河北钢铁集团承钢分公司线材事业部点检站河北省067102
摘要：目前国内的开浇技术十分落后,大部分连铸机仍采用传统的手动开浇。尽管近年来首钢、宝钢、包钢等已在少数连铸机上实现了自动开浇,但很多是花大量外汇从国外公司引进的,而且经常由于自动开浇模块引进的不完善或掌握的不彻底,造成开浇率降低。因此,开发具有自主知识产权的自动开浇技术是中国冶金业的一项迫切任务。本文分析了弧形连铸机全自动浇钢控制系统。
关键词：弧形连铸机；全自动浇钢；控制系统；
在连铸过程中,结晶器液面波动超过±10mm,可能使保护渣和渣滓大量卷入钢液中,就会在铸坯表面下产生夹渣和造成漏钢,所以结晶器内钢液液位的稳定性是连续铸钢生产中的关键问题,而稳定性是由中间包浇入到结晶器内的钢液量和从结晶器内拉出的铸坯量之间的平衡决定的,生产中通常采用控制塞棒开度的方法来控制液面的稳定。
一、原则
1.连铸机一般都采用一机多流的配置，在考虑电控设备配置时，也应以流为单位，设置各自独立的主干控制装置可编程序控制器，以防止其中某一流发生故障时，影响整个或者其他流的正常工作。
2.为适应连铸设备采用多级计算机控制的要求，主干控制装置应具备自己的数据总线及I/O远距离扩展总线，以实现电控系统与上位计算机和仪表控制系统的数据通讯。同时，便于与分散在现场的各种I/O设备的连接并进行有效的实时控制，即形成高级的PC网络。
3.由于连铸设备的各主要的单体设备分布在不同的区域、不同的平台，为满足对操作监视的工艺要求，除应在主控室设置操作监视设备外，在就地的各操作室如切割操作室、精整操作室、液压系统操作室等也应有相应的操作监视设备，以便进行设备的监视、控制参数的手动调节。同时应设机旁操作箱，以满足机旁操作和维护用。因此，在考虑主干控制装置时，必须考虑这些功能。
4.由于连铸工艺在不断改进和发展(如拉速加大等)，主干装置的I/O点表，除应满足当前连铸工艺要求外，应富裕15%-20%，以备系统变更或扩充时用。
5.从提高可靠性的角度考虑，为保证在电控设备出现故障时，仍能维持设备的正常运转，主干控制装置通常采用冗余方式，一套运行，另一套在线热备用。但是随着主干控制装置可编程序控制器可靠性的提高(运行率可达99.9%)，所以有的新建的连铸机只用一套而不采用冗余方式。
二、弧形连铸机全自动浇钢控制系统
1.塞棒自动开浇的设计。自动开浇是实现连铸生产全自动化不可缺少的环节,它有利于获得质量稳定的优质连铸坯,同时能够提高开浇成功率,增加连铸比,为多炉连浇提供条件,也改善劳动条件,节约劳动力。当钢液进入中间包并达到预先的设定点以后,试验模仿人工开浇过程,设定自动开浇的5步动作,即选定开浇参数,主要参数有:自动开浇过程塞棒运动模型,包括运动分几步、每步的位置及停留时间和一步到另一步的速度;拉矫机拉速从零到正常速度的变化模型;确定PID调节常数(KP、Ti、TD)等。储存在铸机操作处方中,在每步骤的时间内,运动的塞棒快速达到指定位置。生产中不一定5个步骤全部需要,当液位到达机器开浇需要的液位时,马上跳至最后一步。首先设定塞棒零位置,编码器在不同时刻返回不同的位置值,计算塞棒的实际开启距离,从而获得浇口流量值。开浇完成后,塞棒的功能转为液位的自动调节,为保证结晶器液面稳定、不出现拉坯缺陷的情况,程序设定了液位变化的最大最小范围。同时,拉矫机开始拉坯,速度的增加由快变慢,最后稳定在正常拉速值,这时钢液液位变化也必须处在规定的范围内,自此,实现全自动浇钢。PLC由电源模板、中央处理单元(CPU)、数字量输入和输出信号模板、模拟量输入信号模板等部分组成。伺服控制器由2个控制字决定电机的动作,一个决定电机的运转方向,另一个决定电机转速。PLC接收液面的实际值信号和设定值信号,通过CPU运算处理后输出数据,经总线传输,送给伺服控制器,修改它的2个控制字,驱动电机带动塞棒机构升降。液位检测系统根据结晶器钢液面的高低,产生4～20mA的电流信号,然后接入PLC的模拟量输入模块。
2.液面的自动控制系统的设计。塞棒控制中间包水口开度,调节钢液从中间包流入结晶器的流量,以维持钢液液面的稳定,塞棒位置信号来源于结晶器液位监视器,监视器通过液位测量系统准确测量结晶器钢液液位高度,该信号提供给塞棒控制器,由控制器再把信号提供给侍服电机,侍服电机作用于塞棒执行机构,从而控制钢液从中间包到结晶器的流量,来维持结晶器钢液液面的稳定。结晶器液位控制系统的核心就是PID控制器模块,本系统采用两级PID控制方法,第一级为液位检测PID,第二级为塞棒位置检测PID,液位检测的PID控制器输入量为控制误差是结晶器的液位设定点,它也是第二级PID(即塞棒位置检测PID)控制器模块的塞棒位置设置点,它与检测到的塞棒的实际位置作为第二级控制模块的输入量,其输出值为塞棒执行机构的电信号,同时系统还会根据拉坯速度的变化调整结晶器液位高度,它是液位—塞棒—拉速结合在一起的控制方法。为了使液位调节准确、快速,执行自动控制程序时,CPU采集液位设定值和实际值,然后根据差值的大小,确定不同的PID调节参数。当差值较大时,塞棒快速提升或下降,具有较大的调节参数;反之,差值较小时,应力求塞棒位置准确,所以降低调节参数,即根据差值进行分段处理,以快速而准确的到达给定液位值。服务器主要用于数据库管理，包括冶金数据库、生产数据库、设备运行数据库。服务器采集各操作站数据，对数据按要求进行处理后，提供给下一步的过程控制。由于系统的非线性特性及拉速波动、水口结瘤、结瘤脱落等非稳态波动,控制器在设计时考虑以下问题。(1)干扰信号的影响,即dither的振动环的设计,它在连铸过程中也是很重要的,实践证明信号叠加后,可以避免液位绕设定值呈周期性波动的极限环(2)拉速的波动对结晶器液位控制会产生影响,系统设计考虑了拉坯速度波动的影响。(3)减少塞棒、水口结瘤的塞棒抖动功能;(4)高、低液位报警功能。另外,整个系统任何时候都可以实现塞棒的手动控制,以防止意外事故,及时并准确关闭塞棒。
3.全自动浇钢试验。试验在浇注断面:120mm×120mm,中间包自动开浇重量为9.5t,钢种为各种碳钢、低合金钢,试验共进行了30个浇次,力求获得合理的开浇参数和液面调节参数。实践证明,这与实际使用的塞棒有些差距。经观察操作工手动开浇过程后,适当放大开浇的塞棒位置,获得了比较合理的开浇参数。同时,在多次优化液位调节参数后,调节品质得到很大提高。中包温度为1497℃,钢种82B,起步拉速为2.2m/min。自动开浇成功后,液位能很快达到给定值并保持稳定,波动不明显。值得指出的是,试验采用的小方坯连铸结晶器尺寸较小,液面比较容易受到扰动的影响。试验成功后投入试生产,又对20个中包浇次的钢液进行测试,结果表明,正常稳定的工作状态下(不包括开浇、改变拉速和引锭杆未脱出时候的控制)液面控制精度≤±5mm,已达到设计要求。
连铸机自动化控制系统不仅技术先进、实用可靠、资源共享、易于维护和维修，而且投资少，控制精度高，运行可靠，与PLC通过现场总线通讯，操作简单、灵活，这样就大量减少了电缆，增强了信号的稳定性和可靠性。设计的新系统同引进的液面控制系统相比,性能相当,可以满足使用要求。
参考文献
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