基于S7- 400 結(jié)晶器振動臺液壓控制系統(tǒng)應用分析

王晉海

（包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學院，內(nèi)蒙 古包頭 014060）

1 結(jié)晶器振動控制技術(shù)

1.1 結(jié)晶器振動技術(shù)的意義

結(jié)晶器振動控制是實現(xiàn)冶金連鑄工藝的一項重要技術(shù)，振動裝置將按照一定頻率、振幅和波形方式振動，用于完成鑄坯在結(jié)晶器中的脫模，防止鑄坯在結(jié)晶器中發(fā)生粘結(jié)。振動臺控制精度直接關(guān)系到鑄坯坯殼形成的質(zhì)量，可以有效的改善鑄坯表面裂紋和扭曲形變等表面質(zhì)量問題，同時可以有效的防止漏鋼等嚴重的生產(chǎn)事故的發(fā)生，保證連鑄生產(chǎn)的安全可靠。

1.2 結(jié)晶器振動裝置演變

結(jié)晶器振動機構(gòu)有四偏心輪振動結(jié)構(gòu)、短臂四連桿振動機構(gòu)和液壓伺服振動機構(gòu)，經(jīng)過電動機械振動結(jié)構(gòu)到液壓振動的發(fā)展過程。隨著液壓設(shè)備和與其對應控制技術(shù)的發(fā)展，結(jié)晶器液壓振動成為了各新建生產(chǎn)線的首要選擇，與傳統(tǒng)振動機械結(jié)構(gòu)對比，液壓振動機構(gòu)不僅可以承載較大的生產(chǎn)負荷，而且易于實現(xiàn)高精度控制，有效的減小鑄坯表面振痕，配合結(jié)晶器保護渣的使用可以降低結(jié)晶器內(nèi)壁和鑄坯坯殼粘結(jié)，進一步減少粘鋼和漏鋼事故的發(fā)生。

1.3 結(jié)晶器振動臺液壓控制系統(tǒng)的組成

結(jié)晶器振動臺控制系統(tǒng)由上位機界面，PLC 控制器，液壓缸，伺服閥，位置傳感器，壓力傳感器構(gòu)成。

上位機采用西門子WinCC 工業(yè)控制軟件，用于控制和監(jiān)測振動臺控制系統(tǒng)的振動曲線、控制伺服閥選擇、設(shè)備狀態(tài)以及對應的連鎖關(guān)系和報警顯示。PLC 控制器采用西門子S7-400PLC，硬件配置如表1 所示，其中電源模塊PS407 為各模塊供電，CPU416-3DP 完成系統(tǒng)的邏輯運算控制，CP443以太網(wǎng)通信實現(xiàn)振動臺PLC 與鑄流PLC、上位機之間通信，讀取操作模式、板坯澆鑄速度同時將振動臺狀態(tài)信息上傳至上位機，F(xiàn)M452 模塊完成對液壓缸位置傳感器數(shù)據(jù)讀取運算，數(shù)字量，模擬量輸入輸出模板，實現(xiàn)對壓力傳感器，鎖閉閥及伺服閥的讀取與控制。

表1 振動臺PLC 硬件配置

整套控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，維護簡便，操作系統(tǒng)簡明，便于設(shè)備故障定位和檢修，同時具控制系統(tǒng)備了較強的抗干擾能力，適合于電磁環(huán)境復雜的鋼鐵企業(yè)。

2 結(jié)晶器振動控制策略

結(jié)晶器振動臺由現(xiàn)場液獨立的兩個壓缸構(gòu)成，為了保證單個液壓缸的位置控制精度和兩個缸的動作同步性，振動控制策略分為對單缸位置控制和兩缸同步控制兩部分。液壓缸控制原理如圖1 所示。

圖1 液壓缸控制框圖

2.1 振動臺單液壓缸控制方案

振動臺液壓缸的位置設(shè)定是根據(jù)控制要求及對應控制曲線，由PLC 內(nèi)置的波形發(fā)生器生成振動波形，液壓缸實際位置由FM452 模板對現(xiàn)場振動臺液壓缸的外置位置傳感器進行實時讀取，振動臺液壓缸的設(shè)定位置與實際位置進行實時比較，采用PI 調(diào)節(jié)器和前饋自適應調(diào)節(jié)器Kff 參與控制，輸出±10V 信號作為伺服閥的控制信號驅(qū)動液壓缸動作，完成閉環(huán)控制。因振動臺設(shè)備直接用于生產(chǎn)，為了保證設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，液壓控制系統(tǒng)采用雙路冗余控制，即設(shè)置A、B 兩套伺服閥進行輸出控制，正常情況只使用其中一套，另一套作為備用。

2.2 振動臺兩液壓缸同步控制方案

為了保證在振動臺上的結(jié)晶器保持水平，防止傾斜造成生產(chǎn)事故，所以需要在檢修和生產(chǎn)過程中保持兩液壓缸動作同步。結(jié)晶器液壓振動系統(tǒng)采用一個獨立的液壓站提供系統(tǒng)壓力，在工作過程中兩液壓缸之間可能存在液體壓力回路的不平衡，致使兩臺液壓缸之間的移動不同步。為保障系統(tǒng)同步移動控制，在液壓缸控制系統(tǒng)中將移動速度引入作為同步控制回路，同步控制策略是對兩個液壓缸的移動速度信號進行比較，如果兩個差值小于閾值，表示兩個液壓缸之間已經(jīng)實現(xiàn)同步，無需干預；如果差值超出閾值，即液壓缸未同步，控制策略即通過調(diào)整液壓缸動作速度來實現(xiàn)兩個缸之間的同步。

2.3 振動臺振幅和振動頻率選擇

振動臺幅和振動頻率是基于板坯澆鑄速度進行確定的，如圖2 所示，即澆鑄速度與振幅和振動頻率呈線性關(guān)系，所以對應在實際運行中的結(jié)晶器控制，其振動頻率和振幅必然受到澆鑄速度的限制，如圖3 所示，當澆鑄速度提高，為了便于鑄坯在結(jié)晶器中完成脫模，振動臺振幅會下降同時振動頻率提高。澆鑄速度對應的振動頻率和振幅參數(shù)可由操作人員在WinCC 畫面進行設(shè)置或者由二級計算機電腦進行下發(fā)控制，具體參數(shù)選擇由操作人員在WinCC 畫面進行修改和切換。

圖2 澆鑄速度與振幅和頻率關(guān)系

圖3 振幅與頻率截止圖

2.4 振動臺控制曲線及其切換

結(jié)晶器振動臺液壓控制系統(tǒng)具備強大的控制靈活性，可以對控制曲線進行編輯和選擇，包括正弦、雙正弦、不對稱正弦、鋸齒、平滑的鋸齒、和用戶自定義的波形。不同的波形適用于不同鋼種、結(jié)晶器及設(shè)備狀態(tài)，即使是同一個澆次，因澆鑄速度的變化其振動波形也會發(fā)生變化，所以各類波形的切換采用無擾動方式進行。如圖4 所示，切換點為振動臺振動波形位置零點。

圖4 振動波形切換示意圖

3 結(jié)晶器振動控制算法分析

PID 控制系統(tǒng)原理如圖5 所示。PID 控制算法具有結(jié)構(gòu)簡單，邏輯清晰，易于實現(xiàn)等優(yōu)點，廣泛應用于工礦企業(yè)的控制系統(tǒng)中。

圖5 PID 控制系統(tǒng)原理圖

PLC 控制器是一種基于離散變量的采樣控制系統(tǒng)，其使用的是數(shù)字PID 控制器，數(shù)字PID 控制算法通常又分為位置式PID 控制算法和增量式PID 控制算法。鑒于保證生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用增量式PID 控制算法。增量式PID 控制算法具有誤動作影響小，可采用邏輯判斷將錯誤動作增量消除。設(shè)備在頻繁切換時減小對控制系統(tǒng)的沖擊，適合于自適應控制，同時控制系統(tǒng)運算量小，減輕PLC 負擔。

比例環(huán)節(jié)P 控制的作用在于加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。P 越大，系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但將產(chǎn)生超調(diào)，甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié)I 的作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度。I 越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越大，但I 過大，在響應過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應過程的較大超調(diào)。微分作用環(huán)節(jié)D 的作用在于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。如果D 過大，則會使響應過程過分提前制動，從而延長調(diào)節(jié)時間，而且系統(tǒng)的抗干擾性能較差。

結(jié)晶器振動臺采用PI 調(diào)節(jié)器控制保證系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)態(tài)誤差，由于結(jié)晶器振動臺的振幅和振動頻率是隨著澆鑄速度的變化而變化，如果直接引入微分控制環(huán)節(jié)，當在開澆，停澆和漏鋼事故發(fā)生時，為了保證設(shè)備安全和人身安全，澆鑄速度會快速變化，即振動臺振動曲線頻繁切換時，會造成控制系統(tǒng)的劇烈波動甚至導致系統(tǒng)失控，所以為了兼顧系統(tǒng)動態(tài)特性，采用前饋自適應調(diào)節(jié)器已滿足在不同工況下的系統(tǒng)動態(tài)控制，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

結(jié)束語

結(jié)晶器振動臺液壓控制系統(tǒng)具備控制系統(tǒng)穩(wěn)定、運行可靠的特點。本控制系統(tǒng)在生產(chǎn)中易于調(diào)整振動曲線，對多種工況有良好的適應性，同時可用于澆鑄多種鋼種，具體操作只需要按照工藝要求在生產(chǎn)前將新鋼種對應澆鑄速度下的振幅、頻率輸入對應的參數(shù)界面即可。本系統(tǒng)有效的改善了鑄坯在結(jié)晶器中的脫模過程，減少了粘鋼漏鋼事故的發(fā)生。冶金領(lǐng)域引進結(jié)晶器振動裝置，使得工業(yè)上可以大規(guī)模實現(xiàn)連鑄應用技術(shù)。極大地的提高了生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性，對社會經(jīng)濟的發(fā)展具有積極意義。