板坯連鑄機結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的分析與應(yīng)用

郭大海

摘要：包鋼薄板坯連鑄連軋廠寬厚板連鑄機的結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)由西門子PLC進行控制，實現(xiàn)澆鑄過程中鋼水液位的穩(wěn)定，保證板坯質(zhì)量，并保證連續(xù)澆鑄作業(yè)的生產(chǎn)穩(wěn)定。本系統(tǒng)通過精確的液位檢測，完善的串級控制算法，精密的執(zhí)行機構(gòu)，確保了整個生產(chǎn)過程液位始終符合工藝要求。本文旨在對該系統(tǒng)自動液位調(diào)節(jié)的工藝、控制原理及起始澆鑄過程的液位調(diào)節(jié)過程進行說明。

關(guān)鍵詞：連鑄;結(jié)晶器;液位控制

一、結(jié)晶器液位控制技術(shù)

1.結(jié)晶器液位控制的重要性

連鑄生產(chǎn)過程中，對于結(jié)晶器液位控制的一個基本要求是穩(wěn)定生產(chǎn)操作，避免漏鋼和溢鋼;其次是要盡可能的保持液位穩(wěn)定，提高鑄坯的質(zhì)量。而能否滿足第二條要求是目前衡量連鑄控制水平的一個重要標(biāo)志。

結(jié)晶器液位控制的重要意義：（1）減少和避免漏鋼、溢鋼，穩(wěn)定生產(chǎn)操作;（2）防止浮在結(jié)晶器液面上的夾雜物卷入鑄坯，避免在鑄坯表面和內(nèi)部產(chǎn)生夾渣缺陷;（3）防止結(jié)晶器保護渣不均勻流入，避免產(chǎn)生裂紋、爐渣條痕等表面缺陷;（4）使鑄坯出勤凝固穩(wěn)定、保證在結(jié)晶器內(nèi)部產(chǎn)生均勻的凝固殼;（5）降低操作人員的勞動強度。

2.液位控制方法及特點

（1）流量型

通過控制中間包向結(jié)晶器內(nèi)的鋼水流量，以保持液位穩(wěn)定，即改變?nèi)艋蚧瑒铀诘奈恢?，或者控制塞棒和滑動水口二者的位置，控制鋼水流量，以達到液位穩(wěn)定的目的。

（2）速度型

即控制拉坯速度以保持液位穩(wěn)定。在這種方法中，固定中間包流入到結(jié)晶器中的鋼液量，根據(jù)液位變化修正拉坯控制系統(tǒng)的設(shè)定值，以使結(jié)晶器液位保持恒定。這種方法噴濺較少，主要用于小方坯連鑄。

二、液位調(diào)節(jié)控制過程分析

1.雙環(huán)PID控制系統(tǒng)

結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)采用串級控制，由兩個控制環(huán)組成，一個控制環(huán)用于結(jié)晶器的液位控制，另一個用于塞棒位置控制。塞棒位置PID控制器，處于整個結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，根據(jù)液位控制計算出的塞棒目標(biāo)值與實際值進行PID運算，得到塞棒伺服閥給定值。

結(jié)晶器液位控制采用的PID控制器，處于整個結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的外環(huán)，其液位目標(biāo)值由二級系統(tǒng)根據(jù)工藝要求設(shè)定，實際值通過液位監(jiān)測裝置測量。

2.輔助控制系統(tǒng)

除液位調(diào)節(jié)功能，本控制系統(tǒng)還提供水口沖刷、塞棒顫動及事故關(guān)閉的輔助功能，以避免發(fā)生塞棒粘結(jié)、結(jié)晶器液位無阻尼振動等問題。

三、液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)

1.硬件實現(xiàn)

液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的上位機采用西門子公司的WINCC軟件，通過其上位機畫面可以設(shè)定液位目標(biāo)值，并監(jiān)視液位、塞棒的實時狀態(tài)和歷史趨勢。下位機為一套西門子S7-400系列的PLC系統(tǒng)，可以讀取液位檢測和塞棒位置的過程值，進行串級PID控制，并向塞棒液壓執(zhí)行器發(fā)出動作命令。

本系統(tǒng)的重要單體設(shè)備為液位檢測裝置和塞棒。

（1）渦流液位檢測裝置

結(jié)晶器液位控制是基于渦流原理。傳感器的初級線圈接受到電流產(chǎn)生高頻磁場。隨即在結(jié)晶器內(nèi)部的金屬上產(chǎn)生渦流電流，傳感器的二次線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓。結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位的變化會導(dǎo)致感應(yīng)電壓發(fā)生變化。因此二次線圈電壓用于測量液位。采用兩個二次線圈而非一個是為了將結(jié)晶器側(cè)面的影響最小化。

（2）塞棒

塞棒用于對從中間包到結(jié)晶器的鋼水流量進行整體控制和微調(diào)。同時在事故狀態(tài)下可以立即停止鋼水流入結(jié)晶器。

塞棒是由帶液壓缸，伺服閥和位置傳感器的液壓執(zhí)行機構(gòu)進行手動或自動的操作。在自動模式下，塞棒由結(jié)晶器液位自動控制系統(tǒng)控制。

2.軟件實現(xiàn)

液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的串級PID控制原理框如下圖所示，通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)。

通過控制塞棒位置將結(jié)晶器液位控制在設(shè)定值點，其控制是由PLC實現(xiàn)的閉路控制器來完成?？刂破鲗嶋H液位與目標(biāo)液位進行比較，并經(jīng)過PID進行運算，產(chǎn)生塞棒位置的參考值。這一參考值發(fā)送到第二個PID，這個PID按照位置傳感器測定的塞棒實際位置控制塞棒伺服閥，保持實現(xiàn)結(jié)晶器的液位恒定。

有兩種調(diào)節(jié)器常數(shù)：

（1）自動開澆常數(shù);

（2）調(diào)節(jié)器常數(shù);

所有的常數(shù)保存在PLC的一系列數(shù)據(jù)庫中，所有的常數(shù)隨著結(jié)晶器尺寸的改變而改變。在澆注期間，為了更好的適應(yīng)情況，根據(jù)不同響應(yīng)時間的要求，PID參數(shù)也相應(yīng)改變。

四、液位調(diào)節(jié)啟動過程分析

液位調(diào)節(jié)的啟動標(biāo)志著連鑄澆鑄的正式開始，該過程是保證連鑄能正常、穩(wěn)定生產(chǎn)的最重要環(huán)節(jié)之一，下面就液位調(diào)節(jié)的啟動過程進行介紹。

在完成澆鑄前的所有準(zhǔn)備，如送引錠桿完成，結(jié)晶器開始振動，中包車移動到位等各項準(zhǔn)備工作后，系統(tǒng)提示可以進行澆鑄作業(yè)，此時由操作工在現(xiàn)場操縱箱啟動塞棒打開命令，液位調(diào)節(jié)正式啟動。每個步驟確認(rèn)塞棒的一個位置，在執(zhí)行期間，塞棒加速達到要求的位置;并非每個步驟都必須執(zhí)行，一旦液位達到開澆設(shè)定值，則系統(tǒng)直接執(zhí)行最后步驟。

當(dāng)達到目標(biāo)值則進入自動控制模式，此時根據(jù)目標(biāo)液位通過串級PID調(diào)節(jié)自動實現(xiàn)液位控制，同時啟動夾送輥開始進行連鑄出坯。

五、結(jié)束語

結(jié)晶器液位控制精度是連鑄生產(chǎn)的一個重要工藝指標(biāo)，直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。寬厚板連鑄機的液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)自投用以來，運行正常，穩(wěn)定狀態(tài)下液位調(diào)節(jié)精度可達到±0.2mm，滿足了連鑄生產(chǎn)對結(jié)晶器液位的控制要求，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定和板坯的質(zhì)量。

參考文獻

[1]郭義，喬俊飛.連鑄過程控制理論與技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[2]王保安，馬竹梧.連鑄鑄鋼結(jié)晶器鋼水液位自動控制及其實踐[J].冶金自動化，2001，（4）：5-8.

[3]劉全利，王偉.結(jié)晶器液位機理模型及其在極限環(huán)抑制中的應(yīng)用[J].自動化學(xué)報，2002，28（3）：456-460.