（机械电子工程专业论文）连铸机结晶器液位控制系统的设计.pdf

摘要 摘要 结晶器液位控制系统涉及传感器技术、信息处理技术、计算机控制技术等 多个领域，本文围绕山西长治钢铁集团股份有限公司r 1 0 4 4 异型坯连铸机结 晶器液位控制系统展开论述。 首先，在比较了液位控制系统各组成部分方式和特点的基础上，确定采用 涡流检测技术与先进的伺服电动缸技术相结合来实现结晶器钢水液位的闭环自 动控制方案：硬件设计上，完成了液位控制系统各组成部分的设计选型，采用 总线桥技术来解决西门子p l c 和第三方仪表之删的异构网通讯问题；下位机软 件设计上，采用1 0 点平滑平均滤波法对液位采集信号进行滤波处理，很好地抑 制结品器周期性振动干扰，平滑度高，且可以避免液位波动过大，通过总线桥 g s d 文件的编写、组态及编程实现异构网之间的通讯，采用成熟的p i 控制算 法实现液位的闭环控制：上位机软件设计上，完成了w i n c c 数据采集及监视软 件设计，并利用c 脚本扩展了上位机的特殊功能，方便了管理和操作。 本文还根据液位控制系统的机理建立了各个环节的数学模型，使用 s i m u l i n k 工具对p i 、分段p i 及模糊控制算法进行了仿真实验，比较分析了仿真 结果，为结晶器的液位控制算法的改进奠定了基础。 最后，进行了涡流传感器标定及电动缸响应性能实验，在实验室条件下， 测试控制系统响应动作正常。 关键词：连铸：结晶器液位控制；涡流传感器；g s d ；总线桥；建模 南昌人学工学顾二1 学位论义 a b s t r a c t m o l dl e v e lc o n t r o ls y s t e mi n v o l v e s m a n yr e a l m s w h i c hi n c l u d es e n s o r t e c h n i q u e ，i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n i q u ea n ds oo n t h i sa r t i c l ed i s c o u r s e su p o nt h em o l dl e v e lc o n t r o ls y s t e mo fr 10 - 4 - 4p r o f i l e db i l l e t c o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n eo fs h a n x ic h a n g z h is t e e la n di r o ng r o u pj o i n t s t o c k l i m i t e dl i a b i l i t yc o m p a n y 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 d t h ea d v a n c e ds e r v oe l e c t r i cc y l i n d e rt 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 c c o n t r o lo fm o l dm 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 c o f e a c hc o n s t i t u e n tp a r to ft 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 t c o m p l e t e sc h o i c eo fe a c hc 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 ，a n du s e st h e b u sb r i d g e t e c h n o l o g yt o s o l v ec o m m u n i c a t i o np r o b l e mo fd i f f e r e n tn e t w o r k b e t w e e ns i e m e n sp l ca n dt h et h i r dp a r t yi n s t r u m e n t f o rt h es o f t w a r ed e s i g no f r o c k b o t t o mm a c h i n e ，i tu s e s10p o i n ts m o o t h n e s sa v e r a g ef i l t e ra l g o r i t h mt of i l t e r p e r i o d i cj a m m i n go ft h ec r y s t a l l i z e rf o r mm o l t e ns t e e ll e v e ls i g n a l ，t h ed e g r e eo f s m o o t h n e s si sh i g h ，a n dt h i sw a ya l s oa v o i d sl a r g eu n d u l a t i o no fm o l t e ns t e e ll e v e l ； i tr e a l i z e sc o m m u n i c a t i o no fd i f f e r e n tn e t w o r kt h r o u g ht h eg s df i l ec o m p i l a t i o n 、 c o n f i g u r a t i o n 、p r o g r a m m i n go f b u sb r i d g e ，i tu s e st h em a t u r ep ic o n t r o la l g o r i t h mt o r e a l i z em o l dl e v e lc l o s e d l o o pc o n t r o l ；f o rt h es o f t w a r ed e s i g no ft o pm a c h i n e ，i t c o m p l e t e st h ew i n c c s o f t w a r ed e s i g n ，a n de x t e n d ss p e c i a lf u n c t i o n so ft o pm a c h i n e b yu s i n gcs c r i p tf o rf a c i l i t a t i n gt h em a n a g e m e n ta n do p e r a t i o n i nt h i sp a p e r , i ta l s oe s t a b l i s h e sm a t h e m a t i c a lm o d e lo fe a c hc o n s t i t u e n tp a r t a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s mo fm o l dl e v e lc o n t r o ls y s t e m ，c a r r i e so nt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n tf o rc o n v e n t i o n a lp i p a r t i t i o n e dp ia n df u z z yc o n t r o la l g o r i t h mb yu s i n g t h es i m u l i n kt o o l ，t h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t sl a y st h e f o u n d a t i o no ni m p r o v e m e n to f t h em o l dl e v e lc o n t r o la l g o r i t h m f i n a l l y , i tc a r r i e so nt h ed e m a r c a t i o ne x p e r i m e n to fe d d yc u r r e n ts e n s o ra n d r e s p o n s ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n to fe l e c t r i c a lc y l i n d e r u n d e rt h el a b o r a t o r y c o n d i t i o n ，t h ec o n t r o ls y s t e mr e s p o n s ep e r f o r m a n c ei sn o r m a l i i 摘要 w r i t t e nb y ：l i ul i n l i n d i r e c t e db y ：v i c ep r o l i u g u o p i n g k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ；m o l dl e v e lc o n t r o l ；e d d yc u r r e n ts e n s o r ；d e v i c e d e s c r i p t i o nd a t af i l e ；b u sb r i d g e ；m o d e l i n g i 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太学或其他 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 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：澎况7 哲匈签字日期：沙一f 年月，多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 壹量叁堂 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掘 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： 签字日期：z ， 日 导师签名：丕巾飞耷 签字同期： 万年月，；彬 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：乡垮蒙埽壶5 鼢燃7 豇钫蘅 电话：叫，弦脚9 通讯地址乡尚布翱瓦栅兽西哆纠谚叫劾拶隰少例， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 连铸工艺及控制技术发展概况 1 1 1 连铸工艺发展概况 连续铸造是将液体金属经过一组特殊的冷却和支撑装置连续地浇铸成一定 断面形状的铸坯的过程。它是连接炼钢和轧钢的中间环节，是炼钢生产厂( 或 车间) 的重要组成部分。连铸生产的正常与否，不但影响到炼钢生产任务的完 成，而且也影响到轧材的质量和成材率。连续铸造的最初设想是由英国转炉发 明者h e n r yb e s s e m e r 于1 8 5 6 年提出来的，1 9 3 0 年连铸技术开始用于铜铝等有 色金属的生产之中。由于钢的熔点高而导热性能较差，所以钢的连铸比有色金 属的连铸更加困难。直到1 9 3 3 年s j u n g h a n s f 2 , 3 】的结晶器震动技术取得突破以 及1 9 4 3 年连续铸钢实验装置开发成功，才使连铸技术在钢铁工业中的应用成为 可能。连铸真正在钢铁工业中的应用开始于6 0 年代，此后连铸技术不断改进， 连铸工业更是迅速完善。我国是较早开始研究连铸技术的国家之一，1 9 5 7 年在 上海建成第一台高架立式方坯连铸实验机，次年在重钢三厂建成我国第一台用 于工业生产的立式连铸机，1 9 6 4 年又在浚厂建成我国第一台也是世界最早的r 6 m 弧形连铸机。另外，在电磁搅拌技术、二次冷却自动控制技术等方面的研究 也取得了较大进展。 从本世纪5 0 年代开始到现在，连铸技术已经成为一项很重要的冶金生产技 术。与传统的模铸相比，连铸不但简化了生产工艺流程、提高了生产率和产品 质量，而且金属收得率较高、能耗和生产成本也大大低于模铸。所以连铸在冶 金工业中占有十分重要的位置。连铸机按照机型分为立式、立弯式、垂直多点 立弯式、弧型以及水平型等，其中弧形连铸机占6 0 以上。按照铸坯形状又可 分为板坯连铸机、大方坯连铸机和小方坯连铸机等，其中小方坯连铸机约占 5 0 。由于连铸在钢铁工业生产中有着十分重要的作用，因此连铸过程的建模 与控制已成为目前国内外自动控制的热点之一，连铸和炼钢、连扎一起构成了 带动钢铁工业革新和进步的三架马车【4 】。 一台连铸机主要是由盛钢桶、中间罐、结晶器、结晶器振动装置、液位控 制装置、二次冷却装置、拉坯( 矫直) 装置、切割装置和铸坯运出装置等部分组 南昌大学工学坝：i ：学位论文 成的。如图1 1 所示。浇钢时，把装有钢水的盛钢桶，通过盛铜桶运载装置， 运送到连铸机上方，经盛钢桶底部的流钢孔把钢水注入到中问罐内。打开中问 罐塞棒( 或滑动水口) 后。钢水流入到下口用引锭杆头堵塞并能上下振动的结 晶器中。钢液沿结晶器周边冷凝成坯壳。当结晶器下端出口处坯壳有一定厚度 时，带有液心并和引锭装置连在一起的铸坯在拉坯机驱动下，离 r 结晶器沿着 由弧形排列的夹辊支撑下移。与此同时，铸坯被二次冷却装置进一步冷却并继 续凝固。当引锭装置进入拉矫机后脱去引锭装置，铸坯在全部凝固或带有液心 状态下被矫直。随后在水平位置被切割成定尺长度，置放于运坯装置上运送到 规定地点。上述整个过程是连续进行的】。弧型连铸机的主要设备包括： 图1 1 连铸机结构示意图 传送 置 1 钢液供应设备：炼钢炉炼出供连铸用的合格钢水流入钢水罐，经吹氢调温 或真空脱气处理后，将钢水罐送到中间罐上方，准备浇注。承托钢水罐的 方式有三种，即固定座架、门型钢水罐车和钢水罐旋转台。 2 中间罐：中间罐首先接受钢水罐中的钢液，然后再对准结晶器中一t l , 进行浇 注，中间罐的冶金作用主要是减压、稳流、除渣、贮钢和分流。 3 结晶器及其振动装置：结晶器是连铸设备的心脏，它是种水冷的特殊钢 锭模。钢液通过结晶器后，要凝固成坚固的硬壳，形成所需断面的铸坯， 并被连续拉出进入二次冷却区。结晶器的形式按连铸机形式不同，结晶器 可分为直的和弧形的两大类。按铸坯规格和形状来分，有小方坯、大方坯、 第一章绪论 板坯和异形坯结晶器。结晶器振动的目的，是为了防止铸坯在凝固过程中 与铜板粘结而发生粘挂拉裂或拉漏事故，以保证拉坯i l i o n 进行。 4 二次冷却系统：从结晶器拉出来的铸坯凝固成一个薄的外壳( 8 1 5 m m ) ，而 中心仍然是高温钢水，边运行边凝固，结果形成一个很长的液相穴。为使 铸坯继续凝固，从结晶器出口到拉矫机长度内设簧一个喷水冷却区。在二 次冷却区设有喷水系统和按弧形排列的一系列夹辊，起支承铸坯和导向作 用，使铸坯沿一定弧形轨道运行时，不致产生鼓胀变形。 5 电磁搅拌器：结晶器电磁搅拌的作用是钢水运动可清洗凝固壳表层区的气 泡和夹杂物，改善铸坯表面质量。同时有利于过热度的降低，可适当提高 钢水过热度，有利于去除夹杂物，提高铸坯清洁度。钢水运动可把树枝晶 打碎，增加等轴晶核心，改善铸坯内部结构。结晶器钢一渣界面经常更新， 有利于保护渣吸收上浮的夹杂物。 6 拉坯矫直机：拉坯矫直机是弧形连铸机的重要设备。它是布置在二次冷却 区导向装置的尾部，承担拉坯、矫直和送引锭杆的作用。 7 切坯装置：从拉矫机连续不断拉出的铸坯，应按成品规格及后步工序的要 求切成定尺长度。由于铸坯的剪切是在浇注过程中进行的，因此剪切机必 须和铸坯同步进行。 8 引锭装置：引锭杆的引锭头用来堵住浇注前结晶器的下口，在开浇时使钢 水不会漏出。钢水在结晶器中和引锭杆上端的引锭头凝结在一起，通过拉 辊的牵引，使铸坯向下运行，当引锭杆拉出拉矫机后，完成引锭的工作， 就把引锭杆脱去，进入正常拉坯状态。 1 1 2 连铸控制技术现状 在工业控制中采用计算机控制，可以提高产品的产量和质量，节省能源和 人力，提高收得率，降低成本。由于连铸过程对钢水质量要求高，连续作业设 备操作难度大，再加上凝固过程的复杂性，在连续铸钢过程中引入计算机控制 迟于其他类型机组。近年来，由于操作经验的逐渐积累及对连铸过程解析的深 入，开始逐步采用计算机控制对整个连铸过程进行监控和管理。特别是连铸一 轧钢直轧工艺流程的开发和应用，要求连铸生产出来的铸坯是高温无缺陷坯， 且要求对生产、物流运转和质量进行高水平管理，因此要求采用计算机技术对 南昌太学t 学硕i ：学位i 宅立 浇铸过程进行自动控制，并且利用计算机对计划进行调整。连铸过程控制的复 杂性体现在： ( 1 ) 存在着可测的扰动和未建模动态； ( 2 ) 具有时变性和非线性特性； ( 3 ) 过程本身和执行机构常有较大的滞后； ( 4 ) 用于过程测量的传感器也常常受到高频噪声的影向； ( 5 ) 连铸过程各环节之间相互耦合： ( 6 ) 连铸与连轧、炼钢之间需要协调控制和调度。 由于上述复杂性，因此，国内外一些控制学者和专家开始将诸如自适应控 制、预测控制、模糊专家系统和神经元网络等智能控制方法应用到连铸生产过 程各环节的控制之中，而且较好地解决了各环节之阻j 的耦合控制及整个过程的 优化和故障诊断与处理等问题【。 在连铸控制系统中，一般根据信息量的大小把控制分为大规模控制和小规 模控制。大规模控制是指用计算机进行全面控制。小规模控制是指只用计算机 作局部控制，例如局部控制二次冷却和进行数据处理，或者只用计算机控制多 流连铸机的结晶器液位和拉坯速度等。近年来，国内外加强了重要参量的检测 技术研究，整个控制系统中普遍采用集散控制系统d c s 和可编程控制器p l c ， 电器传动控制采用交流调速和矢量控制技术。 新日铁公司君滓4 号二流板坯连铸机通过二级计算机系统自动控制结晶器 冷却水量和结晶器震动参数，配备了一些必要的控制仪表和检测元件，如钢包 钢水流量控制仪表、结晶器保护渣加入仪表、热电偶等。连铸机的中心控制室 与切割控制室相互结合，由遥控切炬完成铸坯切割，通过电视监视器进行生产 监督。在保证最佳收得率的的情况下，由过程计算机给出最佳切割长度，而且 在线切除切头并用遥控车运走，定尺铸坯则在计算机控制系统控制下由出坯辊 道运走。采用该系统后，连铸车间的工作人员数量大大减少。二级控制系统虽 然比较先进，但目前已有许多厂家采用了更为先进的三级自动化系统。如德国 东方钢铁公司的连铸机采用的便是一个典型的三级自动控制和信息处理系统， 其中第一级和第二级分别由j e u m e n t - s c h n e i d w e r 可编程控制器和西门子 t e l e p e r m m m s r 基础自动化系统构成，第三级为单独的一个计算机系统。还有 笫一章绪论 一台故障诊断计算机与所有生产设备相连，负责连铸生产过程的故障诊断。该 控制系统主要包括生产计划编制系统、转炉炼钢控制系统、板坯连铸控制系统、 大方坯连铸控制系统、铸坯清理控制系统等。此外还有一个用于离线分析和软 件开发的备用控制系统，采用放射性液位仪完成结晶器液位的检测和控制。另 外，美囤国家钢铁公司2 号连铸机控制系统也采用了三级计算机控制系统，其 中第一级为由可编程控制器p l c 构成的集散控制系统d c s ；第二级为 v a x l1 7 8 5 型数字计算机构成的设备监控系统，它对第一级控制系统进行信息 跟踪、存储且为其提供给定值，并同第三级交换信息：第三级为一个负责炼钢 和连铸生产调度的计算机系统。该系统可以根据质量控制系统提供的数据作出 关于质量状况、生产数据、收得率等的详细报表，并为操作员提供操作指导。 在优化生产工艺方面，该控制系统能够在线计算转炉区的装炉料和合金添加料 以及连铸区的最优拉速和最优冷却水量，并可显示单个设备的运行情况。c l e f ， 中间包配备有称重仪表，结晶器配有一台数控坐标位置测量仪和放射性液位仪， 他们分别用于中间包重量控制、校准结晶器位置以及结晶器液位控制。并用一 台微机来收集自动开浇所需的有关数据，实践证明采用这种自动开浇技术，即 使在浇铸小方坯时也能保证良好的浇铸效果。另外，美国国家钢铁公司大湖分 公司新建的2 号一机双流连铸机的二级自动化系统还可以完成拉速优化计算； 根据第三级自动化系统提供定货信息计算最佳切割长度；为一级系统提供水雾 冷却参数和切割长度设定值；显示和记录与结晶器液位、拉坯速度以及铸坯温 度等相关的操作条件。还有一些连铸车间采用了能够对工艺流程进行优化的控 制系统。如德国阿尔贝德萨尔公司伏克林根厂的四台连铸机采用相同的控制系 统实现生产记录、过程控制、物料跟踪等功能，控制从转炉装料到铸坯切割的 整个生产过程中的各项工序。 除此之外，国外有些厂家的连铸机已经采用了四级自动化系统。美国内陆钢 铁公司2 号和3 号连铸机都配备了四级自动化信息系统。其中第一级为显示控制系 统，由集散控制系统d c s 、可编程控制器p l c 和c r t 显示器组成：第二级由过程 计算机和c r t 组成，用于设备监控：第三级为用于协调和监视连铸车间各生产设 备的操作的计算机系统；第四级为中心数据处理计算机系统，用来管理和调度连 铸及其相关工序，使各工序协调生产，并保存连铸车间的历史数据。该厂的二次 南昌人学工学坝i j 学位论文 冷却控制系统采用动态冷却控制模型进行控制，铸坯引锭杆上安装有棍缝检测装 置和用于辊缝监视的脉冲发生器，以便校准夹辊辊缝和进行夹辊维修。 国内外的经验都己证明：用连铸代替模铸钢液至钢材的收得率可提高 8 - 1 5 ；热能消耗可降低5 0 7 0 ；成本下降l o - 2 0 ：基本投资可节省4 0 。 连铸坯的质量一般都高于模铸，而且极大地改善了劳动条件。为此我国把发展 连铸作为发展炼钢生产的一项重大技术政策，确定了奋斗目标：2 0 0 0 年连铸比 达到5 0 1 ”。 随着计算机技术和自动化技术的迅速发展和在连铸生产中的广泛应用，以 及诸如铸坯轻压下技术、电磁搅拌技术等连铸技术的不断涌现，连铸开始向近 终型连铸、多炉连浇、热送、热轧以及炼钢一连铸一连轧短流程联合生产的方 向发展。 1 2 结晶器液位控制技术的现状及趋势 1 2 1 结晶器液位控制的重要性 连铸生产过程中，对于结晶器液位控制的一个基本要求是稳定生产操作， 避免漏钢和溢钢；其次是要尽可能的保持液位稳定，提高铸坯的质量：而能否 满足第二条要求是目前衡量连铸控制水平的一个重要标志。结晶器液位控制的 重要意义如下： 1 减少和避免漏钢、溢钢，稳定生产操作； 2 防止浮在结晶器液面上的夹杂物卷入铸坯，避免在铸坯表面和内部产 生夹渣缺陷； 3 防止结晶器保护渣不均匀流入，避免产生裂纹、炉渣条痕等表面缺陷； 4 使铸坯初期凝固稳定、保证在结晶器内部产生均匀的凝固壳； 5 降低操作人员的劳动强度。 1 2 2 结晶器液位控制技术的现状及趋势 结晶器液位控制系统主要包括液位检测系统、执行机构、模型辨识、控制 器及控制策略几个方面。 结晶器液位检测技术是制约我国连铸过程自动化和生产自动化的瓶颈之 一。常见的结晶器液位检测方法主要有放射性同位素法、热电偶法、涡流法以 6 第一章绪论 及超声波法等。液位检测器研制上，国内目前只有东北大学和核工业部2 6 1 厂 分别试制成超声波液位计和用c o “作为放射源的结晶器液位测量仪，但还不曾 有厂家正式使用。在液位检测器使用上，日本新日铁公司、武钢第三炼钢厂以 及陕钢第二炼钢厂的部分连铸机采用涡流法，德国阿尔贝德萨尔公司伏克林根 厂及陕西钢厂采用放射性同位索法，日本新日铁公司君4 号板坯连铸机采用热 电偶法，我国宝钢也采用过这种方法。另外，还有电磁感应法、激光法、红外 线法以及工业电视摄影法等，它们各有特点，在国内外使用效果也都较好。结 晶器液位检测方法中最为成熟的是放射性同位素法其精确度可达5 m m ，性能 可靠且稳定，便于安装，使用寿命较长，经济实用，适用于绝大多数连铸机， 尤其是小方坯连铸机。但是，由于放射线对人体有害，目前几乎己不再使用这 种方法了。如宝钢曾经采用放射性同位素法，现在已改用热电偶法和电磁感应 法。随着涡流法的成熟和精度的提高，目前国内已得到广泛使用。 结晶器液位的执行机构目前主要包括：液压执行机构、电气交流无刷伺服 电机执行机构、高精度气动数字缸、低惯量交流无刷伺服电动缸，其中后两种 方式由于性能优良和维护方便已得到越来越多的应用。 关于模型辨识，较为有效的方法是在正弦信号激励下采用现场中的p i ( d ) 控制器进行闭环辨识，但是这种辨识方法的噪声性能和鲁棒性较差，要求过程 中无噪声或噪声很小，因此用这种方法得到的模型可能存在着偶然性干扰因素 的影响。同时，由于结晶器液位控制系统具有非线性和时变性，固定不变的过 程模型必然得不到理想的控制效果。为此，郭戈等在研究结晶器液位控制系统 时建立了一个c a r i m a 模型，并用扩展递推最小二乘法对开环系统进行了辨 识。在实时辨识时对输入输出数据进行低通滤波，从而消除了噪声扰动，确保 了辨识的稳定性和鲁棒性。另外，th e s k e t h 等在某板坯连铸机结晶器液位控制 系统参数辨识时采用了顺序预测误差法，将辨识所得参数向量用于控制器设计 之前，先对其进行低通滤波，从而使这种参数辨识方法能够跟踪液位系统的参 数变化，使辨识对于参数变化具有鲁棒稳定性。 关于控制器，由于连铸车间条件恶劣，现在国内外几乎都采用可靠性很高 的p l c 作为控制器，而且西门子的p l c 几乎占绝对统治地位。 关于液位控制策略，由于传统的p i d 控制策略只有在特定的工艺条件下才 南吕火学t 学倾一卜学位论史 能实现有效的结品器液位控制，系统鲁棒性较差，因此出现了各种基于p i ( d ) 的液位控制策略、基于零极点配置的液位控制策略及智能化液位控制策略，这 些控制策略都在某种程度上提高系统的稳定性，但是还没有一种通用策略能够 解决液位控制的问题，而且策略和被控对象的参数关系很大，很难通用化，因 此，结晶器液位控制策略仍然是目前的研究热点 4 1 。 总之，结晶器液位控制系统涉及传感器技术、信息处理技术、计算机控制 技术等多个领域，作为连铸控制系统的重要环节，智能化和网络化是结晶器液 位控制技术的必然趋势 6 j 。 1 3 本文的主要工作 在了解结晶器液位控制的现状及趋势的基础上主要完成了如下工作： 1 以山西长治钢铁集团股份有限公司r 1 0 4 4 异型坯连铸机结晶器液位 控制为背景，根据液位控制系统的要求，确定了采用涡流检测技术与 先进的伺服电动缸技术相结合束实现结晶器钢水液位的闭环自动控 制； 2 采用西门子s 73 1 4 c 一2 d p 可编程逻辑控制器、s t e p 7 编程软件和 w i n c c 组态软件，完成了上下位机的软硬件设计、编程及调试，实现 液位的p i 闭环控制，能够满足一般工艺条件下的液位控制； 3 以实际被控对象为背景，对控制系统机理进行建模，在此基础上对p i 、 分段p i 及模糊控制算法进行仿真比较，为控制策略改进及振动干扰的 数字滤波提供了理论依据。 4 在实验室条件下，进行了涡流传感器标定及电动缸响应性能实验，为 具体的控制效果提供实验分析数据。 第二章结品器液位控制系统方案设计 第二章结晶器液位控制系统方案设计 连铸机结晶器液位控制系统的结构如图2 1 所示，主要由液位检测传感器、 液位控制器、执行机构三部分组成：根据控制方法的不同可以采用通过调节滑 动水口的开度、塞棒位置或拉坯速度来控制结晶器液位的稳定；其原理都是一 样的，通过控制进出结晶器的液体流量平衡来实现控制目的的。 图2 1结晶器液位控制系统组成示意图 2 1 液位控制方法的选择 2 1 1 液位控制方法及特点 结晶器钢水液位自动控制通常有3 种方法 7 , 8 1 ： 1 ) 流量型 通过控制中间包向结晶器内钢水流入量，以保持液位稳定，即改变塞棒或 滑动水口的位置，或者控制塞棒和滑动水口二者的位置，控制钢水流量，以达 到液位稳定的目的；例如，宝钢1 9 0 0 r a m 板坯连铸。 通常是控制滑动水口来保持液位稳定，但是当铸钢接近终了时，由于钢水 减少，而拉速减小不大，易生旋涡，使表面钢渣带入结晶器；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 南吕_ 人学工学坝士学位论文 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。 2 ) 速度型 即控制拉坯速度以保持液位稳定。在这种方法中，固定中问包流入到结晶 器中的铡液量，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。这中方法喷溅较少，主要用于小方坯连铸；如苗钢三炼铡小方坯连铸 采用的就是这种方法。 拉遥控制结晶器液位通过改变拉速来控制液位，其控制特性曲线是线性的。 因此，从理论上说其控制精度是很高的。拉速是连铸过程中的一个重要参数， 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、断面尺寸、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。因此，拉速 的调节范围应限制在一个较小的动态范围内。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f 。而台适浇注温 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。 3 ) 混合型 即一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，以控制液位。这 种控制方法综合了上面两种方法的优点，在控制要求非常高的时候比较适合使 用，控制上较为复杂。 2 1 2 液位控制方法比较 流量控制和拉速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。拉速控制液位是线性的，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 o 第- 二章结品 液位拄制系统方案设计 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 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【8 j 。 在连铸结晶器液位控制中，由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；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 7 j ： 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，拉速出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。 2 2 液位检测方式的选择7 1 1 9 1 6 l 2 2 1 液位检测方式及特点 液位检测器作为结晶器液位控制系统的眼睛，在整个液位控制中占有举足 轻重的地位。液位检测系统的精度和性能在一定程度上决定了整个控制系统的 品质。总体来讲，对结晶器钢水液位检测的要求是安全、稳定、可靠、便于维 护、耐高温、抗干扰，最好是保护渣对测量无影响。目前，结晶器钢水液位检 测的方法有放射法( c 0 6 0 ，c s l 3 7 ) 、浮子法、热电偶法、电磁法、激光法、红外 法、电视法、s e r t b p z x y 和涡流法等。 目前，最古老和最可靠的方法是放射法，对某些场合如薄板坯连铸是较好 的方法。但是，由于放射性造成的恐惧心理，因而它往往不受现场操作人员的 欢迎。在欧美诸国，他们操作人员少，管理严格，多采用此方法。1 9 9 2 年，法 国s e r t 公司开发出适合于小方坯连铸的结晶器液位测控系统b p z x y ，已有数 十家近2 0 0 流在使用。它的测量元件是红外摄像c c d 传感器。对于板坯连铸机， 大多采用日本钢管公司开发的涡流液位计。对方坯连铸机，大多数采用放射性 液位计。下面就几种常用的液面方法简要介绍其原理和特点： 南吕人学工学硕： ：学位论文 1 1 涡流型 涡流型原理：包括激励线圈和感应线圈，利用电流进行激励。在结晶器钢 水液面上方安装一个高频激励线圈，它产生的高频磁场在钢水液面感生电涡流。 钢水液面的感生电涡流又产生磁场，由于该磁场与高频线圈产生的磁场方向相 反，因而使高频线圈的阻抗发生变化。线圈阻抗变化，在线圈材料及结构、钢 种及温度等不变的情况下，只与钢水液面高度成单值函数关系，只要检测出高 频线圈阻抗的变化，就可转换结晶器钢水液面位置的变化。由于高频线圈阻抗 的变化与线圈到钢水液面的距离的变化不是线性关系，电涡流式钢水液面计采 用互感差动式测量线圈。传感器原理如图2 2 所示。特点：灵敏度高，测程长， 信号线性度好，安装方便，环保，特别适合于板坯，镭目涡流型传感器测程 3 0 0 m m ，且不需要 图2 2 涡流液面检测原理 现场放大器就可以将涡流信号传送到i o o m 远处的处理机； 2 1 铯源型 铯源型原理；根据辐射的穿透、衰减、吸收理论及距离因素，综合考虑了 铜管壁、导流水套及水层厚度，制造出能测量射线数量的仪表；根据刺线数量 的多少来精确的测量液面高度；特点：信号稳定，受干扰少，灵敏度高，使用 维护方便，但精度不高，且辐射对人体有害； 3 1 红外型 第二章结品器液位控制系统方案设计 红外摄像机可感知钢水液面热信号的强度并将处理后的电信号送给主机， 主机根据热信号的强度来计算液面的高度：特点：抗干扰能力强，安装方便， 图像直观，但仅适合于不加保护渣的任何类型的铸机： 4 1 电磁型 传感器安装于结晶器导流水套上，感应面与导流水套内表面齐平；传感器 发射电磁信号并接受返回的涡电流，其强度与钢水液面成正比，主机根据涡电 流信号强度读取液面高度：特点：灵敏度高，信号衰减少，系统简单可靠，但 安装维护不够方便。 2 2 2 液位检测方式比较 常用的结晶器钢水液位检测方法的主要特性见表2 1 。 表2 1 常用液面钢水检测方法的主要特性( 长度单位：m m ，时间单位：s ) 内容 放射性法( c o6 0 )电磁法电视法红外法涡流法 测量范围 5 0 2 0 02 0 6 0 0 按安装按安装 0 1 5 0 精度 330 6( 3 5 )( 0 5 1 ) 响应时间 l o 3 0 0 4 o 3 o 0 5 自 安全性辐射污染 【蜀】日】目百 液位测量 渣面钢水面渣面 半渣面 钢水面 可靠性中维护中维护易维护易维护易维护 维护方式停产停产可在线可在线可在线 应用范围方圆坯大方坯板、大方均可均可 坯 安装位置结晶器内 结晶器上结晶器外 结晶器外结晶器外 安装难易较难较易易易易 操作要求简单较难简单简单简单 一 投资较低岛 由d = l由 一 运行成本高尚较低 较低 中 投资回收难中 由 较易中 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。 南品人学t 学碳1 一学位论义 2 3 液位控制系统执行机构的选择 2 3 1 液位控制系统执行机构的介绍i ”l 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： 1 能适应连铸的恶劣环境，包括粉尘与高温： 2 易于安装、更换和维护： 3 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。由于中问包的移动，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； 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 高精度气动数字缸方式。这是最近我国开发的一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，并且是开环的， 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 ) n m l 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 t 公司开发的 新型的电动缸，将交流伺服技术和气动缸技术用于连铸，目前国内已 有很多钢厂采用这种方式，它机构简单，安装维护方便，精度高。 第二章结晶器澉位拄制系统方案设计 2 3 2 液位控制系统执行机构的选择 目前国内已经有很多钢厂采用高精度气动数字缸和低惯量交流无刷伺服电 动缸作为控制塞棒的执行机构：根据结晶器液位控制的要求，本系统采用法国 s e r t 公司的交流无刷伺服电动缸。 2 4 液位控制算法4 1 1 9 j 控制算法是结晶器钢水液位控制的一个研究热点，除p i d 算法以外主要包 括： 2 4 1 基于p i ( d ) 的液位控制策略 1 ) 高频抖动补偿 克服由塞棒磨擦及死区特性等引起的非平稳非线性的简单而有效的方法是 在控制信号中引入高频抖动信号【1 8 】，从而使液位执行机构产生抖动以消除塞棒 的磨擦和死区，将液位偏差减小到满足要求的范围之内。直观地看，这种补偿 很可取，但实质上它是一种丌环高频补偿，因而很容易使整个回路的稳定性变 差。而且由于高频抖动信号的作用，使得滑动水口的磨损较快，且液位波动频 度较高，夹渣很易卷入钢液中。 2 1 线性串联补偿 实验结果显示，液压系统有明显的滞后特性，于是人们在不改变已有p i ( d ) 控制器的情况下在其中加入一个高频带线性补偿控制器。在控制信号的变化率 发生变化时，该控制器能够对滞后引起的控制误差进行快速跟踪，使阀门很快 达到指定的位置。与高频抖动补偿相比，这时结晶器液位波动的幅值虽没有改 善，但波动的频度明显减少，且控制动作也大大减少。 3 ) 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，使得结晶器液位与水 口开度之间具有非线性关系。为了克服这一非线性的影响，可在串联补偿控制 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。 南禺人学t 学坝：l 学位论文 4 ) 带死区变增益非线性控制 对于结晶器液位控制，人们不但希望液位误差较小时控制输出动作几乎不 发生变化，以减少滑动水口的磨损，而且希望当偏差较大时控制调节作用又能 使偏差很快减小。为此，可设计如下的变增益控制器【伸1 ： r 0 e l e ， “= _k j e 俐e le 似i e 2( 2 1 ) lk 妒例 p ? le 倒l 旬时称为事故区，系统自动停止运行。现场使用表明，采用这种方法时执行机 构动作幅度和频度明显改善，结晶器液位波动幅度和频度也很小。系统稳定时 液位最大偏差l m m ，而未采用这种方法时，稳定时液位偏差高达6 r a m 。 2 4 2 基于零极点配置的液位控制策略 1 ) 相角超前滞后补偿控制 为满足系统的静态速度偏差系数指标，系统中必须增加一个放大器肠， 这使得液位开环系统的相角裕量和幅值裕量小于正常值。而单一的相角超前或 滞后补偿无法使系统满足指标要求，因此，可采用如下相角超前一滞后补偿器 2 ， 其传递函数为： g l l ( s ) = k c ( j + i l t t ) ( j + t 1 乃) ( s + 丁1 ) ( 5 + 1 伊乃)( 2 - 2 ) 适当选取参数之后，液位系统的相角裕量和幅值裕量就可达到要求的范围之内。 2 ) 扰动补偿控制 结晶器液位系统中扰动的能量谱密度中有一些主要的频率成分。当干扰的 幅值较大时，主要成分的频率在o 0 5 0 i h z 之间。为了克服扰动的影响，可采 用如下传递函数的滤波器： g ，( j ) = 1 2 2 2 ( ，+ 2 l c o l j + 0 ) 1 2 ) ( ，+ 2 乒2 c 0 2 占+ 0 ) 2 2 )( 2 3 ) 这样虽能克服扰动，但带