn)行綜合處理，作用于驅(qū)動(dòng)器，控制數(shù)控電動(dòng)缸，調(diào)節(jié)塞棒位置。plc儀表傳感器現(xiàn)場操作箱工控機(jī)驅(qū)動(dòng)器電動(dòng)缸塞棒機(jī)構(gòu)圖 2 系統(tǒng)框圖通過對塞棒開度的控制，來調(diào)節(jié)從中包注入結(jié)晶器內(nèi)的鋼水流量，達(dá)到穩(wěn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)名元件名測量元件渦流傳感器運(yùn)功控制器park 驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服電動(dòng)機(jī)中央控制器西門子 s7-300人機(jī)界面工業(yè)電腦4定控制結(jié)晶器鋼水液面高度的目的，從而實(shí)現(xiàn)恒拉速恒液面自動(dòng)澆鑄。同時(shí)通過工控機(jī)，發(fā)出各種報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)多功能人機(jī)對話，實(shí)時(shí)監(jiān)控液面。使液面穩(wěn)定，系統(tǒng)作業(yè)率提

16、高到 99%以上；3mm 以內(nèi)的液面波動(dòng)運(yùn)行率達(dá)到 95%以上，比原設(shè)計(jì)精度高，中包水口的液渣侵蝕帶縮短到 12mm 以內(nèi)。 2.2 中央控制器設(shè)計(jì)針對 2.1 節(jié)所介紹的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選擇了西門子公司 s7-300 系列的 plc作為中央控制器。s7-300 是一種通用型 plc，能適合自動(dòng)化工程中的各種應(yīng)用場合，尤其是在生產(chǎn)制造中的應(yīng)用。s7-300 是由各種模塊部件所組成，各模塊能以各種不同的方式組合在一起，這樣方便設(shè)計(jì)人員根據(jù)不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)出最完美的控制器。s7-300 的指令集包括 350 多條指令，模塊化的程序有便于程序員的編寫和閱讀。在該系統(tǒng)中，其配置表如表 2 所示：其中 cp

17、u313-2dp 是自帶 16 個(gè)數(shù)字輸入以及 16 個(gè)數(shù)字輸出的 cpu，cp343-1 是一種用于以太網(wǎng)通訊的模塊在第四章opc 通訊中將作詳細(xì)說明。sm331:ai8x12bit，sm332:ao4x12bit 都為分辨率為0.1v 的模擬量輸入，輸出模塊，它在系統(tǒng)中主要用作對外部模擬信號的處理和向驅(qū)動(dòng)器提供控制信號，其接口表如附錄中表 4 所示。表 2 電氣配置表2.3 渦流傳感器主件品名附件品名規(guī)格電源24v/5acpu313-2dp數(shù)字輸入模塊di16xdc24vcpu數(shù)字輸出模塊do16xdc24v/0.5a存儲(chǔ)器卡mmc 卡，128k前連接器20針，螺釘型端子前連接器40針，螺

18、釘型端子模擬量輸入模塊sm331: ai8x12bit模擬量輸出模塊sm332: ao4x12bit通訊模塊cp343-1導(dǎo)軌 480mm通訊卡cp5611 5系統(tǒng)采用渦流傳感器進(jìn)行檢測。渦流傳感器中的電磁信號在鋼水表面上產(chǎn)生渦電流，此渦電流在傳感器線圈中產(chǎn)生感應(yīng)信號，其大小隨鋼水表面到傳感器的距離而變化，其原理圖如圖 3 所示。一般來說，距離越大則感應(yīng)電流越小，距離越小感應(yīng)電流越大。傳感器的感應(yīng)信號經(jīng)電纜傳送給主機(jī)。傳感器信號由主機(jī)處理后給出液面高度值和各種報(bào)警信息。輸出單元將代表液面高度的電壓和電流模擬量送到儀器后面板插座的相應(yīng)端子上，用于控制拉坯速度或塞棒位置，其設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)達(dá)到的要求如下：

19、(1) 用于實(shí)時(shí)檢測結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液面，并實(shí)時(shí)輸出對應(yīng)液面高度的模擬量。(2) 信號傳輸距離長（120m 以內(nèi)） ，不需另加放大器和冷卻器(3) 采樣時(shí)間：0.1 秒。(4) 輸出標(biāo)準(zhǔn)的 410v 電壓信號。(5) 任意設(shè)定結(jié)晶器工作液面(正常工作液面)。(6) 高位液面報(bào)警。(7) 低位液面報(bào)警。其中感應(yīng)電流測量電路主要是通過勵(lì)磁端的阻抗變化，使電路性能發(fā)生改變從而達(dá)到測量的目的，其原理圖如圖 3 所示。圖 3 渦流傳感器原理圖本系統(tǒng)采用的是正反饋電路如圖 4 所示，圖中為一固定的線圈繞阻抗，rz為傳感器線圈電渦流效應(yīng)的等效阻抗，d 為測量距離，放大器的反饋電路是lz由組成，當(dāng)線圈與被測體之

20、間的距離發(fā)生變化時(shí)，變化，反饋放大電路lzlz的放大倍數(shù)發(fā)生變化，從而引起運(yùn)算放大器輸出電壓變化，經(jīng)檢波和放大后使得測量電路的輸出電壓變化。因此，可以通過輸出電壓的變化來檢測傳感器和被測體之間距離的變化。6圖 4 反饋法測量電路原理圖2.4 park 驅(qū)動(dòng)器2.4.1 驅(qū)動(dòng)器外部結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)park 驅(qū)動(dòng)器廣泛應(yīng)用于工業(yè)伺服電機(jī)的控制，其外觀結(jié)構(gòu)如圖 5 所示，plc 可以和其進(jìn)行 dp 通訊，也可以直接硬線控制。本系統(tǒng)采取硬線鏈接的方式，有 cpu 的輸入輸出模塊給其 enable,模擬量控制信號。驅(qū)動(dòng)器將伺服電機(jī)的位置信號通過編碼器反饋給 plc.其通訊地址表 3 所示。其中，+24vi

21、n 口是接+24電源，可以和 plc 使用同一個(gè)電源模塊。0va 為位置反饋信號，它是由電機(jī)內(nèi)部編碼器提供的5v 電源，也是通過硬線輸送到 plc 模擬輸入口，其負(fù)極最好是接地，可以和驅(qū)動(dòng)器電源共地。ref-和 ref+口是 plc 給出的位置信號輸入端，其也是通過硬線連接到 plc 的模擬量輸出模塊上面，其負(fù)極最好和驅(qū)動(dòng)器電源的負(fù)極并聯(lián)起來，這樣可以保證驅(qū)動(dòng)器的正常工作。表 3 驅(qū)動(dòng)器接口表標(biāo)示功能標(biāo)示功能+24vin24v+0va4.096v 位置反饋輸出-0vq0vin30vain2ax-in1電機(jī)參考點(diǎn)給定（20ms以上高電平）ax+in0硬件使能ref-010v 位置信號輸入-out

22、1過流保護(hù)ref+010v 位置信號輸入+out0驅(qū)動(dòng)器正常mon4.096v 位置反饋輸出+7圖 5 驅(qū)動(dòng)器外觀圖2.4.2 驅(qū)動(dòng)器三環(huán)控制原理本驅(qū)動(dòng)器采用電流、速度、位置三環(huán)控制，其中大量運(yùn)用了 pi 算法，濾波電路等理論，以下將分別介紹這三個(gè)不同的控制環(huán)節(jié)。(1) 電流環(huán)其原理圖如圖 6 所示，電流環(huán)在驅(qū)動(dòng)器中也叫做電流調(diào)節(jié)器，它是根據(jù)伺服電機(jī)電樞中的電流作為輸入量來調(diào)節(jié)電機(jī)狀態(tài)的。高性能 ac 伺服驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)矢量控制或磁場定向控制。通常使用 pwm 逆變器作為電壓源。矢量控制的控制指令是定子電流指令，它們由以磁場為參照的兩個(gè)相互垂直的分量組成。ac 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩由電流與磁場相互

23、作用產(chǎn)生。逆變器電壓源直接產(chǎn)生電流控制環(huán)要求的電壓。電流控制的性能直接影響伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。圖 6 電流控制系統(tǒng)的信號流程圖如圖 6 所示，電流調(diào)節(jié)器的輸入是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流指令 iq 和建立磁場的電8流指令 id。電流調(diào)節(jié)器的輸出饋給逆變器電壓源 pwm 調(diào)制器。dc 母線電壓的在線測量是為了補(bǔ)償由 dc 母線電壓的波動(dòng)引起的回路增益的變化。電流控制環(huán)是數(shù)字的，它以 16khz 的頻率，刷新電流指令。對于兩個(gè)相互垂直的 d-q 電流分量，使用兩個(gè)獨(dú)立的帶擴(kuò)展的 pi 調(diào)節(jié)器。圖 6 給出了其中一個(gè)電流分量調(diào)節(jié)器的詳細(xì)控制結(jié)構(gòu)。圖 7 帶擴(kuò)展的 pi 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖如圖 7 所示，電流調(diào)節(jié)

24、器是參照與磁場同步旋轉(zhuǎn)的 d-q 控制。實(shí)際定子電流在以 16khz 采樣后利用 e-j 坐標(biāo)變換得到電流反饋信號 iq、id。然后，三相正弦定子電流變換為與磁場同步旋轉(zhuǎn)，以 d-q 坐標(biāo)為參照的定子電流分量。為了決定 d-q 坐標(biāo)所必須的磁場位置 ，可以用旋變或編碼器測量轉(zhuǎn)子磁場的位置。如使用旋變，通常用軟件實(shí)現(xiàn) r/d 轉(zhuǎn)換。對感應(yīng)電動(dòng)機(jī)磁場的位置用建立感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型的方法來估計(jì)。兩個(gè)被轉(zhuǎn)換的定子電流分量 iq、id 用來做電流調(diào)節(jié)器的反饋信號，兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器的指令來自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的外環(huán)。轉(zhuǎn)矩電流指令 iq 來自速度調(diào)節(jié)器，如果驅(qū)動(dòng)器作為轉(zhuǎn)矩環(huán)運(yùn)行（opmode2、3）直接來自用戶轉(zhuǎn)矩指令（數(shù)

25、字指令或模擬量輸入） 。d 分量電流指令 id 可以是磁場調(diào)節(jié)器的輸出，對永磁同步電動(dòng)機(jī)可以是用轉(zhuǎn)矩角提前技術(shù)產(chǎn)生的信號。(2) 速度環(huán)速度環(huán)主要是利用電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)電機(jī)，一般是作為最外環(huán)使用。電流環(huán)嵌套在內(nèi)部如圖 8 所示速度反饋信號來自被測量的位置信號進(jìn)行計(jì)算。通常，用于運(yùn)動(dòng)控制的伺服驅(qū)動(dòng)器具有位置傳感器。該位置傳感器，或是編碼器或是與 rdc 連接的旋變。在兩種情況下，伺服控制器根據(jù)指定的分辨率知道電動(dòng)機(jī)軸位置。速度的簡單求導(dǎo)算法以較低的分辨率估計(jì)計(jì)算結(jié)果。來自速度估計(jì)的噪音通過伺服環(huán)的傳播并與可聞噪音一起在電動(dòng)機(jī)中引起額外的電流脈動(dòng)。分辨率噪音可以用增加濾波來減少。但是，它以增加能引

26、起超調(diào)和不穩(wěn)定的相位滯后為代價(jià)。另一個(gè)降低量化噪音的最簡單的方法是使用帶高分辨率的反饋裝9置，如圖 9 所示，這樣觀察到的位置信號比較純凈，可以很好的減少干擾。可以通過仿真得到如圖 10 所示，在自動(dòng)調(diào)諧速度調(diào)節(jié)器之后可以看到所得到的最佳性能。所得到的閉環(huán)性能可以檢查如下：閉環(huán)控制參數(shù)：r(帶寬)：r=205(hz)，相位延遲-91.7pm(凸峰)：pm0.5db,頻率范圍 17mm，如式（4） e b 0.001 e1)-e(a 0.1 u（4）(2) 液位波動(dòng)正負(fù) 2mm6mm 之內(nèi)，如式（5） e b n 0.001 e1)-(e a 0.1 u（5）(3) 液位波動(dòng)正負(fù) 6mm 之外，

27、17mm，如式（6） e b m 0.001 e1)-(ea 0.1 u（6）即：e ki e1)-(ekp u kp=0.1*a；比例系數(shù) ：積分系數(shù)bmb/0.001nb/0.0010.001ki kd=0：微分系數(shù) e ： 液位偏差，即設(shè)定液位與實(shí)際液位之差 e1： 前次液位偏差17這樣細(xì)化以后只要調(diào)節(jié) a,b,m,n 幾個(gè)系數(shù)就可以做到不同區(qū)域的 pi 調(diào)節(jié)的過程。dt 調(diào)節(jié)由于不好控制，而且本身系統(tǒng)的滯后并不大，所以一般不用，在實(shí)際生產(chǎn)中用到的也非常小。3.3.2 pid 帶死區(qū)輸出設(shè)計(jì)(1) 帶死區(qū)的 pid 控制算法 控制算式：當(dāng)ee0 時(shí)，如式（7） 。 eki e1)-(ek

28、p u（7） 優(yōu)點(diǎn)：帶死區(qū)的 pid 控制，可消除由于頻繁動(dòng)作所引起的振蕩，現(xiàn)程序中 e0 固定為 0.5；e0 可設(shè)置為一可調(diào)參數(shù)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，若值太小，使控制動(dòng)作過于頻繁，穩(wěn)定性下降；若值太大，則系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的滯后；(2) 帶積分分離的 pid 控制算法控制算式：如式（8） (01) e ki e1)-(ekp u（8）優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)實(shí)際情況，不同的偏差范圍，設(shè)置不同的 系數(shù)，當(dāng)偏差較大時(shí)， 設(shè)置往 0 接近，抑制積分項(xiàng)，可避免過大的超調(diào)，使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；當(dāng)偏差較小時(shí)， 設(shè)置往 1 接近，加大積分作用，保證系統(tǒng)的控制精度；3.3.3 pid 消弱積分設(shè)計(jì) 控制算式：如式（9）

29、 。 ( 01) eki e1)-(ekp u（9） 優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)實(shí)際情況，不同的偏差范圍，設(shè)置不同的 系數(shù)，當(dāng)偏差較大時(shí)， 設(shè)置往 0 接近，抑制積分項(xiàng)，可避免過大的超調(diào)，使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；當(dāng)偏差較小時(shí)， 設(shè)置往 1 接近，加大積分作用，保證系統(tǒng)的控制精度。3.4 控制器程序設(shè)計(jì)根據(jù)表 2.2 和系統(tǒng)的功能說明，可以設(shè)計(jì)出 plc 模塊的接口表如附錄中表3.2 所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)可分為點(diǎn)動(dòng)，手動(dòng)，自動(dòng)三個(gè)檔位，可以供操作員工使用。程序中 fc12 為輸入處理函數(shù)，它可以對數(shù)字量輸入模塊的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為 plc 內(nèi)部寄存器的變量，這些變量對于輸出進(jìn)行控制。對于18piw416 的

30、 0-10v 的信號處理在 fc14 當(dāng)中，fc14 主要將模擬量信號經(jīng)過采樣量化得到實(shí)數(shù)型的數(shù)字量格式，這數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 plc 數(shù)據(jù)塊中，供 plc 和界面使用。其中采樣量化程序?yàn)?fc105.,采樣周期為 100ms。得到液位信號后，經(jīng)過 3.1 節(jié)所述的 pid 算法的調(diào)節(jié)得到塞棒控制信號，通過 pow468 以10v 的電壓信號輸出給驅(qū)動(dòng)器。對于 d/a 轉(zhuǎn)換程序?yàn)?fc106，這兩個(gè)程序的代碼如附錄中程序，pid 算法程序如下所示：function comm_pid : voidtitle =version : 0.1var_input in_auto : bool ; in_i_se

31、l : bool ; in_d_sel : bool ; 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/結(jié)束對于程序塊外部封裝口得定義。var_output out_pidval : real ;/ 最終

32、輸出值的定義。end_varvar_in_out ti : real ;/時(shí)間常數(shù)的定義。end_varvar_temp19 error : real ;/偏差。 preerr : real ;/前次偏差 ppreerr : real ;/前前次偏差 p_part : real ;/比例系數(shù) i_part : real ;/積分系數(shù) d_part : real ;/微分系數(shù) error1 : real ;/偏差絕對值 preerr1 : real ;/前次偏差絕對值 in_kp_temp : real ; in_ti_temp : real ;end_varbeginnetworktitle

33、=/calculation : error l #in_setlv; l #in_lv; -r ; /實(shí)際液位-設(shè)定液位 t #error; /偏差 abs ; t #error1; /偏差絕對值networktitle = l #in_setlv; l #in_plv; /前一次液位 -r ; /前次液位-設(shè)定液位 t #preerr; /前次偏差 abs ; t #preerr1; /前次偏差絕對值 l #in_setlv; l #in_pplv; -r ; t #ppreerr; /前前次偏差network20title =/次環(huán)節(jié)主要是對于帶死區(qū)積分算法的實(shí)現(xiàn)。 a( ; l #err

34、or; l #in_deadband; negr ; /取反 r ; /液位差死區(qū) ) ; a( ; l #error; l #in_deadband; r ; ) ; /如果偏差在死區(qū)范圍內(nèi)，orl 中的值為 1. jcn j01; /上不成立跳到 j01，成立順序執(zhí)行 l 0.000000e+000; /成立表示在死區(qū)里面，輸出值為 0. t #out_pidval; ju xo; networktitle =/calculation : p i d valuex01: nop 0; l #error; l #preerr; -r ; l #in_kp_temp; *r ; t #p_pa

35、rt; /p=kp *( error - preerr) l #error; l #in_t; *r ; l #ti; /r ; l #in_kp_temp; *r ; t #i_part; /i=kp * error *t/ti21 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 ;/(

36、#error- #preerr*2+ #ppreerr )*td/t l #in_kp_temp;/kp*(#error-#preerr*2+#ppreerr )*td/t *r ; t #d_part;/微分算法輸出值。networktitle = an #in_i_sel;/用 in_i_sel 限制微分輸出。 jc d01; / in_i_sel=0，微分環(huán)節(jié)不輸出。 l 0.000000e+000; /滿足積分等于 0 t #i_part; d01: a #in_d_sel; jc d03; l 0.000000e+000; /滿足微分等于 0 t #d_part; networkti

37、tle =/收斂時(shí)，如果偏差大于 5，減弱比例項(xiàng)的作用，加快收斂速度d03: l #error1; l 5.000000e+000; r ; jc d02; l #p_part; l 5.000000e-001; *r ; t #p_part; networktitle =/calculation : pid valued02: l #p_part; l #i_part; +r ; l #d_part; +r ; t #out_pidval; /將三個(gè)環(huán)節(jié)的輸出值加起來。networktitle =/輸出幅值的限定，當(dāng)超過限定幅度輸出值為 0. a( ; l #out_pidval; l #i

38、n_maxsp; r ; ) ; o ; a( ; l #out_pidval; l #in_minsp; r ; ) ; jc x02; l 0.000000e+000; t #out_pidval; ju xo; x02: nop 0; 23networktitle =/save the error valuexo: nop 0; /為下次運(yùn)算做準(zhǔn)備。 l #preerr; t #ppreerr; l #error; t #preerr; end_function244系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)4.1 opc 通訊的介紹 opc(ole for process control,用于過程控制的 ole)是

39、一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，管理這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)國際組織是 opc 基金會(huì)，opc 基金會(huì)現(xiàn)有會(huì)員已超過 220 家。遍布全球，包括世界上所有主要的自動(dòng)化控制系統(tǒng)、儀器儀表及過程控制系統(tǒng)的公司?；谖④浀?ole(現(xiàn)在的 active x)、com(部件對象模型)和 dcom(分布式部件對象模型)技術(shù)。opc 包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于過程控制和制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。opc 全稱是 ole for process control，它的出現(xiàn)為基于 windows 的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁。在過去，為了存取現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，每一個(gè)應(yīng)用軟件開發(fā)商都需要編寫專用的接口函數(shù)。由于現(xiàn)場設(shè)備的種類繁多，

40、且產(chǎn)品的不斷升級，往往給用戶和軟件開發(fā)商帶來了巨大的工作負(fù)擔(dān)。通常這樣也不能滿足工作的實(shí)際需要，系統(tǒng)集成商和開發(fā)商急切需要一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在這種情況下，opc 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。opc 標(biāo)準(zhǔn)以微軟公司的 ole 技術(shù)為基礎(chǔ)，它的制定是通過提供一套標(biāo)準(zhǔn)的 ole/com 接口完成的，在 opc 技術(shù)中使用的是 ole2 技術(shù)，ole 標(biāo)準(zhǔn)允許多臺微機(jī)之間交換文檔、圖形等對象。com 是 component object model 的縮寫，是所有 ole 機(jī)制的基礎(chǔ)。com 是一種為了實(shí)現(xiàn)與編程語言無關(guān)的對象而制定的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將 windows

41、下的對象定義為獨(dú)立單元，可不受程序限制地訪問這些單元。這種標(biāo)準(zhǔn)可以使兩個(gè)應(yīng)用程序通過對象化接口通訊，而不需要知道對方是如何創(chuàng)建的。例如，用戶可以使用 c+語言創(chuàng)建一個(gè) windows 對象，它支持一個(gè)接口，通過該接口，用戶可以訪問該對象提供的各種功能，用戶可以使用 visual basic，c，pascal，smalltalk 或其它語言編寫對象訪問程序。在 windows nt4.0操作系統(tǒng)下，com 規(guī)范擴(kuò)展到可訪問本機(jī)以外的其它對象，一個(gè)應(yīng)用程序所使用的對象可分布在網(wǎng)絡(luò)上，com 的這個(gè)擴(kuò)展被稱為 dcom（distributed com） 。通過 dcom 技術(shù)和 opc 標(biāo)準(zhǔn)，完全可

42、以創(chuàng)建一個(gè)開放的、可互操作的控制系統(tǒng)軟件。opc 采用客戶/服務(wù)器模式，把開發(fā)訪問接口的任務(wù)放在硬件生產(chǎn)廠家或第三方廠家，以 opc 服務(wù)器的形式提供給用戶，解決了軟、硬件廠商的矛盾，完成了系統(tǒng)的集成，提高了系統(tǒng)的開放性和可互操作性。254.2 opc 通訊設(shè)計(jì)4.2.1 虛擬站點(diǎn)組態(tài)首先建立 plc 與 pc 機(jī)的硬件站點(diǎn)，如圖 21 所示，其中 simatic pc 為虛擬站點(diǎn)它其實(shí)就是代表著工控機(jī)，在設(shè)計(jì)的的時(shí)候注意兩者的一致性。其設(shè)計(jì)方法在 4.2.2 節(jié)中將做詳細(xì)的說明。圖 21 硬件設(shè)置在每一個(gè) cpu 中設(shè)置其對應(yīng)的地址，如圖 22 所示，設(shè)置的地址必須在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里面，即地址最后

43、一項(xiàng)的設(shè)置不同，點(diǎn)擊 properties 項(xiàng)可以設(shè)置。如圖17 所示，其中 mac 地址為生產(chǎn)商給元器件分配的原始地址是不能更改的，mac地址在 mac 協(xié)議通訊中用到，這里不做詳細(xì)的說明。圖 22 地址設(shè)置一在設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址的時(shí)候，注意將兩個(gè)站點(diǎn)的地址設(shè)置在同一網(wǎng)絡(luò)下。一般26ip 地址最后一個(gè)數(shù)位不同，設(shè)置值可以在 0-255 之間任意選擇，圖 23 所示。下是不能通訊的，這里要特別注意,如果要在不同網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行通訊可以使用路由器，機(jī)理是一樣的，這里不做詳細(xì)的說明。圖 23 地址設(shè)置二將每一個(gè) cpu 組好網(wǎng)以后就可以建立網(wǎng)絡(luò)組態(tài)了。4.2.2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)首先添加一個(gè) simatic pc

44、station 將其改名為 ram_opcstation 為了和opc 的虛擬站一致。如圖 24 所示：圖 24 硬件組態(tài)一點(diǎn)擊 configuration，設(shè)置虛擬站點(diǎn)，如圖 25 所示，虛擬站點(diǎn)必須和前面設(shè)置的 opc 站點(diǎn)一致，不管是名字還是地址都需要一致，不然通訊的時(shí)候會(huì)出錯(cuò)，這一點(diǎn)請?jiān)O(shè)計(jì)人員注意。27圖 25 硬件組態(tài)二在第一欄和第三欄分別添加 opc server 和 ie general。雙擊 ie general設(shè)置其地址，地址要與工控機(jī)地址一致。如圖 26 所示。圖 26 opc 站點(diǎn)設(shè)置點(diǎn)擊 configure network 查看網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，然后就可以設(shè)置站點(diǎn)之間的通訊協(xié)議

45、了。點(diǎn)擊如圖 27 所示的地區(qū)。在下面的對話框中插入鏈接選項(xiàng)如果你要和cpu 通訊就選擇 cpu 315-2 dp 如果你要和 opc 通訊就選擇 opc server。如圖27，選擇后彈出如圖 28 的對話框。值得注意的是在圖 28 中 type 是選擇通訊協(xié)議，這里用的主站 cpu 只能用 s7 協(xié)議。28圖 27 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖圖 28 協(xié)議設(shè)置一圖 29 協(xié)議設(shè)置二294.3 系統(tǒng)調(diào)試4.3.1 parker 驅(qū)動(dòng)器帶 ser 電機(jī)測試(1) 線路連接由于都是 resolver 反饋，所以反饋線連接沒有什么太大的問題，只要注意將屏蔽線接好就行。ser 電機(jī)和 smb 電機(jī)的繞組相位不同，在

46、帶 ser 電機(jī)時(shí)必須依次將電機(jī)的 v/u/w 接入驅(qū)動(dòng)器的 u/v/w 才能正常運(yùn)行，否則電機(jī)會(huì)出現(xiàn)劇烈的抖動(dòng)。(2) 速度模式測試經(jīng)過更改速度環(huán)的參數(shù)，設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速是 400rpm，運(yùn)行的曲線如圖 30上面的是速度曲線下面的是電流曲線。圖 31 左所示上面的是速度曲線下方的是電流曲線，這時(shí)是給了一個(gè)緩慢上升的速度。左圖右中是給了電機(jī)一個(gè) 10v 的脈沖信號，看其電流的變化。電流在額定的 3%，即 0.15a 左右，從開始加速到穩(wěn)定為 400 轉(zhuǎn)，用的時(shí)間是 200ms 左右。圖 30 parker 驅(qū)動(dòng)器仿真圖一圖 31 parker 驅(qū)動(dòng)器仿真圖二30(3) 響應(yīng)速度用點(diǎn)動(dòng)的方式查看電

47、機(jī)位置響應(yīng)時(shí)間，每次變化的電壓是 0.2v。查看的點(diǎn)動(dòng)曲線圖 32 如下:上兩圖中都是用位置命令電壓值變化，看電機(jī)編碼器位置反饋電壓值。上圖左是不帶負(fù)載時(shí)候的跟隨曲線，右為輸出一個(gè)恒定轉(zhuǎn)矩時(shí)候的跟隨情況。根據(jù) 2 個(gè)圖綜合比較，響應(yīng)速度大致為 150ms 以內(nèi)。用 plc 輸出類似于正弦曲線的電壓，查看響應(yīng)情況，圖 32 中的三部分都是用第三方軟件查看的曲線。從圖 32（下）可以看出輸出一個(gè)正弦波時(shí)，電機(jī)反饋的跟隨情況。同時(shí)用驅(qū)動(dòng)器本身的觀測器檢測到的位置和電流曲線如圖 33 所示：位置信號成峰值為 300rpm 正弦波周期變化時(shí)，電流峰值為額定的 2%，即 0.02a。圖 32 電機(jī)相應(yīng)速度

48、響應(yīng)圖一圖 33 電機(jī)相應(yīng)速度響應(yīng)圖二314.3.2 pid 算法調(diào)試如同 3.1 節(jié)中所介紹的 pid 算法，我們可以通過界面仿真調(diào)節(jié)其各個(gè)環(huán)節(jié)的系數(shù)，使其靈敏度系統(tǒng)性能達(dá)到最佳。如圖 34 所示，ab 段的誤差為 0，塞棒控制位置趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)調(diào)節(jié)值為0。當(dāng)人為改變設(shè)定液位時(shí)，誤差變差短時(shí)間內(nèi)變化，p 環(huán)節(jié)起到迅速調(diào)節(jié)的作用，塞棒位置隨偏差成比例線形變化，如圖 34 中的 bc 段所示。再次人為地將變差調(diào)整為 0，系統(tǒng)又恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。這樣可以說明 p 環(huán)節(jié)達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，其前面的系數(shù)可以通過實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。p 環(huán)節(jié)調(diào)整完后，我們可以先將液位偏差設(shè)為恒定不變，來觀察 i 環(huán)節(jié)單獨(dú)作用下的效

49、果，因?yàn)楫?dāng)液位偏差恒定不變時(shí)，根據(jù) 3.1 節(jié)所介紹的可以知道，此時(shí)只有 i 環(huán)節(jié)起作用。如圖 35 所示。從圖中可以看出，塞棒位置周期性的增長，這種周期就是系統(tǒng)更新一次數(shù)據(jù)所需的時(shí)間，一般為 0.02s。pi 調(diào)節(jié)都達(dá)到了預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)效果，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和相應(yīng)的快速性，對于結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液面的穩(wěn)定起到了很好的調(diào)節(jié)作用。圖 34 pid 仿真圖一圖 35 pid 仿真圖二32結(jié)束語結(jié)束語科學(xué)技術(shù)發(fā)展，對于改變社會(huì)的生產(chǎn)面貌，推動(dòng)人類文明向前發(fā)展，具有極其重要的意義。在現(xiàn)代連鑄迅速發(fā)展的今天，結(jié)晶器液面控制急速幾乎達(dá)到了日新月異的地步。研究開發(fā)高性能，高穩(wěn)定的控制系統(tǒng)是全世界連鑄行業(yè)所關(guān)注的問

50、題。其主要包括：1通過也就鋼水液面的數(shù)學(xué)模型，分析液面高度對于不同鋼種的要求。2設(shè)計(jì)一套良好的控制系統(tǒng)達(dá)到人們所需的設(shè)定液位的高度。3設(shè)計(jì)出良好的人機(jī)界面方便操作人員使用。4可以進(jìn)行各種通訊，實(shí)現(xiàn)集中化，遠(yuǎn)程可控化的管理5由于時(shí)間所限，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)還有許多的不足，尚有一些工作需要繼續(xù)。6對于鋼廠復(fù)雜的環(huán)境需要做進(jìn)一步的分析，設(shè)備在高溫高噪聲的情況下的抗干擾能力要做進(jìn)一步的分析。7對于核心的控制算法，單環(huán)控制對于環(huán)外的擾動(dòng)起不到抑制作用，并且在干擾強(qiáng)的情況下會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，所以要引入一些控制環(huán)來抑制較強(qiáng)的干擾。8為了加強(qiáng)煉鋼工人的生命安全，要提高設(shè)備的可讀性，便于操作性。要有設(shè)備的避險(xiǎn)和報(bào)

51、警裝置，確保工人的生命。33參考文獻(xiàn)1 湯南.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).西安:西安電子科技大學(xué),1994:25-282 高強(qiáng).西門子 plc 應(yīng)用程序設(shè)計(jì).成都:電子工業(yè)出版社,1995.5-63 崔堅(jiān).西門子 s7 可編程控制器step7 編程指南.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:15-184 胡壽松.自動(dòng)控制原理.南京:科技出版社,2000:33-355 寇寶全.交流伺服電機(jī)及其控制.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:25-286 西門子有限公司.深入淺出西門子 s7-300plc.北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2002:24-267 鄧君里.信號與系統(tǒng).北京:高等教育出版社,2006:28-328

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56、op 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 ; / .36 l #lo_lim; / add lo_lim +r ; / . t #out; / out=scale(in_real) l 0; / return error code 0 t #ret_val; / set ; / rlo =