简述TCS系统

2011-08-15李英存张立坤

科学之友 2011年8期

李英存，张立坤

（1. 邯郸钢铁集团连铸连轧厂，河北邯郸 056000；2. 邯郸钢铁集团技工学校，河北邯郸 056000）

连铸机主要工艺过程如下：钢水由大包，经过滑动水口和长水口进入中包，再通过中包进入结晶器，由引锭杆牵引，经过四个扇形段（此过程都有冷却水使钢水逐渐冷却，结晶成坯状）、两组夹送辊，到顶弯棍，由顶弯棍进行顶断，使板坯弯曲，与引锭杆分离，由竖直方向变为水平方向，引锭杆继续下降，由引锭杆夹送辊进行控制，而板坯则进入拉矫单元，再经过四组拉矫辊进行矫直，由摆式剪切割成段，由竖直方向变为水平方向，进入加热炉。

1 硬件组成

本系统采用MULTIBUS II控制系统，包括单片机（CPPSE/p23，CPPSE/p23v）；用于处理M－Modules的CPU板；模拟信号输入输出接口板；计数器接口板、光缆接口、数字信号输入输出接口板；放大器板以及现场检测元件等。

2 软件组成

LogiCAD 32编程软件（包括IEC 1131图形编辑器）、PROBAS GUI图形用户接口、IRMX2.2多任务操作系统、PRODB数据管理系统、ProMask人机界面设计软件、SCT 2.0状态变化表编辑器等。

3 各模块的功能

本系统共分为6部分：MLC（结晶器液位控制）、HMO（结晶器振动控制）、HAS（扇形段液压调节）、BUA（顶弯单元）、WSA（拉矫单元）、TMC（工艺主控器）。

3.1 MLC——Mould Level Control

结晶器液位控制，其主要作用是使结晶器内钢水液位在浇铸过程中总是保持与设定值相对应的状态，任何与设定值之间的偏差都可以通过调节中包内塞棒的位置，使从中包到结晶器的钢水流量发生变化来补偿。

实际钢水液位的测量是通过放射源测量法实现的，射源（CO60）和闪烁计数器（探头）被安装在结晶器两侧。由于在射源和检测器之间钢水的多少对射线的吸收不同导致射线强度的改变，根据检测器接收到的射源强度可计算出实际结晶器的液位。

液位控制系统是一个双闭环控制系统，包括一个 PID－控制回路控制结晶器液位和一个 P－控制回路控制塞棒的位置。塞棒的位置是通过液压系统来进行调节的，系统通过控制伺服阀的开度来控制液压缸的移动，从而控制塞棒的位置，同时一个同步位置传感器测量轴杆的实际位置，并把测量值反馈给系统，实现闭环控制。操作人员可以通过人机界面来进行操作、控制及显示液位控制系统的各项参数及实际值，并可以显示成趋势图。

3.2 HMO——Hydraulic Mould Oscilliation

结晶器振动控制，其主要作用是通过振动台架上的两个液压缸进行周期性的同步上下振动，来带动结晶器上下运动，以避免钢水粘附到结晶器壁上。

主要组成部分包括：工艺提升部件；液压站（包括油缸、泵、冷却系统、加热器、阀、限制开关、测量传感器、蓄势站）；带有伺服阀、压力传感器、位置编码器的液压缸；作为产生、显示、变化设定值的控制单元的伺服控制、调节系统。

液压缸的移动是通过每个液压缸上的伺服阀来进行调节的，伺服阀则是由控制系统中的软件来进行调节的。

对于输入给伺服阀的设定值，MBII系统是通过振动曲线来进行计算的，振动曲线包括基本特性曲线和功能特性曲线。其中基本特性曲线是由设定速度与角度之间的关系决定的，一般来说正弦曲线被作为基本的特性曲线；而功能特性曲线又分为两种，即以振动频率和拉速为因素的曲线以及以振动的行程和拉速为因素的曲线，每条振动曲线都是基本特性曲线和功能特性曲线的结合体，其目标是使负滑脱率保持在25左右。对于各种曲线可以任意的在线或离线编辑（系统共存储有10条振动曲线），在浇铸过程中对于全部速度曲线，其频率和振幅都是根据特殊功能特性要求的浇铸速度而变化且自动调节的。

3.3 HSA——Hydraulic Segment Adjustment

扇形段液压调节，主要功能是通过对扇形段间隙的调节来改变热铸坯的厚度及实现液芯压下（LCR）的功能，其动力来自于主液压系统。

主要部分包括：带有位置传感器的扇形段、主液压系统、控制各个扇形段液压系统的阀站（包括比例阀、倒向阀、压力开关、压力传感器等）；以及完成计算设定值、发出控制指令的MULTIBUS II控制系统。

调节扇形段的间隙是通过调节安装在扇形段上的液压缸的动作来完成的。通过液压缸带动扇形段的活动侧运动，打开或关闭扇形段。此控制系统主要包括两个闭环控制回路（位置控制回路和压力控制回路）和一个开环控制回路（伺服控制回路）。

3.3.1 位置控制

位置控制是通过比例阀对液压缸内两个腔的油量的控制来实现的。位置设定值是通过“斜坡发生器”给定的，为了防止扇形段出现斜形，在位置控制回路的基础上，叠加了一个比例同步控制信号，将这两个信号的叠加结果作为比例阀的设定值。

3.3.2 压力控制

压力控制是一个比例控制器，压力设定值通过“斜坡发生器”被前馈给控制系统，当关闭扇形段时，只有当扇形段所受压力没有超过最大压力限制时，扇形段才能进行关闭操作，如果超限，则扇形段需进一步打开，直到压力降至允许的范围内后，扇形段才可回到设定位置。在压力控制过程中，位置斜形将不能被控制器补偿，只能起到监测的功能。

3.3.3 伺服控制

给伺服阀一个设定开度值，则扇形段完成设定的移动，此控制只能用于伺服模式，不能用于浇铸模式。当位置传感器出现故障时，也可使用此控制。

3.4 BUA——Bending Unit Adjustment

顶弯单元调节系统，其主要作用是使板坯弯曲，与引锭杆分离，由竖直方向变为水平方向移动。引锭杆继续下降，由引锭杆夹送辊进行控制，而板坯则进入拉矫单元。

主要设备包括两组夹送辊、顶弯辊和引锭杆夹送辊。两组夹送辊和引锭杆夹送辊分别有一端辊固定，另一端的辊可由液压缸进行打开关闭的调节，无论是固定端的辊，还是可调节端的辊都是由电机进行驱动的。顶弯辊是由液压控制的，且液压缸与夹送辊固定端同侧。其控制过程如下：

3.4.1 引锭杆插入

按顺序开始时调节引锭杆夹送辊的压力使其达到允许引锭杆移动的压力，一旦引锭杆夹送辊携带引锭杆移动到的顶弯辊和两组夹送辊处，顶弯辊和两组夹送辊也调节到允许引锭杆移动的压力，当引锭杆尾部只有很短的部分位于引锭杆夹送辊中时，引锭杆夹送辊则打开，由两组夹送辊携带引锭杆移动到结晶器中。

3.4.2 在浇铸初期引锭杆和板坯分离

当浇铸开始时，引锭杆夹送辊夹紧引锭杆，使引锭杆牵引板坯向下运动，当引锭杆头部到达顶弯辊时，顶弯辊向前伸出到顶断位置，把板坯向前顶弯，使板坯与引锭杆脱离，引锭杆继续由引锭杆夹送辊牵引向下移动，而板坯则弯曲进入拉矫单元。

3.4.3 浇铸过程中顶弯辊完成的动作

当板坯与引锭杆脱离后，顶弯辊收回到半径位，引锭杆向下移动到底部，引锭杆夹送辊打开。

3.4.4 浇铸结束时的尾出模式

当浇铸结束时，板坯尾部离开夹送辊1、夹送辊2、顶弯辊，这些辊则依次打开，回到初始位置。

对于夹送辊，在浇铸过程中，为了防止板坯出现斜形，在压力控制的基础上叠加了一个比例同步控制信号，来监测辊两端的位置是否平行，如果偏差过大，则系统发出一个锁定命令，使辊保持不动，直到浇铸结束。

3.5 WSA——Withdrawal Straightening Adjustment

3.5.1 主要作用

拉矫单元调节系统，其主要作用是使经过顶弯单元而弯曲的板坯，经过四组拉矫辊进行矫直，而使板坯彻底由竖直方向转为水平方向。

3.5.2 主要组成部分

主要组成部分为四组拉矫辊，这四组拉矫辊下方为固定侧，辊为电机控制的驱动辊；上方为活动侧，辊为液压控制的从动辊，可上下移动。当板坯经过时，可通过调节辊的位置，而对板坯表面产生不同的压力。

3.5.3 控制过程

其控制过程为：①当为引锭杆插入模式时，四组辊均打开，并向传动PLC发送“准备引锭杆插入”信号；②当为“准备浇铸”模式时，四组辊均打开，并向传动PLC发送“准备浇铸”信号；③当为“浇铸”模式时，四组辊依靠传动PLC发出的传动信号依次关闭，在关闭控制器后，执行一个闭环压力控制。④当为“尾出”模式时，四组辊依靠传动PLC发出的传动信号依次打开。

3.6 TMC——Technological Master Controller

工艺主控器，此系统的主要功能为实现TCS系统内部各模块之间以及TCS系统与外部系统（基础PLC、二级计算机、人机界面）之间的通讯功能。

主要组成部分包括网卡、网线、交换机等网络设备。

按通讯对象的不同，TMC可分为四个模块：①TCS系统内部各模块之间的通讯。②TCS与 WINCC之间的通讯，通过CORSERVR实现，主要完成TCS向WINCC传递显示数据、报警信息，WINCC向TCS传递操作人员通过HMI进行的各项操作以及输入的设定值。③TCS与二级计算机之间的通讯，由OSIGTY来完成。TCS向二级计算机传递实际状态值，二级计算机向TCS传递设定值。④TCS系统与基础PLC之间的通讯，由S5SERVR完成。TCS向基础PLC传递实际状态值，基础PLC向TCS传递跟踪系统模式状态设定值和仪表系统设定值。另外需要说明的是CORSERVR、OSIGTY、S5SERVR为协议转换器。

对于 TCS系统与外部系统的通讯均通过网络实现，基于ISO－OSI网络模型的第四层，属于程序到程序的通讯。