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连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 摘要 连铸自动化是在连铸过程中，按照工艺要求，借助于检测仪表和控制设备j 在没有人工干预的情况下使连铸生产能自动进行。连铸过程本身是令十分复杂 的生产过程，是个系统工程。为保证铸坯内外部质量和较高的拉坯速度，需要 检控的参量有温度、拉坯速度、冷却水流量和铸坯与结晶器的摩擦力等。 本文针对实验室小型连铸机开发出了套完整的连铸工艺参数计算机实时 检测系统。实现了温度信号、流量信号、速度及电机载荷的检测：以及连铸过 程中铸速、温度和流量的自动控制：分析了流量信号采集的难点，用软件建立 虚拟计数器法实现了流量信号检测；分析了加热炉炉温热惯性对炉温控制的影 响，建立了双位炉温控制模型；设计了反压式浇注系绕；基于本实验条件建立 了连铸铸速控制模型。 本系统是基于w i n d o w s 系统平台，使系统便于操作：采用v b 、v c 编程， 通过d l l 库动态连接，动态内存管理及多线程等技术保证系统的运行速度满 足实时采集的要求。软件系统以数据库保存采集数据，便于数据的管理和分析。 本系统现已在实验教学过程中运行，并通过了学校组织的鉴定。 关键词：连续铸造连铸自动化实时检测炉温热惯性 整箜塾堡兰蔓垫壅堕笙型兰丝剑墨苎塑竺窒 a b s t r a c t a u t o m a t i z a t i o no fc o n t i n u o u s c a s t i n g i st o g u a r a n t e e c o n t i n u o u s c a s t i n g p r o d a c t i o na u t o m a t i s mp r o c e s s w i t ha i do fm e a s u r i n gi n s t r u c t i o na n dc o n t r o l e q u i p m e n t ，u n d e rc o n d i t i o n so f n om a n p o w e r i n t e r v e n i n ga n da c c o r d i n gt ot e c h n i c s d e m a n d c o n t i n u o u sc a s t i n gi sav e r yc o m p l e xp r o d u c i n gp r o c e s sa n ds y s t e m e n g i n e e r i n g i no r d e rt og u a r a n t e ei n s i d ea n do u t s i d eq u a l i t yo fi n g o ta n dd r a g g i n g s p e e d ，p a r a m e t e rs u p e r v i s i n go f t e m p e r a t u r e ，d r a g g i n gs p e e d ，c o o l i n gw a t e rf l u xa n d f i c t i o nf o r c eb e t w e e n i n g o ta n dc o o l i n gm o d e l i sn e e d e d t h i sp a p e rd e v e l o p st e c h n i c sp a r a m e t e rc o m p u t e rr e a l t i m em e a s u r i n gs y s t e m t h es y s t e mi su s e dt om e a s u r et e m p e r a t u r es i g n a l ，f l u x s i g n a l ，s p e e ds i g n a la n d m o t o rl o a d i ti sa l s ou s e dt oc o n t r o lc a s ts p e e d ，t e m p e r a t u r ea n df l u x f l u xs i g n a l c o l l e c t i o n sd i f f i c u l t yi s a n a l y z e d t h em e t h o do fd u m m yc o u n ti s c r e a t e df o r m e a s u r i n gf l u xs i g n a l t h ei n f l u e n c eo f s t o v e sh e a ti n e r t i at ot e m p e r a t u r ec o n t r o li s a n a l y z e d t h e m o d e lo ft w o d i g i tt e m p e r a t u r ec o n t r o l i se s t a b l i s h e d r e v e r s e p r e s s i n gp o u rs y s t e mi sd e s i g n e d t h ec a s ts p e e dc o n t r o lm o d e li sc r e a t e da c c o r d i n g t oe x p e r i m e n tc o n d i t i o n t h i ss y s t e mb a s e so nw i n d o w s o p e r a t i o ns y s t e ma n di se a s y t ob e o p e r a t e d i t s p r o g r a ml a n g u a g ei sv ba n dv c i t sr u n n i n gs p e e di sa b l et os a t i s f yr e a l t i m e c o l l e c t i o nd e m a n d s t h r o u g hu s i n gd l l ，d y n a m i cm e m o r ym a n a g e m e n ta n d m u l t i t h r e a d i n gt e c h n o l o g y t h es o f t w a r es y s t e ma d o p t sd a t a b a s et os a v ec o l l e c t i o n d a t as ot h a td a t am a n a g e m e n ta n d a n a l y s i si sc o n v e n i e n t n o w , t h eo n l i n es y s t e mi sw o r k 。i n gw e l li nt h ee x p e r i m e n tp r o c e s s ，a n di ti s s t a b i l e t h es y s t e mh a s p a s s e d c h e c ka n d a c c e p tb y s c h o o lo r g a n i z a t i o n k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ，c o n t i n u o u sc a s t i n ga u t o m a t i z a t i o n ，r e a l - t i m e m e a s u r i n g ，s t o v et e m p e r a t u r eh e a ti n e r t i a i i 连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 第一章前言 1 1 连铸技术在国外、国内的发展 1 1 1 连铸技术在国外的发展 连续铸造技术的发展大致可分为以下几个阶段【1 】【2 】： 第一阶段( 1 8 4 0 1 9 3 0 年) ，连续浇铸金属液思想的启蒙阶段。其代表人 物是美国人塞勒斯( s e l l e r s ) 和贝塞麦( b e s s e m e r ) 。1 8 4 0 年塞勒斯获得了连 续铸铅专利，1 8 5 6 年贝塞麦采用水冷旋转双辊连铸机浇铸出了金属锡箔、铅 板和玻璃板，并获专利。而最早( 1 8 8 7 年) 提出与现代连铸机相似的连铸设 备建议的是德国人戴伦( r m d a e l e n ) ，在其开发的设备中已包括了上下敞开 的结晶器、二次冷却段、引锭杆和铸坯切割装置等。 第二阶段( 1 9 4 0 1 9 4 9 年) ，钢的连续铸造特征技术的开发阶段。其代表 人物是现代连铸之父德国人琼汗斯( s j u n g h a n s ) ，1 9 4 3 年琼汗斯在德国建成 了第一台浇铸钢液的试验连铸机。当时提出的振动水冷结晶器、浸入式水口、 结晶器保护剂等观念为现代连铸机奠定了基础。结晶器振动已成为连铸机的 标准操作。 第三阶段( 1 9 5 0 - 1 9 7 6 年) ，传统连铸技术发展成熟阶段。连铸技术以惊 人的速度得到了向前发展，连铸机型经历了从直立型、直弯型、到弧型的转 变，实现了工业化应用目标，出现了5 0 0 0 多个有关连铸的不同专利。其中代 表性技术如下，1 9 5 0 年，琼汗斯开发了铸坯电磁搅拌技术。1 9 5 2 年萨伯尔 ( o s c h a a b e r ) 获得了弧型铸机专利。1 9 5 3 年德国曼内斯曼公司( m a r m e s m a n d e m a gh u t t e n t e c h n i k m e t a l l g e w i n n u n g a g ) 开发了结晶器电磁搅拌技术。t 9 5 4 年德国曼内斯曼公司开发了中间包塞棒控制技术。1 9 6 1 年康卡斯特公司 ( c o n c a s ts t a n d a r d a g ) 开发出立弯板坯连铸机。1 9 6 2 年康卡斯特公司获得 钢包回转台专利：法国东方优质钢公司6 4 2 0 - _ 卜霉9 器矗高导导龄g 暑譬0 嚣蛊 图2 一1 5 流量脉冲频率采集曲线 f i g 2 - 15 c o l l e c t i o nc u r v eo f f l u xp u l s e f r e q u e n c y 连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 2 2 2 2 频率脉冲信号的分析处理 通过图2 1 5 可以看到用a d 采集卡采集到的是锯齿方波信号，产生锯 齿的原因是脉冲信号中有交流分量。该脉冲信号曲线有高电压和低电压两部 分波形组成，高电压和低电压的分界电压可以用波峰一半的近似值来表示， 对该系统取分界电压为4 v 。对于采样电压大于4 v ，则把它设定为1 ，反之 采样电压低于4 v ，则把它设定为0 。如果相邻两次采样均为高电压，则它们 之间的部分也设定为1 ，反之，相邻两次采样均为低电压，则它们之间的部 分也设定为0 。根据此滤波思想，可以从图2 1 5 得到图2 1 6 流量脉冲频率信 号经滤波后的方波曲线。 图2 - 1 6 流量脉冲频率信号经滤波后的方波曲线 f i g 2 - 1 6s q u a r ep u l s ec u r v eo f f l u xp u l s ef r e q u e n c ys i g n a l 利用计算机强大的数据分析处理功能，在数据采集的同时，对采集到的 信号值动态分析。假定在给定的t 时间内，统计出现方波的个数为n 。则 t 时间内，流量信号的平均频率为f = n t 。因为我们可以把t 选择的 非常小( 本系统采用5 0 0 毫秒) ，这样得到的某段微小时间内流量信号的平均 值可以认为是某个时刻流量信号的瞬时值。于是我们就可以实时监测流体脉 冲频率信号的大小。这样就相当于我们自己用软件系统构建了虚拟的脉冲计 数器，根据不同的实际情况，我们可以调节分界电压的僮，改进统计算法， 进而提高频率信号的采集精度。 2 2 2 3 流体流量的计算模型 通过以上两个步骤的分析得知，我们可以实时检测到和流体流量对应的 流体脉冲频率信号值。根据涡流传感器的工作原理，流量q 与脉冲频率数f 20 连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 成正比，我们可以得到如下的流体流量的计算模型 q = f k 其中k 一仪表系数，不同的流量传感器在出厂都要严格的校验仪表系数 k ，因而系数k 是已知量。由于流体脉冲频率信号可以实时检测，因而流体 流量也可以实时检测。 2 2 3 系统的应用 应用本文开发的流量检测系统，对定向凝固实验全过程的冷却水流量的 变化过程进行了检测，具体过程如下： ( 1 ) 系统的连接 该定向凝固实验的装置组成图，在第一节已叙述。其中冷却水装置主要 由进水管和出水管组成。 圈2 1 7 定向凝崮测温系统连接舀 f i g - 2 - 1 7 l i n kc h a r to f m e a s u r i n gt e m p d r a t u r es y s t e mi nd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n 连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 ( 2 ) 检测系统的启动及参数设定 流量检测系统参数设置岜括硬件的选择、单位选择、采集通道选择及采 样周期选择。 图2 1 8流量检测相关参数设置图 f i g 2 1 8 c h a r to f f l u xm e a s u r i n gr e m e dp a r a m e t e rs e t t i n g ( 0 ) 流量的实时检测 从图2 1 9 可以看出定向凝固实验过程中冷却水流量有波动，这是由实验 室水压不稳造成的，这也会对铸坯的定向凝固造成影响。 3 5 6 专3 5 4 3 5 2 避3 5 0 时间( m i n ) 图2 1 9 定向凝固冷却水流量曲线 f i g 2 - 1 9c o o l i n gw a t e rf l u xc u f v co fd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n 连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 2 3电机运行过程输出载荷的检测 2 3 1 系统的组成 连铸结晶器和坯壳的相互作用与铸坯质量和拉漏事故密切相关，实现高 速连铸和生产高质量铸坯都必须对结晶器摩擦力进行在线监测。在连铸过程 中，振动装置空载不拉坯时，振动台自重及传动系统的摩擦阻力构成振动负 荷；拉坯时，除上述载荷外，增加了铸坯与结晶器因相对产生的摩擦力。由 于受力状态发生变化，电机的输出载荷应发生变化。因而对电机在运行过程 中的输出特性的检测就可间接地检测出结晶器的摩擦力。 本文的拉坯系统是由变频器来控制可调节交流电机的运动及速度。而且， 可以直接由变频器的f m a 输出端予上得到载荷因子。由于载荷因子= 输出 扭距( 额定扭距+ 2 ) ，因而可以得到电机的输出载荷变化情况。这样就可以 实时监测连铸过程中电机的输出载荷特性，并可迸一步反映出摩擦力的状况。 如下图所示，检测系统由计算机、变频器、a d 模数转换卡、d a 数模 转换卡、异步电机及稳压电源组成。 图2 - 2 0电机输出载荷检测系统组成框图 f i g 。2 2 0m e a s u r i n gs y s t e mc o m p o s i n g c h a r to f e l e c t r o m o t o r s o u t r ，u t l o a d 23 2 3 2 系统检测实例 ( 1 ) 振动装置空载时，振动台电机输出载荷检测结果如表2 2 所示。 表2 - 2 电机输出载荷( 空载) t a b l e 2 - 2m o t o r o u t p u tl o a d ( e m p t yl o a d ) 变频器输入( i z )l 变频器f m a 端子输出( v ) 2 l9 7 0 9 7 9 3 i4 8 1 4 8 9 4 l 3 8 0 3 8 6 5l3 3 2 3 3 6 6i2 9 8 3 0 2 ( 2 ) 振动装置加上t 0 0 0 9 砝码时，振动台电机输出载荷检测结果如表2 3 所示。 表2 3 电机输出载荷( 1 0 0 9 ) t a b l e 2 3m o t o r o u t p u tl o a d ( 1 0 0 9 ) 变频器输入( h z )变频器f m a 端子输出( v ) 2 9 6 8 9 8 1 34 7 9 - - 4 9 0 43 8 0 弓8 8 5 3 3 0 3 _ 3 6 62 9 7 3 0 4 ( 3 ) 振动装置加上4 0 0 0 9 重- 物时，振动台电机输出载荷检测结果如表2 - 4 所示。 表2 - 4 电机输出载荷( 4 0 0 0 9 ) t a b l e 2 4m o t o r o u t p u tl o a d ( 4 0 0 0 9 ) 交频器输入( h z )变频器f m a 端子输出( v ) 29 6 6 9 9 3 34 6 4 , - 4 9 3 4 3 6 4 3 9 2 53 2 8 3 4 2 62 9 4 3 0 7 24 通过表2 2 、2 3 、2 - 4 中数据的对比可以看出，随着振动装置负载的增 加，变频器f m a 端子输出电压的范围加大：随着变频器输入频率的降低，f m a 端子输出电压的值增加。 ( 4 ) 实际拉坯过程的振动台电机输出载荷检测结果如图2 2 l 所示。 1 2 l o ，、8 ， 一= ：6 工 掣4 2 0 一一一一一一7 ， 一。一! 型一 h n 卜= 2 = = 窖高蠹蜀高昌墨爱譬高 时间( s ) 图2 - 2 1拉坯过程中振动台输出载荷曲线圈 f i g 2 - 2 1 c u r v ec h a r to f l i b r a t i o no u t p u tl o a di nd r a g g i n gp r o c e s s 从上图可以看出在拉坯初期由于铸坯与结晶器间摩擦力的增大，电机输 出载荷稍有增加，随着润滑剂的加入，摩擦力减小，电机输出载荷下降，在 相当长时间内电机输出载荷相当平稳，这与拉坯平稳进行相匹配；在拉坯后 期，由于结晶器中金属液液位上升，金属液满出结晶器，满出结晶器的金属 液快速凝固，部分包裹住结晶器，铸坯与结晶器间的摩擦力加大，拉坯受阻， 拉坯速度下降，振动台的振动频率降低，电机输出载荷骤然增加。由此可见， 电机载荷的实时预i 量可以敏感的发现连铸过程的变化。 25 连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 2 4 电机运行速度的计算机检测 2 4 1 系统的组成 电机是连铸过程中最重要的执行机构。其中结晶器的周期振动，铸坯的 下拉等运动实质上都是由电机驱动的。振动频率的大小，拉坯速度的大小及 出流速度的快慢都跟电机运行速度密切相关。因而对于实时监控的连铸系统， 电机运行速度的检测十分重要。 用于电机转速检测的转速传感器主要有光电码盘或光栅，它们都能产生 与速度相关的脉冲式电信号，由于光栅的分辨率高，能够达到较高的测量精 度。因而它们相对其它传感器的价格也比较昂贵。其检测系统的组成框图为： 图2 - 2 2 电机运行速度的检测系统框图( 用光电码盘) f i g 2 - 2 2m e a s u r i n gs y s t e mc o m p o s i n g c h a r to f e l e c t r o m o t o r s p e e d (usedb y d i s ko f p h o t o e l e c t r i c i t yc o d e ) 二 变频器”l 【l “1 是异步电动机变频调速的控制装置。目前市场上销售的 变频器的控制多半为v f 比恒定控制。保持v ，f 恒定控制是异步电动机变频 调速的最基本控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器 的输出电压，并使二者之比v f 为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。 根据电机学的原理，异步电动机的同步转速由电源频率和电机级数决定，在 改变频率时，电机的同步转速随着改变。 本文所用的变频器有个输出端子f m p ，端子f m p 反映变频器输出电源频 率的变化。电动机运行过程中通过检测该端子的电信号变化就可以检测出电 机运行速度的变化。v f 比恒定控制的突出优点是可以进行电机的开环速度 ，r 连铸过程计算机实时检测鼋隆制系统的研究 控制。下面是用该方法建立的速度监控系统组成框图。 图2 - 2 3 电机速度监控系统框图( i | 二| j 变频器) f i g 2 - 2 3m e a s u r i n gs y s t e mc o m p o s i n gc h a r to f e l e c t r o m o t o rs p e e d ( u s e db yi n v e r t e r ) 2 4 2 系统检测实例 ( 1 ) 铸坯拉速变化时的检测 图2 2 4 为实测得到的拉坯速度与f m p 端子输出电压关系图 ；0 4 1 卫0 3 i 0 2 1 51 71 92 1 2 3 频率( 1 q z ) ， 图2 2 4 设定的拉坯速度与变频器f m p 端子输出电压的对 应曲线 f i g 2 - 2 4 r e l a t i o nc h i v e o f d r a g g i n gs p e e da n do u t p u tv o l t a g eo f t r a n s d u c e rf m pe n d 由图中曲线可以看出，拉坯速度与变频器f m p 端子输出电压的关系呈线 性分布，因而可以通过监测变频器f m p 端子输出电压来监测拉坯速度。 望量垫堡盐苎壑壅堕垫型兰篓型墨竺竺堑壅 ( 2 ) 振动电机速度变化的检测( 分空载速度和带负载速度) 图2 2 6 和图2 - 2 5 分别为振动装置有无负载时输入频率与变频器f m p 端 子输出电压的关系图。 从图中曲线可以看出，振动装置输入频率与变频器f m p 端子输出电压关 系呈线形分布，同时在振动台电机额定工作范围内，对于给定的振动电机输 入频率，变频器f m p 端子输出电压一定，即电机运行速度保持不变。说明负 载有无对振动装置输入频率( 即电机速度) 与交频器f m p 端子输出电压的线 性关系无影响。 一1 3 ，0 8 鲁0 3 234567 频率( h z ) 图2 2 5 振动装置输入频率与变频器f m p 端子输出电压的 关系曲线( 空载) f i g 2 - 2 5 r e l a t i o nc u r v eo f i n p mf r e q u e n c yo fl i b r a t i o ne q u i p m e n ta n dt r a n s d u c e r f m pe n d o u t p u tv o l t a g e ( e m p t yl o a d ) ；1 3 一0 8 j0 3 234567 频率( i f z ) 图2 - 2 6振动装置输入频率与变频器f m p 端子输出电压的 关系曲线( 负载) f i g 2 - 2 6 r e l a t i o nc u r v eo f i n p u tf r e q u e n c yo fl i b r a t i o ne q u i p m e n ta n dt r a n s d u c e r f m pe n d o u t p u tv o l t a g e ( 1 0 a d ) 连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 2 5 本章小结 通过建立可视化的温度、流量、电机运行速度及电机载荷系统，实现了 连铸过程温度在线多点监测、冷却水流量、电机运行速度及电机载荷实时在 线监测。同时用计算机对在线数据进行实时处理。分析了流量信号采集的难 点，实现了用软件建立虚拟计数器法检测流量信号。 连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 第三章连铸过程自动控制系统的建立 3 1 冷却水控制的实现 在连铸过程中，结晶器是连铸机的心脏。为了保证连铸坯在结晶器出口 处有一定的坯壳厚度，结晶器通水冷却。结晶器中冷却水流量要与中间包钢 水温度及拉坯速度合理匹配。因而冷却水流量要能根据实际条件实时控制。 在异形坯连铸生产中为了快速冷却刚拉出结晶器的铸坯，在足辊处可采用喷 水强冷，冷却水流量约占二冷区冷却水量的2 0 。由于异形坯断面形状的复 杂，冷却面积大，而且断面各点散热条件不同，所需的冷却强度也不一样。 近年来薄板坯连铸工艺中普遍采用了软压下技术，这就对薄板坯在二冷段的 温度要求更加严格。铸坯一旦经喷水冷却后，表面温度过低，软压下技术就 难以应用。综上所述为了保证铸坯的合理冷却，冷却水流量需要合理实时的 控制。 由于连铸过程中结晶器冷却水的流量要与拉坯速度，中间包金属液体的 过热度等工艺参数很好的匹配，才能保证连铸过程的顺利进行，因而要能实 时监控冷却水流量的大小。流体流量的控制可以用拉速配水法( 拉速变化时， 演算查找出所需要的水流量来控制，这是目前比较成熟的种方法。根据长 时间的数据积累回归所得到的水量表，存入到数据库，实际中根据拉速的不 同在数据库中查找出对应的水量值。) 3 1 1 冷却水控制系统的组成 连铸实际工业条件下的冷却水控制系统由计算机、a d 模数转换卡、涡 流流量传感器、d a 数模转换板、直流电源、电磁阀门、被控对象及稳压电 源组成。如图3 1 ( a ) 所示： 连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 图3 - 1 ( a ) 冷却水控制系统组成原理框图( 工业条件) f i g ，3 - l ( a ) t h e o r y c h a r t o f c o o l i n g w a t e rc o n t r o ls y s t e m 图3 - 1 ( b ) 冷却水控制系统组成原理框图( 实验室) f i g 3 - l ( b ) t h e o r yc h a r to f c o o l i n gw a t e rc o n t r o ls y s t e m 本文采用的是简易的流量控制系统，如图3 - i ( b ) 所示，即采用经济 3l 堡堡望堡盐竺盟壅堕丝型兰堡型墨堕塑堕塞 的数字开关量板和通断阀组合来控制结晶器是否通水冷却，而对流量大小不 进行实时控制，只是在实验前通过调节阀门事先调整好目标流量。 3 1 2冷却水控制系统应用 图3 2 是采用简易水量控制系统和完全手动调节水量的实测对比，简易 自动控制系统通过调节阀设定的目标水量为1 2 0 l h 。 1 3 0 1 2 5 1 2 0 日旺| | 1 1 5 媾 1 l o 1 0 5 01 02 0 3 04 0 5 0 时间( s ) 6 0 图3 _ 2 手动与自动流黜4 曲线对比 f i g 3 - 2 c o n 仃a s tc u r v eo f m a r i u sa n da u t oc o n t r o l 从图3 - 2 可以看出，用手动控制阀门由于延迟时间长，控制精度相对较 低，流量最大偏差为8 ，而用简易自动控制系统对流量进行控制，流量最 大偏差为o 8 ，而且调节到目标水量的时间短。 连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 3 2 加热炉( 中间包) 温度控制的实现 在浇注过程中钢水温度、钢水成分和钢水流动特性是控制连铸机生产率 和铸坯质量三个重要的变量，为把连铸机产量和铸坯质量的矛盾统一起来， 提出了浇注过程温度稳定控制的概念，其中重要的是中间包钢水温度稳定性 控制问题。同时对于热加工相关专业的科学研究和教学实验，经常会涉及到 加热炉炉温的检测与控制。传统的控温工具是控温仪表。通常控温仪表都是 采用简单的双位控温模式，但由于加热炉本身热惯性很大，使得这样的控温 模式会造成炉温波动也很大。为此，在现有实验条件下。我们在测得炉温热 惯性规律的基础上，提出了通过施加脉冲电流双位精确控温方案。该方案改 进了原有的控温模式，克服了炉温热惯性带来的较大影响，提高了控温精度。 利用计算机高速实时采样和实时控制的优点，我们建立了可视化炉温检测控 制系统。该控制系统在应用于科研实验的同时，又能用于高质量的实验教学。 可以使学生增强实验设计的兴趣，在实验过程中，对一般控制系统的组成原 理和构建有个直观、全面的了解，掌握相关计算机软、硬件方面的知识，自 己设计控制系统。 3 2 1 控温系统的组成原理图 控温系统由计算机、a f d 模数转换卡、信号调理板、k - 8 4 0 光隔开关输 入输出卡、k - 8 0 51 6 路电磁继电器板、继电器、热电偶、控温对象及稳压电 源组成。 图3 - 3 温度控制系统组成原理框图 f 培3 - 3t h e o r yc h a r to f t e m p e r a t u r es u p e r v i s e s y s t e m 3 3 连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 3 2 2 温度监控系统的界面图 图3 - 4 温度信号监控系统界面图 f i g 3 - 4 i m e r f a c eo f t e m p e r a t u r es u p e r v i s es y s t e m 上图为温度监控系统主界面。通过该软件可以实现温度多点实时监测， 同时可以通过设置被测对象的控制温度及控制精度等属性进行温度的精确控 巾uo 34 连铸过程计算机宴时检测与控制系统的研究 3 3 连铸速度自动控制系统的实现 3 3 1 铸速自动控制系统的组成框图 拉坯速度的计算机自动控制系统由计算机，a d 模数转换卡，d a 数模 转换卡，变频器，电机，减速器，拉杆等组成。下面是系统的组成框图。 睁晒一 图3 - 5 拉坯速度自动控制系统图 f i g 一3 - 5 c h a r t o f d r a g g i n gs p e e da u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m 3 3 2 异步电动机变频调速的控制原理 。是垄安翌丰几调零尊动时，变频器可以根据电动机的特性对供电电压、电 流、频率进行适当的控制n 第二章第四节已经介绍了变频器的v ，f 控制方式j 粕糊峨孵捡 参，确差，艺度造性高缸龃獬始黻 程浇馘，制过与嬲好控黼黻耨虾。m 在坯瞧定提，拉郁稳的 行于 ，大进由氟低极全。糍度了安制鲫精到、控辩制得张肋戮谁踬 、速筮对制 速坯工相控高拉夸。的的对磐度制 程是远速控。 过就流坯动霞 铸量出拉自方 连变包始的彰证的问起坯简 保要中的拉作 了重，机，操 为最量铸制，中流如控靠制水例动可 垄壁塾堡盐苎垫壅堕垫型兰丝型至竺塾堕壅 变频器是一种静止的频率变换器，可将配电网电源的5 0 h z 恒定频率变成 可调频率的交流电，作为电动机的电源装置，当前国内外使用较为普遍。使 用交频器可以节能、提高产品质量和劳动生产率。 我们选用的变频器是日本进口的f u j i 通用交频器，f v r e 9 s 系列。该变 频器有两种控制模式，一种是用手动控制面板控制，另一种是通过对控制端 子编程自动控制。手动控制控制简单，控制精度不高，无法达到无级调速控 制。自动控制需要建立相应的计算机控制系统，增加了控制系统的复杂度。 但旦控制系统建立，其操作更加的简单，控制精度提高，可以达到无级调 速。 下面介绍本系统用变频器的一些重要的设置： 通过对变频器进行编程，可以设量变频器的控制模式。若要用自动控制 模式，则需要把f 0 1 和f 0 2 的值都设置为l ：反之若要手动，则把f 0 1 和f 0 2 的值设置为0 。 频率设置用的端子： 端子l 】是公用的接地端子，作为电压输入、电流输入的负端； 端子1 2 是电压输入0t o + l o vd c ( 最大输出频率) ： 端子c l 是电流输入d c4t o2 0 m a ( 最大输出频率) ； 控制输入端子： 端子f w d 是正向操作命令( f 1 9 d 与c l l 相连，电机正转) 端子r e v 是反向操作命令( r e v 与c m 相连，电机反转) 监视输出端子： 端子f 姒是模拟监视端子( 可以监视输出电流及输出扭距) ： 端子f m p 是输出频率监视端子。 3 3 3 变频器控制回路的抗干扰措施 变频器由主回路和控制回路两部分组成，由于主回路的非线形( 进行开 关动作) ，变频器本身就是斜波干扰源，所以对电源侧和输出侧的设备会产生 影响。与主回路相比，变频器的控制回路却是小能量弱信号回路，极易遭受 其它装置产生的干扰信号的影响，造成变频器无法正常工作。因此，变频器 在安装时，必须对控制回路采用抗干扰措旖。 3 3 3 1 变频器的基本控制回路 同外部进行信号交流的基本回路有模拟与数字两种： ( 1 ) 4 - - 2 0 m a 电流信号回路( 模拟) ；l l o v 电压信号回路( 模拟) 。 36 连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 ( 2 ) 开关信号回路，变频器的开停指令正反指令( 数字) 。 外部控制指令信号通过上述基本回路导入变频器，同时干扰源也在其回 路上产生干扰电势，以控制电缆为媒体入侵变频器。 3 3 3 2 干扰的基本类型及抗干扰措旋 常见的干扰类型及其消除措施如下： ( 一)静电偶合干扰：指控制电缆与周围电气回路的静电容偶合，在 电缆中产生的电动势。 消除措施： ( 1 )加大与干扰源电缆的距离，达到导体直径4 0 倍以上时，干扰程 度就不太明显。 ( 2 ) 在两电缆间设置屏蔽导体，再将屏蔽导体接地。 ( 二) 电源线传导干扰：指各种电器设备从同一电源系统获得供电时， 由其它设备在电源系统直接产生电势。 消除措施：变频器的控制电源由另外系统供电；在控制电源的输入侧装 设线路滤波器；且屏蔽接地。 ( 三) 接地干扰：指机体接地和信号接地。对于弱电电压电流回路及任 何不合理的接地均可诱发的各种意想不到的干扰，比如设备两个以上接地点， 接地处会产生电位差，产生干扰。 消除措施： ( 1 ) 速度给定的控制电缆取1 点接地，接地线不作为信号的通路使用。 ( 2 ) 电缆的接地在变频器侧进行，使用专设的接地端子，不与其它接 地共用。并尽量减少接地端子引接点电阻，一般不大于1 0 0 q 。 ( 四) 静电感应干扰：指周围电器回路产生的磁通变化在电缆中感生出 的电势。干扰的大小取决干扰源产生的磁通大小，控制电缆形成的闭环面积 和干扰源电缆与控制电缆的相对角度。 消除措施： ( 1 ) 一般将控制电缆与主回路电缆或其它电缆分离铺设，分离距离通 常在3 0 c m 以上( 最低为i o c m ) ，分离困难时，将控制电缆穿过铁管铺设。 ( 2 ) 将控制导体绞合，绞合间距越小，铺设的路线越短，抗干扰效果 越好。 ( 五) 接触不良干扰：指变频器控制电缆的电接点及继电器接触不良， 电阻发生变化在电缆中干扰。 消除措施： ( 1 ) 对继电器触点接触不良采用并联触点，或镀金触点继电器。 ( 2 ) 对电缆连接点应定期做拧紧加固处理。 3 7 连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 3 4 中间包出流控制的实现 下面主要对反压式浇注系统进行了探讨。为了配合。先进金属成型与过 程控制综合实验体系的完善，有利于教学实验的开展，对原来的浇注系统 进行了改进。原有的浇注是采用手动，为了控制浇注速度，必须用手控制塞 杆的转动，这样既不能达到均匀控制浇注速度的目的，操作起来又不安全。 因此提出了采用反压式方法对浇注速度进行自动控制，在浇注过程中放一个 压头浸入浇包里的液体中，液体将会因受压头排挤作用从浇管上方的缺口中 流出，流出的体积和进入液体的压头部分体积相同。通过变频器对普通异步 电机的速度进行调节来控制压头下降速度，就实现了浇注过程的自动控制。 结合理论计算及实验验证，反压式浇注系统能对浇注速度进行自动控制。 3 4 1 反压式浇注系统的原理与组成 反压式浇注系统的核心部分由中间包，压头，中注管，滑轮，减速器， 电机，计算机系统组成。中间包中盛装浇注过程中所需的金属液体，由于中 间包的外面是保温炉套，因而中间包还起到了对浇注液体保温的作用。压头 是反压式浇注系统的关键部件，浇注中起到挤压液体金属的作用。挤压出的 液态金属经浇管上部的狭缝进入到中注管中，由中注管下部出流，注入到结 晶器中。反压式浇注系统的原理及组成框图见图3 - 6 。 反压式出流系统的基本原理是阿基米德的浮力定律当重物进入液体 中的时候它将排出和它一样体积的液体。当密度比锡大的铁进入锡液中的时 候，它将压出一定量的锡液，并使中间包中的锡液液面上升，随着锡液面淹 没中注管出流口高度的增加，锡液经中注管的出流量将增加。当铁压头以恒 速下压时，中注管的流量将由零增至平衡出流速度。当铁压头的下压速度变 化时，出流的速度也会随之加大或减少。要控制浇注速度，我们只要控制连 接压头的电机的速度就可以了。、 连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 图3 - 6 反压式浇注系统结构图 f i g 3 - 6 p o u r s y s t e m sc o n f i g u r a t i o no f r e v e r s e p u s h i n g 3 9 连铸过程计算机实时检测与控制系统的研究 3 4 2 反压式浇注系统的可行性分析 为了验证反压式浇注系统的可行性，我们首先用水做了试验。 我们采用压力传感器测量压头排出的水量变化曲线就可以知道水流是否 均匀。下面曲线就是采用反压时的水压曲线。 堂 v 嘣 皤 “。兰窝瓮器尊昌m t - 葛= 翟器裂爱兽箜 时间( s ) 图”利用反压系绍嘲割自鲥饪啦线( 压头下i 砬渡为1 r 帕s ) f i g 3 - 7h y d r a u l i c c u i v eg o t t e nb yt c v e f s cp u s h i n g s y s t e m 由以上水压曲线可以看出水压曲线呈线性分布，即斜率保持不变，也就 是说流量没有随时间发生变化。说明利用反压浇注系统可以得到稳定的出流。 另外还采用采用纯锡做了进一步实验。 实验参数如下： 浇注温度2 7 5 c压头温度2 8 5 ( 2 纯锡熔点2 3 2 。c 压头下压速度分别为r 0 5i n n j s 和1 5 7 m m s 实验步骤为： 1 熔化锡。 2 给保温炉通电，加热压头。 3 把变频器调好数值，并把缠上石棉毡的杯子放在出流口的下方。 4 锡液达到2 8 0 c 后倒入杯中，放上压头，开动电机，压头以一定的 速度下压浇杯中的液体。 5 观察液流情况，保存数据，分析数据。 6 重复步骤4 ，直到两组实验全部作完。 40 垄笪鎏堡生簦! ! 塞堕堡型兰笙塑墨竺塑堕塞一 51 01 5 叫间( s ) 图3 8 压头速度分别为1 0 5 d 5 7 m s 时液压曲线 f i g3 - 8h y d r a u l i cc u r v e w h e n p u s h i n gs p e e di s1 0 5a n d1 5 7 m s 由图3 - 8 的实验结果可以看出出流过程存在微小的波动，这是由于锡液 本身具有粘性和表面张力，它不是沿着管流下来的，而是成球状滚下来的。 但总体看来可以认为出流是近似线性的，而且从添加的趋势线可以看出1 5 7 删刮s 相对于l ，0 5m 耐s 的斜率有了明显的变化，即随着压头速度的增加压 力曲线的斜率增大。这说明随着压头下落速度的增加，浇注速度也相应增加。 因此我们通过控制压头下压的速度，完全可以达到自动控制浇注速度的目的。 3 4 3 反压式浇注系统的结构设计 3 4 3 1 液体出流概述 液体从孔口出流的情况是多种多样的，根据孔口的结构形状和出流的条 件，有不同的分类。 ( 一) 从孔口边缘形状和出流情况可将孔口分为薄壁孔口与厚壁孔口。 如果出流液体具有一定的速度，能形成射流，并且孔口具有尖锐的边缘， 以致于壁厚对粘性摩阻不发生影响。这种孔口称薄壁孔口或锐缘孔口。 由于孔口边缘尖锐，而流线又不能突然折转，经过孔口后射流要发生收 缩，在离孔口大约d 2 ( d 为孔口直径) 处即c c 断面处射流达到最小收缩断 面，它的面积以a 。表示，a c 与孔口的几何断面积a 之比称之为牧缩系数， 即c 。= a 。a 。在收缩断面c c 处，流线近似平行，可以认为是缓变流动。液 体从薄壁孔口出流时没有沿程能量损失，只有因收缩而产生的局部能量损失。 41 7 6 5 4 3 2 l 0 量) 嘟蚓 连铸过程计算机实时检测与撺制系统的研究 ( 二) 以孔口断面上的出流速度均匀性为准，可以分为d , t l 口与大孔 1 3 。根据能量方程，液体出流的速度与该点的总势能头( p pg + h ) 有关， 如果孔口上各点的总势能水头差别可忽略不计，那么孔口上各点速度可以认 为是常数，称为小孔口，否则称为大孔口。 ( 三) 以出流的下游条件为准，可分为自由出流孔口和淹没出流孔1 3 。 如果流体通过孔口后流入大气中称为自由出流孔口。如果是流入充满液体的 空间，则称为淹没出流孔口。 3 4 3 2 薄壁圆形小孔口的出流计算 下面讨论薄壁小孔1 3 自由出流的流动情况。如图3 - 9 所示，前已述及， 小孔出流时，根据流线的特性可知，它不会是折线，而只能是一条光滑的曲 线。对o - o 与c - c 断面列出伯诺里方程式： v 。p 。 图3 - 9 薄壁小孔口自由出流圈 f i g 3 - 9 c h a r to f r i c ef l o wt h i nw a l ls m a l l