智能連鑄機控制技術開發

張志杰

（濟鋼檢修工程公司，濟南 250132）

0 引言

國內外連鑄機自動化控制技術的發展，經歷了第一代基礎控制階段、第二代過程控制階段，目前正朝著第三代智能控制的方向發展。

第一代連鑄機自動化控制，借助計算機軟件技術和基礎控制理論，把現場各監測、控制參數實現集中控制顯示，實現了連鑄機生產任務的計算機控制的初級目標。

第二代連鑄機自動化控制，結合過程控制理論，在基礎控制平臺上增加了配水、溫度等動態模型，并利用網絡技術實現了訂單與連鑄機生產計劃的自動匹配。

第三代連鑄機運用智能控制理論，圍繞提高和保障產品質量的目標，豐富和完善自動化控制模型與檢測技術，開發智能控制系統,較好的滿足了客戶對產品質量的要求。基于智能控制的第三代連鑄機，是今后5～10年世界連鑄機設計與裝備的方向。

1 連鑄機工藝現狀與要求

某鋼廠120t轉爐區域自2002年先后共引進4臺奧鋼聯連鑄機設備。項目投產后，取得了較好的經濟效益，隨著時間的推移和用戶對不同鋼種產品質量要求的變化，單純依靠原有的自動化控制技術，已經不能完全滿足生產和市場的要求[1]。

4臺連鑄機原設計的重點是L1、L2基礎與過程控制，以滿足生產任務和計劃自動傳輸為主，一般連鑄機專業公司都可以達到，也能夠滿足常規產品的開發要求。目前國內外側重連鑄機基礎控制、過程控制的研究與論著相對成熟和繁多，連鑄機智能控制案例相對較少。

如何運用智能控制理論，在促進結晶器內的鋼水液面波動更加微小（由±5mm降為±3mm），鋼水在凝固結晶過程中需連續輸入溫度實現動態配水，根據鋼種調節電磁攪拌電流強度、扇形段輥子透明可視化上下功夫，確保鑄坯內在質量。除此之外，高精度的切割和去毛刺，是保證鑄坯外在質量的關鍵。

2 連鑄智能控制技術硬件組成與實施

為實現第三代連鑄機智能化控制，圍繞提高和保障產品質量的目標，豐富和完善自動化控制技術水平，重點設計了6個技術模塊。

2.1 結晶器狀態診斷的設計原理與組成

結晶器漏鋼預報系統是實現結晶器可視化的有效工具[2]，除此之外，原有系統已經無法增加新鋼種和查詢功能，造成連鑄機生產時無法及時查看液面波動、塞棒深度、結晶器振動等相關工藝參數，尤其是當出現異常狀況時，無法調出歷史記錄，不便于分析工藝過程。

為了降低波動幅度，滿足新產品開發的需求，開發了結晶器狀態診斷系統，用于結晶器液面波動微控、振動的監控操作、工藝參數記錄。項目軟件采用西門子WinCC6.2、SIMATIC_SQL、Step 7 V5.4 、SIMATIC NET軟件，自主創新開發了該系統，實現了液位控制、振動控制、液位測試、液位與振動系統聯鎖等功能，液位控制離線調試。

該技術的核心包括服務器網絡配置、液面檢測二次限幅智能調節。該診斷技術根據報警及歷史趨勢記錄，可以查出現場人員的操作模式、過程，現場結晶器液位波動、振動偏差，以及水口、流場等工藝變化。對隨機調整振動參數有較大幫助，可更好的滿足連鑄機生產需要，提高鑄坯質量。

原服務器計算機名設置：2#CCM: vaiccsrv-jmc1;3#CCM:vaiccsrv-jmc2，工作組：TIGANG，網絡設置：2#CCM:IP地址192.168.100.22 ，子網掩碼：255.255.255.0，網關：無；3#CCM:IP地址192.168.200.22 ，子網掩碼：255.255.255.0，網關：無。

有了前面兩個環節的鋪墊，班級里絕大多數學生基本上能明晰這道題的條件是什么、問題是什么，哪些地方是需要格外注意的，哪些則是無用條件。接下來，就要請學生上臺扮演老師，充當“小先生”，向全班學生分析這道題的解題思路，即第三個步驟：“情景說題”。

項目服務器配置將站名vaiccsrv-jmc1改為2#CCM，并配置完成的網絡結構。

2.2 中包精準吹氬與測溫集成

如何有效防止澆鋼過程中鋼水被氧化，是很多冶金企業努力的方向，中間包氬氣保護是應用最廣泛的一種方法。鋼包內的鋼液在重力作用下流入中包,傳統吹氬系統采用儀表閥門控制，在實際生產控制中存在流量大小失控的問題，過大或過小都不利于去除鋼液中的夾雜物，而且有可能帶來鋼水溫度快速下降。

通過開發一種基于并聯疊加算法的氣體流量控制裝置[3]，有效避免了依靠儀表調節閥PID調節的響應時間及帶來的振蕩造成流量波動問題，如圖1所示。

圖1 并聯疊加算法控制裝置

本裝置尤其適合于煉鋼廠的吹氬流量控制，不僅可以快速、精確控制吹氬氣流量，而且克服了其他方法的低流量調節不準確、波動大等弊端，控的快，測得準。

澆鑄溫度也是關系鑄坯質量的重要工藝參數之一。連鑄過程對鋼液溫度有嚴格的要求，尤其中間包內的鋼液溫度應穩定。因此，需要對中間包內的鋼液溫度進行準確測定。目前，連鑄機普遍采用中間包鋼液溫度的點測，一般用快速測溫偶頭及數字顯示二次儀表來測溫，每包鋼水需要工人更換測溫槍測溫偶頭后，插入鋼水進行人工測溫。中包測溫不準會導致二冷配水量不準確，影響鑄坯的質量[4]。

鋼水連續測溫儀是以紅外輻射為主的測溫儀表，以單片機為核心的信號處理器對其電信號進行處理并顯示測量溫度，如圖2所示。具有測溫精確度高、穩定性強、使用成本低，降低工人勞動強度特點。

為保證使用鋼水連續測溫的同時，原有測溫槍點測方式同樣可以使用，修改原有連鑄機L1級PLC程序，同時在HMI操作畫面增加測溫方式選擇與測溫顯示功能。這樣，如果連續測溫出現問題，可以切換為點測方式，同時兩套系統可以將測量值進行比對，已核查測量值是否準確。

圖2 鋼水測溫系統構成

2.3 大電流電磁攪拌技術

但客戶對板坯產品質量的要求不斷提高，國標一級探傷對應的中心偏析在C類2.0以上，原有的設計不能完全滿足新的要求，課題組計劃通過加大攪拌電流（由400A增加到500A），實現加速傳熱和對流以改變鑄坯的凝固結構，達到改善內部質量的目的。

電磁力隨著電流的增加而增加,且與徑向距離成正比,變化較快，如圖3所示。電磁力由鑄坯邊緣向中心逐漸減小,電磁力最大值由400 A時的6.5kN/m3增加到500 A時的14.5 kN/m3·電磁力增加了2.23倍,這驗證了電磁力與電流的平方成正比。

圖3 不同電流的電磁推力與距結晶器高度曲線

為了電磁攪拌運行性能和持續性，制定出通過增加IGBT板的功率來提高攪拌電流。為滿足現場板坯270mm厚度，電磁力根據公式計算約為14.32 kN/m3。電流需要提高90A左右，考慮設計余量，選用信號為DIM1600FSS17替代原有設計的DIM1200FSS17的IGBT設備，提高功率約為35kw，提高電流幅值約為100A。更換大功率IGBT后運行長時間沒有出現結溫持續高溫現象，提高了電磁攪拌系統運行的穩定性。

2.4 扇形段精準定位技術

連鑄機扇形段是板坯成型的重要載體，對鑄坯質量控制起關鍵作用。120t轉爐區域四條生產線均為弧形扇形段，扇形段由上至下共分為彎曲段、矯直段、水平段三部分，驅動輥作為扇形段的重要組成部分，主要為板坯在扇形段中行走提供驅動動力，同時也為穿引錠鏈提供動力和夾緊引錠固定位置等作用。

較早的設計對驅動輥準確位置缺少必要的定位跟蹤，鑄機投產以來，多次發生鑄機上引錠或開澆期間因驅動輥未在抬起位置而導致設備損壞或停機的事故，打亂了生產節奏同時也造成很大經濟損失。

無法獲得驅動輥的位置信息，容易造成板坯表面劃痕，或過度改變內部質量等問題。隨著對產品質量提高，降低故障的要求，驅動輥位置跟蹤的迫切要求也隨之提出。

根據多年維護經驗，提出連鑄機扇形段驅動輥位置精確跟蹤。通過在驅動輥液壓動作管線上添加壓力檢測裝置，傳輸到PLC中，分析壓力信號來確定驅動輥精確位置，如圖4所示。

圖4 壓力檢測裝置安裝的驅動輥控制圖

2.5 鑄坯微切割技術

鑄坯的切割是根據定尺要求，把一塊母坯切割為三塊，原設計的定尺長度由測量輪編碼器測量完成。長期應用測量輪出現滑尺現象，造成定尺不準確，精度也難以保證。

根據CCD技術的發展，提出依據攝像定尺的微切割技術。控制精度在0～5mm，對原系統進行相應的優化。硬件部分包括計算機操控系統、攝像機系統及通訊控制電纜等。計算機操控系統由現場型工控機、顯示器、專用視頻采集卡和數據輸出卡組成；攝像機系統由專用高分辨率工業紅外攝像機、專用紅外攝像鏡頭和不銹鋼水冷防護罩組成；通訊控制電纜由雙屏蔽雙絕緣通訊電纜和耐高溫屏蔽控制電纜組成。采用Wincc6.2軟件一臺計算機實現監控系統開發和運行。計算機要求為Hp8100以上（包含8100）配置。

2.6 雙控去毛刺創新研發

毛刺機保證鑄坯表面質量的最后一道防線，隨著近幾年的運行，去毛刺系統也暴露出諸多問題，主要表現在去毛刺打擊位置調節工作復雜、調整時間過長無法保證連續生產。

針對以上問題，開展技術攻關和技術創新，借助模糊控制理論，在原有控制算法的基礎上增加了自學習功能。一方面對原有系統中除保留基礎架構和液壓機械設備，電氣限位和光電管部分，其余全部拆除，增加推動液壓缸，增加雙向切換電磁液壓閥。另一方面采用自主開發的新的控制部分，增加查詢功能，自主學習功能，成功上線，保證去毛刺效果。

3 連鑄機智能控制技術軟件編程與監控畫面開發

3.1 結晶器狀態診斷監控系統

本系統主畫面有：液位控制總貌、1#中包液位控制、2#中包液位控制、結晶器振動控制、液位系統測試、1#中包液位聯鎖、2#中包液位聯鎖、結晶器振動聯鎖、1#液位歷史曲線、2#液位歷史曲線、振動歷史曲線、報警信息等共12個畫面，部分系統主畫面如圖5、圖6所示。

圖5 液位監控主畫面

圖6 系統報警畫面

畫面有每個中包車液位控制參數信息、當前曲線、 塞棒抖動投入選定功能。點擊下面可以選擇塞棒抖動是否投入使用，點擊圖形可以打開抖動參數設定修正畫面，如圖7所示。控制模式分為手動，位置，本地自動，遠程自動四種模式。

圖7 結晶器振動畫面

為防止誤操作發生，此功能僅在登錄admin用戶后才能進行操作。并增加結晶器振動聯鎖畫面與歷史記錄畫面，如圖8所示。

圖8 連鎖報警畫面

3.2 連鑄機扇形段精準定位與預警

連鑄機原有設計方案沒有考慮到驅動輥抬起的跟蹤，當開澆前要求4段（包括4段）以后驅動輥都要在抬起位置，避免引錠頂到驅動輥。原設計為在主控室HMI顯示的是抬起狀態，因現場沒有反饋信號，故如現場驅動輥實際沒有抬起主控人員也無法發現。

該系統通過增加抬起壓力檢測環節，形成液壓系統的信號閉環檢測。同時將檢測情況反映到主控室HMI上。軟件部分，壓力信號在PLC程序中做相關的計算分析，得到驅動輥精確位置，并將信號傳遞到HMI畫面中，在自主開發顯示系統中作明確位置指示，具體內容如下。

顯示在主控室HMI上，同時添加報警事件，方便事件記錄和故障分析。如圖所示。

圖9 扇形段精準定位畫面

3.3 切割監控系統開發

為滿足微切割高精度、快調節的工作模式，項目組對原有切割監控系統進行了自主開發升級，采用了工業以太網（Industrial Ethernet）接入PLC的通訊方式，改變原有觸摸屏監控系統采用Profibus網絡協議，通訊速度提高近一倍，具體配置如圖10所示。

圖10 切割系統配置

4 結束語

圍繞質量提升的6項關鍵技術投用后，對保障鑄坯質量產生了明顯的效果。以電磁攪拌和去毛刺機為例，大電流電攪投入使用以來，明顯改善了鑄坯質量，增加等軸晶率，改善或減輕鑄坯中心偏析和疏松等作用。板坯連鑄機智能控制技術，在連鑄機生產中直接關系產品的質量[5]，通過該項目的實施，既提高了產品質量，又降低了運行及維護成本，還改善了設備的運行效率，有效提高了C類2.0中心偏析比例，具有良好的社會效益。□

[1] ZhangZhijie,Thin slap CCM automation control technology equipment to improve,Journal of iron and steel research[J].2009,30(4):235-239.

[2] 張志杰,連鑄機漏鋼預報系統優化改造[J].山東冶金,2007,5:73-75.

[3] 張志杰,陳秀麗,王京玲.無級調節底吹攪拌技術的開發[J].自動化儀表,2006(7):52-55.

[4] 張志杰,煉鋼廠自動化儀表現場應用技術[M].北京:冶金工業出版社,2012:104-105.

[5] 張志杰,連鑄機高效基礎自動化技術分析[J].PLC&FA,2008,12:67-70.