（机械电子工程专业论文）连铸机液位监控软件的开发.pdf

摘要 本课题的主要任务是对连铸机液位监控软件的开发，本文围绕河北平山的一个单 流板坯连铸机液位监控系统的开发项目进行论述。 首先，在比较液位控制系统各组成部分方式和特点的基础上，确定采用涡流检测 技术与步进电动缸技术相结合的方式来实现结晶器液位的闭环自动控制：硬件设计 上，完成了液位控制系统各组成部分的设计选型。下位机软件设计上，采用p l c 自 带的p t o 输出口控制步进电动缸的位置间接控制进入结晶器的流量，采用成熟的p i 控制算法实现液位的闭环控制。 由于该系统结构功能比较简单和单一，同时由于西门子公司s 7 2 0 0 系列p l c 比 监控组态软件w i n c c 推出晚，w i n c c 无法直接实现和s 7 2 0 0 系列p l c 的通信，而 且w i n c c 组态软件价格比较昂贵，相对这样一个简单而单一的系统来说不经济，本 课题针对这种状况，开发了上位机监控软件。 上位机监控软件的开发采用微软的可视化编程软件v i s u a lc + + 6 0 和西门子的通 信软件包p r o d a v e5 5 。v i s u a lc + + 6 0 编制的软件通过调用p r o d a v e 软件包里面的一些 动态链接库函数能够较简单和较经济地实现上位机和下位机的通信，从而达到监控目 的。本监控软件利用面向对象的方法进行分析和设计，程序包括数据处理、界面显示、 系统安全等模块，实现了液位曲线实时显示、系统状态显示、报警显示、参数设置、 打印报表和传感器标定等主要功能。 关键词：p l c ；连铸机；监控软件；p r o d a v e a b s t r a c t t h em a i nc o n t e n to ft h i s p a p e ri s t h ed e v e l o p m e n to ft h el e v e lm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gs o f t w a r ef o rc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e ，a n dt h ep a p e ri sc o m b i n e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h el e v e lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mf o rc o n t i n u o u sc a s t i n g m a c h i n eo fs i n g l ew a ys l a bt u n d i s hi np i n g s h a n ，h e b e i f i r s t l y , t h ep a p e rd e t e r m i n e st ou s et h ee d d yc u r r e n td e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e s t e p p i n ge l e c t r o m o t i o nt e c h n o l o g yt or e a l i z et h ec l o s e dl o o pa u t o m a t i cc o n t r o lo fm o l d m o l t e ns t e e ll e v e l ，o nt h eb a s i so fc o m p a r i n gm o d ea n dc h a r a c t e r i s t i co fe a c hc o n s t i t u e n t p a r to f t h em o l dl e v e lc o n t r o ls y s t e m f o rt h eh a r d w a r ed e s i g n ，i tc o m p l e t e sc h o i c eo fe a c h c o n s t i t u e n tp a r to fm o l dl e v e lc o n t r o ls y s t e m f o rt h es o f t w a r ed e s i g no fr o c k - b o t t o m m a c h i n e ，i tu s e sp t op o r to fp l ct oc o n t r o lt h es t e p p i n gm o t o ri no r d e rt ok e e pt h em o l t e n s t e e l l e v e ls t e a d y , a n da d o p t st h em a t u r ep ic o n t r o l a l g o r i t h mt or e a l i z ec l o s e dl o o p a u t o m a t i cc o n t r o lo fm o l dm o l t e ns t e e il e v e l b e c a u s et h es y s t e m ss t r u c t u r ea n df u n c t i o n sa r es i m p l ea n ds i n g l e ，a tt h es a r n et i m e ， s i e m e n sl t d ss 7 2 0 0p l cw a sl a t e rp r o d u c e dt h a nc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew i n c c m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs o f t w a r eo fp ci sn o te a s i l yd e v e l o p e db yw i n c c ，a n di ti s c o s t l y , r e l a t i v et ot h es i m p l es y s t e m ，i ti sn o te c o n o m i c a l a i m e dt ot h es t a t u s ，id e v e l o pt h e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs o f t w a r e t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs o f t w a r eo fp ci sd e v e l o p e du s i n gv i s u a lc + + 6 0t o o l o fm i c r o s o f ta n dp r o d a v e5 5p a c k a g eo fs i e m e n sl t d a n dt h es o f t w a r ei sa n a l y z e da n d d e s i g n e db yo b j e c t o r i e n t e dm e t h o d ，a n dd e s i g n e db yo b j e c t o r i e n t e dm e t h o d 。t h e p r o g r a mi n c l u d e sd a t am a n a g e m e n t ，i n t e r f a c ed i s p l a y , s y s t e ms a f e t ya n do t h e r sb l o c k t h e s o f t w a r er e a l i z e sl e v e lc u r v e d i s p l a y ，s y s t e ms t a t ed i s p l a y ，a l a r md i s p l a y ，p a r a m e t e rs e t t i n g a n ds oo n 。 w r i t t e nb y ：l i ul i y u n ( m e c h a n i c a l e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y ：v p r o f , g l l o , p i n gl i u k e yw o r d s ：p l c ：c o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e ：m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs o f t w a r e p r o d a v e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：予7 妒l 主 签字臼期： 坤年月1 9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌太学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：予 审 0 签字日期；伽口8 年6 月结日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：知i l 乱夺 签字日期：衫年莎月f p 目 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 连铸及控制技术发展现状 连铸是指使钢水连续不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出 口连续拉出，经喷水冷却全部凝固后，切成坯料的铸造工艺。连铸技术的开发 与应用是钢铁工业继氧气转炉之后又一次重大的技术革命。连铸技术自大规模 工业应用以来，一直是钢铁生产技术发展的中心环节。随着全球经济一体化浪 潮的扩展，国际钢铁工业面临着无休止的市场竞争，在此过程中连铸技术将进 一步受到关注，尤其是高效连铸技术。连铸技术将是钢铁工业进一步实现技术 结构调整的主要动力。1 1 4 i 。 所谓高效连铸技术，通常是指比常规连铸生产率更高的、以高拉坯速度为 核心的技术，以高质量、无缺陷的高温铸坯生产为基础，实现高连浇率、高作 业率的连铸系统技术。高效连铸的涵义有5 个“高”：高拉速、高质量无缺陷( 特 别是无表面缺陷) 、高温铸坯、高连浇率、高作业率。高效连铸的技术特征包括： 高的铸机作业率、高的单机生产能力、高的拉坯速度和高的连浇炉数口】。 1 1 1 我国连铸技术的概况 我国连铸技术工业化发展起步较晚，中间又耽误了相当长一段时间，直到 8 0 年代才加快发展，二十多年来取得了长足的进步和巨大的成就。到1 9 9 3 年， 连铸产量己居世界第五位，1 9 年钢产量突破一亿吨大关，2 0 0 0 年我国的连铸 比达到8 5 7 3 ，与国际上工业发达国的连铸比水平相接近。2 0 0 5 年新诞生连铸 机共7 8 台、2 2 1 流、年产能6 7 3 3 万吨。到2 0 0 5 年末全国生产的连铸机累计总 数达6 7 3 台、2 1 7 l 流、年产能3 9 8 8 7 万吨，其中板( 扁) 坯连铸机和薄板坯连 铸机的年产能占总年产能的4 1 2 0 。连铸生产已成为工厂节能降耗、提高经济 效益的重要环节。 钢铁工业现已发展成为世界经济的支柱产业，目前我国钢铁年产量已接近 3 亿吨，居世界首位。但我国钢铁生产在工艺技术、设备装备、节能降耗、品 南禺人学工学碗卜学位论文 种质量等方面与发达国家仍存在较大差距，以连铸为例，连铸比低、浇铸钢科， 少、生产效率不高、技术水平落后，这些因素严重制约了我国钢铁工业高效、 优质、低耗的发展进程。 进入2 l 世纪后，我国连铸建设仍保持旺盛势头，如大方坯铸机的建设正热 火朝天，国外厂商趋之若鹜，竞争激烈；小方坯连铸高效化改造已有显著成效； 连铸生产已基本替代模铸，生产钢种不断扩大，铸坯质量不断提高| 4 1 。 1 1 2 连铸机的机型及其特点 连铸机的基本机型有立式连铸机、立弯式连铸机、弧形连铸机、椭圆形连 铸机、水平连铸机等引i 。 1 1 立式连铸机 立式连铸机是2 0 世纪5 0 年代至6 0 年代初的主要机型。立式连铸机，从中 间罐到切割装置等主要设备均布置在垂直中心线上，整个机身矗立在车间地平 面以上。采用立式连铸机浇铸时，由于钢液在垂直结晶器和二次冷却段冷却凝 固，钢液中非金属夹杂物易于上浮，铸坯四面冷却均匀，铸坯在运行过程中不 受弯曲矫直应力作用，产生裂纹的可能性小，铸坯质量好，适于优质钢、合金 钢和对裂纹敏感钢种的浇铸。但这种连铸机设备高、投资费用大，且设备的维 护与铸坯的运输较为麻烦。例如浇铸厚度为2 0 0 r a m 的铸坯，连铸机高度需 2 5 3 5 m 。由于连铸机高度增高，钢水静压力加大，铸坯的鼓肚变形较为突出， 因而立式连铸机只适于浇铸小断面铸坯。 2 1 立弯式连铸机 立弯式连铸机是连铸技术发展过程的过渡机型。立弯式连铸机是在立式连 铸机基础上发展起来的，其上部与立式连铸机完全相同，不同的是待铸坯全部 凝固后，用顶弯装置将铸坯顶弯9 0 度，在水平方向切割出坯，它主要适用于小 断面铸坯的浇铸。 3 ) 弧形连铸机 弧形连铸机是世界各国应用最多的一种机型。弧形连铸机的结晶器、二次 冷却段夹辊、拉坯矫直机等设备均布置在同一半径的1 4 圆周弧线上；铸坯在 l 4 圆周弧线内完全凝固，经水平切线处被一点矫直，而后切成定尺，从水平方 第一章绪论 向出坯。弧形连铸机的机身高度基本上等于铸机的圆弧半径。所以弧形连铸机 的高度比立弯式连铸机又降低了许多，仅为立式连铸机的l 3 ，因而基建投资费 用减少了。铸坯凝固过程中承受钢水静压力小，有利于提高铸坯质量；铸坯经 弯曲矫直，易产生裂纹；此外，铸坯的内弧侧存在着夹杂物聚集。夹杂物分布 不均匀也影响铸坯质量。为减轻铸坯矫直时的变形应力，在弧形连铸机上采用 多点矫直。加大弧形连铸机的圆弧半径或增加铸坯的矫直点都会减少铸坯的变 形应力。 为了改善铸坯的质量，在弧形连铸机上采用直结晶器，在结晶器下口设 2 3 m 垂直线段，带液心的铸坯经多点弯曲，或逐渐弯曲进入弧形段，然后再多 点矫直。垂直段可使液相穴内夹杂物充分上浮，因而铸坯夹杂物的不均匀分布 有所改善，偏析减轻。 4 ) 椭圆形连铸机 椭圆形连铸机的结晶器、二次冷却段夹辊、拉坯矫直机均布置在1 4 椭圆 圆弧线上。椭圆形圆弧是由多个半径的圆弧线所组成，其基本特点与全弧形连 铸机相同。椭圆形连铸机又进一步降低了连铸机和厂房的高度。椭圆形连铸机 又分为低头和超低头连铸机，低头或超低头连铸机的机型是根据连铸机高度( h ) 与铸坯厚度( d ) 之比确定的。连铸机高度是指从结晶器液面到出坯辊道表面的垂 直高度。h d = 2 5 4 0 时，称为低头连铸机：h d 2 5 时，则称为超低头连铸机。 超低头连铸机最早是由曼内斯曼和康卡斯特连铸集团开发的，他们向世界各国 推销了约百台各种规格的方板坯超低头连铸机。日本新日铁广烟厂1 台超低头 连铸机的h d 为1 2 ，是采用了逐对夹辊变半径的1 9 点矫直方式。 我国天滓第二炼钢厂、邯钢、济钢、马钢三炼钢厂、南京钢厂等单位先后 上马了一批小半径板坯连铸机，为我国开发超低头连铸技术积累了生产经验。 5 ) 水平连铸机 水平连铸机的结晶器、二次冷却区、拉矫机、切割装置等设备安装在水平 位置上。水平连铸机的中间罐与结晶器是紧密相连的。中间罐水口与结晶器相 连处装有分离环。拉坯时，结晶器不振动，而是通过拉坯机带动铸坯做拉一反 推一停不同组合的周期性运动来实现的。 水平连铸机是高度最低的连铸机。其设备简单、投资省、维护方便。水平 南昌人学学埘十学位论义 连铸机结晶器内钢液静压力最小，避免了铸坯的鼓肚变形，中间罐与结晶器之 间密封连接，有效地防止了钢液流动过程中的二次氧化：铸坯的清洁度高，夹 杂物含量少，一般仅为弧形铸坯的1 8 1 1 6 。另外，铸坯无需矫直，也就不存 在 i = i 于弯曲矫直而产生裂纹的可能性，铸坯质量好，适合浇铸特殊铡、高合金 钢，凼而受到各国的关注。我国从7 0 年代末开始进行了大量的研究和工业试验 工作。 1 2 监控组态软件的介绍及其发展趋势1 6 , 7 , 8 1 监控组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控 制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供 快速构建： 业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。“组态”的概念 是伴随着集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 简称d c s ) 的出现才 开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。监控软件最初的出现，主要 是解决人机图形界面问题，但是随着技术的不断发展，监控软件逐渐被赋予了 新的内容如数据采集，数据分析等。8 0 年代中后期，随着个人计算机的普及和 开放系统概念的推广，基于个人计算机的监控系统开始进入市场。作为监控系 统重要组成部分的监控软件，也随着计算机技术的发展而快速发展起来，监控 软件的功能在不断改进和增强。尤其在微软公司的w i n d o w s 操作系统普及之后， 由于w i n d o w s 操作系统直接支持多任务，支持c o m ，c d b c ( 开放数据库互联， o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) 。a d o ( 活动数据对象，a c t i v ed a t ao b j e c t ) 和 i n t e r n e t 等多种技术，并具备v b ，v c 等多种软件开发工具，研究监控软件的 公司越来越多，德国的西门子公司、a b b 公司，美国的g e 公司、西屋公司等都 开发了自己的监控组态软件，国内也有很多公司研究和开发了监控组态软件， 如亚控科技开发的组态王，北京昆仑通态的m c g s ，广州粤控的迅控 q u i c k c o n t r o l 等等。 监控组态软件产品于8 0 年代初出现，并在8 0 年代末期进入我国。在1 9 9 5 年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。下面就对l 种组态软件分别 进行介绍。 i n t o u c h ：英国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 组态软件是最早进入我国的 第一章绪论 组态软件。i n t o u c hh m i 软件用于可视化和控制工业生产过程。它为工程师提 供了一种易用的开发环境和广泛的功能，使工程师能够快速地建立、测试和部 署强大的连接和传递实时信息的自动化应用。i n t o u c h 软件是一个开放的、可 扩展的人机界面，为定制应用程序设计提供了灵活性同时为工业中的各种自 动化设备提供了连接能力。 w i n c c ：德国西门子公司的w jn c c 是w i n d o w sc o n t r o c e n t e r ( 视窗控 制中心) 的简称。它集成了s c a d a 、组态、脚本( s c r i p t ) 语言和o p c 等先进 技术，为用户提供了w i n d o w s 操作系统( w i n d o w s2 0 0 0 或x p ) 环境下使用各种 通用软件功能。w i n c c 继承了西门子公司的全集成自动化( t i a ) 产品的技术先 进和无缝集成的特点。 组态王：组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司亚控科技开 发的。组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键 字的脚本语言支持。组态王也提供多种硬件驱动程序。 m c g s ：全中文工控组态软件m c g s ( m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ) 是由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的组态软件，是一套基于 w i n d o w s 平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运 行于m i c r o s o f t w i n d o w s 9 5 9 8 m e n t 2 0 0 0 等操作系统。m c g s 为用户提供了解 决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史 数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及 企业监控网络等功能。使用m c g s ，用户无须具备计算机编程的知识，就可以 在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小并且具备专业 水准的计算机监控系统的开发工作。m c g s 具有操作简便、可视性好、可维护 性强、高性能、高可靠性等突出特点。 其他常见的组态软件还有罗克韦尔自动化公司的r s v i e w ，g ef a n u c 的i f i x 软件以及国内一些软件公司开发的组态软件，如华富计算机公司的力控 c o n t r o x 2 0 0 0 ，它们也都各有特色。 虽然在国内外已有这么多监控软件，但是它们一般价格比较贵，在具体的 应用中也不一定能满足系统的特殊要求，而且没有源代码支持。因此，本课题 尝试开发了针对连铸机液位控制系统的监控软件。 南昌大学工学砸：l 学化论义 1 3 本课题的主要工作 本课题一完成的主要工作如下： 1 以河北平山的一个单流板坯连铸结晶器钢水液位控制课题为背景，根 据液位控制系统的要求，分析比较了不同的液位控制方法、液位检测 方式、执行机构，确定了采用涡流检测披术与先进的数字控制技术相 结合来实现结品器钢水液位的闭环自动控制，采用这种结构形式的液 位控制比较稳定，响应速度快； 2 采用西门子s 72 2 6 可编程逻辑控制器和s t e p7 - m i c r o w i n 编程软件 完成了下位机的软硬件设计、编程，实现了液位带死区的p i 闭环控制， 能够满足一般工艺条件下的液位控制； 3 采用微软公司的软件开发平台v i s u a lc + + 6 0 开发了上位机监控软件， 它通过调用西门子公司的p r o d a v e 软件实现与下位机p l c 的通信。 本论文的后续章节就以上几方面的研究工作内容进行具体的阐述。 第二章连铸机液位：瞒挣系统的总体吐计 第二章连铸机液位监控系统的总体设计 2 1 连铸机结晶器液位控制系统介绍 2 1 1 生产工艺流程综述”8 在连铸过程中，“结晶器液位”是指在振动冲程l 2 h , j 结晶器钢水相对于它 的上沿的标高。一股来说，结晶器液位的设定点大约低于结晶器上沿l o o m m 1 4 0 m m 。在浇铸过程中，结晶器液位控制系统帮助把液位维持在预设液位上，以 使铸坯质量得到保证。 连铸生产流程简图如图2 ，l 所示。 构 图2 1 连铸生产流程简图 钢包到达浇铸跨后，浇铸吊车吊起钢包并将其放在钢包回转台上。 启动钢包滑动水口，将砌好衬并预热好的中间包放在结晶器上方，然后将钢 包转到浇铸位置。使用机械手立即将保护套管固定在钢包滑动水口下面。中间包 配备有塞棒钢流控制系统。 开始浇铸可手动也可自动进行。根据过热度，设定的起始浇铸速度要低于正 常浇铸速度。 南昌大学工学砸1 i ：学位论文 操作顺序：钢水注满中问包，打开塞棒，通过程序化操作预填充结晶器，按 照程序化开浇曲线开始h = 坯。与此同时向中间包液面。t ：t j n 入覆盖渣，并测量钢水 温度，在试车期间每l o 1 5 分钟测一次温度。通过测重保持中间包钢水液面恒定。 丌始浇铸时，即向结晶器钢液面上加入保护渣。结晶器液面控制系统借助于 中m 包钢流控制系统保持结晶器中钢水液面恒定然后铸机跟踪系统启动结晶器 振动器及二冷i 赞淋区。与浇铸速度有关的结晶器负滑脱值为预先设定值。 冷却系统的水量可根据钢种选定，并随浇铸速度的变化进行控制。 拉矫机以稳定的速度( 拉坯速度) 将铸坯自铸机拉出。当引锭杆头通过拉坯机 组时，拉坯辊的液压就会通过跟踪系统完全变为拉铸坯的压力。在7 ：1 。始阶段，预 定信号不断矫准铸坯头端位置。当引锭杆通过最后一对央送辊时，脱引锭杆装置 会自动把引锭杆从铸坯上断开。然后引锭杆快速退出，之后被引锭杆把持器提升， 放置在辊道旁。 火焰切割机从铸坯上切下切头，倒入切头箱，然后再将铸坯切成预定长度， 切好的铸坯继续在辊道上运行直到送至冷床。 2 1 2 液位控制系统的主要结构组成 结晶器是连铸机的成形和一次冷却装置。结晶器的成形装置安装在一个有冷 却水流过的水套中。开浇前，结晶器的底部是被堵塞物封上的。 钢水由钢水包输送来，经由滑动水口( 或塞棒) 流入结晶器正上方的中间包 中然后进入结晶器中。连铸中间包不仅是稳压、分配钢水和保证钢水连浇铸的 缓冲容器，它还是防止钢渣进入结晶器、去除钢液中非金属夹杂物、均匀钢水温 度等保证铸坯质量的关键设备。中间包通常装有塞棒( 或滑动水口) 以控制钢水的 流量。进入结晶器后约7 0 9 0 c m ，钢水被冷却下来，并形成一个坚固的外壳。为 避免钢粘在结晶器上，结晶器将以每分钟6 0 1 2 0 下的频率振动，每次振动约3 l o m m 。仍处于红热状态的钢坯从结晶器底部出去后经过二次高压水喷淋冷却很快 内部也会固化。 开浇时，结晶器底部仍被塞住，钢水液面快速上升。这时，拉坯系统必须被 适时启动。随后，拉坯系统拉出堵塞物，红热的钢随之经过下面的辊道。这样， 结晶器内注入的钢水量大大减少，排除了溢钢的可能。 第二章连俦机液位腑控系统的总体设汁 结晶器液位检测系统和所有由液位控制系统与执行机构控制的连铸机部件 如图2 2 所示。 结 矫正辊 图2 2 连铸机结晶器控制系统构成图 铸速取决于铸坯断面尺寸，可达- n o 5 6 m m in 。根据铸速，钢水必须连续 注入结晶器，以保证结晶器液位恒定。如果液位太高，结晶器内的钢水很容易溢 出，或者会造成结晶器底端口处的填充物燃烧；反之，如果液位太低，则冷却效 果不足，钢坯的固化外壳太薄，在被拉出结晶器后会破裂，以至于造成钢水外漏， 溢钢或漏钢都将给连铸操作造成不必要的损失。然而，从中间包流出的钢水量并 非一定是固定的。由于中间包陶瓷制的出口处的横截面会因钢水冲刷或堵塞的金 属氧化物下落而改变，注入结晶器内的钢水量会随之而改变。而且，由于中间包 中钢水液位的改变，钢水静压力会变化，液流也会因此受到影响。这样，若不及 时调整中间包塞棒位置或拉坯速度结晶器液位就会波动。特别是当处于自动浇铸 状态时，连铸对液位控制系统的要求更高。 在自动化实现以前，这部分的操作由铸造人员手工完成，他们必须时刻密切 注意结晶器的液位和拉坯速度，并通过一个手柄控制中间包塞棒，这项工作劳动 强度很大。 现有的常规结晶器液位控制装置( 女n p i d 控制器、自适应p i d 控制器等) 在稳 足或近似稳定状态下能够令人满意地工作，但它操作复杂，在干扰状态下，不能 很好地做出必要的反应，耗时很长才能恢复到适当的稳定状态，而且欲提高控制 精度比较困难。 南一大学l 学顺1 学位论文 2 1 3 液位控制方法的选择 连铸的发展过程中，结品器液位控制大致经历了三个阶段 9 , 1 0 , 4 9 1 ： 第一：速度型，即用拉速去控制结晶器液位。拉速是连铸过币旱中的一个重要 参数，它取决于下列因素：铸坯的质量、拉速应按凝固理论的要求来设计： 不同的钢种、断面j t 寸、钢液过热度，就决定了相应的冷却度和拉速。因此，在 保证铸坯质量的前提下，拉速应有一个上限值；为提高铸坯生产效率，拉速 应有一个下限值；为满足上述两个基本要求，拉速应限制在一定范围内；同时， 为满足结晶器液位控制的精度要求，拉速应动态地跟踪液位进行调节。这种方法 喷溅较少，主要用于小方坯连铸，如首钢三炼钢小方坯连铸采用的就是这种方法。 在这种方法巾，固定中间包流入到结晶器中的钢液量，根据液位变化修正拉坯控 制系统的设定值，以使结晶器液位保持恒定。由于拉坯速度的变化会引起铸坯凝 固制度、二次冷却制度、定长切割系统等一系列环节的修正。而合适浇注温度与 合适拉速的配合是连铸稳定生产和取得高质量铸坯的前提，拉坯速度不应该成为 控制手段而应该把拉速稳定作为工艺目标。因此，用调节拉速的方式保持结晶器 液位稳定的这种做法已经逐渐被淘汰。 第二：流量型，即通过控制中间包向结晶器内钢液流入量的方式保持结晶器 液位的稳定。这种方式根据结晶器液位的变化调节中间包塞棒位置或滑动水口开 度，改变钢水的流入量，稳定结晶器的液位。这种控制方式可以保证拉坯速度恒 定，因此也就允许根据工艺要求选择合适的拉速，在液位的调节过程中把拉坯速 度作为扰动，这种调节过程一般比较平稳，给系统的稳定运行带来很多方便，已 经成为当今结晶器液位控制方式的主流。 第三：混合型，即般控制拉坯速度来保持液位稳定，但是当拉速超过某一 百分比仍不能保持给定液位时，则控制塞棒或滑动水口，或者两者均控制，以控 制流量为主。这种方法也主要用于小方坯连铸。 流量控制和速度控制结晶器液位的比较：当浇注普通炭钢或对质量要求不 高的钢种，两种控制方法均可采用。速度控制液位是线性的，但速度不稳定影 响铸坯的质量。目前在连铸现场一般采用滑动水口和塞棒两种水口来调节中间 包到结晶器的钢液流量，为了提高执行机构的快速性，这两种装置均采用液压 系统来驱动。由于连铸生产是在一千多度的高温下进行的，所以不但结晶器液 o 第。市进铸机液位船拄系统的总体设计 位系统中相关参数的检测和控制比较困难，而且诸如液压执行机构、阀门等元 件和设备也易于腐蚀损坏，这使得结晶器液位控制存在诸多不利因素和较多的 非线性影响，建模也极为困难；但是恒拉速对铸坯质量的稳定作用很大。浇注 特殊钢种应综合采用两种控制方法。因为此时连铸工艺既要求液位稳定，也同 时要求拉速稳定。 在连铸结晶器液位控制中，出于流量型液位控制方法应用的比较多、比较 成熟，所以我们决定采用此法。其中流量控制有两种形式：一种是通过调节滑 动水口的开度来调节中问包进入结晶器的流量：另外一种是通过调节塞棒和浸 入式水口之间的间隙来改变流量。本塞棒控制系统主要包括液面检测、工控机、 p l c 、驱动器、电动缸、执行机构组成，有如下优点： 1 ) 恒拉速、恒液面的优秀品质满足连铸的工艺要求： 2 ) 液面稳定，拉速由现场根据生产工艺要求设定，振动与配水根据拉速 调节，影响铸坯质量的因素均得到控制从而实现预定质量要求； 3 ) 现场p 3 箱工人减少，大大提高工作效率，较少事故。 因此本课题根据比较选用塞棒控制系统作为液位控制方法。 2 1 4 液位控制系统执行机构介绍及选择 在结晶器钢水液位自动控制系统中，执行器是很关键的一环，和其它控制 系统一样，往往系统无法运行的原因全在执行器。对连铸结晶器液位自控系统： 由于温度高、环境恶劣；情况更加严峻。对执行器的要求大致是【6 】： 1 ) 能适应连铸的恶劣环境，包括粉尘与高温； 2 1 易于安装、更换和维护： 3 1 具有极小的死区，滞后时间要小，响应要快： 4 ) 具有较好的线性度。 目前，有4 种执行器方式： 1 ) 液压执行器方式。它速度快、线性好，国外及进口的连铸结晶器钢水液 位控制系统，大多采用这种方式。由于中间包的移动，而油箱和油泵等在地面， 虽然使用软管连接，但终究不方便。为了实现位置控制，需要位置传感器( 一般 为差动变压器) ，且大都是模拟量，数字控制时需要变换，会带来误差。 南吕人学j 【学删十学位论文 2 ) 电气交流无刷伺服电机执行装置方式。它是近年来发展起来的，兰州钢 厂。薄板坯连铸的结晶器钢水液位自控系统就是采用这种方式。但由于有减速机， 难以做到体积小、重量轻( 也有使用低速交流电动机，v v v f 变压变频装置，从 而取消减速机的) ，且会堵住而易损坏电动机。 3 ) 商精度气动数字缸方式。这是最近我国j f 发的种新型连铸结晶器钢水 液位自控执行器，它是将机床的气动数字缸技术用于连铸，其优点是全数字、 脉冲控制，精度高，不怕堵住和损坏设备，并且是丌环的，因此速度快，无位 置测量装置，所以结构简单、便于维护。它已成功地用于重钢的板坯连铸，液 面控制精度已稳定在( 1 2 ) m m 上，超过了目前国外某些发达国家此类技术控 制精度普遍为( 3 4 ) m m 的水平。 4 ) 低惯量交流无刷伺服电动缸方式。这是一种由法国s e r i 、公司丌发的新 型的电动缸，将交流伺服技术和气动缸技术用于连铸，f f 前国内已有很多钢厂 采用这种方式，它机构简单，安装维护方便【。 根据本课题的具体要求，我们选用第三种执行结构数字电动缸。 2 1 5 液位检测方式介绍及选择 9 。1 7 1 保持中问包和结晶器的液位稳定是获得优质连铸坯的关键问题之一。液位 检测要求安全、稳定、可靠、耐高温、抗干扰、保护渣对测量无影响、安全方 便。 目前液位检测有许多方法，如热电偶埋入法、工业电视法、周期性电极插 入法、放射性同位素法、电磁感应法、涡流法、激光法等等。目前世界上广泛 采用的有放射性同位素法、涡流法、激光法等。下面就几种常用的液面方法简 要介绍其原理和特点： ( 1 ) 涡流探头法 涡流探头由两组线圈组成，悬吊在结晶器上方。当给一次线圈通电时，产 生一个指向结晶器的电磁场，于是在结晶器内的钢水近表面层中感应出涡流电 流，此涡流电流产生第二个磁场，又转而在涡流探头中的二次线圈中感应出电 压，所产生涡流的大小取决于传感器和钢水表面之间的真实距离。因此，二次 线圈中的感应电压也取决于这一距离。于是可以根据二次线圈中感应电压的大 第二章连铸机液位脓拄系统的总体改计 小来测出钢水液位。钢水上面的渣层和保护渣的影响可以忽略不计。实际使用 结果表明，采用涡流探头的测量精度好于2 m m 。而且其精度不受钢水温度和渣 层的影响。 ( 2 ) 电磁盒法 电磁盒法也采用电磁感应原理，在电磁盒内设置一个发送线圈和一个接收 线圈，此电磁盒安装在结晶器铜板顶面上。发送线圈的电磁场在结品器铜板表 而上感生涡流，同时在结晶器内的钢水表丽上也感生出涡流。由这两利涡流产 生的电磁场被接收线圈检测到。当钢水液位发生变化时，涡流所产生的磁场电 发生变化，因此，接收线圈检测到的信号强度取决于钢水液位。电磁盒的测量 精度可达到3 m m ，检测信号可用于自动控制启动，检测信号的“尖峰”值表明 钢水开始流进结晶器中，钢水上面的渣层和保护渣的影响可以忽略不计。 ( 3 ) 放射线法 在这种方法中，将一射线流和一个射线强度检测器分别安装在相对的结晶 器铜板上。射线源发出均匀、稳定的射线强度。当射线穿过钢水时被部分吸收， 检测器所检测到的射线强度随钢水液位变化而变化。放射线法的测量精度为 3 m m ，是目前世界上用得比较多的方法之一。 ( 4 ) 铯源型 根据辐射的穿透、衰减、吸收理论，制造出能测量射线数量的仪表：根据 射线数量的多少来精确的测量液面高度。特点是信号稳定，受干扰少，灵敏度 高，使用维护方便。 近年来，涡流式钢水液位计的实用化进展很快，具有反应速度快，测量精 度高，不需特殊的安全防护，安装维护方便等显著优点。因此，本系统采用国 内镭目公司生产的r a m 系列涡流式钢水液位控制仪。 2 1 - 6 液位控制系统常用控制算法介绍 结晶器液位控制系统是一个典型的串级控制系统，外环液位控制器的设计一 直是目前研究的重点。传统控制方法( 如p i d 控制) 和近年来发展起来的智能控制 方法( 如预测控制) 在外环控制器的设计中都有不同程度的应用。但就工程应用来 看，基于p i ( 比例积分) 的外环液位控制器的设计在现场占有更大的比重。文献 南吕凡学t 学坝十学位论文 3 在澳大利亚b h p 铜厂对以下四种控制方法进行了刺比：单独pj 、p i ) j h d it h e r # 动补偿、p 1 1 j n 线性串联补偿、p i 加非线性串联补偿。结果表明在原有塞棒液压伺 服内环的基础上再串联一个比例控制器，同时抵消滑动水口流最非线性的p i 加非 线性串联补偿方法效果最好。 传统的p i d 控制策略只有在特定工艺下才能实现较为有效的中间包液位控 制。其不足之处在于：( 1 ) 系统丌环增益较大，即使很小的扰动也会引起较大的 偏差：( 2 ) 无法克服系统因滑动水口等存在死区或摩擦而具有的非线形特性：( 3 ) 由于拉速等的扰动作用，系统的鲁棒性较差。 下面介绍几种液位控制算法： 1 ) 非线性串联补偿 由于流量特性和滑动水口结构具有平稳非线性特性使得中间包液位与水口 开度之间具有非线性关系。为了克服这一非线性的影响，可在串跌补偿控制的 基础上在控制器中引入非线性环节来抵消水口的非线性和减小开环增益，使系 统前向通道变为线性环节。这种非线性控制系统能用较少的控制动作把结晶器 液位波动减小到要求的范围内，但是其设计比较困难，且无法克服拉速的扰动 作用。 2 ) 主一副回路自校i t p i d 控制2 2 l 在把智能控制理论用于中间包液位控制的研究方面，国外已取得了可喜的成 就。这种主一副回路自校正p i d 控制策略的主回路为比例控制器，副回路为p i d 控 制器。其中，副回路p i d 控制器的参数是采用一种有限脉冲响应自校难器获得的， 唯一需要校正的参数是主回路比例控制器的比例增益。引入副回路控制器的作用 一方面是为了部分减少过程增益的变化，另一方面是为了快速消除拉速扰动的影 响。为了克服高频测量噪声的影响，副回路的反馈信号采用当前的液位输出和前 一采样时刻的液位值之差。 3 ) 预测液位控制 t h o m a s3 0 l l y 2 1 等1 9 9 3 年提出一种液位广义预测控制( g p c ) 方法，它利用信 号分析仪器建立了一个三阶模型，在模拟实验中，明显优于p i d 方法。 d ek e y s e r 2 3 1 通过中间包液位单回路p i 控制、双回路校正p i d 控制和一种过程 基于模型的预测方法的比较研究，采用e p s a c 预测控制策略对液位进行控制并己 第二章连铸机被位舭控系统的总体驶汁 将其用于个连铸机= | = 】。结果发现这种方法易于实现控制精度和鲁棒性两方面的 性能要求，这比双回路p i i ) 策略有较大改善。 4 ) 模糊液位控制 k o m u r a 等1 2 6 1 1 9 9 0 年之前就研制出一种中间包液位在线时渗断模糊专家系 统，采用a l 诊断工具i d m o n 作为推理的核心，该系统能用一个模糊隶属函数经过 复杂的计算推理，发现可能引起液位波动的异常数据，从而指导浇铸操作以减少 铸坯缺陷。这一技术已用于k o b e 锑j 厂4 # 四流方坯连铸作为液位诊断系统，配合 一个p i 控制器进行液位控制，在线实验证明这种方法具有很强的实用性。在此之 前，j p a i u k 等2 7 1 1 9 8 9 年研究出一种部分主要参数可调的模糊控制器。但最早将 模糊方法用于实际连铸生产线中对中间包液位进行控制的是m d u s s u d 口o 】等人，它 们成功的解决了诸如喷嘴堵塞等过程扰动对液位的影响。 5 ) 自适应液位控制 t h e s k e t h 等f 3 1 1 9 9 3 年研制出一种自适应液位控制系统r t s ，并已成功的将其 用于方坯连铸中。 该系统是在自1 9 8 1 年一直使用的自适应l q 液位控制系统的基础上开发出来 的，其特点是在模糊中引入了滤波器、噪声模型和其它用于克服液位系统的非线 性、未建模动态等疑难问题。现场实验证明该r t s 系统的鲁棒性和参数跟踪能力 较强，尤其适用于对执行机构的激励较弱且有噪声的情况。 6 ) h c o 液位控制 t k u r o k a w a 等 3 2 , 4 8 1 于1 9 9 1 年将h 一控制方法用于结晶器液位控制之中， 他们根据连铸机的结构及工艺参数选择了一个可以覆盖扰动所在频带的频率加 权函数，从而消除了扰动，并用类似的方法克服了过程模型的不确定性和测量 噪音，还通过设定增益上限等措施解决了参数变化问题，从而在有参数变化和 模型不确定性的情况下消除了扰动，实现了液位系统的鲁棒稳定控制。现场实 验表明，当扰动比较剧烈时，自适应控制可能无法准确辨识到过程参数而使闭 环系统失稳，而h 一控制方法则能有效地克服扰动。 针对本系统的具体情况，拟采用带死区的p i 控制算法。 南吕人学1 i 学删! i j 学位论文 2 2 结晶器液位检测及塞棒数字控制系统方案设计 2 2 1 系统概述 连铸机结品器液位检测及塞粹数字控制系统的设计，采用涡流检测技术与 先进的数字控制技术相结合，实现了结品器铡水液位的p i 自动控制。 塞棒数字控制系统是新一代钢水液面控制设备，它采用涡流式液面检测计 作为液位检测系统，涡流传感器能测量出结晶器内的钢水液位，经信号放大处 理后，将液位信号实时输出到p l c 中央处理器单元，p l c 将实测的液位值与设 定液位值相比较，给出适量的塞棒控制量，使得电动缸驱动塞棒执行机构，调 节水口开度，以控制钢水的流量，保证结晶器内钢水液面的稳定，为提高铸坯 质量及连铸工艺水平提供可靠的保障。 2 2 2 系统结构说明 液位检测及塞棒控制系统由工控机系统、可编程逻辑控制器( p l c ) 及扩展 的模拟量采集模块、数字电动缸系统、液面榆测装嚣( 含检测传感器和前置放 大器) 、操作盒、电气控制柜及相应的控制软件等几个部分组成，如下图2 3 所 示。 笫二章连铸机液位监控系统的总体吐汁 塞棒执行系统 图2 3结晶器液位检测及塞棒控制系统示意图 ( 1 ) 上位机系统 上位机置于总控室中，它主要完成以下工作： 参数设定。如钢水液面、塞棒位置等参数的设定。 将检钡, t j n 的液位值、塞棒调整位置值以及各种状态值，实时记录保 存。 显示液位及塞棒控制的状态，并画出液位波动曲线。 ( 2 ) 可编程控制器( p l c ) 系统 可编程控