結(jié)晶器液面自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)踐

，，

（1.河北鋼鐵集團(tuán) 唐山鋼鐵公司第二鋼軋廠，河北 唐山 063016；2.河北聯(lián)合大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063000）

1 引言

唐鋼第二鋼軋廠3#連鑄機(jī)（即原二煉鋼廠3#連鑄機(jī)）始建于1989年，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為40萬(wàn)t，此次改造前為5機(jī)5流連鑄機(jī)，實(shí)際年產(chǎn)量為70萬(wàn)t，主要產(chǎn)品為130 mm×130 mm斷面普碳鋼和低合金鋼。根據(jù)生產(chǎn)平衡和市場(chǎng)需求，進(jìn)行了技術(shù)改造，將其改造為6機(jī)6流、斷面150 mm×150 mm的連鑄機(jī)，同時(shí)根據(jù)品種鋼生產(chǎn)的實(shí)際需要引進(jìn)了Danieli公司的關(guān)鍵部位的設(shè)備、技術(shù)，新增了液面自動(dòng)控制系統(tǒng)、塞棒控制系統(tǒng)、電磁攪拌等自動(dòng)澆鑄功能，形成年產(chǎn)120萬(wàn)t多品種鋼坯生產(chǎn)水平。連鑄液面控制系統(tǒng)采用了Co60為放射源。通過(guò)近3年的摸索和技術(shù)改進(jìn)，該系統(tǒng)在150 mm×150 mm等小斷面鑄機(jī)的自動(dòng)開澆、自動(dòng)連續(xù)澆鑄方面已經(jīng)取得很大成功，自動(dòng)開澆率達(dá)98%以上，液位控制保持十分穩(wěn)定。其主要優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)良的表面/皮下質(zhì)量、較輕的振痕深度和低一倍的漏鋼率，因此提高了生產(chǎn)率，促進(jìn)了品種鋼的生產(chǎn)。

2 系統(tǒng)組成

該結(jié)晶器液面控制系統(tǒng)主要由3部分組成：1）檢測(cè)系統(tǒng)；2）控制與處理系統(tǒng)；3）塞棒及其運(yùn)動(dòng)控制變頻傳動(dòng)系統(tǒng)。

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)用于測(cè)量結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液位高度，它由Co60放射源、閃爍計(jì)數(shù)器和液位計(jì)組成。

Co60放射源和閃爍計(jì)數(shù)器安裝在結(jié)晶器內(nèi)，安裝位置前后對(duì)稱。Co60放射源發(fā)射出的γ射線穿過(guò)結(jié)晶器及其中的鋼水時(shí)，一部分被結(jié)晶器和鋼水吸收，一部分到達(dá)閃爍計(jì)數(shù)器的探測(cè)表面。由于被鋼水吸收的γ射線隨鋼水液面高度的不同而不同，使得到達(dá)閃爍計(jì)數(shù)器表面的γ射線強(qiáng)度隨著鋼水液面高度的變化而變化。其變化規(guī)律為：隨鋼水液面高度的增加，到達(dá)閃爍計(jì)數(shù)器表面的γ射線強(qiáng)度越弱，它們之間存在著接近反比的關(guān)系，如圖1所示。可見(jiàn)根據(jù)檢測(cè)出的γ射線強(qiáng)度就可轉(zhuǎn)換成鋼水液面高度的變化。

圖1 接收到的γ射線強(qiáng)度與結(jié)晶器內(nèi)鋼液高度關(guān)系圖Fig.1 Relation curve of γ rays and liquid level in mould

閃爍計(jì)數(shù)器將檢測(cè)出的γ射線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送給液位計(jì)，液位計(jì)再將其轉(zhuǎn)換成可反應(yīng)鋼水液位高度變化的4～20 mA傳送給PLC系統(tǒng)。

2.2 控制與處理系統(tǒng)

控制與處理系統(tǒng)包括HMI（人機(jī)界面系統(tǒng)）、PLC、變頻器和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通訊等。其控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.2 Schematic diagram of control system

HMI（人機(jī)界面系統(tǒng)）采用研華工控機(jī)，組態(tài)軟件采用Intach8.0，所有控制畫面及參數(shù)都可以在HMI上顯示，還可實(shí)現(xiàn)各工藝參數(shù)的設(shè)定、調(diào)整、控制。

PLC采用西門子S7-400系列，CPU采用了高性能的CPU416-3DP。每流1個(gè)PLC站，6個(gè)流共6個(gè)PLC站，這6個(gè)鑄流設(shè)備PLC站的硬件組態(tài)和程序完全一樣，只是以太網(wǎng)址不同。圖2中僅示意出1個(gè)流的PLC站。鑄流設(shè)備PLC除實(shí)現(xiàn)本文論述的結(jié)晶器鋼水液位控制外，還對(duì)本流的全部其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

S7-400系列PLC具有強(qiáng)大的控制能力、運(yùn)算速度和網(wǎng)絡(luò)功能，目前在國(guó)內(nèi)外要求非常高的自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。

PLC與HMI采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，PLC和運(yùn)動(dòng)控制MC變頻器采用Profibus-DP網(wǎng)方便靈活地集成在一起。該系統(tǒng)兼具了Profibus-DP高速數(shù)據(jù)傳送和工業(yè)以太網(wǎng)向管理層拓?fù)浔憷膬?yōu)點(diǎn)。

2.3 塞棒及其運(yùn)動(dòng)控制變頻傳動(dòng)系統(tǒng)

塞棒機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。塞棒機(jī)構(gòu)由低速變頻調(diào)速電機(jī)、位移傳感器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。工作時(shí)主PLC通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)發(fā)控制指令給運(yùn)動(dòng)控制MC變頻器，再由運(yùn)動(dòng)控制MC變頻器驅(qū)動(dòng)變頻調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、塞棒作升降運(yùn)動(dòng)。下部的位移傳感器將當(dāng)前塞棒的位置反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再根據(jù)結(jié)晶器液面情況判定塞棒位置需提升或下降；完成一次動(dòng)作后，位移傳感器再將位置反饋給控制系統(tǒng)，再根據(jù)液面情況判定塞棒的升降，如此周而復(fù)始，維持結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面保持在設(shè)定值。

圖3 塞棒機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of stopper rod mechanism

3 控制原理與實(shí)現(xiàn)

結(jié)晶器液面自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)連鑄生產(chǎn)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的控制算法有3種［2］：流量型、速度型和混合型。根據(jù)我廠生產(chǎn)的鋼種以及采取的控制方式，采用了流量型算法，通過(guò)控制進(jìn)入結(jié)晶器的鋼水流量，以保持液位穩(wěn)定。即改變?nèi)舻奈恢脕?lái)控制鋼水流量，達(dá)到液位穩(wěn)定的目的。

3.1 PLC控制原理及其算法

該系統(tǒng)采用雙閉環(huán)（兩級(jí)）PID控制系統(tǒng)，圖4為其控制原理方框圖，其控制目標(biāo)就是要將結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位保持在要求的水平。PLC將現(xiàn)場(chǎng)反饋回來(lái)的實(shí)際液位與設(shè)定值進(jìn)行比較。其差值經(jīng)過(guò)液位PID運(yùn)算產(chǎn)生塞棒位置給定信號(hào)。該信號(hào)與檢測(cè)到的塞棒的實(shí)際位置之差經(jīng)過(guò)塞棒PID運(yùn)算產(chǎn)生位置輸出信號(hào)控制塞棒電機(jī)，使塞棒不斷地調(diào)整位置直到結(jié)晶器鋼水液位到達(dá)要求的水平。

圖4 液位控制原理方框圖Fig.4 Block diagram of liquid level control

結(jié)晶器液面PID控制常采用一階慣性加純延遲環(huán)節(jié)，其模擬量PID控制微分方程的一般形式為

相應(yīng)的傳遞函數(shù)為

式中：u(t)為塞棒控制的輸入量；e(t)為液位偏差值；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

Kp，Ti，Td構(gòu)成系統(tǒng)的控制參數(shù)。

由于PLC系統(tǒng)是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。為了能使PLC程序?qū)崿F(xiàn)式（1），必須將其離散化為如下的差分方程：

式中：e(k)為第k個(gè)采樣時(shí)刻的偏差值；△e(k)為本次偏差值與上次偏差值之差，△e(k)=e(k)-e(k-1)；Ki為積分系數(shù)，Ki=T/Ti；Kd為微分系數(shù)，Kd=Td/T。

從式（3）可以看出u(k)是全量輸出，每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，這就大大增加了PLC的程序運(yùn)算量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，延長(zhǎng)了掃描時(shí)間。因此在程序中采用了如下所示的增量式算法。

增量式算法雖然只是算法上一點(diǎn)改變，卻帶來(lái)了以下優(yōu)點(diǎn)：1）PLC只輸出增量，誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可加邏輯保護(hù)；2）手動(dòng)—自動(dòng)切換時(shí)沖擊小；3）算式中不需要累加，增量只與最近幾次采集有關(guān)，容易獲得較好的控制效果，而且大大減少了PLC的程序運(yùn)算量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。

在 PID 控制中，Kp，Ki，Kd參數(shù)的設(shè)定是關(guān)鍵，它與澆鑄的鋼種、結(jié)晶器斷面尺寸、拉速等有關(guān)。一般可根據(jù)仿真系統(tǒng)結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行調(diào)整。更換澆鑄的鋼種或改變拉速后，可在H M I上方便地改變 Kp，Ki，Kd的控制參數(shù)。

為使液位調(diào)節(jié)準(zhǔn)確快速，控制程序根據(jù)采集到的液位設(shè)定值與實(shí)際值的差值e（k）的大小，自動(dòng)上下浮動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)。當(dāng) e（k）值大于某值時(shí)，Kp，Kd上浮一定比例，使塞棒快速提升或下降；反之，當(dāng)e（k）值小于某值時(shí)，Kd下浮一定比例，以力求塞棒位置準(zhǔn)確，從而快速而準(zhǔn)確地到達(dá)給定液位值。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

塞棒機(jī)構(gòu)由運(yùn)動(dòng)控制MC變頻器6SE7021驅(qū)動(dòng)變頻調(diào)速電機(jī)實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)。MASTERDIVE家族的6SE70系列變頻器包含VC和 MC 2種變頻器。MC專門應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于精加工行業(yè)如：車床、印刷、紡織、機(jī)械加工等。使用MC控制器可實(shí)現(xiàn)如下功能：速度控制、位置控制、裝置之間的角同步控制等功能。

該MC變頻器通過(guò)附加的CBP通訊板（Profibus通訊板），實(shí)現(xiàn)與S7-400主PLC自動(dòng)化系統(tǒng)的Profibus-DP通訊。按照Profibus標(biāo)準(zhǔn)，CBP通訊板通過(guò)9孔SUB D型插座連接到Profibus系統(tǒng)，該接口的所有連接是防短路，并且是電位隔離的。對(duì)傳動(dòng)裝置的數(shù)據(jù)存取總是按照主從方式進(jìn)行，傳動(dòng)裝置總是從站且每個(gè)從站本身都有明確的地址。PLC周期性的與傳動(dòng)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

在傳動(dòng)裝置Profibus前置文件（版本2）的結(jié)構(gòu)中，周期型通道的有用數(shù)據(jù)被定義為參數(shù)過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象，即PPO。按照有用數(shù)據(jù)有無(wú)參數(shù)區(qū)、過(guò)程數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，共有5種PPO類型［4］。本系統(tǒng)中使用的是PPO5通訊協(xié)議。

在PLC中硬件組態(tài)變頻器，編制通訊DB塊，就可以將前述PLC程序運(yùn)算結(jié)果，按照PP05通訊協(xié)議，通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，傳送給運(yùn)動(dòng)控制MC變頻器，修改其控制字，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)塞棒機(jī)構(gòu)升降。

4 存在問(wèn)題與解決

系統(tǒng)投入運(yùn)行后，曾出現(xiàn)液面波動(dòng)的現(xiàn)象。經(jīng)分析研究，其主要原因與解決方案為：1）更換結(jié)晶器、更換傳感器或電纜后，檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)偏差，造成液位波動(dòng)。此時(shí)應(yīng)重新調(diào)校標(biāo)定系統(tǒng)，重點(diǎn)標(biāo)定置空和置滿信號(hào)（即液位為空或滿時(shí)的信號(hào)）；2）做好抗干擾措施，避免干擾信號(hào)進(jìn)入測(cè)量回路，連線連接可靠無(wú)接觸電阻；3）部分鋼種所需要的調(diào)節(jié)參數(shù)不同，需要與工藝結(jié)合好，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際（最好能仿真）調(diào)整參數(shù)。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)的控制精度高達(dá)±3 mm，具有自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好、控制精度高、偏差小等特點(diǎn)，自2007年投入運(yùn)行以來(lái)效果良好，提高了連鑄坯的質(zhì)量，降低了漏鋼率，有效促進(jìn)了品種鋼的生產(chǎn)。隨著各種先進(jìn)控制系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，必將進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)連鑄自動(dòng)化水平的提高，為企業(yè)帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］田海，崔桂梅，王曉紅，等.西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)的配置策略與應(yīng)用［J］.電氣傳動(dòng)，2010，40（1）：76－80.

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［4］西門子電氣傳動(dòng)有限公司（SEDL）.Simovert Masterdrivers矢量控制變頻器使用大全［Z］.AG 2005.