板坯連鑄機結晶器液位控制系統的分析與應用

郭大海

摘要：包鋼薄板坯連鑄連軋廠寬厚板連鑄機的結晶器液位控制系統由西門子PLC進行控制，實現澆鑄過程中鋼水液位的穩定，保證板坯質量，并保證連續澆鑄作業的生產穩定。本系統通過精確的液位檢測，完善的串級控制算法，精密的執行機構，確保了整個生產過程液位始終符合工藝要求。本文旨在對該系統自動液位調節的工藝、控制原理及起始澆鑄過程的液位調節過程進行說明。

關鍵詞：連鑄;結晶器;液位控制

一、結晶器液位控制技術

1.結晶器液位控制的重要性

連鑄生產過程中，對于結晶器液位控制的一個基本要求是穩定生產操作，避免漏鋼和溢鋼;其次是要盡可能的保持液位穩定，提高鑄坯的質量。而能否滿足第二條要求是目前衡量連鑄控制水平的一個重要標志。

結晶器液位控制的重要意義：（1）減少和避免漏鋼、溢鋼，穩定生產操作;（2）防止浮在結晶器液面上的夾雜物卷入鑄坯，避免在鑄坯表面和內部產生夾渣缺陷;（3）防止結晶器保護渣不均勻流入，避免產生裂紋、爐渣條痕等表面缺陷;（4）使鑄坯出勤凝固穩定、保證在結晶器內部產生均勻的凝固殼;（5）降低操作人員的勞動強度。

2.液位控制方法及特點

（1）流量型

通過控制中間包向結晶器內的鋼水流量，以保持液位穩定，即改變塞棒或滑動水口的位置，或者控制塞棒和滑動水口二者的位置，控制鋼水流量，以達到液位穩定的目的。

（2）速度型

即控制拉坯速度以保持液位穩定。在這種方法中，固定中間包流入到結晶器中的鋼液量，根據液位變化修正拉坯控制系統的設定值，以使結晶器液位保持恒定。這種方法噴濺較少，主要用于小方坯連鑄。

二、液位調節控制過程分析

1.雙環PID控制系統

結晶器液位控制系統采用串級控制，由兩個控制環組成，一個控制環用于結晶器的液位控制，另一個用于塞棒位置控制。塞棒位置PID控制器，處于整個結晶器液位控制系統的內環，根據液位控制計算出的塞棒目標值與實際值進行PID運算，得到塞棒伺服閥給定值。

結晶器液位控制采用的PID控制器，處于整個結晶器液位控制系統的外環，其液位目標值由二級系統根據工藝要求設定，實際值通過液位監測裝置測量。

2.輔助控制系統

除液位調節功能，本控制系統還提供水口沖刷、塞棒顫動及事故關閉的輔助功能，以避免發生塞棒粘結、結晶器液位無阻尼振動等問題。

三、液位調節系統實現

1.硬件實現

液位調節系統的上位機采用西門子公司的WINCC軟件，通過其上位機畫面可以設定液位目標值，并監視液位、塞棒的實時狀態和歷史趨勢。下位機為一套西門子S7-400系列的PLC系統，可以讀取液位檢測和塞棒位置的過程值，進行串級PID控制，并向塞棒液壓執行器發出動作命令。

本系統的重要單體設備為液位檢測裝置和塞棒。

（1）渦流液位檢測裝置

結晶器液位控制是基于渦流原理。傳感器的初級線圈接受到電流產生高頻磁場。隨即在結晶器內部的金屬上產生渦流電流，傳感器的二次線圈產生感應電壓。結晶器內鋼水液位的變化會導致感應電壓發生變化。因此二次線圈電壓用于測量液位。采用兩個二次線圈而非一個是為了將結晶器側面的影響最小化。

（2）塞棒

塞棒用于對從中間包到結晶器的鋼水流量進行整體控制和微調。同時在事故狀態下可以立即停止鋼水流入結晶器。

塞棒是由帶液壓缸，伺服閥和位置傳感器的液壓執行機構進行手動或自動的操作。在自動模式下，塞棒由結晶器液位自動控制系統控制。

2.軟件實現

液位調節系統的串級PID控制原理框如下圖所示，通過PLC程序實現。

通過控制塞棒位置將結晶器液位控制在設定值點，其控制是由PLC實現的閉路控制器來完成。控制器將實際液位與目標液位進行比較，并經過PID進行運算，產生塞棒位置的參考值。這一參考值發送到第二個PID，這個PID按照位置傳感器測定的塞棒實際位置控制塞棒伺服閥，保持實現結晶器的液位恒定。

有兩種調節器常數：

（1）自動開澆常數;

（2）調節器常數;

所有的常數保存在PLC的一系列數據庫中，所有的常數隨著結晶器尺寸的改變而改變。在澆注期間，為了更好的適應情況，根據不同響應時間的要求，PID參數也相應改變。

四、液位調節啟動過程分析

液位調節的啟動標志著連鑄澆鑄的正式開始，該過程是保證連鑄能正常、穩定生產的最重要環節之一，下面就液位調節的啟動過程進行介紹。

在完成澆鑄前的所有準備，如送引錠桿完成，結晶器開始振動，中包車移動到位等各項準備工作后，系統提示可以進行澆鑄作業，此時由操作工在現場操縱箱啟動塞棒打開命令，液位調節正式啟動。每個步驟確認塞棒的一個位置，在執行期間，塞棒加速達到要求的位置;并非每個步驟都必須執行，一旦液位達到開澆設定值，則系統直接執行最后步驟。

當達到目標值則進入自動控制模式，此時根據目標液位通過串級PID調節自動實現液位控制，同時啟動夾送輥開始進行連鑄出坯。

五、結束語

結晶器液位控制精度是連鑄生產的一個重要工藝指標，直接影響最終產品的質量。寬厚板連鑄機的液位調節系統自投用以來，運行正常，穩定狀態下液位調節精度可達到±0.2mm，滿足了連鑄生產對結晶器液位的控制要求，保證生產的穩定和板坯的質量。

參考文獻

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