鋼水澆鑄自動(dòng)控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要： 隨著冶金技術(shù)的不斷完善，鋼水澆鑄自動(dòng)控制與關(guān)鍵工藝參數(shù)的監(jiān)測(cè)成為提高鋼錠成型質(zhì)量以及安全性的重要手段。針對(duì)冶金企業(yè)的鋼水澆鑄自動(dòng)化應(yīng)用，提出了一種基于改進(jìn)型PID算法的鋼水澆鑄控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用虛擬儀器技術(shù)與Matlab完成系統(tǒng)控制流程與過程計(jì)算，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)澆鑄過程中關(guān)鍵參數(shù)的文本存儲(chǔ)并生成鋼水澆鑄系統(tǒng)監(jiān)測(cè)報(bào)告，便于技術(shù)人員分析產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因，并及時(shí)調(diào)整與改進(jìn)生產(chǎn)工藝，避免了重大安全事故與經(jīng)濟(jì)損失的發(fā)生，滿足了實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中的生產(chǎn)需要。

關(guān)鍵詞： 鋼水澆鑄； 改進(jìn)型PID算法； 控制與監(jiān)測(cè)； 虛擬儀器技術(shù)； Matlab； 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

中圖分類號(hào)： TN05?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）03?0115?03

Design of steel casting automatic control and monitoring system

JIANG Si?jie， JIANG Chuan?hua， CHENG Zhao?ming

（No.722 Institute of CSIC， Wuhan 430079， China）

Abstract： With the continuous improvement of metallurgical technology， automatic control of molten steel casting and monitoring of the key process parameters become important means of improving the quality and security of steel ingot molding. For molten steel casting automation application of metallurgical enterprises， a molten steel casting control and monitoring system based on improved PID algorithm is put forward in this paper. The virtual instrument technology and Matlab are adopted to complete the system control flow and process calculation. In combination with database technology， the text store of the key parameters in the casting process and generation of monitoring report for the molten steel casting system are realized， so as that the technical staff analyze the product quality， and timely adjust and improve the production process to avoid the occurrence of major safety accidents and economic loss and meet the production needs in the real industrial application.

Keywords： steel casting； improved PID algorithm； control and monitoring； virtual instrument technology； Matlab； database technology

0 引 言

澆鑄是鑄造生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，雖然大多數(shù)冶金企業(yè)采用吊包澆鑄方式，通過重量傳感器來實(shí)現(xiàn)鋼水澆鑄重量的檢測(cè)，但并沒有找到能夠滿足澆口中鋼水的液位高度檢測(cè)的傳感器件，從而限制了澆鑄自動(dòng)化水平的發(fā)展。

（1） 澆鑄控制。隨著微電子技術(shù)與自動(dòng)控制理論的快速發(fā)展，PID算法控制在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，在冶金工業(yè)中，PID算法控制的使用率高達(dá)82.9%，是冶金企業(yè)所采用的最主要的控制方式之一。

（2） 澆鑄監(jiān)測(cè)。澆鑄監(jiān)測(cè)主要依靠重量傳感器實(shí)時(shí)采集在澆鑄過程中吊鉤秤上鋼水的重量值，通過無線或有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)信息傳遞到數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算出澆鑄速率、時(shí)間等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)澆鑄過程的監(jiān)測(cè)。

本文以傳統(tǒng)鋼水澆鑄為基礎(chǔ)，提出了一種基于改進(jìn)PID算法的鋼水澆鑄控制與澆鑄流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、控制算法與監(jiān)測(cè)方案，為冶金工作自動(dòng)化發(fā)展添磚加瓦。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

鋼水澆鑄控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要硬件包括控制機(jī)柜、步進(jìn)電機(jī)、圖像傳感器、鑄流量伺服控制組合與打印機(jī)，其中控制機(jī)柜中包括工控機(jī)、信號(hào)接收機(jī)、圖像采集卡、液晶顯示器，如圖1所示。

工控機(jī)作為控制核心與管理中樞，通過數(shù)據(jù)連接線控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鑄流量伺服控制組合從而操控吊鉤秤來控制鑄流量，利用吊鉤秤上的重量傳感器與澆口圖像傳感器實(shí)現(xiàn)澆鑄過程中重量與液面狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集，之后經(jīng)圖像采集卡將數(shù)據(jù)信息反饋至控制機(jī)柜計(jì)算液面高度偏差并由控制算法得到相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)控制量，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

鋼水澆鑄開始之前，檢查系統(tǒng)線路是否良好，開啟控制機(jī)柜，運(yùn)行系統(tǒng)控制與監(jiān)測(cè)軟件，設(shè)定流量給定參數(shù)，啟動(dòng)鋼水澆鑄。此時(shí)，工控機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)快速驅(qū)動(dòng)澆鑄流量伺服控制組合，使得吊鉤秤運(yùn)動(dòng)控制澆鑄流量，從而在澆口中以給力流量值建立液位。當(dāng)澆口中的鋼水液面建立后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，通過從圖像傳感器上反饋回來的液面狀態(tài)對(duì)原控制算法進(jìn)行補(bǔ)償，通過澆鑄流量伺服控制組合位置將鋼水液位維持在澆口高度值附近，從而保持澆鑄過程的穩(wěn)定性。當(dāng)鋼水液位達(dá)到澆口高度時(shí)，工控機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)快速關(guān)閉澆鑄流量伺服控制組合，澆鑄停止。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

本系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，將LabVIEW2011作為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)鋼水澆鑄過程中的自動(dòng)PID控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信息存儲(chǔ)與報(bào)告格式預(yù)處理，調(diào)用Matlab進(jìn)行改進(jìn)PID算法與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理。

下面就本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所采用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

3.1 改進(jìn)型PID控制算法

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于鋼、鐵、銅、鋁、錫等液態(tài)金屬澆鑄對(duì)象，其澆鑄流量大致數(shù)學(xué)模型如式（1）：[π4k1h2tdhtdt=Q1t-π-

通過Matlab計(jì)算澆鑄重量差、澆鑄速率與時(shí)間，技術(shù)人員便可隨時(shí)了解鋼水澆鑄過程中機(jī)械與生產(chǎn)狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文通過分析冶金企業(yè)的鋼水澆鑄流程，提出一種基于改進(jìn)型PID算法的鋼水澆鑄控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，集合虛擬儀器技術(shù)、Matlab與數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制流程、過程計(jì)算與報(bào)告輸出，為技術(shù)人員分析生產(chǎn)工藝缺陷與產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因提供了便利，避免了重大安全事故與經(jīng)濟(jì)損失的發(fā)生，滿足了實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中的生產(chǎn)需要。

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