連鑄機(jī)電氣控制關(guān)鍵技術(shù)探究

張 靜

（南京交通技師學(xué)院 江蘇 南京 210000）

0 引言

連鑄機(jī)電氣控制系統(tǒng)中，結(jié)晶器液位自動控制技術(shù)以及結(jié)晶液壓振動技術(shù)，是影響連鑄機(jī)電氣控制效率的關(guān)鍵因素。基于這種情況，研究人員嘗試運用雙閉環(huán)PID技術(shù)，實現(xiàn)對于結(jié)晶器液位的自動化控制，進(jìn)而令連鑄機(jī)具備自動開澆功能。同時，針對結(jié)晶振動進(jìn)行模糊控制處理，提升自動化控制系統(tǒng)的運行精度，為連鑄機(jī)持續(xù)、平穩(wěn)工作提供保障。

1 連鑄機(jī)工作流程及運行原理

鋼鐵冶煉過程中，工人需要利用連鑄機(jī)將液態(tài)鋼轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蜻M(jìn)行加工的鋼坯，先使用轉(zhuǎn)爐對原料進(jìn)行加熱，得到液態(tài)的鋼水，再將鋼水注入精煉爐，篩除液態(tài)鋼水中的雜質(zhì)，對鋼水進(jìn)行精煉，最后根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)實際需求，對已經(jīng)完成冷凝的鋼材進(jìn)行切割，制備不同規(guī)格的鑄坯。在此過程中，需要使用結(jié)晶、切割裝置以及鋼包回轉(zhuǎn)臺等裝置[1]。

實際作業(yè)過程中，將處于高溫狀態(tài)的液態(tài)鋼水注入帶有強(qiáng)制水冷系統(tǒng)的結(jié)晶裝置中，對液態(tài)鋼水進(jìn)行冷凝，待冷凝結(jié)束之后使用引錠頭將坯殼拉出，再使用切割裝置按照需求對其進(jìn)行切割，得到不同規(guī)格的坯料。

連鑄機(jī)的工作流程為：利用鋼包回轉(zhuǎn)臺，將鋼水輸送至澆鋼目的地，澆筑至中心的包中。工作人員操控中包車，將液態(tài)鋼運送至結(jié)晶器內(nèi)進(jìn)行澆筑作業(yè)。當(dāng)鋼水進(jìn)入結(jié)晶器之后，通過冷凝以及振動，形成具有一定厚度的殼體，進(jìn)而形成鑄坯，再由切割裝置對鑄坯進(jìn)行切割。

連鑄機(jī)生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)工藝相比，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下5個方面：（1）連鑄機(jī)生產(chǎn)流程簡單高效，能夠在保障鑄坯總體質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提升鑄坯生產(chǎn)效率。（2）成材率得到了顯著提升，正常狀態(tài)下，連鑄機(jī)能夠利用95%的鋼水，具有很高的成材率，有效節(jié)省了原材料成本[2]。（3）與傳統(tǒng)鑄坯模式相比，連鑄機(jī)省略了開坯這一環(huán)節(jié)，節(jié)約了大量能源。（4）連鑄機(jī)自動化程度較高，搭載自動控制系統(tǒng)之后，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化生產(chǎn)。（5）豐富了鋼材種類，能夠更好地滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

2 電氣控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

2.1 結(jié)晶器液位自動控制

連鑄機(jī)工作過程中，由于受到外界環(huán)境因素的影響，結(jié)晶裝置的液位會出現(xiàn)波動。如果液位的波動超過一定的閾值，則會令一些雜質(zhì)混入液態(tài)鋼水之中，對于鑄坯的質(zhì)量造成一定影響。嚴(yán)重情況下，還可能引發(fā)鋼水溢出或者鋼水泄漏等安全事故，威脅施工人員安全，并影響后續(xù)生產(chǎn)工作。因此，結(jié)晶裝置液位控制技術(shù)，就成了連鑄機(jī)電氣控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，通過對液位的靈活控制，避免雜質(zhì)混入鋼水，一方面能夠提升鑄坯整體質(zhì)量，另一方面有效避免出現(xiàn)各種安全生產(chǎn)事故[3]。此外，對結(jié)晶裝置液位進(jìn)行科學(xué)控制，能夠確保鋼水在冷凝過程中，保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，確保鑄坯外殼質(zhì)地均勻。

2.1.1 液位控制系統(tǒng)

結(jié)晶裝置液位控制系統(tǒng)，主要由PLC控制系統(tǒng)、液位監(jiān)測反饋系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)等集合而成。通過監(jiān)測反饋系統(tǒng)，對結(jié)晶裝置內(nèi)的鋼水液位進(jìn)行實時檢測，并將讀取到的數(shù)據(jù)傳輸給PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)通過內(nèi)置的單片機(jī)，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算以及存儲，得出鋼水液位的實際值，并將該數(shù)值與系統(tǒng)設(shè)定好的安全閾值進(jìn)行比較。當(dāng)兩組數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)偏差，PLC系統(tǒng)就會自動記錄鋼水液位的偏差值，根據(jù)偏差值的大小，啟動PID處理裝置，給外部的塞棒提供一個浮動的控制量信號，結(jié)合塞棒的實際位置數(shù)據(jù)，對液位監(jiān)測值與安全閾值之間的數(shù)據(jù)差數(shù)據(jù)進(jìn)行PID運算，最終向塞棒的伺服閥輸送控制信號，伺服閥裝置會根據(jù)接收到的信號對結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液位進(jìn)行管控，避免其超過安全閾值。

通過對連鑄機(jī)結(jié)晶裝置液位控制系統(tǒng)運行流程的分析可以發(fā)現(xiàn)，鋼水液位控制精度與傳感器的測量信號有著密切聯(lián)系。若確保PID控制裝置能夠穩(wěn)定運行，就要盡可能提升液位監(jiān)測系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確率[4]。

在該系統(tǒng)中，控制鋼水液位誤差的公式為e=ref-yF，該公式中，ref代表連鑄機(jī)凝結(jié)器中預(yù)先設(shè)定的鋼水液位高度安全閾值，yF則代表實際工作中鋼水液位高度。將兩個數(shù)據(jù)之間的相差數(shù)值輸送至PID控制系統(tǒng)中，同時輸出塞棒的位置（S），則能夠得到塞棒給定位置，即Sref。

PID控制系統(tǒng)中，結(jié)晶器的實際液位h（t）的數(shù)值，是某一特定時間內(nèi)，結(jié)晶器中輸出的鋼水總量與加入鋼水總量的積分。在本次設(shè)計中，工作人員決定使用增量式PID液位控制系統(tǒng)，其具體的運算邏輯如下：

（1）外環(huán)液位控制。將結(jié)晶器液位設(shè)定值標(biāo)記為r1(k)，并將實際液位值標(biāo)記為c1(k)，設(shè)定值與實際值之間的偏差標(biāo)記為e1(k)，則可以得到：e1(k)=r1(k)-c1(k)。同時，結(jié)晶器液位變化率△e1(k)則可以表示為：△e1(k)=e1(k)-e1(k-1)。而液位器輸出鋼水的輸出控制增量△u1(k)則可以表示為：

（2）內(nèi)環(huán)液位控制。該控制系統(tǒng)中，△u1(k)+△u1(k-1)是內(nèi)環(huán)液位的輸入設(shè)定，在運算中將其標(biāo)記為r2(k)，同時將液壓缸的形成反饋標(biāo)記為c2(k)，則能夠得到公式：e2(k)=r2(k)-c2(k)。在該公式中，輸出控制增量△u2(k)的運算公式為：△u2(k)=d2p△e2(k)+k2ie2(k)，經(jīng)過系統(tǒng)運算，最終得出輸出公式：u2(k)=u2(k-1)+△u2(k)。

連鑄機(jī)實際運行過程中，由于拉速、鋼材料品種以及截面尺寸等參數(shù)存在差異，因此PID控制系統(tǒng)中的KP、Ti以及Td3項控制參數(shù)就變得尤為重要，不同尺寸結(jié)晶器下口的寬度參數(shù)見表1。

表1 不同尺寸結(jié)晶器下口寬度參數(shù)表

2.1.2 輔助控制系統(tǒng)

從整體上看，結(jié)晶器液位控制技術(shù)能夠直接影響鑄坯的質(zhì)量，因此需要使用塞棒對結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位進(jìn)行科學(xué)合理的控制，提升液位控制的準(zhǔn)確性。而想要達(dá)到這一目標(biāo)，就要為PID控制系統(tǒng)搭載若干個輔助控制系統(tǒng)，幫助塞棒能夠更好地工作[5-6]。

（1）摩擦前饋補(bǔ)償系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能是抵消塞棒工作過程中，由于摩擦力的作用而對鋼水液位所造成的影響。塞棒工作過程中會產(chǎn)生摩擦力，摩擦前饋補(bǔ)償系統(tǒng)能夠有效獲取此項數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送至PID控制系統(tǒng)中，增加結(jié)晶液位安全閾值判定參數(shù)。如果出現(xiàn)摩擦，利用該系統(tǒng)就可以實時對液位安全閾值進(jìn)行靈活調(diào)整。

（2）清潔系統(tǒng)。連鑄機(jī)運行過程中，會出現(xiàn)一些鋼渣以及雜質(zhì)，這些鋼渣或者雜質(zhì)會在滑動水口、塞棒等位置囤積，如果不及時清除，不僅會影響鋼原料的成才率，還會對連鑄機(jī)的安全運行造成一定影響。因此需要搭配清洗功能，在連鑄機(jī)工作結(jié)束之后及時對容易產(chǎn)生堵塞的位置進(jìn)行清洗。同時，工作人員需要采用視檢的方式觀察塞棒、滑動水口等位置是否存在鋼渣堵塞問題，確保鑄流能夠順暢流動[7-8]。

（3）鋼水溢出、鋼水泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。鋼水溢出或者鋼水泄漏，屬于重大安全事故，因此需要在連鑄機(jī)PID控制系統(tǒng)中搭載相應(yīng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。如果連鑄機(jī)在工作過程中突然出現(xiàn)液位下降或者明顯上升問題，工作人員就要判斷是否出現(xiàn)鋼水外溢或者鋼水泄漏事故，并立刻開啟防溢出程序，對連鑄機(jī)結(jié)晶器進(jìn)行檢測，確保鑄流的穩(wěn)定性。

2.2 液壓結(jié)晶器振動設(shè)計

通過對連鑄機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶裝置內(nèi)部安裝的銅套零件會與鑄坯的表面接觸，一旦銅套與鑄坯表面出現(xiàn)粘連，則會破壞鑄坯表面的完整性，嚴(yán)重的還會令鑄坯出現(xiàn)開裂問題。想要避免結(jié)晶器銅套與鑄坯表面粘連，就要加裝振動系統(tǒng)，通過振動將銅套與鑄坯表面分開。振動系統(tǒng)主要由兩組液壓缸體構(gòu)成，每一個液壓缸體上安裝有兩個伺服閥，日常工作中，使用其中一個伺服閥，另一個伺服閥作為備用。借助液壓伺服裝置，為液壓設(shè)備提供動力，使其能夠根據(jù)實際情況進(jìn)行振動，見圖1。

PID與模糊控制系統(tǒng)是控制液壓結(jié)晶器振動工作的關(guān)鍵技術(shù)，PID系統(tǒng)能夠確保振動系統(tǒng)保持良好的穩(wěn)態(tài)性能，而模糊控制系統(tǒng)能夠確保振動裝置獲得足夠的動態(tài)性能。PID與模糊控制系統(tǒng)中，偏差值以及偏差變化率是控制信號輸出的重要數(shù)據(jù)，因此需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行及時準(zhǔn)確的分析。如果偏差值較小，則啟動PID控制系統(tǒng)，反之則啟動模糊控制系統(tǒng)，通過這種方式完成對于液壓結(jié)晶器振動系統(tǒng)的科學(xué)控制[9]。

如果將PID控制裝置作為液壓結(jié)晶器振動系統(tǒng)的控制設(shè)備，則傳遞函數(shù)為：

該函數(shù)關(guān)系式中，Td代表微分時間常數(shù)，Ti則代表積分時間常數(shù)，Kp為比例系數(shù)。依據(jù)連鑄機(jī)工作的實際需求，可以將比例環(huán)節(jié)Ka視為伺服簡化步驟，則Ka=0.006 A/V，由于該環(huán)節(jié)為二階振蕩環(huán)節(jié)，則該系統(tǒng)中安裝在液壓缸上的伺服閥傳遞函數(shù)可以表示為：

在得出了伺服閥的傳遞函數(shù)參數(shù)之后，就能夠?qū)Y(jié)晶裝置PID控制參數(shù)進(jìn)行計算。（1）對于微分時間進(jìn)行重置，使其歸零，同時將積分時間調(diào)整至最大值，并視具體情況對比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)控，待3個參數(shù)調(diào)整完畢之后，啟動該系統(tǒng)。（2）在對比例度參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的時候，要按照參數(shù)由大變小的順序逐漸調(diào)整，同時觀察系統(tǒng)中出現(xiàn)的等幅振蕩，系統(tǒng)會自動記錄等幅振蕩的臨界比例度以及臨界振蕩周期。

該系統(tǒng)中所搭載的模糊控制系統(tǒng)為二維模糊控制裝置，將信號反饋的差值e與系統(tǒng)設(shè)定位置參數(shù)，視作輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)的輸出值即控制增量，輸入值即偏差變化率。

工作人員設(shè)計該控制系統(tǒng)的各個參數(shù)的論域以及模糊集。其中誤差變量EC的模糊集被設(shè)定為{NB，PO，PS，PM，PB}，控制量U的模糊集設(shè)置為{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}，誤差E的模糊論域設(shè)定為{-6，-5，-4，-3，2，-1，2，3，5，6}。依據(jù)連鑄機(jī)實際工作情況，將控制量U的基本論域設(shè)定為{-7，7}，將誤差e基本論域設(shè)定為{-0.6，0.6}。

該系統(tǒng)中控制量比例因子（Ku）的數(shù)值被設(shè)定為1，因此考慮到量化因子控制特點，在進(jìn)行振動系統(tǒng)仿真實驗時將比例因子數(shù)據(jù)調(diào)整為Ku=3.5，Kec=0.1，Ke=2，將其作為振動裝置模糊控制系統(tǒng)的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上計算該系統(tǒng)的隸屬函數(shù)。

最后，依據(jù)模糊控制理論以及連鑄機(jī)實際工作狀態(tài)，采用MAX-MIN模糊推理原則，制定相應(yīng)的液壓結(jié)晶振動系統(tǒng)控制規(guī)則[10]。

2.3 液壓振動控制系統(tǒng)

連鑄機(jī)內(nèi)部安裝的結(jié)晶器振動裝置（簡稱HOC），主要利用振動控制PLC模塊，對輸出信號進(jìn)行控制，引領(lǐng)CH2液壓站進(jìn)行油液輸出，通過這種方式對總系統(tǒng)的工作提供動力源。結(jié)晶振動裝置內(nèi)部的核心零件為振動伺服閥，該零件具有很高的靈敏性，實際工作中，為了避免微小波動對伺服閥數(shù)據(jù)的影響，造成輸出波形失真問題，設(shè)計人員需要為其加裝儲能器模塊，以緩沖系統(tǒng)的波動，提升整個系統(tǒng)的安全性。該系統(tǒng)在計算機(jī)中提供信號的振幅和頻率信息，借助波形發(fā)生器得到給定的振動位移值，通過振動位移傳感器得到實際的振動位移值，將這兩個值一起輸入控制器，通過設(shè)置參數(shù)振動來控制伺服閥。

本次設(shè)計中，相關(guān)工作人員采用PI調(diào)節(jié)裝置對該系統(tǒng)進(jìn)行管控，先采集連鑄機(jī)液壓缸體的實際位置數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)與設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行對比，確保比值處于可控范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，利用其他控制系統(tǒng)，對連鑄機(jī)結(jié)晶器振動裝置的工作進(jìn)行控制，主要包括信號濾波器、閥門工作模式線性化裝置、信號分析裝置以及自動調(diào)節(jié)裝置等。

此外，為了確保兩臺液壓裝置能夠同步工作，要利用HOC裝置針對兩個缸體在做功過程中，出現(xiàn)的液體回路不平衡問題進(jìn)行調(diào)控，通過調(diào)節(jié)缸體移動速度，確保兩臺缸體保持同步工作，見圖2。

3 結(jié)語

若要確保連鑄機(jī)能夠始終處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，一項重要的工作就是對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行不斷的優(yōu)化與升級。相關(guān)工作人員要深入分析連鑄機(jī)工作原理以及工作流程，并對液壓結(jié)晶器振動系統(tǒng)以及結(jié)晶器液位自動控制進(jìn)行重點研究，提升連鑄機(jī)電氣控制系統(tǒng)工作效率。