連鑄線結(jié)晶器液面智能控制系統(tǒng)的設計研究

文偉 梅松濤

(中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064)

0 引言

現(xiàn)代鋼鐵行業(yè)中，提高連鑄線的技術含量，改善連鑄生產(chǎn)，是一個重要問題。其中，連鑄線中間包更換技術方面，現(xiàn)在國內(nèi)外正在不斷開發(fā)新技術，使連鑄線生產(chǎn)更加完美，使生產(chǎn)的鋼鐵滿足工業(yè)要求。如何在保持液位穩(wěn)定的情況下完成這項工程，正是本文所要研究的問題。這里我們通過測量塞棒開度與流量大小以及液位波動值之間的關系，計算出他們之間的動態(tài)響應特性，設計了一種新型的PID模糊控制方式，能夠穩(wěn)定的控制液位的波動大小。本方案結(jié)合武鋼集團四煉鋼連鑄線工程，研究如何在快速更換中間包的同時，能保證結(jié)晶器中鋼水液面的穩(wěn)定控制。

1 生產(chǎn)線工藝硬件

連鑄線中間包更換控制系統(tǒng)包括交流傳動系統(tǒng)、各種自動化儀表、傳感器和電氣元件等設備，這些設備通過工業(yè)以太網(wǎng)與 PLC控制系統(tǒng)進行連接，進行數(shù)據(jù)交換，給PLC提供現(xiàn)場測量到的數(shù)據(jù)，以及接受PLC傳輸過來的控制參數(shù)。硬件示意圖如圖1所示。

此方案根據(jù)用戶提供的連鑄車間水口快換的要求和條件，采取如下設計：(1)中間包水口更換通過液壓缸驅(qū)動換取裝置；(2)鋼水液位的控制則通過結(jié)晶器液位模糊控制方案。

2 塞棒-液面智能控制

2.1 塞棒

此系統(tǒng)中，合理控制塞棒位置，可以降低鋼水的波動,使其保持在用戶設定值左右。通過PLC閉環(huán)控制回路來對塞棒進行控制，其控制原理圖如圖所示，將反饋得到的結(jié)晶器鋼水實際液面和用戶的設定值相比較,所得到的差值用 PID 調(diào)節(jié)器進行計算,得到了一個可以滿足鋼水波動穩(wěn)定性的塞棒位置控制結(jié)果,這個參考值被輸送到直流伺服放大驅(qū)動器中,然后根據(jù)實際的塞棒位置來控制直流伺服電動機，來改變?nèi)舻奈恢酶淖冮_口度大小，滿足液位調(diào)節(jié)的需求，圖2為塞棒自動控制原理圖。

在四煉鋼實際生產(chǎn)系統(tǒng)中，為了使連鑄線生產(chǎn)順利進行,塞棒開口度調(diào)整的速度一般控制在3mm/s左右,而結(jié)晶器中鋼水液面的波動一般控制在結(jié)晶器高度的15%～85%范圍內(nèi)。

2.2 液面自動控制

連鑄結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，主要包括液位檢測傳感器、控制器、執(zhí)行器等三個機構(gòu)組成。如圖3，為鋼水液面控制的模擬圖。

為了讓整個連鑄生產(chǎn)線更加完美，所需要的塞棒位置與鋼水流入結(jié)晶器的流量關系理想關系如圖4。

第一段：起始區(qū)(也可以叫做塞棒非線性區(qū))。這段時間內(nèi)，塞棒打開達到一定開度前，開度太小，鋼水流入結(jié)晶器的量太少，因此液面變化比較緩慢。

圖1 結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)組成示意圖

圖2 塞棒自動控制原理圖

第二段：線性區(qū)。塞棒開度到達一定值以后，這個時候，流入結(jié)晶器的鋼水量與塞棒開口度成線性關系，理想的液面變化值也應該和塞棒開度成線性關系。

第三段：全開區(qū)(即飽和區(qū))。當塞棒提升到最大值范圍時候，水口全開后，進入結(jié)晶器的鋼水流量達最大值，且不再變化。

圖3 結(jié)晶器鋼水液位模擬圖

可以看出，理想的液位控制應在上述分段的線性區(qū)段進行。當結(jié)晶器液位達到設定高度，開始澆鑄時，塞棒開度應處于線性段的某個位置，然后根據(jù)實際液面變化改變其開度大小，使結(jié)晶器中鋼液的流入量和流出量保持一定平衡，使液面能夠穩(wěn)定的上升下降。

3 智能化液位模糊控制策略

結(jié)晶器液位自動控制是通過測量結(jié)晶液位器內(nèi)鋼水的實際液位值，然后與參考值相比較，通過調(diào)節(jié)控制塞棒的開口度大小，使結(jié)晶器內(nèi)的鋼水表面液面波動保持在預定的范圍內(nèi)。因此在這里，主要是討論液位-塞棒的模糊控制形式，將生產(chǎn)所需要的合理拉速當成一種干擾來處理，控制系統(tǒng)模糊控制原理如圖4所示。

圖4 鋼水流量隨塞棒開度的變化關系圖

圖5 液位控制系統(tǒng)原理圖

模糊控制，即將輸入值以適當?shù)谋壤D(zhuǎn)換到論域的數(shù)值，利用口語化變量來描述測量物理量的過程 。此方案，通過結(jié)晶液位器反映在△t時間內(nèi)液面上升的高度△h，與參考值范圍相比，“過大”、“過小”，來控制塞棒開度“稍小”、“稍大”。在整個過程中，塞棒會根據(jù)液面波動大小來適當調(diào)整，在要求時間t內(nèi)使液面達到穩(wěn)定。

本方案中，結(jié)晶器液位自動控制是通過測量結(jié)晶液位器內(nèi)鋼水的實際液位值，然后與參考值相比較，通過調(diào)節(jié)控制塞棒的開口度大小，使結(jié)晶器內(nèi)的鋼水表面液面波動保持在預定的范圍內(nèi)。因此在這里，我們采用液位-塞棒的模糊控制形式，將生產(chǎn)所需要的合理拉速當成一種干擾來處理，控制系統(tǒng)控制原理如圖6所示。

其中，F(xiàn)UZZYl的輸入變量是實際液位和設定液位值的差值加上澆鑄速度的變化值，它是一個單輸入單輸出模糊控制器，其控制規(guī)則為“輸入=液面設定值-液位測量值+拉速變化率”。

FUZZY2包括兩個輸入變量——澆鑄速度的設定值和塞棒開口位置值，是一個具有兩個輸入變量和一個輸出變量的控制器。

圖6 液位模糊控制框圖

圖7 FUZZY1的輸入

圖8 FUZZY2的輸入變量與輸出變量

以上所設計的模糊控制系統(tǒng)可在STEP7中通過編程由PLC控制實現(xiàn)，將控制規(guī)則通過實時比較、控制來實現(xiàn)。實際運行結(jié)果表明，該模糊控制系統(tǒng)的控制性能和效果和以往的控制系統(tǒng)相比，具有非常明顯的優(yōu)勢，達到了預期效果。

4 PLC程序設計

水口更換智能控制系統(tǒng)PLC程序在整個連鑄線程序中主要包括OB主循環(huán)程序模塊，F(xiàn)C主功能程序塊、DB背景數(shù)據(jù)塊。主功能塊“Actuator Manager Ctrl”執(zhí)行器控制程序通過結(jié)合各種工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，控制塞棒、結(jié)晶液位器等各種機構(gòu)，達到控制要求。

在STEP7中每個塊中，通過程序分段來將實現(xiàn)不同控制功能的程序分段。其中主要有4個程序塊，分別是 NET1塞棒快速振蕩“Actuator Fast Oscillation”、NET2讀取硬件數(shù)據(jù)“Simulate or Read from Hardware”、NET3執(zhí)行器主控制“Actuator Main Control”、NET4 更換中間包水口“Change Tundish Nozzle"。

NET1中主要計算塞棒變化的幅度與時間的關系數(shù)據(jù)；NET2功能是讀取模擬塞棒位置數(shù)據(jù)，模擬其位置，提供給主執(zhí)行器；NET3通過前面程序段對塞棒位置變化的計算和模擬，并結(jié)合液面數(shù)據(jù)，進行實際塞棒位置控制；NET4通過檢測更換水口前液面、塞棒位置，在接受到更換水口命令后開始更換水口。

現(xiàn)場調(diào)試時，通過工業(yè)以太網(wǎng)將工控機、PLC以及各種類型傳感器建立好連接以后，將程序下載進CPU。首先通過冷調(diào)試，即產(chǎn)線停產(chǎn)運行的時候進行測試，調(diào)試結(jié)果是系統(tǒng)的各項通訊正常連接，并且模擬的運行系統(tǒng)可以達到要求，各項程序數(shù)據(jù)穩(wěn)定運行。冷調(diào)試完畢，將連鑄線投入使用，進行熱調(diào)試，水口一鍵快換正常完成，并且在產(chǎn)線運行過程中，結(jié)晶器中液位一直能保持相對的穩(wěn)定性，表明程序的設計達到了預期的設計效果，并且用戶可根據(jù)實際情況，非常方便的修改程序參數(shù)，以滿足不同的生產(chǎn)需求。

5 結(jié)束語

本設計在液位調(diào)節(jié)控制中，除液位變量外，還結(jié)合了澆鑄速度設定值的變化，拉坯速度的改變量，還有塞棒的開口度大小等各方面情況的變化，有效地控制了這些因素，避免了他們的變化帶來的影響，在控制精度方面得到了很好的保證，具備良好抗干擾性。同時，利用模糊控制器的輸出作為PID控制器的增益值，這種設計結(jié)構(gòu)是一種復合式模糊PID控制系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點: 模糊控制器起到很好的魯棒性作用，動態(tài)響應快，超調(diào)量小。投入于武鋼四煉鋼產(chǎn)線的實際生產(chǎn)情況也證明了該設計達到了良好的控制效果，運行時結(jié)晶器液位能夠保持穩(wěn)定，使該廠連鑄線能夠安全可靠的進行，節(jié)省了大量資源，降低了車間工人的工作操作強度。

本文中對水口智能快換系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)分析、模糊參數(shù)自整定PID控制器理論基礎和應用方法以及實際程序設計方面進行了介紹，某些方面還有待繼續(xù)改造來更適合實際生產(chǎn)要求。

[1]朱宏，王本松. 論中間包水口快換機構(gòu)的應用. 華夏星火, 2004,(5).

[2]史慧艷，田鳳紀. 連鑄中間包水口快換技術應用實踐. 河北冶金, 2004,(3).

[3]林明星，趙永瑞，李倩. 一種PLC 智能控制的程序設計方法. 工業(yè)儀表與自動化裝置, 2000, (3).

[4]王朝利，陽思聰，朱發(fā)俊. 預測控制在連鑄結(jié)晶器液位控制中的應用研究. 控制與決策, 2001年第 2期.

[5]金繼文，姚建青，王建躍. 連鑄結(jié)晶器液位控制系統(tǒng) . 寶鋼技術, 2002, (4).

[6]李祖林. 基于模糊控制決策的連鑄機結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)設計. 工業(yè)儀表與自動化裝置, 2004, (1).

[7]袁曾任.智能控制研究新進展.信息與控制,1990.

[8]張恩勤等. 模糊控制系統(tǒng)近年來的研究與進展. 控制理論與應用, 2000, (18).

[9][9]Yu. S. Yusfin, P. I. Chernousov. Evaluation of Different Steelmaking Methods on the Basis of Environmental and Conservation Concerns.Metallurgist. Springer New York. May 2001.