板坯结晶器液位自动控制新版系统的研究应用.doc

ZPSS板坯结晶器液位自动控制系统研究
刘钱俊
摘要：此设计研究了钢水液位自动控制性能和技术规定,分析了液位自动控制构造和控制原理，选用了有代表性液位检测办法和控制算法，并应用计算机技术与闭环控制办法，设计出符合板坯连铸结晶器钢水液位自动控制系统。并依照该系统在使用中存在问题，从软硬件提出了改进办法，来进一步提高液位控制系统精度和稳定性。
核心词：结晶器，液位自动控制，闭环控制办法

The research and practice of mould level auto control system of slab caster
liuqianjun
Abstract：This design researched mould level auto control’s properties and technological requirements，analyzes mould level auto control’s 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 system’s 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重要参数之一。稳定结晶器液位高度直接影响着铸坯拉速和二冷水稳定控制，从而影响着铸坯质量以及能否有效避免漏钢、溢钢等事故发生。因而，保持结晶器钢水液位恒定对连铸生产正常进行有着重要意义。
结晶器液位控制便是重要控制技术。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塞棒，控制中包车钢水流速，使钢水液面在浇注时能保持在预先设定位置，以保证浇钢过程中液面稳定性。该系统由三个基本某些构成：钢液面检测系统、伺服系统、结晶器PLC自动控制系统。该系统引入，不但提高了板坯质量，杜绝了夹渣、鼓肚和裂纹现象，并且有效减少了浇铸过程中漏钢和断浇事故发生率，为实现板坯全连铸提供了可靠保障。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构成

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重要由液位检测系统、液位控制系统和执行系统三某些构成，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构成：
结晶器钢水液位控制由信号采集、测量、控制和执行机构构成。
钢水液位传感器将测得信号送到控制系统解决，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目。

结晶器液位自动控制系统普通由钢水液位检测系统、液位控制系统和执行系统三某些构成,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构成示意图

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似液位控制系统。控制设计为一级基本自动化PLC系统和二级过程计算机系统，以便实现生产过程管理、设定及关于数学模型计算（如二冷强度、铸坯质量鉴定和最佳定尺切割等），通过基本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通讯合同系统总线连接，基本自动化与过程计算机系统共用某些操作站，两级系统协调配合构成完整“EI＋C”自动化控制系统，既具备较高控制效率和可靠性，又可以节约投资。伺服系统、操作台及现场检测设备均通过PLC远程I/O站与基本自动化系统互换控制信息。操作员工作站OWS重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传感器 SH7-S10、前置放大器、评估单元构成。电磁传感器有励磁线圈和传感器线圈构成。

评估单元
前置放大器
电磁涡流传感器

1.3.1电磁涡流检测器工作原理
检测器重要是依托两个线圈磁场互相作用来检测液位，涉及励磁线圈和感应线圈。励磁线圈产生高频电磁场，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，该磁场分布与钢水液面关于，该磁场在次级线圈中产生感应电压，感应电压大小与钢液面有直接关系。传感器检测范畴大概600mm。传感器呈圆柱状，由耐热不锈钢制造，安装在一种半自动操作臂上，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：
Ø 由于传感器采用宽范畴磁场，检测整个溶钢液面，而不会受到某个凹[凸]液面影响。
Ø 传感器不受任何非导体影响，如：钢渣和保护渣厚度。
Ø 响应时间为0.1S(可调到2.5S)。
Ø 当结晶器液面满时,输出固定在20mA。
Ø 传感器不需要任何校正。
1.3.2前置放大器工作原理
它用于前置放大和解决来自传感器信号，从运算单元得到反馈。它配备有连接传感器电缆插座。它距离传感器10米。前置放大器置于一种300*300*150mm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测量信号进一步解决和运算。模仿电流输出和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。依照不同需要，可采用不同控制方式算法。控制方式按照控制类别可分为3类：
流量型：控制进入结晶器钢水流量，以保持液位稳定，即控制塞棒开口度来控制钢水流量；
速度型：控制拉坯速度以保持液位稳定，这种办法在方坯应用较多；
混合型：以控制拉速保持液面和控制进入到结晶器钢水流量相结合办法控制液面。

2.1 本设计采用是混合型，重要是PID控制。
PID控制把检测系统传过来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控制和模仿控制相结合，它们通过塞棒机构控制塞棒开度，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，重要通过PID计算此误差值，给出塞棒参照值，即塞棒目的值。同步将此基准值传到第二个PID中，与塞棒实际位置进行比较，通过塞棒执行机构进行调节。如图2-1所示。

–
+
+
–
液位检测器
塞棒
塞棒位置
液压缸
PID
PID
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
给定值解决单元
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：操作控制模型构造图

依照功能规定,结合所选用硬件设备,研究设计出初步自动控制模型如图2-2所示:

2.3塞棒控制
塞棒控制从中间包流入结晶器钢水量来保证结晶器中钢水目的液位。塞棒动作重要通过塞棒液压缸和塞棒伺服阀执行，同步将塞棒和执行阀位置反馈给控制系统来完毕整个闭环控制。
塞棒动作依照实际需要设计成手、自动和杠杆三种控制模式，在不同状况和安全规定下选取所需要控制方式。
液位自动控制分时图
液位控制分时图直观地表达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。

50
0
X1
塞棒自动控制
结晶器液位 [mm]
浇铸速度 [m/min]
1.5
1.0
0.5
[塞棒行程 [mm]
X4
X2
X5
X6
X7
X8
X9
X10
塞棒打开
X12
测量值
880mm

720mm
范畴
100%

0%
X3
X11
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
自动模式切换时塞棒实际行程

X8
自动模式切换前实际液位

X9
开始拉坯时实际液位

X10
稳定液位

X11
确认液位值时间

X12
稳定期间

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当代网络通讯技术,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互换和控制；采用现场控制总线实现可编程控制器对现场智能设备控制与信号采集。这样不但构造简朴，层次分明并且响应速度快，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
OSM
S7-400
ET200M
PROFIBUS-DP
工业以太网

光纤

图2-54：结晶器液位自动控制网络构造图

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)构成。
结晶器液位精准性和稳定性取决于液位执行机构好坏。液面高低是由塞棒来执行。塞棒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控制装置又是执行机位置反馈重要传感器。因而整个控制系统每一种环节精准控制，才干保证液位精准和稳定,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，当前已研究并生产了各种连铸结晶器液位自动控制仪，各生产单位重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，提高产品控制精度，扩大产品和合用范畴，其中液位检测技术、控制看法则是钢水液位自动控制重要核心技术。
液位控制系统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，可以实现自动开浇、自动停浇。它应用大大提高了生产效率，减少了工人劳动强度，为实现全连铸，实现钢厂年度生产目的提供了有力保障。它所采用PID调节控制系统可以有效保持钢水液面稳定性，在正常状况下可以达到生产规定，但是对突然干扰，如浸入式水口开堵，在拉坯过程中强烈冲击等，常规PID调节很难实现，甚至不也许控制，为此必要进行补偿，例如，钢水液位超过高位，高高位时，加以不同前置反馈，来保障液位尽量稳定，这就需要咱们维护人员精心维护，积极总结，不断调节和改进。

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