連鑄結晶器保護渣自動添加系統(tǒng)設計

劉春暉，牟輝龍，張 政，黃存款，王立強，楊軍坤

(1.山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東青島 266590；2.冀中能源股份有限公司邢東礦動力科，河北邢臺 054000；3.冀中能源股份有限公司東龐礦，河北邢臺 054200)

0 引言

連鑄生產中，需要向連鑄結晶器內不斷添加保護渣。保護渣可以起到隔絕空氣、潤滑、導熱的作用，對生產鋼坯的質量和連鑄機的高效運行有著重要作用[1-3]。保護渣添加是否及時，添加量是否得當，直接影響保護渣的作用效果[4]。

連鑄保護渣添加方式有人工添加和自動添加兩種，自動添加方式在板坯生產中運用廣泛，人工添加方式普遍運用于方坯生產中。經調研，人工添加保護渣時，工人必須時刻觀察結晶口，注意鋼水流速、鋼坯拉速，不斷對結晶口處的保護渣液渣層厚度進行測量，根據(jù)個人經驗將一定量的保護渣推入結晶口，人工添加保護渣對工人的經驗和專注度要求高。由于現(xiàn)場環(huán)境的特殊性和工作形式的間斷性，人工添加不能做到持續(xù)準確地判斷保護渣添加量和添加時機，進而無法保證連續(xù)良好的保護渣作用效果。另外，保護渣使用量的記錄需要靠人工核算保護渣進出庫總量，而對于各個結晶口特定時間段內的保護渣消耗量則沒有辦法進行統(tǒng)計，不便于對保護渣使用量進行具體化管理。

根據(jù)方坯連鑄結晶器保護渣的添加需求和實際情況，本文研發(fā)出一種能夠適應方坯連鑄生產的保護渣自動添加系統(tǒng)，在系統(tǒng)硬件設計的基礎上開發(fā)出PLC控制程序和上位機、觸摸屏應用軟件。

1 自動添加系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)功能要求

方坯保護渣添加不同于板坯，方坯連鑄結晶口較多，且每一結晶口對應的保護渣添加量和添加時機不同，因此對自動添加系統(tǒng)執(zhí)行機構的獨立性要求較高。根據(jù)方坯連鑄保護渣添加作業(yè)流程，結合實踐經驗得出方坯連鑄保護渣自動添加系統(tǒng)的基本要求，如下：

(1)能對保護渣狀態(tài)進行監(jiān)測和控制；

(2)能按照生產需求及時、準確地向各個結晶口添加保護渣；

(3)能準確檢測保護渣添加效果，實現(xiàn)保護渣添加的閉環(huán)控制；

(4)能顯示運行過程、記錄歷史數(shù)據(jù)、進行故障報警，并能實現(xiàn)機旁和遠程控制。

1.2 系統(tǒng)控制策略

自動添加系統(tǒng)采用多參數(shù)加渣量公式控制保護渣添加量以適應連鑄生產中對保護渣需求量的變化。通過采集方坯連鑄生產中所有影響保護渣使用量的參數(shù)，結合專業(yè)經驗和生產要求得出保護渣添加量計算公式[5]，即為多參數(shù)加渣量公式，如下所示：

式中：Q為保護渣消耗量，kg/m3；A為結晶器振幅，mm；vc為拉速，m/min；f為結晶器振頻，次/min；α為保護渣黏度，Pa·s。

采用保護渣添加效果反饋機制對保護渣添加時機進行調節(jié)，可以實現(xiàn)保護渣自動添加系統(tǒng)的閉環(huán)控制。系統(tǒng)根據(jù)計算得到的結晶口保護渣液渣層厚度,根據(jù)此厚度調節(jié)下個檢測周期內保護渣添加動作的時間間隔，厚度超過一定數(shù)值增大保護渣添加動作時間間隔，低于一定數(shù)值減小時間間隔，厚度在一定范圍內則保持當前添加周期，一般厚度設置為2～3 cm最為合適。

1.3 系統(tǒng)組成及工作原理

1.3.1 系統(tǒng)組成

以6流方坯連鑄生產車間使用的保護渣自動添加系統(tǒng)為樣本，保護渣自動添加系統(tǒng)結構如圖1所示，主要包含6個保護渣存儲箱、6路下料管路、檢測傳感器及其驅動機構、現(xiàn)場操作箱、上位機和配電控制柜等部分。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

1.3.2 工作原理

根據(jù)保護渣自動添加系統(tǒng)的組成結構和功能要求，本系統(tǒng)采用S7-300 PLC實現(xiàn)保護渣自動添加系統(tǒng)的設計[6]。系統(tǒng)控制結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制結構圖

保護渣自動添加系統(tǒng)的執(zhí)行機構將保護渣狀態(tài)信息、步進電機運轉情況、氮氣壓力信息發(fā)送給計算機，為系統(tǒng)執(zhí)行保護渣添加動作做好準備。系統(tǒng)工作期間，計算機根據(jù)采集到的方坯連鑄生產實時數(shù)據(jù)結合控制策略得出保護渣添加量和添加時間間隔，經PLC將保護渣添加量轉化為電機轉動角度，將添加時間間隔轉化為電磁閥開通時間。存儲箱內的保護渣在下料軸的帶動下旋入下料管道，然后電磁閥開通壓縮氮氣將保護渣吹入結晶口，完成1次保護渣添加動作，每10個上述保護渣添加動作為1個檢測周期，1個檢測周期結束后，系統(tǒng)檢測機構工作1次，對保護渣液渣層厚度進行測量，調節(jié)下一個檢測周期內保護渣添加時間間隔。保護渣添加量根據(jù)方坯連鑄實時生產情況及時調節(jié)，添加時間間隔根據(jù)檢測機構反饋信息每1個檢測周期調節(jié)1次。

2 自動添加系統(tǒng)硬件設計

硬件系統(tǒng)主要包括控制機構、檢測機構和執(zhí)行機構3部分?？刂茩C構主要包括PLC、步進電機控制器、上位機和現(xiàn)場操作箱等。檢測機構主要包括檢測傳感器和傳感器驅動機構。執(zhí)行機構主要包括保護渣存儲箱、下料管路、噴嘴和氮氣管路等，其中保護渣存儲箱包含保護渣料倉、加熱板、步進電機和氮氣電磁閥。

2.1 檢測傳感器選型

檢測機構負責對每一結晶口的液位信息進行測量，方坯連鑄結晶口處液位變化幅度不大，但因鋼水的持續(xù)流入液位波動較為頻繁，在保證精度的前提下選擇能夠持續(xù)測量的液位傳感器；結晶口處溫度極高，應選用非接觸式測量傳感器；結晶器平臺空間有限，還要注意傳感器尺寸[7]。綜合考慮，檢測傳感器選用HZH-DDJ-S型激光液位儀，該傳感器采用一體化設計，體積小，工作環(huán)境溫度可達70 ℃，能夠適應結晶器平臺的工作環(huán)境，通過RS485串口通信，測量范圍0.05～40 m，滿足系統(tǒng)通訊和精度要求。

2.2 控制系統(tǒng)設計

系統(tǒng)硬件采用模塊化設計，每個結晶口對應的執(zhí)行機構相互獨立，根據(jù)系統(tǒng)結構和控制策略進行S7-300 PLC的I/O口地址分配[8-10]。具體分配情況如表1所示。分配好I/O口地址后對系統(tǒng)控制配電柜進行裝配，控制配電柜實物如圖3所示。

表1 PLC I/O口分配

圖3 控制配電柜

3 自動添加系統(tǒng)控制程序和軟件設計

3.1 控制程序設計

鑒于連鑄生產車間生產情況的不確定性，系統(tǒng)控制程序分為人工控制和自動控制兩種，系統(tǒng)啟動后默認為自動控制方式。自動控制狀態(tài)下，系統(tǒng)根據(jù)生產情況進行保護渣添加動作調節(jié)，點擊現(xiàn)場操作箱上的控制模式切換按鍵轉換到手動控制，手動控制時工人視生產情況調節(jié)保護渣添加參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)設置的參數(shù)進行保護渣添加動作。系統(tǒng)主控制流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主控制流程圖

3.2 應用軟件設計

系統(tǒng)應用軟件分為上位機應用軟件和現(xiàn)場操作箱應用軟件，采用VB語言編寫。上位機選用Advantech IPC，現(xiàn)場操作箱選用KTP 1200 Basic HMI作為顯示操作平臺，結合專用軟件，提供可視化的管理平臺和操作平臺。

上位機應用軟件包含主界面、記錄界面、設置界面、修改密碼、退出系統(tǒng)等主要操作選項，上位機應用軟件結構如圖5所示，實現(xiàn)動作過程顯示、歷史數(shù)據(jù)記錄、報表生成、系統(tǒng)遠程控制功能，軟件主界面如圖6所示。

圖6 上位機軟件主界面

現(xiàn)場操作箱應用軟件界面主要包含過程顯示界面、控制模式切換、手動設置界面等，實現(xiàn)添加過程顯示、系統(tǒng)控制模式選擇、簡單故障報警等功能，軟件主界面如圖7所示。

圖7 HMI主界面

4 結束語

本文分析了方坯連鑄生產中人工添加保護渣存在的不足，在大量實地調研的基礎上設計出一種保護渣自動添加系統(tǒng)。分別對系統(tǒng)的硬件結構、控制策略、上位機和操作箱應用軟件進行了介紹。系統(tǒng)硬件和軟件設計都充分考慮現(xiàn)場實際應用情況，獨立模塊化的硬件設計和便捷可視化的軟件設計提高了系統(tǒng)的適用性、操作性。該系統(tǒng)已在方坯連鑄車間實際應用，實踐結果表明，系統(tǒng)能夠較為準確地實現(xiàn)保護渣添加動作控制，提高了連鑄生產效率，減少了保護渣使用量，減輕了工人勞動負擔，改善工人工作環(huán)境。