板坯結(jié)晶器液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究報(bào)告

1、. ZPSS板坯結(jié)晶器液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究 *錢(qián)俊摘要: 此設(shè)計(jì)研究了鋼水液位自動(dòng)控制的性能和技術(shù)要求,分析了液位自動(dòng)控制的構(gòu)造和控制原理，選用了有代表性的液位檢測(cè)方法和控制算法，并應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)與閉環(huán)控制方法，設(shè)計(jì)出符合板坯連鑄結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制系統(tǒng)。并根據(jù)該系統(tǒng)在使用中存在的問(wèn)題，從軟硬件提出了改良措施，來(lái)進(jìn)一步提高液位控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞: 結(jié)晶器，液位自動(dòng)控制，閉環(huán)控制方法The research and practice of mould level auto control system of slab casterliuqianjun Abstract: This

2、 design researched mould level auto controls properties and technological requirements, analyzes mould level auto controls structure and principle of control. We found out representative mould level measuring method and control arithmetic, The puter technology and PID control method have been applie

3、d, The mould level auto control system for slab continuous casting has been designed. According to the problems of the system practice, taking some effective solution to improve level control systems accuracy and stability. Key word: Mould , Level auto control , PID control method前言在鋼水澆鑄過(guò)程中，結(jié)晶器鋼水液位是

4、影響鋼坯質(zhì)量的重要參數(shù)之一。穩(wěn)定的結(jié)晶器液位高度直接影響著鑄坯拉速和二冷水的穩(wěn)定控制，從而影響著鑄坯質(zhì)量以及能否有效防止漏鋼、溢鋼等事故的發(fā)生。因此，保持結(jié)晶器鋼水液位的恒定對(duì)連鑄生產(chǎn)的正常進(jìn)展有著重要的意義。結(jié)晶器液位控制便是主要的控制技術(shù)。結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)是通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)或液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)中包車(chē)上的塞棒，控制中包車(chē)的鋼水流速，使鋼水液面在澆注時(shí)能保持在預(yù)先設(shè)定的位置，以保證澆鋼過(guò)程中液面的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)由三個(gè)根本局部組成：鋼液面檢測(cè)系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、結(jié)晶器PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的引入，不但提高了板坯質(zhì)量，杜絕了夾渣、鼓肚和裂紋現(xiàn)象，而且有效降低了澆鑄過(guò)程中漏鋼和斷澆事故的發(fā)生率，為實(shí)

5、現(xiàn)板坯全連鑄提供了可靠的保障。下面以ZPSS板坯液位控制系統(tǒng)為例來(lái)進(jìn)展闡述和分析。第一章 鋼水液位自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)組成結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制是通過(guò)測(cè)量結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位高度，調(diào)節(jié)控制拉坯速度或控制塞棒的進(jìn)程，使結(jié)晶器內(nèi)鋼水穩(wěn)定地保持在預(yù)定高度上。結(jié)晶器液位自動(dòng)控制主要由液位檢測(cè)系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)三局部組成，通過(guò)閉環(huán)控制加以實(shí)現(xiàn)。1.1鋼水液位自動(dòng)控制原理：鋼水液位自動(dòng)控制運(yùn)用傳感器技術(shù)、可編程控制技術(shù)并結(jié)合液壓控制系統(tǒng)，將計(jì)算機(jī)終端設(shè)備運(yùn)用到實(shí)際工業(yè)控制中從而實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器液位的全自動(dòng)化控制?？刂圃砣鐖D1-1所示。圖1-1：鋼水液位自動(dòng)控制圖1.2鋼水液位自動(dòng)控制系統(tǒng)組成：結(jié)晶器鋼水液

6、位控制由信號(hào)采集、測(cè)量、控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。鋼水液位傳感器將測(cè)得的信號(hào)送到控制系統(tǒng)處理，所得液位值與設(shè)定值比擬，調(diào)控?？刂茍?zhí)行機(jī)構(gòu)是塞棒控制裝置，通過(guò)液壓伺服缸控制塞棒與開(kāi)口度，控制鋼流從而到達(dá)控制結(jié)晶器的目的。結(jié)晶器液位自動(dòng)控制系統(tǒng)一般由鋼水液位檢測(cè)系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)三局部組成,圖1-2所示。驅(qū)動(dòng)輥塞棒中間包執(zhí)行系統(tǒng)塞棒控制結(jié)晶器鋼水液位檢測(cè)系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)拉速控制圖1-2：結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)組成示意圖 連鑄機(jī)配備兩臺(tái)中包車(chē)，一臺(tái)澆注，一臺(tái)預(yù)熱準(zhǔn)備，兩個(gè)中包車(chē)配有完全一樣的液位控制系統(tǒng)?？刂圃O(shè)計(jì)為一級(jí)根底自動(dòng)化PLC系統(tǒng)和二級(jí)過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以便實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程管理、設(shè)定及有關(guān)

7、數(shù)學(xué)模型計(jì)算如二冷強(qiáng)度、鑄坯質(zhì)量判定和最正確定尺切割等，通過(guò)根底自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)連鑄機(jī)線上設(shè)備和澆鑄過(guò)程進(jìn)展邏輯順序控制和跟蹤。一級(jí)和二級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)TCP/IP通訊協(xié)議的系統(tǒng)總線連接，根底自動(dòng)化與過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)共用局部操作站，兩級(jí)系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合構(gòu)成完整的EIC自動(dòng)化控制系統(tǒng)，既具有較高的控制效率和可靠性，又能夠節(jié)省投資。伺服系統(tǒng)、操作臺(tái)及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備均通過(guò)PLC遠(yuǎn)程I/O站與根底自動(dòng)化系統(tǒng)交換控制信息。操作員工作站OWS主要用于設(shè)備和過(guò)程監(jiān)控，并可執(zhí)行過(guò)程控制接口、過(guò)程設(shè)定、人機(jī)界面功能，使操作員可與應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)交互作用，使用InTouch軟件組態(tài)生成畫(huà)面。1.3結(jié)晶器液位檢測(cè)系統(tǒng)張家港浦項(xiàng)

8、的結(jié)晶器液位測(cè)量采用VUHZ電磁原理。液位檢測(cè)系統(tǒng)由帶電纜接頭的傳感器 SH7-S10、前置放大器、評(píng)估單元組成。電磁傳感器有勵(lì)磁線圈和傳感器線圈組成。評(píng)估單元前置放大器 電磁渦流傳感器 1.3.1電磁渦流檢測(cè)器的工作原理 檢測(cè)器主要是依靠?jī)蓚€(gè)線圈的磁場(chǎng)相互作用來(lái)檢測(cè)液位的，包括勵(lì)磁線圈和感應(yīng)線圈。勵(lì)磁線圈產(chǎn)生高頻的電磁場(chǎng)，從而在鋼水外表產(chǎn)生漩渦電流，漩渦電流產(chǎn)生次級(jí)漩渦磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的分布與鋼水的液面有關(guān)，該磁場(chǎng)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓的大小與鋼液面有直接的關(guān)系。傳感器檢測(cè)范圍大約600mm。傳感器呈圓柱狀，由耐熱不銹鋼制造，安裝在一個(gè)半自動(dòng)的操作臂上，由氣缸驅(qū)動(dòng)和鎖定，事故時(shí)可自動(dòng)

9、將傳感器轉(zhuǎn)到平安位置，工作時(shí)水平鎖定在結(jié)晶器頂部外表。 圖1-3-1：結(jié)晶器液壓傳感器磁場(chǎng)分布圖傳感器特點(diǎn)：由于傳感器采用寬范圍磁場(chǎng)，檢測(cè)整個(gè)溶鋼液面，而不會(huì)受到*個(gè)凹凸液面的影響。傳感器不受任何非導(dǎo)體的影響，如：鋼渣和保護(hù)渣的厚度。響應(yīng)時(shí)間為0.1S(可調(diào)到2.5S)。當(dāng)結(jié)晶器液面滿(mǎn)時(shí),輸出固定在20mA。傳感器不需要任何校正。1.3.2前置放大器的工作原理 它用于前置放大和處理來(lái)自傳感器的信號(hào)，從運(yùn)算單元得到反應(yīng)。它配置有連接傳感器電纜的插座。它距離傳感器10米。前置放大器置于一個(gè)300*300*150mm的連接盒內(nèi)。這個(gè)盒子反面有孔用于固定前置放大器。1.2.3評(píng)估單元工作原理 它用于將

10、來(lái)自前置放大器的測(cè)量信號(hào)進(jìn)一步處理和運(yùn)算。模擬電流輸出和4/8數(shù)字輸入/輸出分別有效，及通過(guò)RS232輸出。第二章 鋼水液位閉環(huán)控制系統(tǒng)ZPSS不銹鋼連鑄機(jī)引進(jìn)SIEMENS 可編程控制系統(tǒng)，采及VUHZ電磁感應(yīng)傳感器實(shí)現(xiàn)液位自動(dòng)控制。根據(jù)不同需要，可采用不同的控制方式算法?？刂品绞桨凑湛刂祁?lèi)別可分為3類(lèi)： 流量型：控制進(jìn)入結(jié)晶器的鋼水流量，以保持液位的穩(wěn)定，即控制塞棒的開(kāi)口度來(lái)控制鋼水的流量； 速度型：控制拉坯速度以保持液位穩(wěn)定，這種方法在方坯應(yīng)用較多； 混合型：以控制拉速保持液面和控制進(jìn)入到結(jié)晶器的鋼水流量相結(jié)合的方法控制液面。2.1 本設(shè)計(jì)采用的是混合型，主要是PID控制。 PID控制把

11、檢測(cè)系統(tǒng)傳過(guò)來(lái)的檢測(cè)信號(hào)按一定比例放大調(diào)節(jié)，產(chǎn)生閉環(huán)控制，由PLC執(zhí)行。在澆鋼過(guò)程中PID控制和模擬控制相結(jié)合，它們通過(guò)塞棒機(jī)構(gòu)控制塞棒的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)穩(wěn)定地控制鋼水從中間包到結(jié)晶器中，當(dāng)液位控制系統(tǒng)檢測(cè)到結(jié)晶器中的鋼水液位后，將實(shí)際值和設(shè)定值相比擬，如果實(shí)際液位與設(shè)定液位有偏差，則控制系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)展補(bǔ)償調(diào)節(jié)，主要通過(guò)PID計(jì)算此誤差值，給出塞棒的參考值，即塞棒的目標(biāo)值。同時(shí)將此基準(zhǔn)值傳到第二個(gè)PID中，與塞棒的實(shí)際位置進(jìn)展比擬，通過(guò)塞棒執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)展調(diào)整。如圖2-1所示。+液位檢測(cè)器塞棒塞棒位置液壓缸PIDPID液位設(shè)定值PID參數(shù)調(diào)節(jié)圖2-1：塞棒液位PID控制框圖2.2結(jié)

12、晶器鋼水液位自動(dòng)控制模型：液位給定值給定值處理單元拉速流出量變換單元塞棒開(kāi)度控制器塞棒開(kāi)度流入量變換單元鋼水存量液位變換單元拉速給定值拉速給定值塞棒開(kāi)度流出量流入量液位實(shí)際值圖2-2：操作控制模型構(gòu)造圖根據(jù)功能要求,結(jié)合所選用的硬件設(shè)備,研究設(shè)計(jì)出初步的自動(dòng)控制模型如圖2-2所示:2.3塞棒控制 塞棒控制從中間包流入結(jié)晶器的鋼水量來(lái)保證結(jié)晶器中鋼水的目標(biāo)液位。塞棒動(dòng)作主要通過(guò)塞棒液壓缸和塞棒伺服閥執(zhí)行，同時(shí)將塞棒和執(zhí)行閥的位置反應(yīng)給控制系統(tǒng)來(lái)完成整個(gè)閉環(huán)控制。塞棒動(dòng)作根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)成手、自動(dòng)和杠桿三種控制模式，在不同的情況和平安要求下選擇所需要的控制方式。液位自動(dòng)控制分時(shí)圖液位控制分時(shí)圖直觀

13、地表示出在整個(gè)開(kāi)澆過(guò)程中塞棒、結(jié)晶器液位和拉速之間變化和動(dòng)作過(guò)程。500*1塞棒自動(dòng)控制結(jié)晶器液位 mm澆鑄速度 m/min1.51.00.5塞棒行程 mm*4*2*5*6*7*8*9*10塞棒翻開(kāi)*12測(cè)量值880mm720mm范圍100%0%*3*11塞棒翻開(kāi)命令(PLC)開(kāi)場(chǎng)拉坯結(jié)晶器液位變化結(jié)晶器液位結(jié)晶器液位測(cè)量值設(shè)定值塞棒自動(dòng)控制圖2-3：塞棒動(dòng)作 控制執(zhí)行順序如表所示:*1塞棒第一次翻開(kāi)時(shí)間*2塞棒第一次翻開(kāi)行程*3塞棒翻開(kāi)周期*4塞棒翻開(kāi)時(shí)間*5塞棒翻開(kāi)最大行程*6塞棒翻開(kāi)最小行程*7自動(dòng)模式切換時(shí)的塞棒實(shí)際行程*8自動(dòng)模式切換前的實(shí)際液位*9開(kāi)場(chǎng)拉坯時(shí)的實(shí)際液位*10穩(wěn)定液位

14、*11確認(rèn)液位值時(shí)間*12穩(wěn)定時(shí)間2.4結(jié)晶器液位自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò) 結(jié)晶器液位自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù),采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)將計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)可編程控制器相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換和控制；采用現(xiàn)場(chǎng)控制總線實(shí)現(xiàn)可編程控制器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的控制與信號(hào)采集。這樣不但構(gòu)造簡(jiǎn)單，層次清楚而且響應(yīng)速度快，便于對(duì)信號(hào)管理和故障分析,如圖3-5所示。PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)以太網(wǎng)光纖I/O信號(hào)硬線采集I/O信號(hào)采集液位檢測(cè)I/O信號(hào)采集I/O信號(hào)采集I/O信號(hào)采集液位檢測(cè)I/O信號(hào)采集OSMS7-400ET200MPROFIBUS-DP工業(yè)以太網(wǎng)光纖圖2-54：結(jié)晶器液位自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造圖2.5

15、液位自動(dòng)控制執(zhí)行系統(tǒng)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)由： 液壓伺服閥 塞棒液壓缸 塞棒(水口控制)組成。 結(jié)晶器液位的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性取決于液位執(zhí)行機(jī)構(gòu)的好壞。液面的上下是由塞棒來(lái)執(zhí)行。塞棒的質(zhì)量可防止結(jié)晶器鋼水溢出或者斷澆事故。液壓伺服閥和塞棒液壓缸既是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制裝置又是執(zhí)行機(jī)位置反應(yīng)重要傳感器。因此整個(gè)控制系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確控制，才能保證液位準(zhǔn)確和穩(wěn)定,如圖2-5所示。圖2-5：塞棒液壓系統(tǒng)圖2.6鋼水液位自動(dòng)控制設(shè)計(jì)小結(jié)結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制技術(shù)已日趨成熟，現(xiàn)在已研究并生產(chǎn)了多種連鑄結(jié)晶器液位自動(dòng)控制儀，各生產(chǎn)單位主要從鋼水液位檢測(cè)裝、液位控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)等方面不斷進(jìn)展技術(shù)改革與創(chuàng)新，提高產(chǎn)品的控制

16、精度，擴(kuò)大產(chǎn)品和適用范圍，其中液位檢測(cè)技術(shù)、控制看法則是鋼水液位自動(dòng)控制主要的關(guān)鍵技術(shù)。液位控制系統(tǒng)的控制精度在穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)約3mm，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定可靠, 能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)開(kāi)澆、自動(dòng)停澆。它的應(yīng)用大大提高了生產(chǎn)的效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，為實(shí)現(xiàn)全連鑄，實(shí)現(xiàn)鋼廠的年度生產(chǎn)目標(biāo)提供了有力保障。它所采用的PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)能夠有效的保持鋼水液面的穩(wěn)定性，在正常情況下能夠到達(dá)生產(chǎn)的要求，但是對(duì)突然的干擾，如浸入式水口開(kāi)堵，在拉坯過(guò)程中強(qiáng)烈的沖擊等，常規(guī)的PID調(diào)節(jié)很難實(shí)現(xiàn)，甚至不可能控制，為此必須進(jìn)展補(bǔ)償，例如，鋼水液位超過(guò)高位，高高位時(shí)，加以不同的前置反應(yīng)，來(lái)保障液位盡可能的穩(wěn)定，這就需要

17、我們維護(hù)人員精心維護(hù)，積極總結(jié)，不斷調(diào)整和改良。參考文獻(xiàn)【1】唐云秀.國(guó)外方坯連鑄技術(shù)開(kāi)展概況.大重科技.2001,(4):1-9【2】王保安,馬竹梧.連續(xù)鑄鋼結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制及其實(shí)踐.冶金自動(dòng)化.2001,(4):5-8,50【3】陳志凌,張國(guó)賢.連鑄機(jī)結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).機(jī)械與電子.2005(4):20-22【4】李祖林.模糊控制技術(shù)在連鑄機(jī)結(jié)晶器液位控制中的應(yīng)用.自動(dòng)化儀表.2004,25(6):25-27【5】曹光明,吳迪,張殿華.基于模糊控制決策的鑄機(jī)結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2006,27(7):775-778【6】胡紀(jì)五.陳河生.結(jié)晶器鋼水液

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