鋼水澆鑄自動控制與監測系統的設計

摘 要： 隨著冶金技術的不斷完善，鋼水澆鑄自動控制與關鍵工藝參數的監測成為提高鋼錠成型質量以及安全性的重要手段。針對冶金企業的鋼水澆鑄自動化應用，提出了一種基于改進型PID算法的鋼水澆鑄控制與監測系統，利用虛擬儀器技術與Matlab完成系統控制流程與過程計算，結合數據庫技術實現整個澆鑄過程中關鍵參數的文本存儲并生成鋼水澆鑄系統監測報告，便于技術人員分析產生質量問題的原因，并及時調整與改進生產工藝，避免了重大安全事故與經濟損失的發生，滿足了實際工業應用中的生產需要。

關鍵詞： 鋼水澆鑄； 改進型PID算法； 控制與監測； 虛擬儀器技術； Matlab； 數據庫技術

中圖分類號： TN05?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）03?0115?03

Design of steel casting automatic control and monitoring system

JIANG Si?jie， JIANG Chuan?hua， CHENG Zhao?ming

（No.722 Institute of CSIC， Wuhan 430079， China）

Abstract： With the continuous improvement of metallurgical technology， automatic control of molten steel casting and monitoring of the key process parameters become important means of improving the quality and security of steel ingot molding. For molten steel casting automation application of metallurgical enterprises， a molten steel casting control and monitoring system based on improved PID algorithm is put forward in this paper. The virtual instrument technology and Matlab are adopted to complete the system control flow and process calculation. In combination with database technology， the text store of the key parameters in the casting process and generation of monitoring report for the molten steel casting system are realized， so as that the technical staff analyze the product quality， and timely adjust and improve the production process to avoid the occurrence of major safety accidents and economic loss and meet the production needs in the real industrial application.

Keywords： steel casting； improved PID algorithm； control and monitoring； virtual instrument technology； Matlab； database technology

0 引 言

澆鑄是鑄造生產過程中的一個重要環節，雖然大多數冶金企業采用吊包澆鑄方式，通過重量傳感器來實現鋼水澆鑄重量的檢測，但并沒有找到能夠滿足澆口中鋼水的液位高度檢測的傳感器件，從而限制了澆鑄自動化水平的發展。

（1） 澆鑄控制。隨著微電子技術與自動控制理論的快速發展，PID算法控制在工業控制系統中得到廣泛的應用，在冶金工業中，PID算法控制的使用率高達82.9%，是冶金企業所采用的最主要的控制方式之一。

（2） 澆鑄監測。澆鑄監測主要依靠重量傳感器實時采集在澆鑄過程中吊鉤秤上鋼水的重量值，通過無線或有線數據傳輸的方式將數據信息傳遞到數據處理終端計算出澆鑄速率、時間等參數，從而實現澆鑄過程的監測。

本文以傳統鋼水澆鑄為基礎，提出了一種基于改進PID算法的鋼水澆鑄控制與澆鑄流量監測系統，詳細闡述了該系統的結構組成、控制算法與監測方案，為冶金工作自動化發展添磚加瓦。

1 系統構成

鋼水澆鑄控制與監測系統主要硬件包括控制機柜、步進電機、圖像傳感器、鑄流量伺服控制組合與打印機，其中控制機柜中包括工控機、信號接收機、圖像采集卡、液晶顯示器，如圖1所示。

工控機作為控制核心與管理中樞，通過數據連接線控制步進電機驅動鑄流量伺服控制組合從而操控吊鉤秤來控制鑄流量，利用吊鉤秤上的重量傳感器與澆口圖像傳感器實現澆鑄過程中重量與液面狀態的數據采集，之后經圖像采集卡將數據信息反饋至控制機柜計算液面高度偏差并由控制算法得到相應的步進電機控制量，實現誤差補償與實時監測功能。

鋼水澆鑄開始之前，檢查系統線路是否良好，開啟控制機柜，運行系統控制與監測軟件，設定流量給定參數，啟動鋼水澆鑄。此時，工控機控制步進電機快速驅動澆鑄流量伺服控制組合，使得吊鉤秤運動控制澆鑄流量，從而在澆口中以給力流量值建立液位。當澆口中的鋼水液面建立后，系統進入穩態階段，通過從圖像傳感器上反饋回來的液面狀態對原控制算法進行補償，通過澆鑄流量伺服控制組合位置將鋼水液位維持在澆口高度值附近，從而保持澆鑄過程的穩定性。當鋼水液位達到澆口高度時，工控機控制步進電機快速關閉澆鑄流量伺服控制組合，澆鑄停止。

3 系統關鍵技術的研究

本系統采用虛擬儀器技術，將LabVIEW2011作為開發平臺，實現鋼水澆鑄過程中的自動PID控制與實時監測功能，結合MySQL數據庫實現系統的監測信息存儲與報告格式預處理，調用Matlab進行改進PID算法與監測數據的處理。

下面就本系統設計中所采用的關鍵技術進行探討。

3.1 改進型PID控制算法

在實際工業生產中，對于鋼、鐵、銅、鋁、錫等液態金屬澆鑄對象，其澆鑄流量大致數學模型如式（1）：[π4k1h2tdhtdt=Q1t-π-

通過Matlab計算澆鑄重量差、澆鑄速率與時間，技術人員便可隨時了解鋼水澆鑄過程中機械與生產狀態。

4 結 論

本文通過分析冶金企業的鋼水澆鑄流程，提出一種基于改進型PID算法的鋼水澆鑄控制與監測系統，集合虛擬儀器技術、Matlab與數據庫技術實現系統控制流程、過程計算與報告輸出，為技術人員分析生產工藝缺陷與產生質量問題的原因提供了便利，避免了重大安全事故與經濟損失的發生，滿足了實際工業應用中的生產需要。

參考文獻

[1] 周兵，吳興純，吳文斗.基于PID控制的自動澆鑄控制系統對象建模研究[J].廣西輕工業，2007（2）：51?54.

[2] 章浙根.一種鉛錠澆鑄自動控制系統的設計與實現[J].浙江科技學報，2002（4）：5?9.

[3] 李剛，袁春峰，劉軍.淺談國產圓盤澆鑄機控制系統的改進[J].有色冶金設計與研究，2010（2）：25?26.

[4] 強明輝，劉大為，于波.新型鋁錠連續鑄造機澆鑄過程控制方法研究[J].科學技術與工程，2008（2）：519?521.

[5] 梁犇，李訓誥，林江.基于Matlab與LabVIEW的信號處理分析與研究[J].實驗科學與技術，2010（6）：39?41.

[6] 王怡蘋，許愛強，汪定國.自動測試系統中測試數據管理[J].電子測量技術，2010（3）：137?140.

[7] BITTER Rick， MOHIUDDIN Taqi， NAWROCKI Matt. LabVIEW advanced programming techniques [M]. [S.l.]： CRC Press， 2001.

[8] WILSON H B， TURCOTTE L H， HALPERN D. Advanced mathematics and mechanics applications using Matlab [M]. [S.l.]： Chapam Hall/CRC， 2003.