小方坯連鑄機大包滑動水口自動控制應用

孫清川

（日照鋼鐵有限公司，山東 日照276800）

隨著鋼鐵工業的發展，小方坯連鑄自動控制也得到了迅速的發展。大包滑動水口是連鑄機關鍵設備之一，滑動水口是安裝在鋼包底部的裝置。1000多度的鋼水通過滑動水口流入中間包內，滑動水口可以隨時開閉，起到穩定鋼流、控制鋼水溫度的作用，保護著鋼包下方設備和人員安全。而手動控制滑動水口的開度已嚴重制約連鑄生產節奏。為了提升生產效率，保障生產順行，根據中間包內部鋼水液位的變化，自動調節大包滑動水口的開度，維持中間包內鋼水液面平穩變化，以便保障鑄機拉速穩定。

1 更換液壓控制方式

目前大包滑動水口由液壓缸來控制開度變化，通過開閉液壓電磁閥來控制液壓缸的伸縮。開閉各有一個液壓電磁閥控制，在澆注時手動控制液壓電磁閥通電和斷電。通過手動操作按鈕按壓給電時間的長短，來控制大包滑動水口動作的開度變化。給電時間長，動作時間長；給電時間短，動作時間短。

在供油管路閥臺上設計為2組（如圖1），兩組閥分別供油大包滑動水口液壓缸的有桿腔和無桿腔，從而控制大包滑動水口打開和閉合。每組閥臺又分為快速和慢速開閉。符合事故斷電或其他異常因素，緊急關閉水口的功能。

圖1

2 中包液位檢測原理

為了檢測中包液位變化，需增設中包稱重控制系統。每臺中包車增設4只中包稱重傳感器，并通過接線盒將稱重信號傳輸至稱重顯示表。由稱重顯示表輸出4～20mA模擬量信號傳輸至PLC中，以便實時檢測中包重量的變化情況。根據中包重量的變化，達到控制中包液位變化的目的。同時在操作室合適的位置裝設大屏顯示器，以便操作工能方便觀察中包重量的數據。

（1）設定中包重量上限：手動操作增大滑動水口開度，使中間包鋼水液面上升，在鋼水液面達到排渣位置，此時觀察中包重量的數值，此數值可設置為中包重量的上限值。保障在正常生產時，中包重量不能超過上限值。

（2）設定中包重量下限：在中包車去皮結束后，中間包內的鋼水量必須滿足連鑄機拉速需求。通過試驗連鑄機不同的鋼種和鑄坯的規格，鋼水的液面在滿足最低的要求，此時的重量設定為中包重量下限值。

（3）設定中包穩定拉速動態變化量：觀察中包重量與拉速的匹配關系，選取合適的重量變化范圍，能有效的穩定拉速需求。把此重量變化值設定為中包穩定拉速偏差量，即為中包重量死區范圍。中包鋼水重量在此死區范圍內變化時，大包滑動水口的開度保持不變。

3 涉及相關安全因素

大包中的鋼水流入中間包實現連鑄機連續生產，原有的大包滑動水口存在如下問題：（1）手動控制比較隨意，大包所處任何位置，手動都能控制滑動水口的開閉。（2）即使接包位的操作手柄，也能控制澆注位的滑動水口的開閉。（3）澆注位的大包出現意外事故進行事故轉包時，大包滑動水口也不能自動關閉，嚴重危害現場設備和操作人員的安全，危險系數較高。（4）在人員操作方面，大包或中包未在澆注位時，均有可能由于人為誤操作，會導致大包水口打開鋼液流出，熾熱的鋼水所到之處，必然會導致現場設備損壞，甚至會造成人員傷亡。

針對以上問題，在大包滑動水口自動控制設計時，必須考慮包含手動控制在內的安全因素的影響，達到本質安全要求，避免危險因素的發生。大包滑動水口的開閉需要判定，大包、中包所處的位置。在大包旋至澆注位、中包車運行到澆注位，大包滑動水口操作箱條件允許指示燈亮，才能控制在澆注位的大包滑動水口的開閉。繪制監控Wincc聯鎖、解鎖畫面，在現場限位出現異常情況下，通過人為觀察現場安全條件滿足時，可進行強制解鎖操作，避免由于異常現場導致大包滑動水口不能打開。

在大包澆注完畢或由于特殊因素轉包時，自動關閉大包滑動水口。避免在旋轉過程中滑動水口處于打開狀態，導致鋼液飛濺。在中包熱換時，在澆位的中包車離開澆注區時，大包滑動水口會自動關閉。避免由于中包車不在澆注位打開大包水口，造成設備或人員傷亡。當熱換中包結束后，烤包區的中包車進入澆注區后，中包車澆注位條件滿足，具備大包水口開閉的中包在澆注位的條件。如果此時其他安全聯鎖條件均滿足后，可開閉大包滑動水口。

4 大包水口自動與手動控制方式

原大包滑動水口的控制方式僅為手動控制，在人員操作安全的位置有一個手動控制操作箱，在澆注位和接包位各有一個移動式的操作手柄。通過選取操作箱的轉換開關，來選擇澆注位或者接包位的操作手柄，并做到控制相應的大包滑動水口的作用。

在原操作箱上增設自動/手動轉換開關，信號均進入PLC模塊。根據現場情況做好相應切換。通過編制PLC程序在手動控制時，液壓閥選擇為快速閥。自動控制時根據中包重量變化范圍，自動選擇快速閥或慢速閥。

4.1 手動控制方式：

將操作箱上的轉換開關旋至手動位置，在現場滿足生產和安全條件時，人為觀察中間包內鋼液的變化，通過手動操作手柄控制大包水口的開閉。

通過編制PLC程序，手動控制也必須滿足安全聯鎖要求，且做到安全可靠。接包位與澆注位的移動式操作手柄，不能相互控制對方的滑動水口。在任何一側移動式操作手柄出現故障或者電纜損壞時，為了保障生產的連續性，可以手動選擇操作箱的轉換開關，來進行控制損壞側的大包滑動水口。在出現緊急情況手動轉包時，自動關閉大包滑動水口，避免大包內鋼液流出，造成安全事故。在設備檢修時，如果要手動測試大包滑動水口開閉，可將待試驗的大包旋轉至澆注位或接包位，用對應的操作手柄進行手動操作。

4.2 自動控制方式

手動控制為開環控制方式，通過人眼的觀察中間包內鋼水的液面變化，來操作控制滑動水口的開閉，將大包內鋼液流入中間包內。此控制方式沒有自動檢測元件，不能及時有效的控制滑動水口的開度。由于人為操作性強，易由于人為的精神恍惚，導致出現操作失誤，造成安全或設備事故。

閉環控制系統是指：把控制系統輸出量的一部分或全部，通過一定方法和裝置反送回系統的輸入端，然后將反饋信息與原輸入信息進行比較，再將比較的結果施加于系統進行控制，避免系統偏離預定目標，閉環控制系統利用的是負反饋。在閉環控制系統中，不論是輸入信號的變化、干擾的影響，還是系統內部參數的改變，只要是被控量偏離了規定值，都會產生相應的作用去消除偏差。因此，閉環控制抑制干擾能力強。

通過開環控制與閉環控制的對比，發現閉環控制系統在控制上具有以下特點：由于輸出信號的反饋量與輸入量作比較產生偏差信號，利用偏差信號實現對輸出量的控制或者調節，系統的輸出量能夠自動地跟蹤輸入量，減小跟蹤誤差，提高控制精度，抑制擾動信號的影響。除此之外，負反饋構成的閉環控制系統還有其他的優點：引入反饋通路后，使得系統對前向通路中元器件參數的變化不靈敏，從而使系統對于前向通路中元器件的精度要求不高；反饋作用還可以使得整個系統對于某些非線性影響不靈敏。

基于閉環控制方式的優勢（圖2），通過中間包稱重系統的反饋，建立的自動控制系統，由控制器、受控對象和反饋通路組成。比較環節是用來將輸入與輸出相減，給出偏差信號，這一環節在此系統中由PLC設置相應的控制程序來實現。在此控制系統中，受控對象為中間包；輸出變量為中間包內實際檢測的鋼水重量；輸入變量為設定的鋼水重量。由于中間包裝設了稱重控制系統，設定重量與實時檢測重量相比較，兩者的差值經PLC設定相應的控制程序，來控制大包滑動水口的開度變化，調節大包鋼水的流出量，從而保障中間包內部鋼水重量的穩定。

圖2

在確定好采用閉環控制方式后，就必須設計必要的控制條件，條件滿足后可進行自動控制。自動控制條件：大包、中包在澆注位，中間包內鋼水重量滿足上下限要求，中包重量在3秒范圍內滿足穩定拉速動態變化量的要求。

連鑄機在開澆前，中包車停靠在烤包位對中包進行烤包作業。在將要開澆時，手動操作中包車，運行至中包澆注位。在中包車澆注位信號滿足后，由于此時中間包內沒有鋼水，將此時中包的重量在PLC程序中自動設置為皮重。在大包水口手動打開后，鋼水流入中間包內，每隔3秒自動檢測中間包重量的變化，將此重量設定為毛重。毛重與皮重的差值是中間包內鋼水凈重。同時為了避免由于中包車澆注位限位信號異常，在監控畫面設置手動去皮和手動設置皮重功能。

在待澆大包旋至澆注位，中包車運行至澆注位。手動打開大包滑動水口，鋼液流入中間包內，觀察中間包內鋼水液面在允許轉換自動條件時，可將轉換開關旋至自動位置。在自動控制條件滿足，且轉換開關旋至自動位置的瞬間，將此時中間包內鋼水的重量，在PLC程序中自動設置為鋼水凈重基準值。通過設定中包穩定拉速動態變化量，在基準值的變化量范圍內，保障大包滑動水口的開度穩定。在生產狀況發生變化時，連鑄機拉鋼工會根據生產節奏的需求，調整鑄機拉速的變化。在超過或低于動態變化量時，PLC控制器會根據中間包內鋼水重量的變化，自動調整大包滑動水口的開閉，以便于調整中間包內鋼水的流入量。在PLC控制邏輯中，設定啟動液壓快速閥和慢速閥重量的分界線。在中間包內鋼水重量偏差大時，自動選取液壓快速閥進行動作，并通過液壓慢速閥進行補充。當中間包內鋼水重量偏差較小時，可自動選取液壓慢速閥動作，控制大包滑動水口的動作。以此控制邏輯來合理控制大包滑動水口的開度，保障中間包內鋼水重量的穩定。

5 改造后效果

在對大包滑動水口控制方式升級時，根據現場實際增設了相應的安全邏輯。在安全程序投用后，通過現場的試驗，完全滿足設計要求。避免了由于突發異常狀況，引起鋼水噴灑導致的生產停澆事故。同時在大包滑動水口自動控制改造后，經過實際使用驗證，性能穩定可靠。與原來的手動控制相比，降低了生產勞動力、保障了人員安全性，減少了漏鋼和冒鋼現象。可以根據中包重量自由設定中包液面的高度，保障了鋼液平穩和鑄機拉速穩定。