智能連鑄機控制技術(shù)開發(fā)

張志杰

（濟鋼檢修工程公司，濟南 250132）

0 引言

國內(nèi)外連鑄機自動化控制技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了第一代基礎(chǔ)控制階段、第二代過程控制階段，目前正朝著第三代智能控制的方向發(fā)展。

第一代連鑄機自動化控制，借助計算機軟件技術(shù)和基礎(chǔ)控制理論，把現(xiàn)場各監(jiān)測、控制參數(shù)實現(xiàn)集中控制顯示，實現(xiàn)了連鑄機生產(chǎn)任務(wù)的計算機控制的初級目標(biāo)。

第二代連鑄機自動化控制，結(jié)合過程控制理論，在基礎(chǔ)控制平臺上增加了配水、溫度等動態(tài)模型，并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了訂單與連鑄機生產(chǎn)計劃的自動匹配。

第三代連鑄機運用智能控制理論，圍繞提高和保障產(chǎn)品質(zhì)量的目標(biāo)，豐富和完善自動化控制模型與檢測技術(shù)，開發(fā)智能控制系統(tǒng),較好的滿足了客戶對產(chǎn)品質(zhì)量的要求?；谥悄芸刂频牡谌B鑄機，是今后5～10年世界連鑄機設(shè)計與裝備的方向。

1 連鑄機工藝現(xiàn)狀與要求

某鋼廠120t轉(zhuǎn)爐區(qū)域自2002年先后共引進4臺奧鋼聯(lián)連鑄機設(shè)備。項目投產(chǎn)后，取得了較好的經(jīng)濟效益，隨著時間的推移和用戶對不同鋼種產(chǎn)品質(zhì)量要求的變化，單純依靠原有的自動化控制技術(shù)，已經(jīng)不能完全滿足生產(chǎn)和市場的要求[1]。

4臺連鑄機原設(shè)計的重點是L1、L2基礎(chǔ)與過程控制，以滿足生產(chǎn)任務(wù)和計劃自動傳輸為主，一般連鑄機專業(yè)公司都可以達(dá)到，也能夠滿足常規(guī)產(chǎn)品的開發(fā)要求。目前國內(nèi)外側(cè)重連鑄機基礎(chǔ)控制、過程控制的研究與論著相對成熟和繁多，連鑄機智能控制案例相對較少。

如何運用智能控制理論，在促進結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液面波動更加微小（由±5mm降為±3mm），鋼水在凝固結(jié)晶過程中需連續(xù)輸入溫度實現(xiàn)動態(tài)配水，根據(jù)鋼種調(diào)節(jié)電磁攪拌電流強度、扇形段輥子透明可視化上下功夫，確保鑄坯內(nèi)在質(zhì)量。除此之外，高精度的切割和去毛刺，是保證鑄坯外在質(zhì)量的關(guān)鍵。

2 連鑄智能控制技術(shù)硬件組成與實施

為實現(xiàn)第三代連鑄機智能化控制，圍繞提高和保障產(chǎn)品質(zhì)量的目標(biāo)，豐富和完善自動化控制技術(shù)水平，重點設(shè)計了6個技術(shù)模塊。

2.1 結(jié)晶器狀態(tài)診斷的設(shè)計原理與組成

結(jié)晶器漏鋼預(yù)報系統(tǒng)是實現(xiàn)結(jié)晶器可視化的有效工具[2]，除此之外，原有系統(tǒng)已經(jīng)無法增加新鋼種和查詢功能，造成連鑄機生產(chǎn)時無法及時查看液面波動、塞棒深度、結(jié)晶器振動等相關(guān)工藝參數(shù)，尤其是當(dāng)出現(xiàn)異常狀況時，無法調(diào)出歷史記錄，不便于分析工藝過程。

為了降低波動幅度，滿足新產(chǎn)品開發(fā)的需求，開發(fā)了結(jié)晶器狀態(tài)診斷系統(tǒng)，用于結(jié)晶器液面波動微控、振動的監(jiān)控操作、工藝參數(shù)記錄。項目軟件采用西門子WinCC6.2、SIMATIC_SQL、Step 7 V5.4 、SIMATIC NET軟件，自主創(chuàng)新開發(fā)了該系統(tǒng)，實現(xiàn)了液位控制、振動控制、液位測試、液位與振動系統(tǒng)聯(lián)鎖等功能，液位控制離線調(diào)試。

該技術(shù)的核心包括服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)配置、液面檢測二次限幅智能調(diào)節(jié)。該診斷技術(shù)根據(jù)報警及歷史趨勢記錄，可以查出現(xiàn)場人員的操作模式、過程，現(xiàn)場結(jié)晶器液位波動、振動偏差，以及水口、流場等工藝變化。對隨機調(diào)整振動參數(shù)有較大幫助，可更好的滿足連鑄機生產(chǎn)需要，提高鑄坯質(zhì)量。

原服務(wù)器計算機名設(shè)置：2#CCM: vaiccsrv-jmc1;3#CCM:vaiccsrv-jmc2，工作組：TIGANG，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置：2#CCM:IP地址192.168.100.22 ，子網(wǎng)掩碼：255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)：無；3#CCM:IP地址192.168.200.22 ，子網(wǎng)掩碼：255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)：無。

有了前面兩個環(huán)節(jié)的鋪墊，班級里絕大多數(shù)學(xué)生基本上能明晰這道題的條件是什么、問題是什么，哪些地方是需要格外注意的，哪些則是無用條件。接下來，就要請學(xué)生上臺扮演老師，充當(dāng)“小先生”，向全班學(xué)生分析這道題的解題思路，即第三個步驟：“情景說題”。

項目服務(wù)器配置將站名vaiccsrv-jmc1改為2#CCM，并配置完成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.2 中包精準(zhǔn)吹氬與測溫集成

如何有效防止?jié)蹭撨^程中鋼水被氧化，是很多冶金企業(yè)努力的方向，中間包氬氣保護是應(yīng)用最廣泛的一種方法。鋼包內(nèi)的鋼液在重力作用下流入中包,傳統(tǒng)吹氬系統(tǒng)采用儀表閥門控制，在實際生產(chǎn)控制中存在流量大小失控的問題，過大或過小都不利于去除鋼液中的夾雜物，而且有可能帶來鋼水溫度快速下降。

通過開發(fā)一種基于并聯(lián)疊加算法的氣體流量控制裝置[3]，有效避免了依靠儀表調(diào)節(jié)閥PID調(diào)節(jié)的響應(yīng)時間及帶來的振蕩造成流量波動問題，如圖1所示。

圖1 并聯(lián)疊加算法控制裝置

本裝置尤其適合于煉鋼廠的吹氬流量控制，不僅可以快速、精確控制吹氬氣流量，而且克服了其他方法的低流量調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確、波動大等弊端，控的快，測得準(zhǔn)。

澆鑄溫度也是關(guān)系鑄坯質(zhì)量的重要工藝參數(shù)之一。連鑄過程對鋼液溫度有嚴(yán)格的要求，尤其中間包內(nèi)的鋼液溫度應(yīng)穩(wěn)定。因此，需要對中間包內(nèi)的鋼液溫度進行準(zhǔn)確測定。目前，連鑄機普遍采用中間包鋼液溫度的點測，一般用快速測溫偶頭及數(shù)字顯示二次儀表來測溫，每包鋼水需要工人更換測溫槍測溫偶頭后，插入鋼水進行人工測溫。中包測溫不準(zhǔn)會導(dǎo)致二冷配水量不準(zhǔn)確，影響鑄坯的質(zhì)量[4]。

鋼水連續(xù)測溫儀是以紅外輻射為主的測溫儀表，以單片機為核心的信號處理器對其電信號進行處理并顯示測量溫度，如圖2所示。具有測溫精確度高、穩(wěn)定性強、使用成本低，降低工人勞動強度特點。

為保證使用鋼水連續(xù)測溫的同時，原有測溫槍點測方式同樣可以使用，修改原有連鑄機L1級PLC程序，同時在HMI操作畫面增加測溫方式選擇與測溫顯示功能。這樣，如果連續(xù)測溫出現(xiàn)問題，可以切換為點測方式，同時兩套系統(tǒng)可以將測量值進行比對，已核查測量值是否準(zhǔn)確。

圖2 鋼水測溫系統(tǒng)構(gòu)成

2.3 大電流電磁攪拌技術(shù)

但客戶對板坯產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，國標(biāo)一級探傷對應(yīng)的中心偏析在C類2.0以上，原有的設(shè)計不能完全滿足新的要求，課題組計劃通過加大攪拌電流（由400A增加到500A），實現(xiàn)加速傳熱和對流以改變鑄坯的凝固結(jié)構(gòu)，達(dá)到改善內(nèi)部質(zhì)量的目的。

電磁力隨著電流的增加而增加,且與徑向距離成正比,變化較快，如圖3所示。電磁力由鑄坯邊緣向中心逐漸減小,電磁力最大值由400 A時的6.5kN/m3增加到500 A時的14.5 kN/m3·電磁力增加了2.23倍,這驗證了電磁力與電流的平方成正比。

圖3 不同電流的電磁推力與距結(jié)晶器高度曲線

為了電磁攪拌運行性能和持續(xù)性，制定出通過增加IGBT板的功率來提高攪拌電流。為滿足現(xiàn)場板坯270mm厚度，電磁力根據(jù)公式計算約為14.32 kN/m3。電流需要提高90A左右，考慮設(shè)計余量，選用信號為DIM1600FSS17替代原有設(shè)計的DIM1200FSS17的IGBT設(shè)備，提高功率約為35kw，提高電流幅值約為100A。更換大功率IGBT后運行長時間沒有出現(xiàn)結(jié)溫持續(xù)高溫現(xiàn)象，提高了電磁攪拌系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2.4 扇形段精準(zhǔn)定位技術(shù)

連鑄機扇形段是板坯成型的重要載體，對鑄坯質(zhì)量控制起關(guān)鍵作用。120t轉(zhuǎn)爐區(qū)域四條生產(chǎn)線均為弧形扇形段，扇形段由上至下共分為彎曲段、矯直段、水平段三部分，驅(qū)動輥作為扇形段的重要組成部分，主要為板坯在扇形段中行走提供驅(qū)動動力，同時也為穿引錠鏈提供動力和夾緊引錠固定位置等作用。

較早的設(shè)計對驅(qū)動輥準(zhǔn)確位置缺少必要的定位跟蹤，鑄機投產(chǎn)以來，多次發(fā)生鑄機上引錠或開澆期間因驅(qū)動輥未在抬起位置而導(dǎo)致設(shè)備損壞或停機的事故，打亂了生產(chǎn)節(jié)奏同時也造成很大經(jīng)濟損失。

無法獲得驅(qū)動輥的位置信息，容易造成板坯表面劃痕，或過度改變內(nèi)部質(zhì)量等問題。隨著對產(chǎn)品質(zhì)量提高，降低故障的要求，驅(qū)動輥位置跟蹤的迫切要求也隨之提出。

根據(jù)多年維護經(jīng)驗，提出連鑄機扇形段驅(qū)動輥位置精確跟蹤。通過在驅(qū)動輥液壓動作管線上添加壓力檢測裝置，傳輸?shù)絇LC中，分析壓力信號來確定驅(qū)動輥精確位置，如圖4所示。

圖4 壓力檢測裝置安裝的驅(qū)動輥控制圖

2.5 鑄坯微切割技術(shù)

鑄坯的切割是根據(jù)定尺要求，把一塊母坯切割為三塊，原設(shè)計的定尺長度由測量輪編碼器測量完成。長期應(yīng)用測量輪出現(xiàn)滑尺現(xiàn)象，造成定尺不準(zhǔn)確，精度也難以保證。

根據(jù)CCD技術(shù)的發(fā)展，提出依據(jù)攝像定尺的微切割技術(shù)。控制精度在0～5mm，對原系統(tǒng)進行相應(yīng)的優(yōu)化。硬件部分包括計算機操控系統(tǒng)、攝像機系統(tǒng)及通訊控制電纜等。計算機操控系統(tǒng)由現(xiàn)場型工控機、顯示器、專用視頻采集卡和數(shù)據(jù)輸出卡組成；攝像機系統(tǒng)由專用高分辨率工業(yè)紅外攝像機、專用紅外攝像鏡頭和不銹鋼水冷防護罩組成；通訊控制電纜由雙屏蔽雙絕緣通訊電纜和耐高溫屏蔽控制電纜組成。采用Wincc6.2軟件一臺計算機實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)和運行。計算機要求為Hp8100以上（包含8100）配置。

2.6 雙控去毛刺創(chuàng)新研發(fā)

毛刺機保證鑄坯表面質(zhì)量的最后一道防線，隨著近幾年的運行，去毛刺系統(tǒng)也暴露出諸多問題，主要表現(xiàn)在去毛刺打擊位置調(diào)節(jié)工作復(fù)雜、調(diào)整時間過長無法保證連續(xù)生產(chǎn)。

針對以上問題，開展技術(shù)攻關(guān)和技術(shù)創(chuàng)新，借助模糊控制理論，在原有控制算法的基礎(chǔ)上增加了自學(xué)習(xí)功能。一方面對原有系統(tǒng)中除保留基礎(chǔ)架構(gòu)和液壓機械設(shè)備，電氣限位和光電管部分，其余全部拆除，增加推動液壓缸，增加雙向切換電磁液壓閥。另一方面采用自主開發(fā)的新的控制部分，增加查詢功能，自主學(xué)習(xí)功能，成功上線，保證去毛刺效果。

3 連鑄機智能控制技術(shù)軟件編程與監(jiān)控畫面開發(fā)

3.1 結(jié)晶器狀態(tài)診斷監(jiān)控系統(tǒng)

本系統(tǒng)主畫面有：液位控制總貌、1#中包液位控制、2#中包液位控制、結(jié)晶器振動控制、液位系統(tǒng)測試、1#中包液位聯(lián)鎖、2#中包液位聯(lián)鎖、結(jié)晶器振動聯(lián)鎖、1#液位歷史曲線、2#液位歷史曲線、振動歷史曲線、報警信息等共12個畫面，部分系統(tǒng)主畫面如圖5、圖6所示。

圖5 液位監(jiān)控主畫面

圖6 系統(tǒng)報警畫面

畫面有每個中包車液位控制參數(shù)信息、當(dāng)前曲線、 塞棒抖動投入選定功能。點擊下面可以選擇塞棒抖動是否投入使用，點擊圖形可以打開抖動參數(shù)設(shè)定修正畫面，如圖7所示?？刂颇Ｊ椒譃槭謩?，位置，本地自動，遠(yuǎn)程自動四種模式。

圖7 結(jié)晶器振動畫面

為防止誤操作發(fā)生，此功能僅在登錄admin用戶后才能進行操作。并增加結(jié)晶器振動聯(lián)鎖畫面與歷史記錄畫面，如圖8所示。

圖8 連鎖報警畫面

3.2 連鑄機扇形段精準(zhǔn)定位與預(yù)警

連鑄機原有設(shè)計方案沒有考慮到驅(qū)動輥抬起的跟蹤，當(dāng)開澆前要求4段（包括4段）以后驅(qū)動輥都要在抬起位置，避免引錠頂?shù)津?qū)動輥。原設(shè)計為在主控室HMI顯示的是抬起狀態(tài)，因現(xiàn)場沒有反饋信號，故如現(xiàn)場驅(qū)動輥實際沒有抬起主控人員也無法發(fā)現(xiàn)。

該系統(tǒng)通過增加抬起壓力檢測環(huán)節(jié)，形成液壓系統(tǒng)的信號閉環(huán)檢測。同時將檢測情況反映到主控室HMI上。軟件部分，壓力信號在PLC程序中做相關(guān)的計算分析，得到驅(qū)動輥精確位置，并將信號傳遞到HMI畫面中，在自主開發(fā)顯示系統(tǒng)中作明確位置指示，具體內(nèi)容如下。

顯示在主控室HMI上，同時添加報警事件，方便事件記錄和故障分析。如圖所示。

圖9 扇形段精準(zhǔn)定位畫面

3.3 切割監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

為滿足微切割高精度、快調(diào)節(jié)的工作模式，項目組對原有切割監(jiān)控系統(tǒng)進行了自主開發(fā)升級，采用了工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）接入PLC的通訊方式，改變原有觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)采用Profibus網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通訊速度提高近一倍，具體配置如圖10所示。

圖10 切割系統(tǒng)配置

4 結(jié)束語

圍繞質(zhì)量提升的6項關(guān)鍵技術(shù)投用后，對保障鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生了明顯的效果。以電磁攪拌和去毛刺機為例，大電流電攪投入使用以來，明顯改善了鑄坯質(zhì)量，增加等軸晶率，改善或減輕鑄坯中心偏析和疏松等作用。板坯連鑄機智能控制技術(shù)，在連鑄機生產(chǎn)中直接關(guān)系產(chǎn)品的質(zhì)量[5]，通過該項目的實施，既提高了產(chǎn)品質(zhì)量，又降低了運行及維護成本，還改善了設(shè)備的運行效率，有效提高了C類2.0中心偏析比例，具有良好的社會效益。□

[1] ZhangZhijie,Thin slap CCM automation control technology equipment to improve,Journal of iron and steel research[J].2009,30(4):235-239.

[2] 張志杰,連鑄機漏鋼預(yù)報系統(tǒng)優(yōu)化改造[J].山東冶金,2007,5:73-75.

[3] 張志杰,陳秀麗,王京玲.無級調(diào)節(jié)底吹攪拌技術(shù)的開發(fā)[J].自動化儀表,2006(7):52-55.

[4] 張志杰,煉鋼廠自動化儀表現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2012:104-105.

[5] 張志杰,連鑄機高效基礎(chǔ)自動化技術(shù)分析[J].PLC&FA,2008,12:67-70.