二冷水自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、連鑄機(jī)二冷水自動(dòng)控制系統(tǒng)文均、劉衛(wèi)標(biāo)、李會(huì)祥、粟小琴昆鋼重裝集團(tuán)維檢中心摘要：煉鋼廠3#、4#連鑄機(jī)二冷水系統(tǒng)的升級(jí)改造，通過(guò)增加二冷水自動(dòng)控制功能、采用PID控制調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水量的精確控制，獲得鑄坯最佳冷卻效果，滿足了生產(chǎn)工藝需要，降低了漏鋼率，提高了鑄坯外形質(zhì)量。關(guān)鍵詞： 二冷水 、拉速、配水模型、PID調(diào)節(jié)1 引言煉鋼廠3#、4#連鑄機(jī)建于2003年，機(jī)型為三機(jī)三流全弧形二點(diǎn)矯直小方坯連鑄機(jī)。從澆注到成材需要經(jīng)過(guò)兩次水冷卻，即一次冷卻和二次冷卻。一次冷卻是由結(jié)晶器來(lái)完成，這個(gè)階段的目的是使鋼水在結(jié)晶器內(nèi)冷卻形成坯殼，然后鋼坯進(jìn)入二冷區(qū)，二次冷卻水在整個(gè)連鑄生產(chǎn)階段是非常重要

2、的，它的冷卻效果直接影響著鋼坯的質(zhì)量。由于原來(lái)二冷水流量固定不可調(diào)節(jié)，沒(méi)有跟隨拉速變化，近年來(lái)隨著股份公司品種鋼的開(kāi)發(fā)，在生產(chǎn)優(yōu)鋼過(guò)程中，由于二次冷卻控制不當(dāng)，出現(xiàn)了一些鑄坯缺陷：如內(nèi)部裂紋、鑄坯菱變（脫方）、鑄坯鼓肚、表面裂紋。原有的二冷水流量固定配水方式已不能滿足工藝需要，達(dá)不到最佳的冷卻效果，嚴(yán)重影響了鋼坯的質(zhì)量。鑒于這一原因，必須采用二冷水動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，獲得最佳冷卻效果。2 二冷水的工藝簡(jiǎn)介及控制思路連鑄機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中，鋼水從中間包到結(jié)晶器（一冷）凍結(jié)成型，在引錠桿的牽引下鋼坯進(jìn)入二冷環(huán)節(jié)的冷卻，然后到拉矯機(jī)，經(jīng)火切機(jī)切割后輸出鋼坯。整個(gè)工藝品過(guò)程鋼水從1500度的液態(tài)變成700度方鋼坯。

3、對(duì)于高效連鑄而言，二冷水的配置是否合理，是鋼坯生產(chǎn)較為關(guān)鍵的因素，直接關(guān)系到鑄坯質(zhì)量的優(yōu)劣，合理的冷卻制度是杜絕鑄坯內(nèi)部裂紋的關(guān)鍵工藝要素。良好的二冷模式應(yīng)具有以下特點(diǎn)：有助于鑄坯內(nèi)部質(zhì)量乃至表面質(zhì)量的提高；能延長(zhǎng)二次冷卻區(qū)設(shè)備的使用壽命；用水量少；滿足生產(chǎn)效率的要求。二冷水的控制方式根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝要求（包括鋼種、規(guī)格、質(zhì)量等要求），理論上確定沿澆鑄方向預(yù)測(cè)凝固厚度梯度和溫度分布變化，用拉速來(lái)控制冷卻水的流量。控制過(guò)程如下圖：煉鋼廠3#、4#連鑄機(jī)改造后二次冷卻水分三段進(jìn)行水量的比例配水控制，即足輥段、段、段。三段均為水霧冷卻且依據(jù)內(nèi)外弧和兩側(cè)邊分別配水，水量隨拉速的變化是不間斷均勻變化的。

4、每一個(gè)冷卻段使用一個(gè)流量計(jì)和一個(gè)調(diào)節(jié)閥，在調(diào)節(jié)閥后分管直至分水器，通過(guò)分水器再分成內(nèi)外弧和左右兩側(cè)噴淋管。3 二冷水控制數(shù)學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)二冷水動(dòng)態(tài)模型控制是指在任一澆注條件下，使冷卻水量跟隨拉速連續(xù)變化，且沿拉速方向按最佳狀態(tài)分布，以控制鑄坯表面溫度符合設(shè)定的目標(biāo)溫度，從而獲得良好的鑄坯質(zhì)量。3.1 配水模型基本公式運(yùn)用拉速相關(guān)控制法，也稱水表法、比水量法或比例控制法，屬于一級(jí)控制。即以拉速為控制參數(shù)，根據(jù)拉速V的大小來(lái)決定冷卻水量Qi的大小。通常采用以下公式計(jì)算冷卻水量：Qi=Ai*V2+Bi*V+Ci (1)式中：Q冷卻水量，m3； V拉速，m/min； A、B、C是由鋼種和鑄坯斷面尺寸等各

5、項(xiàng)因素所確定的系數(shù)； i冷卻段序號(hào)，i=1、2、3；3.2 控制原理在中包鋼水溫度相對(duì)穩(wěn)定的條件下，采用閉環(huán)控制方式。該控制是使二冷區(qū)各段水量隨拉速的變化而變化。是對(duì)不同鋼種、不同斷面尺寸的鑄坯，在不同的拉速下進(jìn)行模型運(yùn)算，從而得到不同拉速下二冷區(qū)各段的配水量，經(jīng)回歸得到相應(yīng)的水量與鋼坯拉速的關(guān)系，如式（1）。該控制系統(tǒng)根據(jù)這一關(guān)系，實(shí)現(xiàn)二冷區(qū)各段對(duì)鑄坯冷卻的最佳配水。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。鑄坯表面溫度+SP-PV-圖1拉速流量調(diào)節(jié)器流量調(diào)節(jié)對(duì)象溫度調(diào)節(jié)對(duì)象流量變送器數(shù)學(xué)模型4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成及功能實(shí)現(xiàn)4.1 二冷水自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬軟件配置煉鋼廠4#連鑄機(jī)整個(gè)生產(chǎn)工藝的自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬

6、件采用GE公司的9030 PLC。軟件使用SIMATIC人機(jī)界面WINCC 6.0sp2和GE VersaPro編程軟件。Wincc監(jiān)控界面與PLC之間通過(guò)GE OPC Server進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)交換，PLC站與站之間、PLC站與上位機(jī)之間通訊使用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如圖2。人機(jī)終端界面HMI有寫(xiě)入修改參數(shù)，讀出需要數(shù)據(jù)功能，并做有報(bào)警程序，當(dāng)水量低、水溫溫差大的情況下發(fā)出聲光報(bào)警，提醒當(dāng)班人員查看設(shè)備，了解生產(chǎn)狀態(tài)，排查隱患，提高設(shè)備安全長(zhǎng)周期運(yùn)行率。該鑄機(jī)共有三個(gè)流，每流有1套反沖洗裝置、1臺(tái)快切閥、1只電子壓力表；每段上有1只電子流量計(jì)和1臺(tái)氣動(dòng)比例閥。在原有連鑄機(jī)的PLC系統(tǒng)擴(kuò)

7、展機(jī)架中加入數(shù)據(jù)采集模塊，并在PLC中對(duì)其進(jìn)行組態(tài)，分配好相應(yīng)的I/O地址?，F(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)包括二冷水系統(tǒng)的水流量、水壓、調(diào)節(jié)閥位反饋、振動(dòng)裝置的振動(dòng)頻率與拉矯機(jī)拉速反饋，結(jié)晶器水流量及溫度等。為了防止信號(hào)干擾，在采集流量、壓力、溫度的信號(hào)回路中間加裝有無(wú)源信號(hào)隔離器，如圖3。圖2無(wú)源信號(hào)隔離器圖34.2 二冷水水量計(jì)算及修正根據(jù)配水模型基本公式（1），綜合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取用下列數(shù)據(jù)模型（以足輥為例）：Q1JS=1.138*V2+3.491*V-1.321 其中：Q1JS計(jì)算后的配水量（m3/min)V拉速（m/min）修正后的流量： Q1XZ = K*K1其中：Q1JS修正后的配水量（m3/m

8、in)K總流量修正系數(shù) K1足輥流量修正系數(shù)在整個(gè)冷卻水配水過(guò)程中，每個(gè)速度段的配水公式的系數(shù)是不同的，所以流量也不同。在實(shí)際應(yīng)用中，水量的控制采用分段函數(shù)：Q1 = 0 (V<0.4 m/min)Q1 = Q1XZ (V>1.5 m/min)二冷水水量修正計(jì)算是根據(jù)二冷各段噴嘴設(shè)計(jì)布置的理論流量分配比例，以實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，拉速為2.0m/min的合理比水量確定出的k、k1、k2、k3調(diào)節(jié)數(shù)值，k初步確定統(tǒng)一為1.00，調(diào)節(jié)范圍12；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(diào)節(jié)范圍03.0

9、。分鋼種在拉速為2.0m/min的理想給水量，調(diào)整時(shí)應(yīng)鄭重，一般不作調(diào)整。如果某一段的供水管或噴嘴發(fā)生嚴(yán)重堵塞造成水量的嚴(yán)重不足，可參照k1、k2、k3值作出調(diào)整。實(shí)際生產(chǎn)中k值一般不作調(diào)整，k1、k2、k3調(diào)整操作應(yīng)精細(xì)，以0.05為一個(gè)調(diào)整單位進(jìn)行調(diào)整。在實(shí)際調(diào)試時(shí)，結(jié)合生產(chǎn)要求，考慮到足輥流量在開(kāi)澆起步階段的重要性，足輥調(diào)節(jié)閥設(shè)為全開(kāi)狀態(tài)。即當(dāng)拉速大于0.4m/min時(shí)，足輥流量為最大值。水量修正計(jì)算程序如下圖5：足輥PID調(diào)節(jié)給定水量圖5 4.3 二冷水每段水量PID（比例、積分、微分）閉環(huán)控制在每流的PLC程序中，我們采用二次配水曲線數(shù)學(xué)模型的閉環(huán)PID調(diào)節(jié)方式來(lái)控制二冷水，并可通過(guò)

10、監(jiān)控畫(huà)面直接進(jìn)行完全自動(dòng)化配水功能，在WinCC畫(huà)面上對(duì)應(yīng)各段分別設(shè)有自動(dòng)、手動(dòng)兩種配水控制方式按鈕。在自動(dòng)調(diào)節(jié)方式下，鑄流水量設(shè)定值SP（計(jì)算流量）由PLC通過(guò)配水公式及修正后計(jì)算給定。通過(guò)電位器給定拉速，并通過(guò)配水公式計(jì)算出每段的噴水量SP，SP通過(guò)工程量換算成4-20mA的電流信號(hào)輸出給執(zhí)行器，執(zhí)行器控制閥門開(kāi)度，并通過(guò)閥門的閥位反饋信號(hào)輸入到PID控制程序，與此同時(shí)，電磁流量計(jì)檢測(cè)到的水流量PV（實(shí)際流量），與PID過(guò)程設(shè)置點(diǎn)SP的數(shù)據(jù)比較，輸入到PID程序塊中通過(guò)對(duì)比工程量和噴水量，計(jì)算出偏差，再輸出給執(zhí)行器來(lái)控制閥門。根據(jù)工藝要求，設(shè)定目標(biāo)參數(shù)，由PID回路的調(diào)試曲線，不斷調(diào)整Kp

11、（比例系數(shù)）、Kd(積分系數(shù)）、Ki（微分系數(shù))控制參數(shù)，使被控參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值的正常波動(dòng)范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)控制閥門的開(kāi)度，達(dá)到對(duì)流量精確控制，實(shí)現(xiàn)理論噴水量與實(shí)際流量一致。整個(gè)配水過(guò)程是調(diào)節(jié)閥利用PID控制回路進(jìn)行閉環(huán)控制。把最終數(shù)據(jù)放到R03050，最后通過(guò)模擬量模塊AQ0040輸出給執(zhí)行器。其PID功能塊程序如圖6：圖6利用上位機(jī)對(duì)過(guò)程監(jiān)控畫(huà)面進(jìn)行優(yōu)化。在回路調(diào)節(jié)畫(huà)面中，PID回路的PV值、SP值、CV（PID輸出）值同時(shí)用棒圖形式和數(shù)字形式顯示，操作人員可以直觀看到回路的調(diào)節(jié)情況，也可以精確的對(duì)回路調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。在回路調(diào)節(jié)畫(huà)面中設(shè)有手/自動(dòng)切換按鈕。手動(dòng)控制是指二冷水流量設(shè)定值由操作人員在WINCC監(jiān)控畫(huà)面上進(jìn)行手動(dòng)輸入閥門開(kāi)度，范圍為：0-32000（0100%），在PLC程序中，跳過(guò)PID調(diào)節(jié)，直接對(duì)AQ0040賦值，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的控制。使水量調(diào)節(jié)最大程度接近理想曲線。WINCC PID監(jiān)控趨勢(shì)圖7。PVSP圖75 改造產(chǎn)生效果本改造項(xiàng)目的成功實(shí)施，不僅可通過(guò)HMI進(jìn)行在線監(jiān)控及操作，且操作靈活方便，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且實(shí)現(xiàn)了手-自動(dòng)迅速無(wú)干擾切換，節(jié)省了調(diào)水的時(shí)間，為煉鋼廠3#、4#連鑄機(jī)的穩(wěn)定生產(chǎn)起到了強(qiáng)有力的保障作用。改造后的控制系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，解決了長(zhǎng)期冷卻效果差的難題，消除了因二冷水冷卻效果差造成生產(chǎn)廢鋼的現(xiàn)象，杜絕了中間裂紋、鼓肚等現(xiàn)象，大大降低