毕业课题
结晶器液位控制系统探析
系 机械工程
专 业 机电体化
班 级 机械
学生姓名
指导教师
20XX年X月X日
摘
连铸炼钢生产核心设备代高端型连铸机采流园弧形连铸机连铸控制采二级动控制系统PLC控制程控制整系统中结晶器液位控制关键技术液位控制方式普遍采钴６０液位控制文钴６０液位控制系统进行探析
关键词：结晶器液位控制程控制系统
目 录
摘Ⅰ
1 概述1
2 结晶器液位控制原理1
21 基础动化部分1
22 检测部分1
23 结晶器液位控制器1
24 伺服执行机构2
25 液位显示部分2
3 系统组成2
31 基础动化PLC系统2
32 液面位置检测部分3
33 结晶器液位控制器4
34 伺服执行机构5
4 动浇铸7
41 前馈控制8
42 例参数重新调正8
5 结束语9
6 参考文献：9
1 概述
连铸炼钢生产核心设备型特型连铸机采流园弧形连铸机连铸电控采二级动控制：PLC控制程控制全系统钢水称重钢水测温钢渣检测控制结晶器钢水搅拌结晶器液位控制二冷水调节引锭杆踪动切割钢坯动号钢坯输送质量踪等控制中结晶器液位控制关键技术
液位控制方式：涡流式浮子式电极式电磁感应式钴６０射源式控制技术千秋中鈷60液位控制更成熟
目前许工业国家德国意利美国日韩国等型钢厂普遍采钴６０液位控制技术济效益十分观年国炼钢逐渐开始采鈷60液位控制文控制技术进行详探讨分析
2 结晶器液位控制原理
连铸程中保证铸坯质量防止溢钢拉漏事发生必须结晶器液位进行控制结晶器钢水液位达相稳定状态影响结晶器液位变化五素：钢种二钢水温度三中间罐注入结晶器钢水流量四拉矫速度五结晶断面中钢水流量通调节中间罐塞棒位置控制滑动水口钢水流量调节拉矫速度控制液位高低采恒定结晶器断面定速拉矫控制方式结晶器液位控制通调节中间罐塞棒位置完成
结晶器液位控制通常采串级闭环控制系统该系统部分组成：
21 基础动化部分
液位控制系统神中枢采PLC控制系统目前较SIEMENSS7400 System简称S7400系统系统较实现结晶器液位闭环控制
22 检测部分
包括：钴－60射源闪烁计数器结晶器液位计等动化设备
23 结晶器液位控制器
包括：VI转换器振荡器解调器PID调节器伺服放器等
24 伺服执行机构
包括：电液伺服阀电磁换阀液压缸中间罐塞棒机构
25 液位显示部分
HMI操作画面(机话操作画面)智仪表显示
整结晶器液面控制系统图1示
图1 结晶器液位控制系统图
液位控制原理：现场检测钢水液位信号输入S7400系统S7系统检测现场液位实际值设定值进行较差值进行PID运算运算输出信号作环PID设定值输入该值塞棒位置信号进行较差值PID运算信号输出控制伺服阀进控制液压执行机构—液压缸动作液压缸驱动塞棒升降塞棒控制钢水流量结晶器液位达佳设定值
3 系统组成
31 基础动化PLC系统S7400系统配置：
模件MFC Multi Function Controller
两数字输入子模件DSI Digital Slave Input
两数字输出子模件DSO Digital Slave Output
快速反应混合子模件QRS Quick Response Slave
模拟输出模件AOM Analog Output Module
六端子模件TB Terminal Board
液位控制系统中结晶器检测元件实际液位信号液位计处理变4
20mA标准信号该信号端子模件ＴＢ送相应子模件DSIQRS中然送模件MFC中MFCPID算法计算出设定液位控制信号输出子模件DSO端子TB送VI逆变器电流信号变电压信号送伺服放器较运算PID运算输出控制信号伺服阀伺服阀控制液压缸动作液压缸驱动中间罐塞棒升降运动结晶器钢水液面设定值允许范围轻微波动
32 液面位置检测部分钴60射源闪烁计数器结晶器液位计
321 钴60射源
物理测量原理基放射性射束金属物质时放射性强度减弱事实γ射线减弱程度遵循指数规律衰减指数定律：
式中：I0 初始强度d 介质厚度ε介质密度η衰减系数（取决射源类型）
测量计数厚度密度积ε·d决定结晶器 熔池高密度终吸收特性高弯曲部分（测量路径相）密度变化影响微足道射线完全吸收
结晶器壁厚测量计数没影响产生固定衰减数通增加射源活性强度补偿选择合适射源活性允许操作条件结晶器壁厚足够剂量率射源长度测量范围测量系统形状决定般100120mm间
着结晶器液位升高熔池遮挡射源部分增加闪烁计数器吸收放射强度结晶器液位成反测量系统形状产生非线性射源非线活性分布补偿闪烁计数器（探测器）端部射线强度总结晶器实际液位成线性例关系
射源钴60半衰期53年通常设计成5年寿命射源装带锁定光束窗铅罐里停止浇铸时关闭光束窗
放射源闪烁计数器结晶器液位计组成信号检测处理系统图2示
图2信号检测处理系统
322 闪烁计数器
闪烁计数器NaJ（T１）晶体构成射源发射出γ量子诱发晶体闪光频率伴辐射强度成正晶体光电倍增器进行光耦合光电倍增器光敏层释放出电子光敏层HV（高压）加速电子阳极运动阳极进步释放电子碰倍增电极时串联前置放器会产生高幅值输出脉然转换成标准脉确保干扰传输信号
323 结晶器液位计
收部分构成：调整单元测速单元模拟显示单元限度单元振荡补偿
检测器标准脉通光电耦合器输入液位计特殊设计电路保证相高模抑制防止外干扰计数脉里进步放标准化计数测速计均计数速率结晶器液位信号计数速率信号变化液位成反信号颠倒直接结晶器液位成正般测量精度：±2－±3
33 结晶器液位控制器
包括：VI转换器振荡器解调器PID调整伺服放器
331 VI转换器
输入S7－400电压信号转换成4－20mA电流信号S7－400输出电流信号转换成标准电压信号
332 振荡器解调器
振荡器振荡器相位步解调器构成完成测量信号调制解调
振荡器产生两正弦波电压（相位相反）激励转换器初级线圈振幅频率调解调器转换器接收正弦信号振幅位置值成正转换连续电压
333 PID调节伺服放器
PID调节实现例积分微分运算输出信号控制伺服阀伺服放器部分外部输入两信号代数值（设定值反馈值）进行较计算偏差终放电流信号控制伺服阀消实际值设定值间偏差
伺服放器部分实现列功：
l 读出放较节点偏差
l 部误差校正外部误差校正转换
l 现场手动PID调节
l 现场PID校正计算机PID校正转换（VI）
l 输出电流直接驱动伺服阀
l 锁定状态时延时清伺服阀电流积分电路电流
34 伺服执行机构
包括电液伺服阀电磁换阀液压缸中间罐塞棒机构等伺服放器输出控制信号控制电液伺服阀油流方控制液压缸活塞杆升降方升降速度活塞杆杠杆传动机构控制塞棒升降速度
伺服放器伺服执行机构系统图图3示
图3伺服放器伺服执行机构系统结构图
系统结构图图4示
图4系统结构图
图中：
Ａ 活塞工作面积
Ｖ 相面负载移动速度
Ｘ 相面负载位置
Q0 负荷流量
Q 伺服阀输出流量
Ksa 伺服放器例系数
Kq 伺服阀流量系数
Kpq 伺服阀固定偏差
Kfv 位置传感器系数
Ee 差值信号
负载阻力Fd等
位置动误差Xf等
伺服阀电流流量压力关系曲线图5示
图5 伺服阀电流流量压力关系曲线
4 动浇铸
动开浇全动浇铸第步系统整工作集中塞棒开度控制利开塞棒发生溢钢事塞棒应 佳开浇曲线进行控制实现动开浇
佳开浇曲线实际验基础总结出参数开浇前应预先设定着塞棒开启结晶器钢水液位达Qmm时动开浇结束系统进入动浇铸程
动浇铸程全动连铸程中重程时连铸机系统已投入运行动浇铸程中塞棒执行机构控制液面调节器起结晶器中钢水液位控制Qmm附效保证铸坯质量防止溢钢漏钢等事发生连铸行动开浇曲线图6示
图6 动开浇曲线
设定值实际液位差值输入带PID算法控制程序中产生代表伺服执行器位置输出信号输出信号送结晶器液位计中模拟位置控制信号液位计中输出伺服阀驱动执行器动作直设定位置信号模拟位置传感器送位置信号衡止
结晶器液位受塞棒位置流速波动中间罐钢水重量三素影响该控制应包括：
l 速度波动补偿前馈控制
l 工作点相关例系数实时重新设定（变化量中间罐钢水重量变化引起）
41 前馈控制
速度变化时会引起液位变化液位变化取决结晶器充填时间液位测量延迟时间变化送入控制系统控制系统采取适校正措施重新建立等设定值液位时液位发生变化需衡条件建立前采取必校正措施
前馈速度偏差推导出值产生予见校正行（根塞棒位置设定值）校正值根塞棒流量函数关系计算
42 例参数重新调正
重量变化会引起钢水流速变化果塞棒位置变中间罐钢水重量流速成正流速中计算出钢水流量
钢水流量值80中间罐液位设定值较产生１１倍增系数作例带校正该例带根变化值设定值间差值计算出塞棒动作值
应指出控制系统踪切换动时保持精确输出值根输出值开始进行控制系统需机零位设定系统控制意点开始结晶器液位控制系统结构图图8示
图8 结晶器液位控制系统结构图
5 结束语
天津钢公司炼钢厂钴－60结晶器液面控制系统德国引进该系统投入运行准确实时性实现中间罐塞棒高速度高精度控制避免拉漏溢钢事发生达稳定控制结晶器钢水液位提高钢坯质量增加产量确保安全目取较济效益
6 参考文献
［1］谢光明 夏路易 编程控制器程序设计[M]北京：电子工业出版社20088
［2］朱 梅 朱光力 液压气动技术[M]西安：西安电子科技学出版社20084
［3］王金祥 肖林 结晶器液面控制系统结构探讨[J]北京：2005 连铸会议文集
［4］SMSDEMAC Modernized Electric Equipment & Automatic PlantGermany200612
［5］SMSDEMAC Modernized Electric Equipment & Automatic PlantGermany200612
［6］Mannesmann Demag 连铸基础动化功[J]DTDL798天津钢公司资料室200810
［7］Mannesmann Demag 结晶器液位控制功[J]DTDL－769天津钢公司资料室200810
批语
1题目容合格结合生产实际符合专业求
2果插入设备片容会更丰满
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结晶器液位控制系统探析
系 机械工程
专 业 机电体化
班 级 机械
学生姓名
指导教师
20XX年X月X日
摘
连铸炼钢生产核心设备代高端型连铸机采流园弧形连铸机连铸控制采二级动控制系统PLC控制程控制整系统中结晶器液位控制关键技术液位控制方式普遍采钴６０液位控制文钴６０液位控制系统进行探析
关键词：结晶器液位控制程控制系统
目 录
摘Ⅰ
1 概述1
2 结晶器液位控制原理1
21 基础动化部分1
22 检测部分1
23 结晶器液位控制器1
24 伺服执行机构2
25 液位显示部分2
3 系统组成2
31 基础动化PLC系统2
32 液面位置检测部分3
33 结晶器液位控制器4
34 伺服执行机构5
4 动浇铸7
41 前馈控制8
42 例参数重新调正8
5 结束语9
6 参考文献：9
1 概述
连铸炼钢生产核心设备型特型连铸机采流园弧形连铸机连铸电控采二级动控制：PLC控制程控制全系统钢水称重钢水测温钢渣检测控制结晶器钢水搅拌结晶器液位控制二冷水调节引锭杆踪动切割钢坯动号钢坯输送质量踪等控制中结晶器液位控制关键技术
液位控制方式：涡流式浮子式电极式电磁感应式钴６０射源式控制技术千秋中鈷60液位控制更成熟
目前许工业国家德国意利美国日韩国等型钢厂普遍采钴６０液位控制技术济效益十分观年国炼钢逐渐开始采鈷60液位控制文控制技术进行详探讨分析
2 结晶器液位控制原理
连铸程中保证铸坯质量防止溢钢拉漏事发生必须结晶器液位进行控制结晶器钢水液位达相稳定状态影响结晶器液位变化五素：钢种二钢水温度三中间罐注入结晶器钢水流量四拉矫速度五结晶断面中钢水流量通调节中间罐塞棒位置控制滑动水口钢水流量调节拉矫速度控制液位高低采恒定结晶器断面定速拉矫控制方式结晶器液位控制通调节中间罐塞棒位置完成
结晶器液位控制通常采串级闭环控制系统该系统部分组成：
21 基础动化部分
液位控制系统神中枢采PLC控制系统目前较SIEMENSS7400 System简称S7400系统系统较实现结晶器液位闭环控制
22 检测部分
包括：钴－60射源闪烁计数器结晶器液位计等动化设备
23 结晶器液位控制器
包括：VI转换器振荡器解调器PID调节器伺服放器等
24 伺服执行机构
包括：电液伺服阀电磁换阀液压缸中间罐塞棒机构
25 液位显示部分
HMI操作画面(机话操作画面)智仪表显示
整结晶器液面控制系统图1示
图1 结晶器液位控制系统图
液位控制原理：现场检测钢水液位信号输入S7400系统S7系统检测现场液位实际值设定值进行较差值进行PID运算运算输出信号作环PID设定值输入该值塞棒位置信号进行较差值PID运算信号输出控制伺服阀进控制液压执行机构—液压缸动作液压缸驱动塞棒升降塞棒控制钢水流量结晶器液位达佳设定值
3 系统组成
31 基础动化PLC系统S7400系统配置：
模件MFC Multi Function Controller
两数字输入子模件DSI Digital Slave Input
两数字输出子模件DSO Digital Slave Output
快速反应混合子模件QRS Quick Response Slave
模拟输出模件AOM Analog Output Module
六端子模件TB Terminal Board
液位控制系统中结晶器检测元件实际液位信号液位计处理变4
20mA标准信号该信号端子模件ＴＢ送相应子模件DSIQRS中然送模件MFC中MFCPID算法计算出设定液位控制信号输出子模件DSO端子TB送VI逆变器电流信号变电压信号送伺服放器较运算PID运算输出控制信号伺服阀伺服阀控制液压缸动作液压缸驱动中间罐塞棒升降运动结晶器钢水液面设定值允许范围轻微波动
32 液面位置检测部分钴60射源闪烁计数器结晶器液位计
321 钴60射源
物理测量原理基放射性射束金属物质时放射性强度减弱事实γ射线减弱程度遵循指数规律衰减指数定律：
式中：I0 初始强度d 介质厚度ε介质密度η衰减系数（取决射源类型）
测量计数厚度密度积ε·d决定结晶器 熔池高密度终吸收特性高弯曲部分（测量路径相）密度变化影响微足道射线完全吸收
结晶器壁厚测量计数没影响产生固定衰减数通增加射源活性强度补偿选择合适射源活性允许操作条件结晶器壁厚足够剂量率射源长度测量范围测量系统形状决定般100120mm间
着结晶器液位升高熔池遮挡射源部分增加闪烁计数器吸收放射强度结晶器液位成反测量系统形状产生非线性射源非线活性分布补偿闪烁计数器（探测器）端部射线强度总结晶器实际液位成线性例关系
射源钴60半衰期53年通常设计成5年寿命射源装带锁定光束窗铅罐里停止浇铸时关闭光束窗
放射源闪烁计数器结晶器液位计组成信号检测处理系统图2示
图2信号检测处理系统
322 闪烁计数器
闪烁计数器NaJ（T１）晶体构成射源发射出γ量子诱发晶体闪光频率伴辐射强度成正晶体光电倍增器进行光耦合光电倍增器光敏层释放出电子光敏层HV（高压）加速电子阳极运动阳极进步释放电子碰倍增电极时串联前置放器会产生高幅值输出脉然转换成标准脉确保干扰传输信号
323 结晶器液位计
收部分构成：调整单元测速单元模拟显示单元限度单元振荡补偿
检测器标准脉通光电耦合器输入液位计特殊设计电路保证相高模抑制防止外干扰计数脉里进步放标准化计数测速计均计数速率结晶器液位信号计数速率信号变化液位成反信号颠倒直接结晶器液位成正般测量精度：±2－±3
33 结晶器液位控制器
包括：VI转换器振荡器解调器PID调整伺服放器
331 VI转换器
输入S7－400电压信号转换成4－20mA电流信号S7－400输出电流信号转换成标准电压信号
332 振荡器解调器
振荡器振荡器相位步解调器构成完成测量信号调制解调
振荡器产生两正弦波电压（相位相反）激励转换器初级线圈振幅频率调解调器转换器接收正弦信号振幅位置值成正转换连续电压
333 PID调节伺服放器
PID调节实现例积分微分运算输出信号控制伺服阀伺服放器部分外部输入两信号代数值（设定值反馈值）进行较计算偏差终放电流信号控制伺服阀消实际值设定值间偏差
伺服放器部分实现列功：
l 读出放较节点偏差
l 部误差校正外部误差校正转换
l 现场手动PID调节
l 现场PID校正计算机PID校正转换（VI）
l 输出电流直接驱动伺服阀
l 锁定状态时延时清伺服阀电流积分电路电流
34 伺服执行机构
包括电液伺服阀电磁换阀液压缸中间罐塞棒机构等伺服放器输出控制信号控制电液伺服阀油流方控制液压缸活塞杆升降方升降速度活塞杆杠杆传动机构控制塞棒升降速度
伺服放器伺服执行机构系统图图3示
图3伺服放器伺服执行机构系统结构图
系统结构图图4示
图4系统结构图
图中：
Ａ 活塞工作面积
Ｖ 相面负载移动速度
Ｘ 相面负载位置
Q0 负荷流量
Q 伺服阀输出流量
Ksa 伺服放器例系数
Kq 伺服阀流量系数
Kpq 伺服阀固定偏差
Kfv 位置传感器系数
Ee 差值信号
负载阻力Fd等
位置动误差Xf等
伺服阀电流流量压力关系曲线图5示
图5 伺服阀电流流量压力关系曲线
4 动浇铸
动开浇全动浇铸第步系统整工作集中塞棒开度控制利开塞棒发生溢钢事塞棒应 佳开浇曲线进行控制实现动开浇
佳开浇曲线实际验基础总结出参数开浇前应预先设定着塞棒开启结晶器钢水液位达Qmm时动开浇结束系统进入动浇铸程
动浇铸程全动连铸程中重程时连铸机系统已投入运行动浇铸程中塞棒执行机构控制液面调节器起结晶器中钢水液位控制Qmm附效保证铸坯质量防止溢钢漏钢等事发生连铸行动开浇曲线图6示
图6 动开浇曲线
设定值实际液位差值输入带PID算法控制程序中产生代表伺服执行器位置输出信号输出信号送结晶器液位计中模拟位置控制信号液位计中输出伺服阀驱动执行器动作直设定位置信号模拟位置传感器送位置信号衡止
结晶器液位受塞棒位置流速波动中间罐钢水重量三素影响该控制应包括：
l 速度波动补偿前馈控制
l 工作点相关例系数实时重新设定（变化量中间罐钢水重量变化引起）
41 前馈控制
速度变化时会引起液位变化液位变化取决结晶器充填时间液位测量延迟时间变化送入控制系统控制系统采取适校正措施重新建立等设定值液位时液位发生变化需衡条件建立前采取必校正措施
前馈速度偏差推导出值产生予见校正行（根塞棒位置设定值）校正值根塞棒流量函数关系计算
42 例参数重新调正
重量变化会引起钢水流速变化果塞棒位置变中间罐钢水重量流速成正流速中计算出钢水流量
钢水流量值80中间罐液位设定值较产生１１倍增系数作例带校正该例带根变化值设定值间差值计算出塞棒动作值
应指出控制系统踪切换动时保持精确输出值根输出值开始进行控制系统需机零位设定系统控制意点开始结晶器液位控制系统结构图图8示
图8 结晶器液位控制系统结构图
5 结束语
天津钢公司炼钢厂钴－60结晶器液面控制系统德国引进该系统投入运行准确实时性实现中间罐塞棒高速度高精度控制避免拉漏溢钢事发生达稳定控制结晶器钢水液位提高钢坯质量增加产量确保安全目取较济效益
6 参考文献
［1］谢光明 夏路易 编程控制器程序设计[M]北京：电子工业出版社20088
［2］朱 梅 朱光力 液压气动技术[M]西安：西安电子科技学出版社20084
［3］王金祥 肖林 结晶器液面控制系统结构探讨[J]北京：2005 连铸会议文集
［4］SMSDEMAC Modernized Electric Equipment & Automatic PlantGermany200612
［5］SMSDEMAC Modernized Electric Equipment & Automatic PlantGermany200612
［6］Mannesmann Demag 连铸基础动化功[J]DTDL798天津钢公司资料室200810
［7］Mannesmann Demag 结晶器液位控制功[J]DTDL－769天津钢公司资料室200810
批语
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