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ZPSS板坯结晶器液位自动控制系统的研究 刘钱俊摘要: 此设计研究了钢水液位自动控制的性能和技术要求,分析了液位自动控制的结构和控制原理，选用了有代表性的液位检测方法和控制算法，并应用计算机技术与闭环控制方法，设计出符合板坯连铸结晶器钢水液位自动控制系统。并根据该系统在使用中存在的问题，从软硬件提出了改进措施，来进一步提高液位控制系统的精度和稳定性。关键词: 结晶器，液位自动控制，闭环控制方法The research and practice of mould level auto control system of slab casterliuqianjun Abstract: This design researched mould level auto controls properties and technological requirements, analyzes mould level auto controls structure and principle of control. We found out representative mould level measuring method and control arithmetic, The computer technology and PID control method have been applied, The mould level auto control system for slab continuous casting has been designed. According to the problems of the system practice, taking some effective solution to improve level control systems accuracy and stability. Key word: Mould , Level auto control , PID control method 前言在钢水浇铸过程中，结晶器钢水液位是影响钢坯质量的重要参数之一。稳定的结晶器液位高度直接影响着铸坯拉速和二冷水的稳定控制，从而影响着铸坯质量以及能否有效避免漏钢、溢钢等事故的发生。因此，保持结晶器钢水液位的恒定对连铸生产的正常进行有着重要的意义。结晶器液位控制便是主要的控制技术。结晶器液位控制系统是通过电动调节机构或液压调节机构调节中包车上的塞棒，控制中包车的钢水流速，使钢水液面在浇注时能保持在预先设定的位置，以保证浇钢过程中液面的稳定性。该系统由三个基本部分组成：钢液面检测系统、伺服系统、结晶器PLC自动控制系统。该系统的引入，不但提高了板坯质量，杜绝了夹渣、鼓肚和裂纹现象，而且有效降低了浇铸过程中漏钢和断浇事故的发生率，为实现板坯全连铸提供了可靠的保障。下面以ZPSS板坯液位控制系统为例来进行阐述和分析。第一章 钢水液位自动控制原理及系统组成结晶器钢水液位自动控制是通过测量结晶器内钢水液位高度，调节控制拉坯速度或控制塞棒的进程，使结晶器内钢水稳定地保持在预定高度上。结晶器液位自动控制主要由液位检测系统、液位控制系统和执行系统三部分组成，通过闭环控制加以实现。1.1钢水液位自动控制原理：钢水液位自动控制运用传感器技术、可编程控制技术并结合液压控制系统，将计算机终端设备运用到实际工业控制中从而实现结晶器液位的全自动化控制。控制原理如图1-1所示。图1-1：钢水液位自动控制图1.2钢水液位自动控制系统组成：结晶器钢水液位控制由信号采集、测量、控制和执行机构组成。钢水液位传感器将测得的信号送到控制系统处理，所得液位值与设定值比较，调控。控制执行机构是塞棒控制装置，通过液压伺服缸控制塞棒与开口度，控制钢流从而达到控制结晶器的目的。结晶器液位自动控制系统一般由钢水液位检测系统、液位控制系统和执行系统三部分组成,图1-2所示。驱动辊塞棒中间包执行系统塞棒控制结晶器钢水液位检测系统液位控制系统执行系统拉速控制图1-2：结晶器液位控制系统组成示意图 连铸机配备两台中包车，一台浇注，一台预热准备，两个中包车配有完全相同的液位控制系统。控制设计为一级基础自动化PLC系统和二级过程计算机系统，以便实现生产过程管理、设定及有关数学模型计算（如二冷强度、铸坯质量判定和最佳定尺切割等），通过基础自动化系统对连铸机线上设备和浇铸过程进行逻辑顺序控制和跟踪。一级和二级自动化系统通过TCP/IP通讯协议的系统总线连接，基础自动化与过程计算机系统共用部分操作站，两级系统协调配合构成完整的“EIC”自动化控制系统，既具有较高的控制效率和可靠性，又能够节省投资。伺服系统、操作台及现场检测设备均通过PLC远程I/O站与基础自动化系统交换控制信息。操作员工作站OWS主要用于设备和过程监控，并可执行过程控制接口、过程设定、人机界面功能，使操作员可与应用软件和数据库交互作用，使用InTouch软件组态生成画面。1.3结晶器液位检测系统 张家港浦项的结晶器液位测量采用VUHZ电磁原理。液位检测系统由带电缆接头的传感器 SH7-S10、前置放大器、评估单元组成。电磁传感器有励磁线圈和传感器线圈组成。评估单元前置放大器 电磁涡流传感器 1.3.1电磁涡流检测器的工作原理 检测器主要是依靠两个线圈的磁场相互作用来检测液位的，包括励磁线圈和感应线圈。励磁线圈产生高频的电磁场，从而在钢水表面产生漩涡电流，漩涡电流产生次级漩涡磁场，该磁场的分布与钢水的液面有关，该磁场在次级线圈中产生感应电压，感应电压的大小与钢液面有直接的关系。传感器检测范围大约600mm。传感器呈圆柱状，由耐热不锈钢制造，安装在一个半自动的操作臂上，由气缸驱动和锁定，事故时可自动将传感器转到安全位置，工作时水平锁定在结晶器顶部表面。 图1-3-1：结晶器液压传感器磁场分布图 传感器特点： 由于传感器采用宽范围磁场，检测整个溶钢液面，而不会受到某个凹凸液面的影响。 传感器不受任何非导体的影响，如：钢渣和保护渣的厚度。 响应时间为0.1S(可调到2.5S)。 当结晶器液面满时,输出固定在20mA。 传感器不需要任何校正。1.3.2前置放大器的工作原理 它用于前置放大和处理来自传感器的信号，从运算单元得到反馈。它配置有连接传感器电缆的插座。它距离传感器10米。前置放大器置于一个300*300*150mm的连接盒内。这个盒子背面有孔用于固定前置放大器。1.2.3评估单元工作原理 它用于将来自前置放大器的测量信号进一步处理和运算。模拟电流输出和4/8数字输入/输出分别有效，及通过RS232输出。第二章 钢水液位闭环控制系统ZPSS不锈钢连铸机引进SIEMENS 可编程控制系统，采及VUHZ电磁感应传感器实现液位自动控制。根据不同需要，可采用不同的控制方式算法。控制方式按照控制类别可分为3类： 流量型：控制进入结晶器的钢水流量，以保持液位的稳定，即控制塞棒的开口度来控制钢水的流量； 速度型：控制拉坯速度以保持液位稳定，这种方法在方坯应用较多； 混合型：以控制拉速保持液面和控制进入到结晶器的钢水流量相结合的方法控制液面。 2.1 本设计采用的是混合型，主要是PID控制。 PID控制把检测系统传过来的检测信号按一定比例放大调节，产生闭环控制，由PLC执行。在浇钢过程中PID控制和模拟控制相结合，它们通过塞棒机构控制塞棒的开度，从而实现结晶器液位控制系统稳定地控制钢水从中间包到结晶器中，当液位控制系统检测到结晶器中的钢水液位后，将实际值和设定值相比较，如果实际液位与设定液位有偏差，那么控制系统将自动进行补偿调节，主要通过PID计算此误差值，给出塞棒的参考值，即塞棒的目标值。同时将此基准值传到第二个PID中，与塞棒的实际位置进行比较，通过塞棒执行机构进行调整。如图2-1所示。+液位检测器塞棒塞棒位置液压缸PIDPID液位设定值PID参数调节图2-1：塞棒液位PID控制框图2.2结晶器钢水液位自动控制模型：液位给定值给定值处理单元拉速流出量变换单元塞棒开度控制器塞棒开度流入量变换单元钢水存量液位变换单元拉速给定值拉速给定值塞棒开度流出量流入量液位实际值图2-2：操作控制模型结构图根据功能要求,结合所选用的硬件设备,研究设计出初步的自动控制模型如图2-2所示:2.3塞棒控制 塞棒控制从中间包流入结晶器的钢水量来保证结晶器中钢水的目标液位。塞棒动作主要通过塞棒液压缸和塞棒伺服阀执行，同时将塞棒和执行阀的位置反馈给控制系统来完成整个闭环控制。塞棒动作根据实际需要设计成手、自动和杠杆三种控制模式，在不同的情况和安全要求下选择所需要的控制方式。液位自动控制分时图 液位控制分时图直观地表示出在整个开浇过程中塞棒、结晶器液位和拉速之间变化和动作过程。500X1塞棒自动控制结晶器液位 mm浇铸速度 m/min1.51.00.5塞棒行程 mmX4X2X5X6X7X8X9X10塞棒打开X12测量值880mm720mm范围100%0%X3X11塞棒打开命令(PLC)开始拉坯结晶器液位变化结晶器液位结晶器液位测量值设定值塞棒自动控制图2-3：塞棒动作 控制执行顺序如表所示:X1塞棒第一次打开时间X2塞棒第一次打开行程X3塞棒打开周期X4塞棒打开时间X5塞棒打开最大行程X6塞棒打开最小行程X7自动模式切换时的塞棒实际行程X8自动模式切换前的实际液位X9开始拉坯时的实际液位X10稳定液位X11确认液位值时间X12稳定时间2.4结晶器液位自动控制网络 结晶器液位自动控制网络是基于现代网络通讯技术,采用工业以太网技术将计算机与现场可编程控制器相结合,实现计算机远程数据交换和控制；采用现场控制总线实现可编程控制器对现场智能设备的控制与信号采集。这样不但结构简单，层次分明而且响应速度快，便于对信号管理和故障分析,如图3-5所示。PROFIBUS-DP现场总线工业以太网光纤I/O信号硬线采集I/O信号采集液位检测I/O信号采集I/O信号采集I/O信号采集液位检测I/O信号采集OSMS7-400ET200MPROFIBUS-DP工业以太网光纤图2-54：结晶器液位自动控制网络结构图2.5液位自动控制执行系统液压执行机构由： 液压伺服阀 塞棒液压缸 塞棒(水口控制)组成。 结晶器液位的精确性和稳定性取决于液位执行机构的好坏。液面的高低是由塞棒来执行。塞棒的质量可防止结晶器钢水溢出或者断浇事故。液压伺服阀和塞棒液压缸既是执行机构的控制装置又是执行机位置反馈重要传感器。因此整个控制系统的每一个环节的精确控制，才能保证液位精确和稳定,如图2-5所示。图2-5：塞棒液压系统图2.6钢水液位自动控制设计小结结晶器钢水液位自动控制技术已日趋成熟，现在已研究并生产了多种连铸结晶器液位自动控制仪，各生产单位主要从钢水液位检测装、液位控制系统、执行系统等方面不断进行技术改革与创新，提高产品的控制精度，扩大产品和适用范围，其中液位检测技术、控制看法则是钢水液位自动控制主要的关键技术。液位控制系统的控制精度在稳定工作状态时约3mm，系统响应速度快，性能稳定可靠, 能够实现自动开浇、自动停浇。它的应用大大提高了生产的效率，降低了工人的劳动强度，为实现全连铸，实现钢厂的年度生产目标提供了有力保障。它所采用的PID调节控制系统能够有效的保持钢水液面的稳定性，在正常情况下能够达到生产的要求，但是对突然的干扰，如浸入式水口开堵，在拉坯过程中强烈的冲击等，常规的PID调节很难实现，甚至不可能控制，为此必须进行补偿，例如，钢水液位超过高位，高高位时，加以不同的前置反馈，来保障液位尽可能的稳定，这就需要我们维护人员精心维护，积极总结，不断调整和改进。参考文献【1】唐云秀.国外方坯连铸技术发展概况.大重科技.2001,(4):1-9【2】王保安,马竹梧.连续铸钢结晶器钢水液位自动控制及其实践.冶金自动化.2001,(4):5-8,50【3】陈志凌,张国贤.连铸机结晶器液位控制系统的设计.机械与电子.2005(4):20-22【4】李祖林.模糊控制技术在连铸机结晶器液位控制中的应用.自动化仪表.2004,25(6):25-27【5】曹光明,吴迪,张殿华.基于模糊控制决策的铸机结晶器液位控制系统设计.东北大学学报(自然科学版).2006,27(7):775-778【6】胡纪五.陈河生.结晶器钢水液位模糊控制的研究.百慕大矿冶.2000,(6):4-6【7】田涛,李江红.参数自调整PID控制器在自动浇铸系统中的应用.自动化仪表.2000,21(11):19-21【8】Robin De Keyser.Predictive mould level control in a continuous steel casting【9】line.Preprits IFAC 13th Triennial world congress, San Francisco,California. 1996.487-492【10】R M C De Keyser. 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