天鐵熱軋板公司板坯連鑄的二級控制系統(tǒng)

王春義

（天鐵熱軋板有限公司，河北涉縣056404）

0 引言

天鐵熱軋板有限公司2#連鑄板坯機(jī)于2008年投入使用，自動化控制系統(tǒng)由西門子奧鋼聯(lián)提供，分為一級（L1）控制系統(tǒng)和二級（L2）控制系統(tǒng)。二級系統(tǒng)為過程控制級，是連鑄機(jī)自動控制的重要組成部分，主要提供的功能有生產(chǎn)計(jì)劃處理、物料跟蹤、設(shè)備跟蹤、混鋼模型、動態(tài)二冷配水模型、動態(tài)輥縫控制模型、優(yōu)化切割模型、板坯質(zhì)量判斷模型等。

1 二級系統(tǒng)硬件和軟件

服務(wù)器硬件采用HP DL380G5專業(yè)服務(wù)器，采用外置式RAID 0+1磁盤陣列技術(shù)，數(shù)據(jù)除分布在多個(gè)盤上外，每個(gè)盤都有其物理鏡像盤，提供全冗余能力，允許一個(gè)以下磁盤故障，而不影響數(shù)據(jù)可用性，并具有快速讀/寫能力。服務(wù)器軟件基于WINDOWS 2003服務(wù)器版操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用Oracle 10G，畫面和模型采用Visual Studio平臺工具開發(fā)?？蛻舳巳坎捎梦鏖T子PC547B工業(yè)專用計(jì)算機(jī)，基于WINDOWS 2003服務(wù)器版操作系統(tǒng)，安裝Oracle 10G數(shù)據(jù)庫軟件。

2 二級系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)邏輯

如圖1所示，連鑄二級的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入在自動化控制系統(tǒng)環(huán)境中，通過工業(yè)以太網(wǎng)與其他系統(tǒng)之間連接、通訊。所有任務(wù)在相應(yīng)的級別上被執(zhí)行以確保最大限度的適應(yīng)性、可靠性、有效性和簡單化。各個(gè)功能之間相互獨(dú)立，該構(gòu)造的最大優(yōu)點(diǎn)是便于維護(hù)。

圖1 二級系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)邏輯圖

3 二級控制系統(tǒng)的詳細(xì)功能介紹

3.1 生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)處理

生產(chǎn)計(jì)劃信息由三級（MES）系統(tǒng)根據(jù)客戶訂單編制，通過數(shù)據(jù)庫接口表傳輸給二級系統(tǒng)或在二級客戶端由人工輸入。生產(chǎn)計(jì)劃中包括生產(chǎn)時(shí)間表、生產(chǎn)計(jì)劃和他們分配的爐次、以及每個(gè)爐次對應(yīng)的板坯計(jì)劃。

二級計(jì)劃數(shù)據(jù)處理有以下功能：

（1）維護(hù)從MES傳來的生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)（新計(jì)劃更新，已修改或刪除的計(jì)劃）。

（2）通過畫面和對話框的方式維護(hù)（定義、修改或刪除）爐次、切割計(jì)劃。

（3）根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度更新計(jì)劃表，將生產(chǎn)信息反饋給MES系統(tǒng)。

3.2 物料跟蹤

物料跟蹤利用從L1接收的信號和從其他系統(tǒng)傳來的信息，監(jiān)視從大包回臺到連鑄機(jī)輸出區(qū)的物料，如大包中的鋼水、鑄流、板坯。物料跟蹤主要用于二級畫面，顯示物料在連鑄機(jī)中實(shí)際位置的影像。

物料跟蹤包括3個(gè)主要部分：

（1）爐次跟蹤功能，監(jiān)視每一爐鋼水的實(shí)際位置和狀態(tài)（“在大包臺上”、“正在澆鑄”等）。鋼包到達(dá)鑄機(jī)之前的位置和狀態(tài)，根據(jù)從煉鋼車間傳輸或人工輸入。在連鑄機(jī)上的爐次狀態(tài)通過鑄機(jī)上的稱重、拉速等信息計(jì)算出。更新狀態(tài)從大包到達(dá)回轉(zhuǎn)臺開始，一直到最后一塊板坯離開連鑄機(jī)區(qū)域。

（2）鑄流跟蹤功能，跟蹤生產(chǎn)事件（如澆鑄開始、澆鑄結(jié)束，爐次變更、停流等）。跟蹤范圍從中包、結(jié)晶器、鑄流一直到板坯在火切機(jī)上被切割。該系統(tǒng)將每一個(gè)事件都綁定到板坯的某一位置上。

（3）板坯跟蹤功能，監(jiān)視從火切機(jī)以后直到從稱量輥道運(yùn)出的板坯。收集的信息包括噴印號、重量、去毛刺信息等。

3.3 混鋼計(jì)算模型

每次在澆鑄序列之間更換鋼種時(shí)，一個(gè)新爐次開始，舊的鋼水和新爐次就會混合。混鋼計(jì)算發(fā)生在中包中和還處于液態(tài)的部分鑄流中，最終的板坯是兩個(gè)鋼種的混合物。根據(jù)兩個(gè)爐次的化學(xué)成分及兩個(gè)爐次的鋼鐘規(guī)格決定混合鋼被使用還是被廢棄。

兩個(gè)爐次的化學(xué)成分通過化驗(yàn)室二級傳輸?shù)竭B鑄二級系統(tǒng)，為了能夠計(jì)算兩個(gè)混合的爐次，兩個(gè)爐次必須是同一個(gè)鋼種組并且包含同樣的化學(xué)元素。模型對所有的元素進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，第一個(gè)混合計(jì)算在中包中完成，第二個(gè)混合計(jì)算在結(jié)晶器中完成。中包計(jì)算的混合鋼和混合鋼的化學(xué)成分將是結(jié)晶器計(jì)算的輸入。結(jié)晶器計(jì)算每一鑄流都獨(dú)立進(jìn)行，將一直對鑄流進(jìn)行跟蹤。

混鋼計(jì)算模型主要有3個(gè)計(jì)算公式，液芯成分計(jì)算、中包流速計(jì)算及結(jié)晶器流速計(jì)算。通過計(jì)算得出的混鋼部分成分，與三級下發(fā)鋼種目標(biāo)成分進(jìn)行對比，確定混鋼部分被使用還是廢棄，并將最終結(jié)果發(fā)送給優(yōu)化切割模型處理。

3.4 動態(tài)二冷配水模型

奧鋼聯(lián)（VAI）冷卻模型采用不同的計(jì)算方法（DYNACS、DYNASPEED和 SPEEDTAB模型）循環(huán)計(jì)算二級冷卻循環(huán)設(shè)定值。冷卻模型收集真實(shí)過程數(shù)據(jù)和事件，接收冷卻實(shí)踐，能隨著鋼種規(guī)格不同而計(jì)算調(diào)整設(shè)定值。冷卻制度設(shè)定系統(tǒng)由冶金專家在HMI上創(chuàng)建和修改冷卻制度，以調(diào)整DYNACS的生產(chǎn)系統(tǒng)用來滿足生產(chǎn)新鋼種（鋼種組）的需要，一個(gè)冷卻制度包含一系列冷卻表（如對應(yīng)鑄流位置的目標(biāo)表面溫度）和冷卻設(shè)定調(diào)整表（如開澆和停澆時(shí)觸發(fā)）。

3.4.1 DYNACS模型

DYNACS模型是動態(tài)二冷配水的核心，在線功能包含熱跟蹤部分。熱跟蹤部分在考慮鋼種特性、過熱溫度、中包溫度、結(jié)晶器水流量、二冷水流量和鑄流拉速的情況下，周期性地更新相應(yīng)的鑄流特性，如坯殼厚度和鑄流表面溫度。冷卻策略有：表面溫度控制；防止鼓肚的控制（考慮坯殼厚度、鋼水靜壓力和輥?zhàn)娱g距）；評估鑄流的熱狀態(tài)，包含剩余的內(nèi)部熱量。

系統(tǒng)以熱跟蹤功能為基礎(chǔ)，根據(jù)溫度分布和選擇的冷卻實(shí)踐，計(jì)算每個(gè)冷卻回路的水流量設(shè)定值。如果使用表面溫度的冷卻策略，DYNACS模型將根據(jù)各個(gè)冷卻區(qū)的鑄流表面溫度是否與目標(biāo)表面溫度一致的方法來計(jì)算水流量。DYNACS系統(tǒng)的結(jié)果在二級自動的方式下，水流量的設(shè)定值被周期性地發(fā)送到L1系統(tǒng)參與控制。

3.4.2 DYNASPEED模型

DYNASPEED模型基于平均鑄流拉速來計(jì)算每個(gè)冷卻回路的水流量設(shè)定值。

在循環(huán)i次和時(shí)間t內(nèi)的平均鑄流拉速按照公式（1）計(jì)算：

式中，ai為循環(huán)開始時(shí)測量的結(jié)晶器液位；bi為循環(huán)結(jié)束時(shí)測量的結(jié)晶器液位；tstrand為鋼水在鑄流內(nèi)的時(shí)間，時(shí)間tstrand依靠冷卻模型來計(jì)算。

3.4.3 SPEEDTAB模型

SPEEDTAB模型基于當(dāng)前鑄造速度來計(jì)算每個(gè)冷卻回路的水流量設(shè)定值。根據(jù)冶金專家在二級系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的拉速-水量設(shè)定表選擇。

3.5 動態(tài)輥縫控制模型

鋼水在某一個(gè)固定溫度下不會凝固，但是溫度時(shí)間間隔就會產(chǎn)生一個(gè)糊狀區(qū)域，這時(shí)鋼水既不是完全的固體，也不是完全的液體。在這個(gè)糊狀區(qū)域根據(jù)多種參數(shù)發(fā)生偏析，如加入合金成分的不同、凝固率和過熱溫度。為將中心偏析最小化，需要通過動態(tài)輥縫控制模型進(jìn)行輥縫調(diào)節(jié)。

DYNAGAP（鑄流輥縫自動控制）系統(tǒng)是由VAI SMART?提供的一個(gè)軟件包。連鑄機(jī)能澆鑄不同厚度和質(zhì)量的板坯，動態(tài)輥縫控制模型能在設(shè)備利用率和產(chǎn)能最大的條件下，快速、準(zhǔn)確地遠(yuǎn)程控制改變輥縫厚度，從而提高產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量。

DYNAGAP模型以熱跟蹤模型為基礎(chǔ)，所有段控制器的在線目標(biāo)輥縫根據(jù)在模型中預(yù)先確定的輥縫實(shí)踐、澆鑄速度、熱能信息等循環(huán)計(jì)算。冶金專家可以通過定義不同的輥縫實(shí)踐來進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同鋼種的需要，組成有：靜態(tài)縫隙控制——所有扇形段根據(jù)板坯目標(biāo)厚度調(diào)整成一個(gè)固定的輥縫，主要用于固定拉速時(shí)；動態(tài)輥縫控制——根據(jù)熱跟蹤模型計(jì)算得出當(dāng)前鑄流凝固的范圍，通過在接近末端凹陷處附近有意減少輥縫厚度補(bǔ)償熱能緊縮；軟夾緊控制——在動態(tài)輥縫模式下，如果鑄流中心溫度比某個(gè)扇形段設(shè)置的溫度極限低，為了保護(hù)連鑄機(jī)的扇形段設(shè)備，那么該扇形段就停止對油缸進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而轉(zhuǎn)換到一個(gè)低壓力油缸控制。

3.6 優(yōu)化切割模型

優(yōu)化切割的目的是通過盡可能多的切割成品坯、減少廢坯的數(shù)量和庫存坯的數(shù)量來提高連鑄機(jī)的產(chǎn)量。優(yōu)化切割模型為剩余的未切割鑄流段執(zhí)行優(yōu)化步驟，每個(gè)優(yōu)化步驟使用生產(chǎn)計(jì)劃（從三級接收或在二級手動輸入）作為計(jì)算的依據(jù)。能夠觸發(fā)板坯長度優(yōu)化計(jì)算的生產(chǎn)事件（優(yōu)化點(diǎn)）包括：換中包、質(zhì)量改變、停澆、錐形坯等。最優(yōu)化切割系統(tǒng)允許定義優(yōu)化點(diǎn)，與這些優(yōu)化點(diǎn)相關(guān)的廢料長度、允許的板坯長度范圍等。冶金專家和生產(chǎn)管理人員能夠根據(jù)生產(chǎn)要求的變化對優(yōu)化切割系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

3.7 板坯質(zhì)量判斷模型

當(dāng)一塊板坯切割后，根據(jù)冶金專家基本知識的質(zhì)量預(yù)報(bào)功能進(jìn)行質(zhì)量預(yù)報(bào)的計(jì)算。同時(shí)，自動將優(yōu)化了的生產(chǎn)參數(shù)與實(shí)際的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

根據(jù)板坯的情況，自動指導(dǎo)操作員對板坯進(jìn)行處理，板坯質(zhì)量處理的建議根據(jù)計(jì)劃的質(zhì)量要求與預(yù)報(bào)質(zhì)量對比得出。需處理的板坯也能用噴印號標(biāo)識出來，以使得在板坯庫中容易識別。

板坯質(zhì)量控制系統(tǒng)能夠通過如下功能幫助冶金專家和操作人員：

（1）計(jì)算一個(gè)關(guān)于板坯質(zhì)量的詳細(xì)預(yù)報(bào)，即確定板坯缺陷評定值（如出現(xiàn)裂紋，夾渣和偏析）。

（2）板坯切割后立即給出板坯的處理建議（“好”、“檢查”、“表面清理”、“取樣”等）。

（3）提供在線的生產(chǎn)信息。

（4）生產(chǎn)期間跟蹤和保存與質(zhì)量有關(guān)的過程參數(shù)。

（5）檢測和報(bào)告實(shí)際生產(chǎn)條件和計(jì)劃生產(chǎn)條件之間的偏差。

4 結(jié)束語

二級自動控制系統(tǒng)在連鑄生產(chǎn)信息化和過程控制方面發(fā)揮了巨大作用，實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶器的冷卻水量和振動的自動控制，以及拉速控制、二次冷卻水控制、扇形段輥縫控制、最佳切割、板坯跟蹤等功能，使連鑄生產(chǎn)組織更加合理，有效控制了產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效益。