連鑄機自動控制系統設計

劉海霞

（常州鐵道高等職業技術學校，江蘇 常州）

1 引言

目前煉鋼廠使用的3#、4#連鑄機為小方坯連鑄機，是三機三流全弧形二點矯直結構。利用該連鑄機，從開始澆注到具體形成需要經過兩次冷卻，第一次冷卻需要通過結晶器來完成，在本階段鋼水在結晶器內冷卻形成了初步坯殼，在完成第一次冷卻后，坯殼進入到第二次冷卻區域開始第二次冷卻，而在二次冷卻過程中冷卻水的科學利用對最終鋼坯的高質量生產起到關鍵作用。原本的二冷水流量是不可調節的，拉速變化也沒有同步實現，隨著品種鋼改造升級后，對生產工藝提出更高要求，特別是各類優質鋼材的生產過程更需要精細化保障，其中二次冷卻控制至關重要，如若操作不當就會形成各類鑄坯缺陷，例如內部及表面裂紋、鑄坯的菱變（脫方）鼓肚等等。原本的二冷水流量固定配水方式無法更好滿足效果，冷卻效果無法實現最大化，對鋼坯質量會造成實質性影響。因此需要采用二冷水動態調節，最佳的冷卻效果才會得以實現。

2 二冷水的工藝簡介及控制思路

連鑄機在生產過程中，鋼水需要從中間包到結晶凍結成型，在引錠桿牽引下，鋼坯進入二冷環節，之后到拉矯機，經火切機切割后輸出鋼坯。在該工藝品的整個過程中，其需要從1500℃的液態變成700℃方鋼坯。對于高效連鑄而言，二冷水的配置是否能夠做到最優化處理，這對于鋼坯的整個生產起到關鍵性的作用，鑄坯的質量優劣也是在這個階段來實現的。良好的二冷模式必須具備以下三點性能：一是有助于鑄坯內部質量或是表面質量的提高；二是能延長二次冷卻設備的使用壽命；三是用水量較少，可以更好滿足生產效率的實際要求。具體生產過程中，二次冷水的控制方式需要充分結合現場工藝等要求來細化和確定，就理論而言，一般采用沿澆鑄的方向來預測凝固厚度梯度及溫度變化來確定，具體則使用拉速對二次冷卻水流量進行定量控制。具體控制過程如圖1所示：

圖1 控制過程圖

在連鑄機改造完成后，可以實現分三段對二次冷卻水水量進行比例控制，分別為足輥段、Ⅰ段和Ⅱ段。隔段根據內外弧及兩側邊分別配水，采用水霧冷卻，具體用水量與拉速呈正向動態關系。每個冷卻段都是通過一個流量計以及一個調節閥，在調節閥后分管直至分水器，通過分水器再分成內外弧以及左右兩側噴淋管。

3 二冷水控制數學模型的實現

二冷水動態模型控制需要在特定的環境下來進行，其冷卻的水量也會隨著拉速的變化而發生改變。其還會呈現出最佳的狀態來分布，這樣就可以對鑄坯表面溫度進行控制，讓鑄坯質量變得更好。

3.1 配水模型基本公式

運用拉速相關控制法，又稱比例控制法、比水量法或水表法，屬一級控制。該控制法將拉速作為具體控制參數，根據拉速V的增減量來確定冷卻水Qi的總量大小。具體計算公式如下：

式中：Q 為冷卻水量，m3；V 為拉速，m/min；A、B、C為各類系數，具體由鋼種、鑄坯斷面尺寸等所確定；i為冷卻段序號，i=1、2、3。

3.2 控制原理

一般采用閉環控制，采用前提為中包鋼水整體溫度相對穩定。控制主要按照二次冷水區域不同段為進行水量變化控制。配水量的確定方法，必須要結合不同鋼種以及不同鋼種的斷面尺寸鑄坯，在不同拉速下進行模型操作來最終確定。一般情況，按照回歸方式可以清晰得到水量與拉速的關系。如公式（1）。根據這一關系，系統實現二次冷卻區各段的鑄坯冷卻最優配水量。原理如圖2所示：

圖2 系統原理圖

4 自動化控制系統組成及功能實現

4.1 二冷水自動控制系統的硬軟件配置

煉鋼廠4#連鑄機自動控制系統硬件為GE公司9030 PLC。軟件使用SIMATIC人機界面WINCC 6.0sp2和GE VersaPro編程軟件。Wincc監控界面與PLC之間通過GE OPC Server進行標準化的數據交換，PLC站與站之間、PLC站與上位機之間通訊使用以太網網絡來進行數據交換。人機終端界面HMI有寫入修改參數，對于需要的數據要讀出來，并且要安裝好報警程序。一旦水量低或者是水溫較大的情況下其就會發出聲光報警，這樣對于值班人員就可以起到提醒的作用。值班人員一旦發現這種狀況就可以及時的查看設備并且及時的排除相應的隱患，讓設備的安全周期運行效率得到提高。該鑄機共有三個流，每流有1套反沖洗裝置、1臺快切閥、1只電子壓力表；每段上有1只電子流量計和1臺氣動比例閥。在原有連鑄機的PLC系統擴展機架中加入數據采集模塊，并在PLC中對其進行組態，分配好相應的I/O地址。現場采集的數據還包含了二冷水系統的水流量以及水壓，要對調節閥位進行反饋和控制，對于振動裝置還需要對其頻率進行控制，對于結晶的水流量和溫度等都需要進行相應的控制工作。為了讓信號干擾問題降到最低的水平，在對流量、壓力、溫度的信號回路中間加裝有無源信號隔離器。

4.2 二冷水水量計算及修正

根據配水模型基本公式（1），綜合相關經驗數據，取用下列數據模型（以足輥為例）：

其中：Q1JS為計算后的配水量（m3/min）；V 為拉速（m/min）。

修正后的流量：Q1XZ=K*K1

其中：Q1JS為修正后的配水量（m3/min）；K為總流量修正系數；K1為足輥流量修正系數。

在整個冷卻水配水過程中，每個速度段的配水公式的系數是不同的，所以流量也不同。在實際應用中，水量的控制采用分段函數：

二冷水水量修正計算是根據二冷各段噴嘴設計布置的理論流量分配比例，以實際生產時，拉速為2.0m/min的合理比水量確定出的k、k1、k2、k3調節數值，k初步確定統一為1.00，調節范圍1～2；其中低合金鋼足輥k1=1.91，一段k2=1.23，二段k3=0.84，普碳鋼足輥k1=1.67，一段k2=1.08，二段 k3=0.74，調節范圍0～3.0。分鋼種在拉速為2.0m/min的理想給水量，調整時應鄭重，一般不作調整。如果供水管或噴嘴發生嚴重堵塞的時候就會讓水量不足，可參照k1、k2、k3值作出調整。實際生產中k值一般不作調整，k1、k2、k3調整操作應精細，以0.05為一個調整單位進行調整。

在實際調試時，要根據生產的實際要求，考慮到足輥流量在開澆起步階段的重要性，足輥調節閥設為全開狀態。即當拉速大于0.4m/min時，足輥流量為最大值。

水量修正計算程序如圖3所示：

圖3 水量修正計算程序圖

4.3 二次冷水各段水量PID（比例、積分、微分）的閉環控制

在PLC程序中，通過二次配水的曲線數學模型PID調節方式來控制二次冷水，就能夠實現利用監控畫面對自動化配水功能進行快速調整，在WinCC控制畫面針對各段設有自動和手動兩種控制按鈕。自動模式下，鑄流水量設定值SP（計算流量）由PLC通過配水公式及修正后計算給定。需要通過點位器實現拉速的確定，并且通過配水公式來計算出每頓的噴水量SP，SP通過工程量換算成4-20mA的電流信號輸出給執行器，執行器控制閥門開度，并通過閥門的閥位反饋信號輸入到PID控制程序，與此同時，電磁流量計檢測到的水流量PV（實際流量），與PID過程設置點SP的數據比較，輸入到PID程序塊中通過對比工程量和噴水量，計算出偏差，再輸出給執行器來控制閥門。根據工藝要求，設定目標參數，由PID回路的調試曲線，不斷調整Kp（比例系數）、Kd（積分系數）、Ki（微分系數）控制參數，使被控參數穩定在設定值的正常波動范圍內，從而實現控制閥門的開度，達到對流量精確控制，實現理論噴水量與實際流量一致。整個配水過程是調節閥利用PID控制回路進行閉環控制。把最終數據放到R03050，最后通過模擬量模塊AQ0040輸出給執行器。其PID功能塊程序如圖4所示：

圖4 PID功能塊程序圖

充分利用上位機進一步對過程監控畫面進行改進。回路畫面中，將PID回路的PV值、SP值、CV值（PID輸出）用棒圖形式、數字形式進行集中顯示，具體操作員不僅能直接觀測回路調節情況，并根據需求對回路參數進行精確設定。調節畫面中設有手動、自動模式切換按鈕。手動控制中，二次冷水流量由操作人員在WINCC監控畫面手動輸入，范圍值為：0-32000（0～100%），而在 PLC 程序中，直接跳過PID的調節，對AQ0040進行賦值，從而實現閥門控制，最終使得水量調節最大程度接近于理想曲線。WINCC PID監控趨勢如圖5所示。

圖5 WINCC PID監控趨勢圖

5 改造產生效果

本改造項目的成功實施，不僅可通過HMI進行在線監控及操作，且操作靈活方便，讓生產效率得到了更大提升，手動和自動之間可以實現隨時轉換，調水時間可以實現更大的節約，并連鑄機穩定、高效、快速生產起到有力保障。控制系統在改造之后，冷卻問題得到極大改善，各類實際生產中易發多發的裂紋、鼓肚現象得到有效緩解，鑄坯脫方、疏松、縮孔等常見缺陷概率也大幅下降。系統的成功改造，無論是在控制系統方面還是在生產工藝方面，都得到實質性的飛躍，可以將普通的連鑄機生產優鋼的功能實現優化，具有顯著的社會經濟效益。