基于PLC的中厚板冷却系统控制设计设计说明Word文档格式.docx
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1.4层流冷却系统的组成2
1.5国外的层流冷却技术及相应的研究成果3
第二章 有关冷却系统的编程软件S7-300的介绍4
2.1概述层流冷却工艺流程4
2.2有关可编程控制器PLC的介绍4
2.2.1STEP-7的概况4
2.2.2S7-300的组成部件5
2.3关于STEP-7编程软件的使用方法6
2.3.1STEP-7软件的概述6
2.3.2程序的上载与下载7
2.3.3用变量表调试程序8
第三章 层流冷却技术工艺的工艺流程9
3.1层流冷却技术工艺及要求9
3.1.1层流冷却工艺设备图9
3.1.2层流冷却的工艺要求10
3.1.3层流冷却系统的组成10
3.1.4控制系统的特点为：
10
3.2基本工作原理10
第四章 层流冷却技术的PLC程序设计14
4.1S7-300程序调试的画面14
4.1.1进入S7-300的画面14
4.1.2进入S7-300画面后选择模块的方式14
4.2进入编程画面15
4.3PLC程序的调试及变量表调试16
4.4手动控制模式19
4.5自动控制模式20
4.6操作模式流程图21
4.7部分PLC程序的介绍22
4.7.1层流水幕预置的PLC程序22
4.7.2自动控制的PLC程序25
结论29
致谢30
参考文献31
附录A（外文文献）32
附录B（中文翻译）38
附录C层流冷却工艺的PLC程序42
第一章 绪论
1.1层流冷却技术的背景
近三十年来，控制轧制和控制冷却技术得到了飞速的发展，它作为一种实用，经济而且有效的技术日益受到人们的关注与重视。
所谓控制冷却技术，就是利用轧材余热处理的技术。
采用控制冷却技术不仅可以提高产量，而且可以在不降低韧性的情况下，提高钢板的强度及可焊性，同时减少钢板的不平整度和残余应力，从而提高钢板的质量
。
目前层流冷却技术在国外正在被普遍的在钢铁企业中，制过程中钢板的终轧温度一般为800℃左右，如果不采取冷却措施，自然冷却很缓慢，既影响产量又影响运输和存储。
控制轧制与控制冷却技术相结合可获得高强韧性的钢材，并可以加快生产进程，增加延展性、提高轧机和冷床的生产能力、以及减少钢的氧化损失等。
我国的钢铁行业中,层流冷却的应用几乎没有，而普遍使用集管冷却方式，今一些厂家也开始逐渐认识到了层流冷却的优点，并将计算机控制技术应用到了层流冷却的控制过程中，如济钢中板厂的层流冷却系统就是较成功的实例。
1.2层流冷却技术的基本原理
热轧过程钢板的终轧温度很高，如果突然大水量的冷却，会在钢板的表面形成水膜，严重影响热交换，因此水量必须控制得当。
上水幕的水浇在钢板上，即使水量较小也会形成水膜。
因此使层流水幕具有一定的高度，利用其落差击破水膜来改善热交换。
由于上水幕的水浇在钢板上，将停留在钢板表面，而下水幕的水浇在钢板上会马上落下，因此上下水幕的流量要求严格的比例，同时为了使钢板表的残水迅速被清除掉，而采用了侧喷装置。
另外，钢板在辊道上运动的过程中，钢板的边部的热交换要比内部快，所以在钢板的边部要适地减少水量，以使钢板的整体温度均匀，因此水幕的宽度也必须控制。
当水量调节尚不能达到要求时，可以适当调节辊道速度，以便使钢板的温度被控制在理想的范围内
1.3层流冷却技术的优点
层流冷却的应用是钢板轧后冷却方式的一次创新。
它具有如下特点
：
（1）层流水幕为板状层流水流落到钢板表面上,沿宽向无干扰,冷却能力强,能充分发挥冷却水的冷却效率,从而缩短了冷却区长度,减少了喷头数量,而且
其设备少、投资小,并可节水20%～30%。
（2）层流水幕冷却出水口沿钢板宽度方向为连续的整体板片状水流,因此钢板的横向冷却基本均匀。
通过调整上、下水幕的流量比例,可使钢板上、下表面,
纵、横向冷却都均匀,从而提高产品质量与合格率。
（3）可根据产品工艺要求改变每个层流水幕的水流幅度和流量,控制灵活；
（4）在装置和系统方面,每个水幕流量大,水幕间距大,便于处理事故和设备检修。
由于设备简化,占地面积小,故投资相应较少。
（5）由于层流水幕间距较大,形成的冷却系统为间歇冷却,使钢板在冷却区反复淬火2回火,这有利于晶粒的细化和性能强化,可进一步挖掘钢材的内在潜力,提高经济效益。
（6）层流冷却装置结构简单、坚固耐用、制作方便,出水口缝隙大,不易堵塞。
对于水质要求不严,一般循环水即可,简化了循环水的净化系统,节省资金。
1.4层流冷却系统的组成
层流冷却系统由机械设备部分和控制系统两部分组成。
机械部分由高位水箱、管道、压缩空气源、水幕喷头、水泵、隔热遮蔽板等组成;
控制系统由PLC、过程机、现场仪表、执行机构、操作台、配电柜
等构成。
（1）控制系统的硬件部分：
PLC部分选用了SIEMENS公司的功能强大的S7-300来保证计算精度和快速性。
（2）控制系统软件部分：
控制系统的软件由两部分构成,即PLC部分软件和过程机部分的软件。
（1）PLC软件 西门子公司的STEP7V511版本。
（2）过程机软件 软件平台选用性能稳定的WINDOWSNT410,过程机工具软为西门子公司的组态软件WINCCV4102。
本系统采用了SEIMENS公司功能强大的S7300PLC和WINCC组态软件，构成了功能完善，性能稳定的控制系统,并采用多种控制算法相结合的控制策略，,结合本单位多年的工艺经验形成的科学完善的工艺模型，实现了层流控冷的快速冷却、板形良好、提高产品性能的目标。
本系统成功控制的关键之处是，每组水幕的流量均单独可调，每组水幕的流量上、下比例可调，而且由于采用了高位水箱供水，使每组水幕的流量均匀，流速相等，使成幕的效果极佳。
1.5国外的层流冷却技术及相应的研究成果
层流冷却是20世纪70年代发展起来的一种新的冷却方法，它保持了虹吸管层流冷却的优点，冷却能力较高，横向冷却较均匀，且设备简单，如日本往友金属工业公司鹿岛厂1984年投产的层流冷却装置包括一个集水箱、一个狭缝喷嘴和一个气动挡板。
当冷却水通过喷嘴落向带钢时便形成幕形层流。
该厂热带钢轧机的输出辊道上有15个这样的冷却装置。
前苏联的一项专利报道了一种可调的水幕下部安装一个能在垂直于水流方向的平面上往返移动的闸板，并在上面给闸板安上一个能伸入喷嘴的小刷子，通过连续改变冷却水的宽度，使之与内部污垢,提高冷却效率。
德国专利报道了一种层流冷却装置，它是由它是由一个水箱和一个垂直于带钢运行方向并延伸到整个被冷却带钢宽度上的缝隙式喷嘴组成,通过控制喷嘴缝隙形成水幕。
喷嘴的出口比喷嘴的入口大，并向出口不断突出扩张，可以补偿层流水幕出现的断面收缩，保持均匀良好的水幕形状
第二章 有关冷却系统编程软件硬件S7-300的介绍
2.1概述层流冷却工艺流程
近些年来层流冷却技术（又叫水幕冷却技术），控制轧制与控制冷却相结合可以获得高强韧性的钢板，以用来改善钢板的各项机械和物理性能，增加延展性提高轧制与控制冷却技术，提高轧机和冷床的生产能力，是一项极具发展潜力的技术。
层流冷却工艺是用PLC作为其控制程序来指导层流水幕的开启与闭合来达到冷却的目的，但由于它的控制程序大都呈现离散化的开关量特性，不能简单的像处理模拟量那样进行回路的闭环控制，因此人们往往是用热平衡冷却模型来进行开环设定或称作前馈控制。
所以本文介绍的是一种以闭环自动控制为主开环前馈控制为辅的控制方法，使系统能够运行在自动和手动相结合的模式，而且二者呈现无扰特性。
2.2有关可编程控制器PLC的介绍
2.2.1STEP-7的概况
大中型PLC例如西门子公司的S7-300系列的一般采用模块式结构，用搭积木式的方式来组成系统，模块式PLC由机架和模块组成。
S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。
当系统规模扩大时和更为复杂时，可以增加模块，对PLC进行扩展。
S7-300的CPU模块简称为CPU集成了过程控制的功能，用于执行用户程序。
每个CPU都有一个编程用的RS-485接口，有的还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口或PTP（点对点）串行通信接口，S7-300不需要附加任何硬件，软件和编程就可以建立一个MPI（多点）接口网络，如果有PROFIBUS-DP接口，就可以建立一个DP网络。
2.2.2S7-300的组成部件
图2.1S7-300PLC的系统结构
S7-300PLC是模块式的PLC，它由以下几个部分组成：
1、中央处理单元（CPU）
各种CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点。
CPU前面板上有故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒（有的CPU则没有）。
2、负载电源模块（PS）
负载电源模块用于将AC220V电源转换成为DC24V电源，共CPU和I/O模块使用。
额定输出电流有2A、5A和10A三种，过载时模块上的LED闪烁。
3、模块（SM）
信号模块是数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块的总称，它们使不
同的过程信号电压与PLC内部的信号电平匹配。
4、能模块（FM）
功能模块主要同于实时性和存储量要求高的控制任务，例如计数器模块快
速/慢速进给驱动位置模块、电子凸轮模块控制器、步进电动机定位模块、伺服电动机定位模块、定位和连续路径控制模块等。
5、通信处理器（CP）
通信处理器用于PLC之间，PLC与计算机和其它智能设备之间的通信，可以将PLC接入PROFIBUS-DP和工业以太网，或用于实现点对点通信等。
6、接口模块（IM）
接口模块用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。
S7-300通过分布式的主要机架和3个扩展机架，最多可以配置32个信号模块，功能模块和通信处理器。
7、导轨
铝制导轨用来固定和安装S7-300上述的各种模块。
2.3关于STEP-7编程软件的使用方法
2.3.1STEP-7软件的概述
Step-7编程软件用于SIMATICS7M7C7和基于PC的WinAC,是供它们编程，监控和参数设置的标准工具。
Step-7具有以下几种功能：
硬件配置和参数设置、通信组态、编成、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。
Step-7用SIMATIC管理器来对项目进行集中的管理，它可以方便的运用浏览SIMATICS7M7C7和WinAC的数据。
实现Step-7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集中在Step-7中。
2.3.2程序的上载与下载
1、下载的准备工作
计算机与PLC之间必须建立起连接，编程软件可以访问PLC，要下载的程序已编译好，CPU处在允许的工作模式下。
在保存或下载时，Step-7首先要进行语法检查。
下载前用编程电缆连接PC或PLC接通PLC的电源，将CPU上的模式开关扳到“STOP”位置，“STOPLED”显示灯亮。
下载用户程序之前应将CPU中的用户存储器复位，以保证CPU内没有旧的程序。
然后将模式开关扳到MRES位置STOPLED慢速闪烁两下松开模式开关，它自动回到STOP位置。
2、下载的方法
（1）在离线模式和SIMATIC管理器窗口中下载
在快工作区选择快，可用＜Ctrl＞键和＜Shift＞键选择多个快，用菜单命令“PLC”–＞Download将选择的快下载到CPU。
（2）在离线模式和其他窗口下载
对快编程或组态硬件和网络时，可以在当时的应用程序的主窗口中用菜单命令“PLC”-＞Download下载当前正在编辑的对象。
（3）在线模式下载
用菜单命令“View”-＞Online或“PLC”-＞“DisplayAccessibleNodes”打开一个在线窗口查看PLC，在“Windows”菜单中可以看到这时还有个在线的管理器，可以用“Windows”菜单同时打开和显示这两个窗口。
下载完成后，将CPU的运行模式选择开关扳到RUN-P位置，绿色的“RUN”LED亮，开始运行程序。
（4）上载程序
可以运用装载功能从CPU的RAM装载到存储器中把块的当前内容上载到计算机编程软件打开的项目中。
（5）在线编程
在调试程序时，可能需要修改已下载的块，可以在在线窗口中双击要修改的块的图标，然后进行修改。
编完的块会立即在CPU中起作用。
2.3.3用变量表调试程序
1、变量表的基本功能
使用变量表可以在一个画面中同时监视，修改和强制用户感兴趣的全部变量。
一个项目可以生成多个变量表，以满足不同的调试要求。
在变量表中可以赋值或显示的变量包括输入、输出、位存储器、定时器、计数器、数据块内的存储器和外设I/O。
2、生成变量表的几种方法
（1）在SIMATIC管理器中用菜单命令“Insert”-＞“S7Block”-＞“VariableTable”生成新的变量表。
（2）在SIMATIC管理器中执行菜单命令“View”-＞“Online”,进入在线状态，选择块文件夹。
（3）在变量表编辑器中用菜单命令“Table”-＞“Open”打开已存在的表。
3、在变量表中输入变量
可以在“符号”栏输入在符号表中定义过的符号，在地址栏将会出现该符号的地址。
在变量表编辑器中使用菜单命令“Options”-＞“SymbolTable”，可以打开符号表，定义新的符号。
在变量表中输入变量时，每行输入时都需要执行语法检查，不正确的输入被标为红色。
如果把光标放在红色的行上，可以在状态栏读到错误的原因。
按<
F1>
键可以得到纠正错误的信息。
第三章 层流冷却技术工艺的工艺流程
3.1层流冷却技术工艺及要求
3.1.1层流冷却工艺设备图
T1测温
.图3.1层流冷却工艺设备图
由于中后板控制冷却的关键技术是横向温度的均匀性控制，纵向温度均匀性控制和上下表面均匀性控制。
又因为钢板的通常的长度大于10米，单组水幕难于达到目标温度，所以应该采用分组冷却，共分为上下对称的10组水幕。
设C1C2—C10为10组上下对称的水幕，由电磁阀控制它们的ON/OFF；
T1、T2T3分别是终轧温度，中间温度，终冷温度，T1T2T3处的测温仪都为远红外线测温仪，为使远红外线测温仪能够得到精确的测量，为使每个测温仪都能得到精确的测量，特在每个测温仪下面安装侧吹装置吹扫烟气杂物；
HMD1-HMD10是在冷却过程中同步水幕的ON/OFF的热金属监测器。
3.1.2层流冷却的工艺要求
层流冷却控制的基本要求是根据进入冷却区的钢板的钢种，规格以及开冷的实测温度，参考环境温度和冷却水温，在满足各种限制因素范围内选择冷却道次，每组水幕的组合，各组层流水幕的流量、速度，来达到冷却工艺要求的冷却速度和终冷温度。
3.1.3层流冷却系统的组成
层流冷却系统由机械部分和控制系统两部分组成。
机械部分由高位水箱、管道、压缩空气源、层流水幕喷头、水泵、隔热遮蔽板等组成；
控制系统由PLC、过程机、现场仪表、执行机构、操作台、配电柜等构成。
（1）辊道采用交流调速系统，因此辊道传动性能大为改进，辊道齿轮的损坏大大减少，寿命得到提高。
（2）通过跟踪系统控制阀门的开启，可以进行纵向温度均匀性的控制和冷却过程跟踪控制，节约冷却涌水。
（3）依据钢板规格和终轧温度，对冷却水的开闭及流量进行控制，可以进行钢种质量的控制。
3.2基本工作原理
下表是冷却控制强度表，表中最左列代表冷却控制强度级别1-10，它是单调递增排列的，1是最低的级别，依次等级加大，10是最高的级别。
在PLC控制系统中它可以定义成操作页面上的10个手动控制按钮，分别控制相应水幕的电磁阀。
表中的行对应上下水幕的ON/OFF状态，“1”表示开水幕，“0”表示为关水幕。
表3.1冷却强度表
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
C9
C10
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
手动控制模式时，首先根据生产经验来进行层流水幕冷却级别的预置，当然也可以按照热平衡冷却模型来进行开环或前馈控制的预置。
如果进行了预置的话，这样预置了的水幕ON/OFF的组数就被确定了。
它就对应了表3.1的某一行。
当实际冷却过程发生时，如果某个控制阀被预置了的话，并且对应的HMD动作了的话（表明热金属监测器检测到钢板到达）这时水幕的开关量状态处于ON的状态，此时对钢板进行冷却；
电磁阀开启，相应的水幕打开,对钢板进行层流水冷冷却。
钢板离开时由HMD同步将该组水幕关掉。
这种控制模式是一种经验先知的控制模式，它的控制效果不通过反馈来加以检验和矫正。
当影响冷却效果环境因素发生变化时，一定会影响到钢板冷却的质量。
因此闭环自动矫正的控制模式是必须的下图3.2给出的是离散式自动模式闭环矫正框图。
T3SET
T2SET
N
T3
图3.2离散式自动模式闭环矫正框图
自动模式控制时，是根据中间温度T2和终冷温度T3来进行矫正控制的。
这里中间温度T2只是一个中间温度变量，我们使用它只是为了提高终冷温度T3的静动态相应品质，起到加快系统调节速度的作用，而对T2的控制精度我们不予关注，这好比是串级系统的内环输出，我们真正关心的是外环的输出，即这里的终冷温度T3。
自动模式的工作原理也非常容易理解，如上图的3.2所示：
图3.3自动模式工作图
这里的N是离散滑膜器的输出（N=1，2，3--10），它对应表1的控制冷却强度表的冷却级别的1-10。
如果钢板在T2处检测的温度中间温度T2或者终冷温度T3高于设定的温度T2SET或T3SET时，此时需要控制系统增加冷却强度，因此离散滑膜调节器的输出根据偏差极性在冷却强度表向上滑动一步来加大冷却量的值，即N=N+1。
反之如果钢板在T2处检测的温度中间温度T2或者终冷温度T3低于设定的温度T2SET或T3SET时，此时需要控制系统减少冷却强度，因此离散滑膜调节器的输出根据偏差极性在冷却强度表向下滑动一步来减少冷却量的值，即N=N-1。
由于冷却强度表是单调递增排列的，因此调节的正反作用完全是与T2或T3的偏差极性相对应的。
图3.3也能够好的说明这一过程，其中的Qn，Qn-1，Qn+1分别对应系统的原始工作点、增温工作点、降温工作点，系统进行调节时就根据这一条滑膜曲线进行滑动，只是输出值是非连续性的。
当系统在两种工作模式之间相互转换时，会自动地继承上种工作模式的工作点,在此工作点的基础上按照本模式进行工作，这就不会造成模式转换时对冷却过程的干扰。
系统工作的最佳模式是先用手动模式予置一个大概的常用工作点，然后再置系统为自动模式，这时系统就会根据T2或T3的偏差大小和极性在这个工作点上下攒动进行自动调节，由于常用工作点距稳态工作点最近,因此动态响应品质是最好的。
第四章 层流冷却技术的PLC程序设计
层流冷却控制系统的功能大体上分为手动，自动和手动自动相结合的工作方式。
系统的手动方式和自动方式主要在操作台上通过按钮和开关来完成操作。
所以我们用S7-300的模块化编成语言设计了这个层流冷却的PLC来控制这个冷却工艺的控制过程。
4.1S7-300程序调试的画面
4.1.1进入S7-300的画面
下图表示的是进入S7-300时的画面，其中
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