二級系統(tǒng)在萊鋼寬厚板連鑄機中的應(yīng)用

董躍華

（山東萊鋼集團(tuán)自動化部，山東 萊蕪 271104）

生產(chǎn)實踐·應(yīng)用技術(shù)

二級系統(tǒng)在萊鋼寬厚板連鑄機中的應(yīng)用

董躍華

（山東萊鋼集團(tuán)自動化部，山東 萊蕪 271104）

詳細(xì)介紹二級系統(tǒng)的軟硬件配置及主要功能，并對工藝控制模型進(jìn)行了詳細(xì)的論證，提出了優(yōu)化意見，部分修正了模型，優(yōu)化了寬厚板連鑄機的工藝流程。

過程控制 二級系統(tǒng) 控制模型

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機械設(shè)備的自動化、智能化、大型化、集成化、復(fù)雜化程度不斷提高，許多企業(yè)采用了可編程控制器、工業(yè)控制計算機、工業(yè)以太網(wǎng)等最新的自動化技術(shù)，而企業(yè)管理信息系統(tǒng)、企業(yè)資源規(guī)劃等管理系統(tǒng)的實施，使得生產(chǎn)數(shù)據(jù)與企業(yè)管理結(jié)合成為必然的發(fā)展趨勢。鋼鐵企業(yè)由于部門較多，設(shè)備龐大繁瑣，更新時間不同，導(dǎo)致各設(shè)備控制方式不同，這樣的情況下就需要一套既能連接各生產(chǎn)管理部門，又能使生產(chǎn)數(shù)據(jù)及畫面及時在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上傳送，還可以讓企業(yè)管理者隨時掌握生產(chǎn)情況，并且可以對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理的工業(yè)控制解決方案。二級控制系統(tǒng)可以解決這一問題，二級控制系統(tǒng)實時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送至三級網(wǎng)絡(luò)，企業(yè)管理者通過三級網(wǎng)絡(luò)了解生產(chǎn)情況。萊鋼寬厚板連鑄機的二級系統(tǒng)就是通過這種方案建成的。

1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)采用服務(wù)器/客戶機結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為中心，應(yīng)用服務(wù)器中的通訊軟件從基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)采集現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的ORACLE數(shù)據(jù)庫中，計算模型從數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)經(jīng)過計算后將結(jié)果放回數(shù)據(jù)庫中供客戶機監(jiān)控顯示或由通訊程序下載到基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)指導(dǎo)生產(chǎn)，圖1為服務(wù)器/客戶端結(jié)構(gòu)圖。

2 二級系統(tǒng)的主要功能

連鑄二級過程控制系統(tǒng)在整個自動化控制系統(tǒng)中起到一個承前啟后的作用。二級系統(tǒng)接受制造執(zhí)行計算機（三級MES）的生產(chǎn)指令，采集一級PLC采集的邏輯數(shù)據(jù)以及實驗室計算機、轉(zhuǎn)爐和精煉爐計算機的相關(guān)數(shù)據(jù)，在自身的數(shù)學(xué)模型中加以計算，再把運算結(jié)果發(fā)送給一級PLC控制零級傳動系統(tǒng)具體執(zhí)行，再把執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給三級計算機和連鑄機上游工序（轉(zhuǎn)爐、精煉）的二級計算機，以及下游工序（軋線的加熱爐）的二級計算機。

圖1 服務(wù)器/客戶端結(jié)構(gòu)圖

2.1 物料跟蹤

基于接收來自一級的信號和操作員的輸入信息，物料跟蹤產(chǎn)生一個物料在連鑄機中的實際位置的鏡像。它跟蹤和記錄從第一次聲明的澆次到最后一塊板坯被火切機切斷并離開連鑄機區(qū)域，下頁圖2給出了材料跟蹤的主要因素及其輸入輸出的概覽。

物料跟蹤主要有以下功能。機器狀態(tài)監(jiān)視：保持和檢視連鑄機狀態(tài)（也就是大包臂位置，中包位置，結(jié)晶器規(guī)格，流澆鑄等）。

鋼水跟蹤：更新從大包到站到最后一塊板坯離開運輸區(qū)域的鋼水狀態(tài)。

流跟蹤：跟蹤和監(jiān)視流發(fā)生在結(jié)晶器到火切機區(qū)域生產(chǎn)過程（如開澆、停澆、熱換、流停止）中，特定的澆鑄事件（也叫跟蹤點）。

圖2 材料輸入輸出的概覽

板坯跟蹤：跟蹤切割到板坯離開連鑄機運輸區(qū)域的板坯。

同時還要注意，物料跟蹤當(dāng)大包到站時開始，當(dāng)收到板坯離開連鑄機運輸區(qū)域的信號時終止。

物料跟蹤系統(tǒng)的使用能夠使工藝人員清楚的了解到每一根鋼坯是出自哪個爐號的鋼包、哪個流的結(jié)晶器、哪個火切機，以及這根鋼坯的整個生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)包括中間包溫度、結(jié)晶器液面、二冷配水情況等。

物料跟蹤系統(tǒng)的使用能夠幫助工藝人員對于整個連鑄機生產(chǎn)及工藝情況進(jìn)行更好的了解。對于出現(xiàn)質(zhì)量問題的鋼坯能夠進(jìn)行明確的分析。

2.2 澆鑄錐度優(yōu)化

澆鑄錐度要求板坯寬度不小于其計劃寬度，這意味著寬度調(diào)窄被安排給起始第一塊窄板坯，寬度調(diào)寬則被安排給結(jié)束最后一塊窄板坯。

為了計算結(jié)晶器錐度長度，我們使用了兩個模型：一個是優(yōu)化模型，即澆鑄錐度長度部分被調(diào)整為覆蓋整個板坯；一個是非優(yōu)化模型，即進(jìn)行結(jié)晶器調(diào)寬時結(jié)晶器錐度長度不被考慮在整個板坯的計劃長度中。

優(yōu)化模型：錐度分布覆蓋整塊板坯長度，澆鑄錐度長度部分（L_Taper）將被調(diào)整為板坯的計劃長度，圖3為板坯錐度示意圖。每一塊板坯的寬度變化由一個通過常數(shù)K定義的最大值來限定。這個限定K將作為調(diào)整參數(shù)在數(shù)據(jù)庫中被指定。如果K沒有被定義為長度變化率，那它就被在結(jié)晶器控制器中定義的可能的最大寬度變化速度所限定。如果生產(chǎn)計劃要求的寬度變化，比允許的板坯最大值大，那么錐度部分將被安排分割為幾塊板坯，錐形板坯的數(shù)量通過需求的寬度變化（D）和定義的限度（K）來計算［1］。我們?yōu)殄F形板坯的起始和結(jié)束點增加了一個安全偏移量。使用這個偏移量可以避免從微小的切割背離移動錐度到?jīng)]有被計劃列為錐形坯的板坯。這個偏移量被用作一個程序參數(shù)。澆鑄錐形部分長度的計算公式為

圖3 板坯錐度示意圖

非優(yōu)化模型。澆鑄錐形部分的長度（L_Taper）將使用不考慮計劃長度的板坯的寬度變化速度所允許的最大值來計算。這個最大值允許寬度變化限度（K）將作為調(diào)整參數(shù)存寫入已經(jīng)參考工廠約束（如錐度對起重機的約束）的數(shù)據(jù)庫（MWC速度最大值）。鑄流錐形部分長度的計算公式如下：L_Taper=（Width2-Width1）/K，單塊板坯的情況或L_Taper=（Width2-Width1）/（K/2），這種情況為不使用孿生坯的情況。如果K沒有被定義為長度變化率，那它就被在結(jié)晶器控制器中定義的可能的最大寬度變化速度所限定。我們?yōu)殄F形板坯的起始和結(jié)束點增加了一個安全偏移量。使用這個偏移量可以避免從微小的切割背離移動錐度到?jīng)]有被計劃列為錐形坯的板坯。這個偏移量被用作一個程序參數(shù)。

2.3 生產(chǎn)計劃制定及信息查詢管理

二級系統(tǒng)處理接收來自MES三級系統(tǒng)的生產(chǎn)計劃信息，也就是生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)進(jìn)度信息。一個板坯計劃為要切割的板坯列表將在三級建立，并下發(fā)給二級系統(tǒng)，這個計劃將作為二級的切割控制輸入系統(tǒng)。生產(chǎn)計劃是建立在一爐號一計劃的基礎(chǔ)上的。三級下達(dá)的計劃也可以通過二級系統(tǒng)手動添加生產(chǎn)計劃。另外操作工可以通過查看、添加、修改、刪除等功能對計劃進(jìn)行管理。將重要的數(shù)據(jù)和操作信息保存到數(shù)據(jù)庫形成歷史數(shù)據(jù)和日志文件，并可以生成歷史曲線或?qū)С龅椒治鲕浖蟹治?，給工藝人員提供查詢故障、分析原因的依據(jù)和手段。

2.4 生產(chǎn)報表

報表系統(tǒng)根據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫的歷史生產(chǎn)信息，按客戶要求通過人機畫面系統(tǒng)生成、打印報表，包括澆次報表、爐次報表、班次報表、生產(chǎn)報表。

2.5 其他系統(tǒng)的通訊

二級系統(tǒng)預(yù)編輯了與其他系統(tǒng)的通訊接口：與1級接口；與實驗室的接口；與軋線的接口；與轉(zhuǎn)爐精煉的接口；與3級的接口。

3 二級系統(tǒng)工藝控制模型

3.1 動態(tài)速度模型（DYNASPEED）

速度模型，每個區(qū)的流量設(shè)定值時鑄流的平均澆鑄速度。它是將鑄流分割成很小的片段（一般為10 cm長度），它是從出結(jié)晶器開始創(chuàng)建并通過驅(qū)動輥轉(zhuǎn)動而帶動鑄坯移動。每個片段的坯齡也是這樣被跟蹤的。

每個區(qū)的平均澆鑄速度根據(jù)以下公式進(jìn)行計算：

式中：Va（i，t）為各個段的平均澆鑄速度；ai為各段結(jié)晶器液位循環(huán)檢測的起始點液位；bi為各段結(jié)晶器液位循環(huán)檢測的結(jié)束點液位；t為到各段所經(jīng)歷的時間。

3.2 最佳切割計算模型

最佳切割優(yōu)化模型包括最佳尾坯切割和爐次分割線處最佳長度切割，最佳切割優(yōu)化模型的目的是最大可能的減少鋼坯量的損失，減少廢坯。

控制方法：鑄坯的正常切割長度是由工藝決定并由過程計算機下達(dá)給火焰切割機的PLC并由其執(zhí)行。當(dāng)處于澆鑄末期時，過程計算機可根據(jù)此時鑄流中的鑄坯長度即時給出流的關(guān)斷提示。當(dāng)中包括鋼水澆鑄完畢關(guān)閉塞棒或不同鋼種連澆時，過程計算機可根據(jù)此時鑄流中的鑄坯剩余長度、目標(biāo)定尺長度、最大定尺長度、最小定尺長度即時算出切割時的最佳切割尺寸組合，以保證鑄坯的最大利用，盡可能地提高鋼水的收得率。

3.3 質(zhì)量判定數(shù)學(xué)模型

質(zhì)量判定模型根據(jù)鑄流跟蹤中各分段所記錄的異常生產(chǎn)信息以及異常信息對板坯的影響程度對板坯質(zhì)量進(jìn)行分析、判定，評估出板坯的質(zhì)量等級。

控制方法：首先根據(jù)在澆鑄過程中可能出現(xiàn)的各種事件（鋼水成份超標(biāo)、中包過熱度超標(biāo)、水口破損、冷卻水閥門故障引起冷卻異常、振動系統(tǒng)異常等）對鑄坯組織性能造成影響的程度，將各個事件定量的劃為一個質(zhì)量等級數(shù)。在鑄坯形成的過程中，計算機將鑄坯劃分成若干一定長度的“段”，結(jié)合鑄流跟蹤模型并對段進(jìn)行跟蹤，在每一段經(jīng)過實時過程參數(shù)監(jiān)控點時可以將參數(shù)與臨界值不斷地進(jìn)行比較并將異常事件參量作為鑄坯質(zhì)量的評估參數(shù)貯存起來。每段中可記錄四個重要事件，但用于判定時只取其優(yōu)先級別最高的等級數(shù)。當(dāng)板坯切割完成后，將板坯對應(yīng)的段中質(zhì)量信息（等級數(shù)）提取出來，根據(jù)各段中有害事件的等級和在所有段中所占比例大小來確定該鑄坯質(zhì)量的優(yōu)劣和綜合質(zhì)量等級，并進(jìn)行打印記錄，最終判定為廢坯、保留坯（需進(jìn)一步評估或處理）、良坯［2］。

3.4 液壓振動模型

過程控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前澆鑄的鋼種選擇適合的振動模式和工藝參數(shù)，主要分為正弦（振頻、振幅）和非正弦（振頻、振幅和偏斜角）兩種形式，振頻和振幅可以預(yù)先設(shè)定，也可以隨拉速變化，或者由目標(biāo)速度負(fù)滑動率、速度、振幅來決定振動頻率。一般振動振幅小于6 mm，振動頻率不超過380次/min，振動起步頻率大于60次/min可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定并避免對振動機械設(shè)備的磨損。同時，模型自動計算出振動的工藝參數(shù)，振動正滑動時間、負(fù)滑動時間、負(fù)滑動速度比、負(fù)滑動率供操作人員和工藝人員實時監(jiān)控工藝效果，即時調(diào)整參數(shù)以達(dá)到最好的脫模和減少振痕的目的。

4 結(jié)語

實踐證明，萊鋼寬厚板連鑄機二級控制系統(tǒng)具有運行可靠、穩(wěn)定、安全等特點。滿足了萊鋼信息化建設(shè)的要求，顯著提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，生產(chǎn)管理更加方便高效。

［1］ 王興兵，周曉敏，劉樂.連鑄板坯切割長度優(yōu)化系統(tǒng)的研究［J］.機械工程與自動化，2007（5）：5-6.

［2］ 王志政，張慧，那賢昭，等.連鑄板坯質(zhì)量判定專家系統(tǒng)應(yīng)用及原理分析［J］.河南冶金，2006（3）：6-8.

（編輯：張偉）Application of Secondary System in Wide and Thick Plate Continuous Caster of Laiwu Steel

Dong Yuehua
（Automation Department of Shandong Laiwu Steel Group，Laiwu Shandong 271104）

This paper introduces hardware and software configuration and main functions of secondary system，and carries on the detailed argumentation on process control model，puts forward the optimization advice，partially revises the model，optimizes the process of wide and thick plate continuous caster.

process control，secondary system，control model

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2015.06.28

TP29

A

1672-1152（2015）06-0079-03

2015-07-28

董躍華（1983—），女，從事自動化控制工作，工程師。E-mail：dongyuehua@sina.cn.