結(jié)晶器液面自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

姬蘭帥

【摘要】隨著科技的持續(xù)發(fā)展，市場對鋼鐵產(chǎn)品的要求越來越高，鋼種品級不斷提高，從原先的普鋼到現(xiàn)在的優(yōu)鋼、特種鋼，因此需要對結(jié)晶器液面自動控制系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致優(yōu)化。本文對結(jié)晶器液面自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行研究，介紹了結(jié)晶器鋼水液面自動控制系統(tǒng)的工作原理，并結(jié)合實際情況提出了具體的策略，使各類鋼鐵企業(yè)制造出高精度、高質(zhì)量的產(chǎn)品。

【關(guān)鍵詞】結(jié)晶液面;自動控制系統(tǒng);鋼鐵

【DOI 編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2022.02.032

Research on the Application of Automatic Control System of Crystallizer Liquid Level

JI Lan-shuai

（Nanjing Iron and Steel Co.，Ltd.，Nanjing 210035，China）

Abstract：With the continuous development of science and technology，the market has higher and higher requirements for iron and steel products，and the grade of steel continues to improve. From the original ordinary steel to the current high-quality steel and special steel，it is necessary to carefully optimize the automatic control system of mold liquid level. This paper studies the application of mold liquid level automatic control system，introduces the working principle of mold molten steel level automatic control system，and puts forward specific strategies combined with the actual situation，so that all kinds of iron and steel enterprises can manufacture high- precision and high-quality products.

Key words：crystal liquid level;automatic control system;steel

為了提高生產(chǎn)作業(yè)率，鋼鐵企業(yè)需要改善自動化系統(tǒng)，保證結(jié)晶器鋼水液面自動控制系統(tǒng)應(yīng)用的有效性。系統(tǒng)要分析存在的問題并提出解決方法，有效應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)原理和算法，通過Profibus-DP網(wǎng)實現(xiàn)變頻器的PLC控制，提高生產(chǎn)過程中的性能以及可靠性，滿足時代的發(fā)展需求。

1結(jié)晶器液面自動控制系統(tǒng)組成及功能

1.1檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)由Co60放射源、閃爍計數(shù)器和液位計組成，安裝位置前后對稱，由于被鋼水吸收的γ射線隨鋼水液面高度的不同而不同，將此用于測量結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液位高度。Co60放射源和閃爍計數(shù)器安裝在結(jié)晶器內(nèi)，當(dāng)Co60放射源中的γ射線透過結(jié)晶器和內(nèi)部鋼水時，少量到達(dá)閃爍計數(shù)器的探測表面，鋼水液面越高，位于另一側(cè)的閃爍計數(shù)器接收到的射線強度越低，借助于二次儀表轉(zhuǎn)化與過濾處理，能夠輸出給PLC系統(tǒng)具體數(shù)值為0～10 V或4～20 mA的信號（如圖1所示），根據(jù)檢測出的Y射線強度轉(zhuǎn)換成鋼水液面高度的變化[1]。

1.2自動化控制系統(tǒng)

整個自動控制系統(tǒng)由Siemens提供，在此過程中要求PID控制參數(shù)調(diào)整，塞棒位置反饋信號，高速傳送數(shù)據(jù)并向管理層拓展應(yīng)用，以此進(jìn)行實時歷史趨勢的顯示及查詢。

自動化控制系統(tǒng)由PLC、Win CC HMI等組成，其中DI32XDC24V模塊（2只）、DO32XDC24V模塊（2只），用于操作現(xiàn)場塞棒的開度;PLC系統(tǒng)由電源PS 307 5A（1只）用于系統(tǒng)供電及啟動;CPU 315-2DP（1只）、AI8X16bit（2只），用于塞棒電動缸運行溫度及控制曲線開澆后P3操作，使WinCC HMI控制畫面可以對實時設(shè)定值，保證自動控制啟動的有效性和安全性。

1.3控制變頻傳動系統(tǒng)

控制變頻傳動系統(tǒng)中包含塞棒機構(gòu)，工作時主PLC通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)發(fā)出控制指令，其中的位移傳感器將具體的塞棒位置上傳到控制系統(tǒng)中，然后利用MC變頻器判定塞棒是否需要進(jìn)行位置變動。而其中的變頻傳動系統(tǒng)基本構(gòu)成大多由低速變頻型的調(diào)速電機、傳動機構(gòu)以及位移傳感器等構(gòu)成，下控制系統(tǒng)主要根據(jù)結(jié)晶器液面情況進(jìn)行有效控制，在一次動作全部完成之后，借助MC變頻器來對變頻調(diào)速電機進(jìn)行驅(qū)動，而達(dá)到調(diào)節(jié)中間包鋼水進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)的恒流量，使鋼水達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。而位移傳感器向控制系統(tǒng)進(jìn)行位置反饋，結(jié)合具體的液面情況來明確塞棒是否需要升降，確保結(jié)晶器中的鋼水液面始終維持在合理范圍之內(nèi)，實現(xiàn)結(jié)晶器鋼水液面恒穩(wěn)定控制[2]。

2結(jié)晶器液面自動控制系統(tǒng)的原理與實現(xiàn)

2.1自動控制原理

采用雙閉環(huán)PID控制系統(tǒng)，目標(biāo)就是要將結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位保持在要求的水平位置。為使塞棒不斷地調(diào)整位置直到結(jié)晶器鋼水液位到達(dá)要求，PLC將現(xiàn)場反饋回來的實際液位與設(shè)定值進(jìn)行比較，檢測到塞棒的實際位置誤差動作時影響小，可見增量只與最近幾次采集有關(guān)。

為使液位調(diào)節(jié)準(zhǔn)確快速地獲取各類參數(shù)，在PID控制中按照仿真系統(tǒng)的最終結(jié)果以及實際情況來調(diào)整，明確澆鑄鋼種、結(jié)晶器的具體斷面尺寸以及結(jié)晶器拉速等，按照所采集的設(shè)定數(shù)值與實際數(shù)值之間的差值，實現(xiàn)參數(shù)自動調(diào)節(jié)，使塞棒快速提升或下降，從而快速而準(zhǔn)確地到達(dá)給定液位值。水密度能夠有效阻擋射線，鋼水處于結(jié)晶器中會有不同高度，借助實際測量與計算對結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，帶動機構(gòu)的升降運動。工人對伺服電動缸進(jìn)行控制時所在操作位置的輻射均在安全范圍。

2.2原始值計算

原始計數(shù)值來源于探測器的輸入模塊，在針對結(jié)晶器進(jìn)行液面的自動控制過程中，需要將放射源和一次性儀表事先安裝，然后標(biāo)定具體的原始技術(shù)數(shù)值。原始計數(shù)與結(jié)晶器液位高度成反比，它顯示出探測器所接收到的輻射量。這個模塊是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)立的關(guān)鍵參照，因此需要分別對應(yīng)滿量程的0%、30%、50%、80%、100%進(jìn)行標(biāo)定檢測，提高檢測的有效性。控制系統(tǒng)將采集的實際液位值與設(shè)定值進(jìn)行比較，對射線阻擋的能力不同，通過鋼水的γ粒子數(shù)量就不同，按國家防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了安全防護(hù)。操作人員可通過操作盤進(jìn)行手（自）動模式的切換，對澆鑄過程中的鋼水液位展開全程控制，同時針對各種關(guān)鍵數(shù)值、報警信號以及工作情況進(jìn)行實時顯示[3]。

2.3設(shè)定系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

為保持鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的液位穩(wěn)定，需要對此加強關(guān)注，當(dāng)液位高度超出或低于允許控制范圍時，使用安放在結(jié)晶器一側(cè)的放射源，輸出控制驅(qū)動設(shè)備的信號到伺服驅(qū)動器，將其差值經(jīng)PID控制。

在正常情況下，結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液位通過接收器檢測出后，接收器發(fā)出的是脈沖信號，隨后將系統(tǒng)工作狀況及時反饋給上位機，然后將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流、電壓信號輸出，通過液位檢測儀經(jīng)濾波和D/A轉(zhuǎn)換將信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA/0～10 V 的標(biāo)準(zhǔn)，從而滿足實際需求。

3結(jié)晶器液面自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用策略

某地區(qū)第二鋼軋廠3#連鑄機原設(shè)計年產(chǎn)量為40萬噸，此次改造要求實際年產(chǎn)量為70萬噸，根據(jù)實際需求將其改造為6機6流。根據(jù)品種鋼生產(chǎn)的實際需要要求，鑄機的自動開澆率達(dá)95%以上，因此引進(jìn)了Siemens公司關(guān)鍵部位的設(shè)備、技術(shù)，自動開澆、自動連續(xù)澆鑄方面已經(jīng)取得很大成功，鑄機的自動開澆率達(dá)98%，提高了生產(chǎn)率，現(xiàn)如今已達(dá)到年產(chǎn)120萬噸的生產(chǎn)水平。上述鋼扎廠為了能夠達(dá)到液位穩(wěn)定的目的，需要采用流量型算法，通過控制進(jìn)入結(jié)晶器的鋼水流量，以保持液位穩(wěn)定。

3.1液面測量

結(jié)晶器液面所實現(xiàn)的自動控制和測量工作的精確性有直接聯(lián)系。液位測量的主要方法是同位素測量法，在這種方法中，可以選擇特殊放射源來當(dāng)測量所需放射源，其中的放射射線在穿越水套與銅管之后會被另一個探測器收回，同位素測量的準(zhǔn)確、可靠和測量過程非接觸，能夠有效應(yīng)用在周圍環(huán)境惡劣的情況下。

質(zhì)量吸收的實際系數(shù)是由吸收體材料以及放射線能量這兩種因素決定的，因為探測器收到的實際射線強度會隨結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位的高度變化而改變，如鋼水密度大，變化小可能造成較大的數(shù)值誤差，若兩者差距不大，則影響可以忽略不計。當(dāng)放射源一定時，照射過程產(chǎn)生電脈沖，為保持結(jié)晶器中的鋼水液位穩(wěn)定，經(jīng)光電隔離、補償、放大之后進(jìn)行脈沖計數(shù)、液位高低報警和PLC聯(lián)鎖[4]。

3.2液壓控制系統(tǒng)

為實現(xiàn)結(jié)晶器液面自動控制，上述鋼扎廠合理應(yīng)用液壓控制系統(tǒng)，在全開和全閉的情況下進(jìn)行接近開關(guān)的設(shè)置，并設(shè)置一個水口液壓型的專業(yè)控制器，從而達(dá)到水口開口自動化的目的。隨著水口技術(shù)的發(fā)展，滑動水口逐漸取代了塞棒水口，當(dāng)測量到實際液位后，由PLC計算出和液位設(shè)定值的偏差與現(xiàn)場的實際開度比較，最后結(jié)合實際情況對水口開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.3運動控制變頻傳動系統(tǒng)的實現(xiàn)

塞棒機構(gòu)由運動控制MC變頻器變頻調(diào)速電機實現(xiàn)升降運動，MC變頻器專門應(yīng)用于運動控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)速度控制、位置控制等符合PFB標(biāo)準(zhǔn)要求，CBP通訊板通過9孔SUB D型插座連接到PFB系統(tǒng)，實現(xiàn)與S7-400主PLC自動化系統(tǒng)的通訊[5]。

傳動裝置的數(shù)據(jù)存取總是按照主從方式進(jìn)行，PLC周期性地與傳動裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接口的所有連接是防短路，周期型通道的有用數(shù)據(jù)被定義為參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象。在PLC中硬件組態(tài)變頻器編制通訊DB塊，按照PP05通信協(xié)議，將前述PLC程序運算結(jié)果修改，使其能夠控制驅(qū)動電機帶動塞棒機構(gòu)升降。

3.4系統(tǒng)調(diào)試應(yīng)注意的問題

系統(tǒng)在首次運行前應(yīng)在手動狀態(tài)下將水口開度調(diào)到最大，在開澆時應(yīng)在手動狀態(tài)運行，并與經(jīng)驗公式計算的拉速相比較，避免結(jié)晶器內(nèi)無鋼水。同時應(yīng)該手動調(diào)節(jié)變頻器旋鈕，到液位穩(wěn)定時記錄此時的拉速，在短時間內(nèi)使鋼水達(dá)到給定高度造成的溢鋼和漏鋼，確定系統(tǒng)的最大拉速，保證在拉矯機、液壓系統(tǒng)故障時能夠自動關(guān)閉水口。

3.5系統(tǒng)存在問題與解決辦法

在系統(tǒng)正式投入運行使用后，最可能出現(xiàn)的一種問題就是液面波動，這也是最常見的問題。針對這種問題進(jìn)行分析研究不難發(fā)現(xiàn)，其主要原因如下：由于結(jié)晶器、電纜或傳感器得到了更換，因此導(dǎo)致檢測信號發(fā)生一定偏差，進(jìn)而造成液位出現(xiàn)波動。針對這種問題可以采取以下解決辦法：

1）可以重新對標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)校，重點針對置滿信號與置空信號進(jìn)行標(biāo)定，也就是液位為滿或者為空時的具體信號;

2）要做好相關(guān)的抗干擾防護(hù)工作，防止干擾信號混入到測量回路中，連線連接可以依靠無接觸型電阻;

3）由于不同鋼種需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的具體參數(shù)也各不相同，因此需要結(jié)合具體的工藝和現(xiàn)場實際情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，條件允許時可以在參數(shù)調(diào)整之前先進(jìn)行科學(xué)的仿真。

4結(jié)語

該系統(tǒng)在通過線性化的改善，經(jīng)過現(xiàn)場的跟蹤調(diào)試，能夠適應(yīng)市場對鋼鐵產(chǎn)品的要求，生產(chǎn)優(yōu)鋼、特種鋼時運行效果較佳，能夠?qū)撍好婵刂频阶罹?xì)化的范圍之內(nèi)，從而更好地滿足既定目標(biāo)需求，現(xiàn)已成為生產(chǎn)品種鋼、特殊鋼的重要保證。

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