缸明义，宁平华，潘小波，唐开元

基于S7-300 PLC的结晶器液位控制系统设计

缸明义1，宁平华1，潘小波1，唐开元2,3

（1.马鞍山职业技术学院 电气工程系，安徽 马鞍山 243031；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽 马鞍山 243000；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000）

针对连铸机的结晶液位采用拉速控制导致控制过程不稳定，影响铸坯质量的问题，提出了一种结晶器塞棒式流量控制方案，并进行了软硬件设计。采用西门子S7系列的PLC完成了液位的PID闭环控制，并增加了自动开浇功能，完全实现系统的自动控制，提高生产效率和铸坯质量。

连铸；结晶器液位控制；PID

连铸指的是通过连铸机来浇注钢液，并且进行冷凝以及后续的切割，由此得到铸坯。所以连铸工艺的运行会影响整个炼钢生产过程，同时还将极大地影响到成材率及最终质量。对于钢铁工业领域来说，连铸的作用是不可或缺的，所以目前也非常重视其模型构建以及工艺控制过程等的研究[1]。其中，尤为值得关注的就是如何准确地检测结晶器中的液位并且予以合理控制的问题，因为如果液位发生波动，将会有保护渣被卷进液态钢里，由此对最终的铸坯质量造成影响，严重时还有可能发生钢液漏出或是溢出的现象[2-3]。本文对此进行软硬件设计，采用流量控制法中的塞棒控制，在液位的调节过程中将拉速作为扰动，根据实际需要改变塞棒的开度，使结晶器液位稳定在给定值，很好地解决了控制系统不稳定的突出问题。

1 结晶器的工作原理

结晶器主要是通过水来进行冷却，通常为钢锭模。当有钢水经由该部件之后，将会得以迅速且均匀的降温冷却，由此就有一个初生坯壳得以形成，它通常有较好的表面质量以及均匀的厚度，确保整个连铸过程得以完成。在设计结晶器时，最为关键的就是要使铸坯上有良好的坯壳形成，由此，当受到热应力以及机械应力等的共同作用时，也不会导致铸坯的断裂或是变形[4]。图1详细地展示了它的结构形式。

图1 结晶器构造图

2 结晶器液位系统控制方案的设计

2.1 系统技术指标

连铸生产经验表明，当液位波动小于10mm时，皮下夹渣可以被消除。当液位波动大于10mm时，铸坯皮下夹渣程度随着钢水液位波动的增大而增大，并且铸坯表面纵裂的发生率将会上升30%[5]。因此，根据铸坯生产要求和铸机参数确定连铸机结晶器液位控制系统的技术指标：铸机处在正常稳定的控制状态时，液面控制精度误差≤10mm。液位设定值范围为60~120mm，可以根据需要适当进行调整范围。

2.2 液位控制方法的选择

控制液位所用的方法一般包括混合型、速度型以及流量型等[6]。文中以某钢厂小方坯连铸机为研究对象，该连铸机原结晶器液位采用拉速进行控制，而拉速与整个连铸中的一些后续控制是紧密相关的，拉速的频繁变化势必会影响到这些控制的稳定进行，影响铸坯质量。对比以上3种控制方法，考虑系统的技术指标以及现场设备的实际状况，采用塞棒式流量控制法。

2.3 系统整体方案设计

如果流量的控制是通过塞棒来进行，则需要着重考虑钢水的流量与塞棒开度值二者之间的关联问题。结晶器系统控制原理图如图2所示，钢液从钢包经过中间包水口流入结晶器。中间包的水口设置在出水口的开口处，其开度可以通过机械驱动装置来进行调节。在提升了塞棒之后，其所对应的具体开度值将会对结晶器中钢水的液位及流量有十分重要的影响。通过液面检测设备将标准电信号（从4mA到20mA）输出，西门子PLC的模拟量输入模块采集后作为实际结晶器液面值，浇铸P3操作箱上的液面设定值上升下降按钮分别控制液面给定值的增加和减少，液面的给定值和实际值经过PLC的PID运算，输出塞棒位置给定值以决定塞棒的开度，最终达到结晶器内液面的稳定。

当连铸机满足了全自动开浇条件后，铸流PLC发送信号并由操作人员按下开浇按钮，根据提前设置好的时间斜坡将液态钢注入，若发现实际液面已经超过了给定的液面，则将由斜坡控制的方式自动地切换至PID闭环模式中。

图2 结晶器系统控制原理图

3 液位控制系统的硬件设计

结晶器液位控制主要由放射源、探测器、X96N微处理仪表、塞棒机构、西门子S7-300 PLC组成。采用铯源和探测器对液位进行检测，电动缸作为驱动元件。

3.1 液位检测系统

3.2 塞棒控制单元

塞棒控制单元包括：MQS160塞棒机构、DEM960电动缸、ACV400放大器。

由于执行机构通常在比较严苛的环境下运行（多粉尘且温度较高），同时还需确保顺利地升降及较高的灵活性，而且便于安装，尽量减少维护成本，所以采取活动轴杆（为专用轴承）的形式，以实现上述目标。密封做特殊防尘处理，磨损间隙小。执行机构和电动缸组装后反冲小于0.1mm。为了保护机构，塞棒执行机构与中间包之间安装防护隔热板。

对于其电动缸而言，其设计形式为免维护式的，不需要将各类润滑剂加入到机械系统之中，且允许带电插拔其中的各类功率电气插头。电动缸最小移动量为0.005mm；输出推力达到5000N（可以调节）。它的电信号由快速插头与控制系统连接，断电时活塞杆可以灵活的伸缩，从而自由切换自动、手动模式。它具有低惯性和过载保护的能力。

ACV 400放大器是专为DEM960设计的，提供驱动DEM960所必须的信号。它与系统控制器的界面为模拟和数字输入/输出，与DEM960连接通过EFB过滤器。伺服驱动器的标准信号范围是0~10V，同时也可以根据需要改变。

整个电气行程范围（0~100%）至少是伺服执行机构机械行程的2倍。标准上，如果设定增益为26mm/V，那么0~10V对应-130~+130mm。对于执行机构，机械行程一般在125mm左右。

3.3 控制器的选型

为了应对连铸生产现场的工业环境相对恶劣、温度高、受到强电磁干扰、存在各种振动噪声的恶劣环境，采用PLC作为系统的核心控制器。

对于该控制系统来说，PLC的功能如下[8]：通过液位检测仪器来进行液位的检测，然后使其转换成标准电流信号（4~20mA），再传送信号至模拟量输入模块之中；对液位真实值以及设定值进行对比，运算主要通过调节算法来完成，对塞棒开度值进行相应的调节以控制好液位；密切监视塞棒驱动机构和液位检测仪器的具体运行状态；和上位机保持相互之间的通讯。

考虑到该控制系统的主要特点，选择了SIEMENS S7-300 PLC，其主要优点为模块化、无风扇结构，且较易实现分布式配置。根据对小方坯连铸机结晶器工艺流程的分析以及对控制要求的分析，结合设备的特性，对该系统的I/O点数和种类进行了精确的统计。

4 液位控制系统软件设计

4.1 PLC软件设计

该工作就是要实现液位的闭环控制的目标。以STEP7来作为S7-300PLC所需的程序编制语言，其主要优点为有明显的结构化特征，运行程序所需相关数据以及用户程序等保存均可通过程序块形式来实现[9]。考虑到修改的便利性以及确保有清晰合理的程序组织，将通过语句的调用来组合有关的子程序，由此获得具有结构化特征的用户程序。

4.1.1 主程序模块及初始化

PLC程序将由几个模块共同组成，即FC2滤波，SFB41，OB35循环中断，OB1主循环以及OB100暖启动初始化等一系列模块。与OB1主程序相关的控制流程可参考图3中所示的内容。

4.1.2 输入量处理

由于液位信号往往会受到比较多的干扰，主要包括液位波动或是结晶器在工作过程中自身发生的周期性振动等，同时还有其他类型的相关信号，所以可通过八点滑动滤波的方法来平滑滤波处理所得的信号。它能够很好地抑制结晶器周期性振动带来的扰动，平滑度高。液位滤波程序流程图如图4所示。

图3 OB1主程序的控制流程图

循环中断组织块用于按一定时间间隔循环执行中断程序，S7-300/400PLC提供了PID调节模块SFB41，通过配置适当的控制参数（采样周期、比例增益、积分速率、微分增益以及偏差死区），可以实现PID控制功能[10]。结晶器液位控制通过利用连续PID控制模块SFB41“CONT_C”实现，它的输出为连续变量。

PID控制器中的D_SEL、I_SEL以及P_SEL等均被设置为1，从而对微分、积分以及比例等进行激活，其中的比例系数是GAIN，而微分以及积分时间各自对应于TD与TI。而LNM_D、LNM_I以及LMN_P等三者分别对应于微分、积分以及比例等3个不同的分量。

4.1.4 输出量的处理

如果MAN_ON被设置成1，则该系统将处于手动的运行模式之中，此时以MAN来替代塞棒的位置输出值。以“0”来设置其微分项，LMN_P和LMN二者之间的差值则作为积分项，这样就可自由地在自动及手动等两种模式之间进行灵活的切换。

图4 液位滤波算法程序流程图

使用LMNLIMIT（输出量限幅）功能对控制器输出值即塞棒位置给定值进行限幅。当输出塞棒位置高于上限LMN_HLM时，信号为QLMN_HLM为1；当输出塞棒位置低于下限LMN_LLM时，信号位QLMN_LLM为1。

4.1.5 系统工作模式

当采用塞棒控制结晶器液位时，为操作方便和适应不同需要，系统设有4种操作模式：手动控制、自动开浇、点动控制、自动控制，它们可在P3操作箱及HMI上进行切换。在各类模式下，都可通过该系统来将液位值实时性地反馈出来，对其上下限的越界进行检测，如果存在常规的异常现象或是漏及溢钢等问题将会进行报警。

①对水库管理单位进行科学合理定性。要综合考虑水库管理单位经营性资产和非经营性资产的构成比例，在多年平均来水量情况下的创收能力以及工程的功能和调度运用方式变化对水库管理单位收支状况的影响因素。根据收支配比原则，考虑水管单位实际收入情况，对自收自支水管单位的性质暂时维持不变。

4.1.6 报警及急停功能

溢缸、漏缸、液位报警的上限及下限、液位自动允许的上限和下限等情况共同地构成了液位限制信号。在自动允许所对应上限及下限区间之内，同时塞棒驱动装置和液位检测系统都为正常的运行状态时，才会采用自动模式；此时，如果是在液位上下限报警的情况，则其仍可运行。但一旦出现溢缸信号，它会立即关闭塞棒，必须通过手动方式控制才可以正常进行工作。此外，系统还具有结晶器自动开浇故障、拉漏、塞棒伺服驱动机构故障、紧停报警功能。开浇时系统出现故障，铸流PLC会把故障信号传给HMI并进行显示，系统自动切换到手动模式。

考虑到整个系统的安全性问题，若有溢缸信号形成，则塞棒会被自动地关闭，同时，现场的工作人员可针对实际情况通过“紧停”按钮，使塞棒被及时地关闭起来；如果系统无法工作，则可将驱动器电源关闭，由此进入到手动的工作模式中。

4.2 监控系统软件设计

监控系统在西门子的组态软件WinCC上开发设计，它包含主画面、塞棒系统、报警消息、历史趋势、报表打印功能。

通过主画面进行管理，在页面的上部区域主要包括时间及标题，在页面的中间区域是所调入的相关画面，在页面的左侧区域则是一些操作按钮，由此可顺利地登录系统、退出系统或浏览系统等。如果用户未获得相关的权限，则无法操作，具体见图5。在塞棒系统主画面上主要显示系统的主要参数、状态以及液位的实际值和设定值，有权限的用户也可以在主画面修改液位设定值。图5中间部分为1流塞棒系统的画面。

对应报警画面，其内容为已组态的相关报警信息，工作人员可操作其中的各类消息，同时还可切换顺序窗口，得到长期或短期性的归档窗口。该画面并未获得授权保护，因此全体用户都有权进行操作。

在历史趋势的相关画面中，用户可对各类历史曲线进行查看，从而对系统展开评估及研究。该画面并未获得授权保护，因此全体用户都有权进行操作，具体见图6中的内容。

图5 主画面及塞棒系统的画面

图6 历史趋势画面

报表打印画面的“打印报表内容选择区”可以选择需要打印的报表内容，如趋势、表格或者报警等；“打印报表时间选择区”可以选择需要输出报表的时间范围，如班报表、日报表和周报表；“打印报表预览区”用来预览报表，可以把报表存储或者打印输出，如图7所示。

图7 报表打印画面

5 液位控制系统通讯的实现

为了实现液位控制系统与整个连铸控制系统的通讯，将结晶器液位控制器（S7-300）通过Profibus总线，采用主从通讯的方式与铸流PLC进行连接。另外，通过Ethernet实现结晶器液位控制器S7-300与上位机WinCC的通讯。

5.1 监控站与结晶器液位控制器的通讯

系统采用西门子的WinCC6.0作为监控系统的开发平台。硬件需要1块CP1613以太网卡和1块CP343-1IT通讯处理器，以完成上下位机的通讯连接。对于变量记录、报警以及图像运行等，均需通过变量的形式来进行相关数据的请求，该过程主要利用通讯驱动程序最终实现，以相应的通道单元用作过程信号WinCC所需接口。通过CP343-1IT来发送通讯驱动程序所发出的相关请求信息，从而由PLC接收，接着发送过程值到WinCC中，图8详细地展示了通讯过程。

图8 PLC与WinCC通讯原理图

5.2 铸流PLC与结晶器液位控制PLC的通讯

铸流PLC与结晶器液位控制PLC采用Profibus-DP协议的主从通讯方式进行通讯，铸流PLC作为DP主站，结晶器液位控制PLC作为DP从站。铸流PLC用于向液位控制PLC发送其它浇铸设备的状态，为开浇做准备。液位控制PLC给铸流提供结晶器控制系统设备状态和开浇的状态，从而协调整个连铸过程。在硬件连接好后，需进行网络的组态、参数设置才能实现正常的通讯。

6 结束语

着重分析了连铸机结晶器中所存在的液位控制系统稳定性较低的问题，探讨了对铸坯质量造成影响的主要客观因素。基于重要的技术指标，形成了塞棒流量控制的主要解决方案，并对硬件设计、软件流程、通讯连接和组态监控几方面进行了详细的说明，使结晶器液位稳定在给定值，提高了控制系统的稳定性。

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Design of the mold liquid-level control system based on S7-300 PLC

GANG Ming-yi1，NING Ping-hua1，PAN Xiao-bo1，TANG Kai-yuan2,3

(1.Department of Electrical Engineering, Maanshan Technical College, Anhui Maanshan 243031, China;2.Sinosteel Maanshan General Institute of Mining Research Co.,Ltd., Anhui Maanshan 243000, China;3.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines, Anhui Maanshan 243000, China)

Aiming at the problem that the crystal level of continuous caster is controlled by casting speed, the control process is unstable and the quality of slab is affected. A plug bar flow control scheme is proposed, and the software and hardware are designed. Siemens S7 Series PLC is used to complete the PID closed-loop control of the liquid level, and the automatic casting function is added. The automatic control of the system is fully realized, and the production efficiency and billet quality are improved.

continuous cast；mold liquid-level control；PID

2020-10-19

安徽省高校自然科学研究重点项目（KJ2019A1245，KJ2019A1244）；安徽省高校优秀青年人才支持计划项目（gxyq2019202）；安徽省高校学科（专业）拔尖人才学术资助项目（gxbjZD59）

缸明义（1980-），女，辽宁锦州人，讲师，硕士，主要从事先进控制技术应用研究，gangyi_0127@sina.com。

TF341.6;TP273

A

1007-984X(2021)04-0010-06