連鑄機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉海霞

（常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州）

1 引言

目前煉鋼廠使用的3#、4#連鑄機(jī)為小方坯連鑄機(jī)，是三機(jī)三流全弧形二點(diǎn)矯直結(jié)構(gòu)。利用該連鑄機(jī)，從開始澆注到具體形成需要經(jīng)過(guò)兩次冷卻，第一次冷卻需要通過(guò)結(jié)晶器來(lái)完成，在本階段鋼水在結(jié)晶器內(nèi)冷卻形成了初步坯殼，在完成第一次冷卻后，坯殼進(jìn)入到第二次冷卻區(qū)域開始第二次冷卻，而在二次冷卻過(guò)程中冷卻水的科學(xué)利用對(duì)最終鋼坯的高質(zhì)量生產(chǎn)起到關(guān)鍵作用。原本的二冷水流量是不可調(diào)節(jié)的，拉速變化也沒有同步實(shí)現(xiàn)，隨著品種鋼改造升級(jí)后，對(duì)生產(chǎn)工藝提出更高要求，特別是各類優(yōu)質(zhì)鋼材的生產(chǎn)過(guò)程更需要精細(xì)化保障，其中二次冷卻控制至關(guān)重要，如若操作不當(dāng)就會(huì)形成各類鑄坯缺陷，例如內(nèi)部及表面裂紋、鑄坯的菱變（脫方）鼓肚等等。原本的二冷水流量固定配水方式無(wú)法更好滿足效果，冷卻效果無(wú)法實(shí)現(xiàn)最大化，對(duì)鋼坯質(zhì)量會(huì)造成實(shí)質(zhì)性影響。因此需要采用二冷水動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，最佳的冷卻效果才會(huì)得以實(shí)現(xiàn)。

2 二冷水的工藝簡(jiǎn)介及控制思路

連鑄機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中，鋼水需要從中間包到結(jié)晶凍結(jié)成型，在引錠桿牽引下，鋼坯進(jìn)入二冷環(huán)節(jié)，之后到拉矯機(jī)，經(jīng)火切機(jī)切割后輸出鋼坯。在該工藝品的整個(gè)過(guò)程中，其需要從1500℃的液態(tài)變成700℃方鋼坯。對(duì)于高效連鑄而言，二冷水的配置是否能夠做到最優(yōu)化處理，這對(duì)于鋼坯的整個(gè)生產(chǎn)起到關(guān)鍵性的作用，鑄坯的質(zhì)量?jī)?yōu)劣也是在這個(gè)階段來(lái)實(shí)現(xiàn)的。良好的二冷模式必須具備以下三點(diǎn)性能：一是有助于鑄坯內(nèi)部質(zhì)量或是表面質(zhì)量的提高；二是能延長(zhǎng)二次冷卻設(shè)備的使用壽命；三是用水量較少，可以更好滿足生產(chǎn)效率的實(shí)際要求。具體生產(chǎn)過(guò)程中，二次冷水的控制方式需要充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝等要求來(lái)細(xì)化和確定，就理論而言，一般采用沿澆鑄的方向來(lái)預(yù)測(cè)凝固厚度梯度及溫度變化來(lái)確定，具體則使用拉速對(duì)二次冷卻水流量進(jìn)行定量控制。具體控制過(guò)程如圖1所示：

圖1 控制過(guò)程圖

在連鑄機(jī)改造完成后，可以實(shí)現(xiàn)分三段對(duì)二次冷卻水水量進(jìn)行比例控制，分別為足輥段、Ⅰ段和Ⅱ段。隔段根據(jù)內(nèi)外弧及兩側(cè)邊分別配水，采用水霧冷卻，具體用水量與拉速呈正向動(dòng)態(tài)關(guān)系。每個(gè)冷卻段都是通過(guò)一個(gè)流量計(jì)以及一個(gè)調(diào)節(jié)閥，在調(diào)節(jié)閥后分管直至分水器，通過(guò)分水器再分成內(nèi)外弧以及左右兩側(cè)噴淋管。

3 二冷水控制數(shù)學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)

二冷水動(dòng)態(tài)模型控制需要在特定的環(huán)境下來(lái)進(jìn)行，其冷卻的水量也會(huì)隨著拉速的變化而發(fā)生改變。其還會(huì)呈現(xiàn)出最佳的狀態(tài)來(lái)分布，這樣就可以對(duì)鑄坯表面溫度進(jìn)行控制，讓鑄坯質(zhì)量變得更好。

3.1 配水模型基本公式

運(yùn)用拉速相關(guān)控制法，又稱比例控制法、比水量法或水表法，屬一級(jí)控制。該控制法將拉速作為具體控制參數(shù)，根據(jù)拉速V的增減量來(lái)確定冷卻水Qi的總量大小。具體計(jì)算公式如下：

式中：Q 為冷卻水量，m3；V 為拉速，m/min；A、B、C為各類系數(shù)，具體由鋼種、鑄坯斷面尺寸等所確定；i為冷卻段序號(hào)，i=1、2、3。

3.2 控制原理

一般采用閉環(huán)控制，采用前提為中包鋼水整體溫度相對(duì)穩(wěn)定?？刂浦饕凑斩卫渌畢^(qū)域不同段為進(jìn)行水量變化控制。配水量的確定方法，必須要結(jié)合不同鋼種以及不同鋼種的斷面尺寸鑄坯，在不同拉速下進(jìn)行模型操作來(lái)最終確定。一般情況，按照回歸方式可以清晰得到水量與拉速的關(guān)系。如公式（1）。根據(jù)這一關(guān)系，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)二次冷卻區(qū)各段的鑄坯冷卻最優(yōu)配水量。原理如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)原理圖

4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成及功能實(shí)現(xiàn)

4.1 二冷水自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬軟件配置

煉鋼廠4#連鑄機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件為GE公司9030 PLC。軟件使用SIMATIC人機(jī)界面WINCC 6.0sp2和GE VersaPro編程軟件。Wincc監(jiān)控界面與PLC之間通過(guò)GE OPC Server進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)交換，PLC站與站之間、PLC站與上位機(jī)之間通訊使用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。人機(jī)終端界面HMI有寫入修改參數(shù)，對(duì)于需要的數(shù)據(jù)要讀出來(lái)，并且要安裝好報(bào)警程序。一旦水量低或者是水溫較大的情況下其就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，這樣對(duì)于值班人員就可以起到提醒的作用。值班人員一旦發(fā)現(xiàn)這種狀況就可以及時(shí)的查看設(shè)備并且及時(shí)的排除相應(yīng)的隱患，讓設(shè)備的安全周期運(yùn)行效率得到提高。該鑄機(jī)共有三個(gè)流，每流有1套反沖洗裝置、1臺(tái)快切閥、1只電子壓力表；每段上有1只電子流量計(jì)和1臺(tái)氣動(dòng)比例閥。在原有連鑄機(jī)的PLC系統(tǒng)擴(kuò)展機(jī)架中加入數(shù)據(jù)采集模塊，并在PLC中對(duì)其進(jìn)行組態(tài)，分配好相應(yīng)的I/O地址?，F(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)還包含了二冷水系統(tǒng)的水流量以及水壓，要對(duì)調(diào)節(jié)閥位進(jìn)行反饋和控制，對(duì)于振動(dòng)裝置還需要對(duì)其頻率進(jìn)行控制，對(duì)于結(jié)晶的水流量和溫度等都需要進(jìn)行相應(yīng)的控制工作。為了讓信號(hào)干擾問(wèn)題降到最低的水平，在對(duì)流量、壓力、溫度的信號(hào)回路中間加裝有無(wú)源信號(hào)隔離器。

4.2 二冷水水量計(jì)算及修正

根據(jù)配水模型基本公式（1），綜合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取用下列數(shù)據(jù)模型（以足輥為例）：

其中：Q1JS為計(jì)算后的配水量（m3/min）；V 為拉速（m/min）。

修正后的流量：Q1XZ=K*K1

其中：Q1JS為修正后的配水量（m3/min）；K為總流量修正系數(shù)；K1為足輥流量修正系數(shù)。

在整個(gè)冷卻水配水過(guò)程中，每個(gè)速度段的配水公式的系數(shù)是不同的，所以流量也不同。在實(shí)際應(yīng)用中，水量的控制采用分段函數(shù)：

二冷水水量修正計(jì)算是根據(jù)二冷各段噴嘴設(shè)計(jì)布置的理論流量分配比例，以實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，拉速為2.0m/min的合理比水量確定出的k、k1、k2、k3調(diào)節(jié)數(shù)值，k初步確定統(tǒng)一為1.00，調(diào)節(jié)范圍1～2；其中低合金鋼足輥k1=1.91，一段k2=1.23，二段k3=0.84，普碳鋼足輥k1=1.67，一段k2=1.08，二段 k3=0.74，調(diào)節(jié)范圍0～3.0。分鋼種在拉速為2.0m/min的理想給水量，調(diào)整時(shí)應(yīng)鄭重，一般不作調(diào)整。如果供水管或噴嘴發(fā)生嚴(yán)重堵塞的時(shí)候就會(huì)讓水量不足，可參照k1、k2、k3值作出調(diào)整。實(shí)際生產(chǎn)中k值一般不作調(diào)整，k1、k2、k3調(diào)整操作應(yīng)精細(xì)，以0.05為一個(gè)調(diào)整單位進(jìn)行調(diào)整。

在實(shí)際調(diào)試時(shí)，要根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際要求，考慮到足輥流量在開澆起步階段的重要性，足輥調(diào)節(jié)閥設(shè)為全開狀態(tài)。即當(dāng)拉速大于0.4m/min時(shí)，足輥流量為最大值。

水量修正計(jì)算程序如圖3所示：

圖3 水量修正計(jì)算程序圖

4.3 二次冷水各段水量PID（比例、積分、微分）的閉環(huán)控制

在PLC程序中，通過(guò)二次配水的曲線數(shù)學(xué)模型PID調(diào)節(jié)方式來(lái)控制二次冷水，就能夠?qū)崿F(xiàn)利用監(jiān)控畫面對(duì)自動(dòng)化配水功能進(jìn)行快速調(diào)整，在WinCC控制畫面針對(duì)各段設(shè)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制按鈕。自動(dòng)模式下，鑄流水量設(shè)定值SP（計(jì)算流量）由PLC通過(guò)配水公式及修正后計(jì)算給定。需要通過(guò)點(diǎn)位器實(shí)現(xiàn)拉速的確定，并且通過(guò)配水公式來(lái)計(jì)算出每頓的噴水量SP，SP通過(guò)工程量換算成4-20mA的電流信號(hào)輸出給執(zhí)行器，執(zhí)行器控制閥門開度，并通過(guò)閥門的閥位反饋信號(hào)輸入到PID控制程序，與此同時(shí)，電磁流量計(jì)檢測(cè)到的水流量PV（實(shí)際流量），與PID過(guò)程設(shè)置點(diǎn)SP的數(shù)據(jù)比較，輸入到PID程序塊中通過(guò)對(duì)比工程量和噴水量，計(jì)算出偏差，再輸出給執(zhí)行器來(lái)控制閥門。根據(jù)工藝要求，設(shè)定目標(biāo)參數(shù)，由PID回路的調(diào)試曲線，不斷調(diào)整Kp（比例系數(shù)）、Kd（積分系數(shù)）、Ki（微分系數(shù)）控制參數(shù)，使被控參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值的正常波動(dòng)范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)控制閥門的開度，達(dá)到對(duì)流量精確控制，實(shí)現(xiàn)理論噴水量與實(shí)際流量一致。整個(gè)配水過(guò)程是調(diào)節(jié)閥利用PID控制回路進(jìn)行閉環(huán)控制。把最終數(shù)據(jù)放到R03050，最后通過(guò)模擬量模塊AQ0040輸出給執(zhí)行器。其PID功能塊程序如圖4所示：

圖4 PID功能塊程序圖

充分利用上位機(jī)進(jìn)一步對(duì)過(guò)程監(jiān)控畫面進(jìn)行改進(jìn)。回路畫面中，將PID回路的PV值、SP值、CV值（PID輸出）用棒圖形式、數(shù)字形式進(jìn)行集中顯示，具體操作員不僅能直接觀測(cè)回路調(diào)節(jié)情況，并根據(jù)需求對(duì)回路參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)定。調(diào)節(jié)畫面中設(shè)有手動(dòng)、自動(dòng)模式切換按鈕。手動(dòng)控制中，二次冷水流量由操作人員在WINCC監(jiān)控畫面手動(dòng)輸入，范圍值為：0-32000（0～100%），而在 PLC 程序中，直接跳過(guò)PID的調(diào)節(jié)，對(duì)AQ0040進(jìn)行賦值，從而實(shí)現(xiàn)閥門控制，最終使得水量調(diào)節(jié)最大程度接近于理想曲線。WINCC PID監(jiān)控趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 WINCC PID監(jiān)控趨勢(shì)圖

5 改造產(chǎn)生效果

本改造項(xiàng)目的成功實(shí)施，不僅可通過(guò)HMI進(jìn)行在線監(jiān)控及操作，且操作靈活方便，讓生產(chǎn)效率得到了更大提升，手動(dòng)和自動(dòng)之間可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)轉(zhuǎn)換，調(diào)水時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)更大的節(jié)約，并連鑄機(jī)穩(wěn)定、高效、快速生產(chǎn)起到有力保障?？刂葡到y(tǒng)在改造之后，冷卻問(wèn)題得到極大改善，各類實(shí)際生產(chǎn)中易發(fā)多發(fā)的裂紋、鼓肚現(xiàn)象得到有效緩解，鑄坯脫方、疏松、縮孔等常見缺陷概率也大幅下降。系統(tǒng)的成功改造，無(wú)論是在控制系統(tǒng)方面還是在生產(chǎn)工藝方面，都得到實(shí)質(zhì)性的飛躍，可以將普通的連鑄機(jī)生產(chǎn)優(yōu)鋼的功能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。