奥钢联板坯连铸过程控制系统升级改造的研究.

1、收稿日期：2005-12-05,100083奥钢联板坯连铸过程控制系统升级改造的研究张建立王长松樊厉姚耕耘薛建国裴红星（北京科技大学机械工程学院摘要结合目前钢铁企业的实际情况，分析了对引进 的奥钢 联板坯连铸过 程 控制系统进 行升级、改造的必要性、可行性，及其技术难点。关键词 板坯连铸 过程控制系统升级S tudy on up gradi ng of p rocess con trol and automai on systemin slab continu ous cast of VAIZha ng Jia nii Wang Changsong Fan Li Yao Gengyun Xue

2、 Jia nguo Pei Hongxing(U ni versity of Scie nee and Tech no logy Beiji ngAbstract Esse ntiality, feasibility and tech no log y difficult ies of upgr adi ng pro cess contr ol and au tomati on sysetm are an alyzed in slab continu ous cast, i n comb inaion with the actual facts of iron and steel en ter

3、 p rises.Keywords slab con ti nu ous cast p rocess con trol and automat ion system upg radi ng从上世纪90年代后期，国内十几家钢厂陆 续引进了奥钢联的板坯连铸生产线 该生产线过程控制系统以性能稳定、安全性强而著称，给企业带来了一定的效 益。国外厂商一般不提供其软 件的核心，许多用户是花钱买 放心、买水平，并不 关心隐含的技术问题。企业注重生! 1?产,对引进的先进技术消化、吸收不够重视。随 着市场竞争的加剧，各钢厂竞 相开发新的钢种、改善铸坯质量，对该板坯生产线过程控制系统的消化吸收是开 发新钢种的基

4、础。随着生产实践的 进行，生产工艺必然要发生变化，生产工艺的改变对板坯过程控制系统的改造提出了内在的、必然的要求。冶金工业 十五规划中 指出：在过程控制自动化方面，结合国内钢铁生产原料成分 波动大、工艺复杂的特点，重点搞好智能技术，对已有的或引进的工艺数学模型进行二次开发和创新，形 成钢铁生产各工序和全线过程的智能化控制系统。本文结合河南某钢厂实际情况 探讨了该钢厂引进的奥钢联板坯连铸过程控制系统升级改造的必要性、可行性及 其技术难点。1现有系统的结构该钢厂的连铸机为带直结晶器和扇形段铸坯 导向的能 连续弯曲和矫直的VAI低头连铸机、为一机一流结构，年产量67万吨。其板坯连铸机自动控制系统在功

5、能分配上为分级式层次结构（图1 :L1级是基础自动化级（包括设备控制 级和 检测驱动级；L2级是过程控制级。在配置 上,过程计算机选用美国DEC公司DECAl pha station 6005/266,操作系统 选用美国DEC公司 的Open VMS操作系统。基础自动化级PLC选用德国西门子公司S5系列产品。该控制系统是 由奥钢联公司设 计开发并于1999年11月投入使 用。主要负责处理包括成分控制、质量判定、 冷配水、优化切割等主要功能的数学模型的运算 和生产参数采集，如实际水流量、 浇注速度、钢 种、过热度等参数，对铸坯进行表面温度计算。55Vol 25 No 2Mar 2006冶 金能源

6、 ENERGY FOR M ETALLURGICAL INDUSTRY回路冷却水流量的设定值，并自动传递给基础自 动化系统。其中板坯连铸机控制模型中最重要的 是质量判定、二冷配水和优化切割模型。尤其是配水模型跟板坯的质量有着非常重要的关系，是该控制系统的数学模型中最重要的核心部分。采 用的是奥钢联（VAI开发的用于二次冷却系统 的先进数学模型（DYNACS 。该控制系统采用的Alp ha小型机是专用的计 算机系统，其插卡，如网卡、显示 卡等也是专用 的。操作系统具有较高的安全性、可靠性 ，专用的服务器具有高速运算能力，易于操作与维护，但是小型机的价格是PC机的数倍。该控制系统的Alpha小型机

7、采用open VMS #开放的虚拟内存操作 系 统，美国太空总署、美国中央情报 局就是采用的 这种操作系 统。open VMS系统 的最大优点就是较好的稳定性，较强的安全性、抗病毒能力，但非视窗化的操作令 使用者多感不便! 2?2对现有控制系统进行升级、改造的必要性该连铸二级计算机控制系统是全套从奥钢联引进的技术产品，目前已经运行了六年。由于产品规格和产量的增加， 各种生产数据的数量大量增加，造成系统资源严重不足，表现为计算机系统运行缓 慢、死机、通讯不畅等现象。为了进一 步提高产量、开发新的钢种以及保证该连 铸控制系统的安全运行，需要对现有的控制系统进行升级、改造。（1进一步提高产量的要求。

8、第一炼轧厂设计的年产量为67万吨,而2004OPEN VMS系统SYBASES数据库服务器alpha 8oo|监控站MC 68030接H1网到 SIMENS PLCS5»n5UDECnet1*质量模型曲视2#型监;3#4#调度工作站5#6#炼钢连铸工作站工作站年的实际年产量已经达到108万吨,拉速已经达到1 3m/min的设计上限,生产能力也达到了设计的上限，为了进一步提高产量，欲把只有喷水冷却的第八段改 为汽雾冷却，以 提高拉速、增加产量，这需要对 现有的控制系统软件进行改造。(2硬件生产厂家产权的变更，备件购买困 难。曾经在小型机市场上大显身 手、有小型机之王美称的数字设备公司(

9、DEC 1998年初已被COM PAQ公司兼 并，COMPAQ在2002年又被H P公司 兼并，不仅不生产VAX和Alpha机，连芯 片也不生产了。它的备品备件已成为稀 有资源，购买备件已很困难，即使能买得到， 其价格也很昂贵，且不能保证供应，大多数备件是从其它已经使用过的小型机上 拆卸、拼装起来 的，备件的质量难以得到保证。购买备件困难的 现状，要求现有的Al pha小型机用户必须对现有的控制系统的硬件进行升级改造。(3系统维护困难。目前主流的操作系统是 Window s操作系 统,掌握Window s 操作系统的技术人员校多，而掌握open VMS操作系统的技 术人员比较少，造成系 统维护

10、困难。有时因系统 维护不及时造成过程控制系统不能正常工作 ，只能靠基础自动化级进 行简单的PID控制，严重地影响了铸坯质量。(4开发新钢种，需要对控制系统作相应的修改。2004年以来，随着钢材市场 竞争的日益 加剧，普钢的生产利润越来越小，而大多数钢铁 生产企业只能生产几个 有限品种的普钢，能生产 的品种比较少，市场竞争能力不够强。各钢铁生 产企业加 快调整产品结构的步伐，竞相开发高科技含量、高附加值的优、特钢种，开发满足 某一行业特 殊要求性能的 钢种。只有在 对原控制思路、方法进行消化、吸收的 基础上，对原有的过程控制系统进行升级改造，才能开发出满足新钢 种传热要求的 配水、配气模型，才能

11、开发出新的质量保证、优化切割、鼓肚控制等模型，从而保 证铸坯的内部质量、表面质量。3对现有控制系统进行升级、改造的可行性随着PC服务器(PC Server的飞速发展,计算速度,存储容量、通讯能力都得到了很大的56冶金能源ENERGY FOR METALLU RGICAL INDU STRYVol 25 No 2M ar 2006型机成为可能。鞍钢引进 VAI的w indow s操作系统的板坯连铸控制系统的安全运行,从实践上 证明了采用PC Server对Alpha小型机升级、改 造的可行性。(1 PC Server性能的提高,使PC Server可能取代该控制系统的Alpha小型机。随着芯片性

12、能的提高，出现了存储容量大、网络通 信能力强、可靠性好、运行网 络操作系统、性能价格比高的PC Server,使得许多以前小型机和大型主机的功能 下移到PC机上，使高性能的PC机就能完成早年大型机才能完成的功能。近年来 随着计算机技术的发展,PC Server的性能已经可 以和小型机相媲美,其性能价格 比优于小型机。 一台同水平PC Server的价格仅是小型机的1/8 -1/10。(2鞍钢从实践上证明了对 Alpha小型机升级、改造的可行性。2003年3月投 产的5号连铸机的过程控制系统，是引进奥钢联的板坯连铸 控制系统。鞍钢引进 的这套控制系统和河南某厂的控制系统具有的功能大致一样：具有C

13、AQA-质量保 证、优化切割，二冷控制采用DYNACS模型。它的一个显著特点是以 PC Server取代小 型机。采用 Window s 2000Server操作系统。该 系统采用标准的视窗结构。操作员可以频繁利用 视窗的工具条和选项信息进行快速访问。图形化 形式的过程 数据表达方式，使生产状态和主要数 据的概况一目了然。单个视窗的反复使用、图 标和示例给操作员提供方便。基于帮助系统的文本，提供检索和程序查找。对危 险的应用访问提供口令保护。系统的软件平台采用典型的两层式 结构。前台采用VB (Visual Basic ,后台采用VC+和Oracle数据库。虽然人机界面友好的 视窗操作系统抵御

14、病毒侵袭的能力弱于专用操作系统，通过加装防火墙和制定严格管理制 度，该系统足以胜任连铸 过程控制的需求！ 2?。实践已 经证明了这一点。4对现有控制系统进行升级、改造的难点(1连铸板坯凝固传热数学模型及其求解方法的确定。这是对奥钢联连铸过程 控制系统升级 改造的基础。连铸坯凝固传热过程为非稳态传热，程,也有用三维的。在实际应用中，方坯传热凝固的数学模型多 用二维的，板坯的数学模型有用一 维的，也有用二维的，三维的较少使用。奥钢联所用的板坯凝 固数学模型也应该是 一维的、或者二维的。 由温度场的基本微分方程及其定解条件构成 的数学模型在 横断面方向上涉及到三个相区，介质的物理性质不连续；在拉坯方

15、向，表面边界经历了结晶器、二冷、空冷等一系列不同的冷却区段，边界条件 变化很大，并有许多不连续的突变。这样复杂的工程实际条件使数学模型难以用解析方法求解，只 能用数值方法求解。用于计算连铸坯凝固传热的数值方法在空间上有有限差分法、有限元法和边界元法等，其中有限差分法和有限元法应用较为普遍。在时间上有显式差分法和 隐式差分法，显式差分法对差分 网格要求严格，但往往因差分网格过小而计算速 度 缓慢,隐式差分法则不受网格的限制。对于实 时模拟模型，在时间上采用隐式差分 法。在用数值方法求解时，各物性参数的确定，特别是凝固潜热的处理是难点，它 直接影响着模 型的计算精度，常用的处理方 法有：转换热焓

16、法、显热容法。转换 热焓法巧妙地避开了凝固潜 热问题，易于实现，但不能直接得到结果，必须进行转 换！ 5, 6?。显热容法的特点是将凝固潜热以相变区间内材料比热的形式表现出来，引入显热容的概念，并假设凝固潜热在糊状区内释放完毕。显热容法在进行传热计算时较 为简便，但是在等温相变或 相变温度区间较小的情况下，节点温度容易在一个时间步长内跳过相变温度区。该方法对于时间步长空间步长要求较精确！ 7?。对该控制系统升级改造的基础首先是确定描述凝固传热所用偏微分方程，确定 求解该偏微分 方程所采用的数值计算解法，确定求解时合理的 边界条件、相关的 物性参数。(2从奥钢联引进该套系统时，奥钢联只提供了系统

17、的可执行文件以及部分调 试接口程序，没有提供系统的源代码文件。对该控制系统升级改造首选的方案应该是对硬件进行升级、对软件 进行移值。但DEC公司的Alpha server 800服务57Vol 25 No 2 Mar 2006冶金能源ENERGY FOR M ETALLURGICAL INDUSTRY容,无法采用升级硬件、移植软件的简单方法来对二级计算机控制系统进行改造。因此，只能采取重新构造现在通用的硬件平台和操作系统的方法，在原有应 用软件的基础上，通过对板坯连铸生产过程的深入理解和系统辨识，开发适用于新 的硬件平台和操作系统的应用软件来实施对原系统的升级改造。5结语综上所述：对奥钢联板坯

18、连铸控制系统进行 升级、改造，对我国的钢铁生产企业具有普遍意义，对该控制系统的升级、改造是生产过程提出的内在要求，同时又具有可行性，对存在的技术 难题，投入人力、物力进行攻关，相信是可以解决 的。参考文献1张兴中我国连续铸钢技术的发展状况和趋势 钢铁研究学报,2004, 16(6 :16 2韩贵岩板坯连铸过程控制的发展趋势鞍钢技术,2003, (6 :12143蔡开科，程士富连续铸钢原理与工艺 北京：冶金工业出版社，19944干勇，仇圣桃，萧泽强连续铸钢过程数学物理模拟北京：冶金工业出版社，20015 M adhuchha nda Bhattachar ya. A fix ed gr id f

19、in ite ele ment based en tha Ipy formulati on for gen eralized p hase cha ng p roblems:role of sup erficial mushy regi on. In ternatio nal Journal of Heat and M ass T r an sfer, 2002, 45:4881-48986 M E Honnor , A J Dav ies N on li near tran sie nt field p roblems w ith p hase cha nge using the boun

20、dar y ele ment met hod. Engin eeri ng An alysis with Boun dary El eme nts, 2004, 28:561-5707 M. El-BEA LY. Mo notonic and fluctuated cooli ng ap p roaches in sec on dary cooli ng zones dur ing continu ous cast ing. Can adia n M atallerg ical Quar ter ly, 1997, V ol. 36, No. 1:49-56罗文泉编辑(上接第51页压力低，发电效率不高，且所用的发电机组较小,数量较多。山东铝业公司蒸汽消耗大，每生产1t氧化铝的耗汽量约3 70t,全年仅氧化铝生产的用汽 量就达370万t (包括拜尔法生产氧化铝，还有其它部门和生活用汽， 现自备电厂供汽不能满足 山