结晶器液面自动控制系统的应用与实践

2013-09-22，，

电气传动 2013年1期

，，

（1.河北钢铁集团唐山钢铁公司第二钢轧厂，河北唐山 063016；2.河北联合大学电气工程学院，河北唐山 063000）

1 引言

唐钢第二钢轧厂3#连铸机（即原二炼钢厂3#连铸机）始建于1989年，设计年产量为40万t，此次改造前为5机5流连铸机，实际年产量为70万t，主要产品为130 mm×130 mm断面普碳钢和低合金钢。根据生产平衡和市场需求，进行了技术改造，将其改造为6机6流、断面150 mm×150 mm的连铸机，同时根据品种钢生产的实际需要引进了Danieli公司的关键部位的设备、技术，新增了液面自动控制系统、塞棒控制系统、电磁搅拌等自动浇铸功能，形成年产120万t多品种钢坯生产水平。连铸液面控制系统采用了Co60为放射源。通过近3年的摸索和技术改进，该系统在150 mm×150 mm等小断面铸机的自动开浇、自动连续浇铸方面已经取得很大成功，自动开浇率达98%以上，液位控制保持十分稳定。其主要优点是优良的表面/皮下质量、较轻的振痕深度和低一倍的漏钢率，因此提高了生产率，促进了品种钢的生产。

2 系统组成

该结晶器液面控制系统主要由3部分组成：1）检测系统；2）控制与处理系统；3）塞棒及其运动控制变频传动系统。

2.1 检测系统

检测系统用于测量结晶器内的钢水液位高度，它由Co60放射源、闪烁计数器和液位计组成。

Co60放射源和闪烁计数器安装在结晶器内，安装位置前后对称。Co60放射源发射出的γ射线穿过结晶器及其中的钢水时，一部分被结晶器和钢水吸收，一部分到达闪烁计数器的探测表面。由于被钢水吸收的γ射线随钢水液面高度的不同而不同，使得到达闪烁计数器表面的γ射线强度随着钢水液面高度的变化而变化。其变化规律为：随钢水液面高度的增加，到达闪烁计数器表面的γ射线强度越弱，它们之间存在着接近反比的关系，如图1所示。可见根据检测出的γ射线强度就可转换成钢水液面高度的变化。

图1 接收到的γ射线强度与结晶器内钢液高度关系图Fig.1 Relation curve of γ rays and liquid level in mould

闪烁计数器将检测出的γ射线强度转换成电信号传送给液位计，液位计再将其转换成可反应钢水液位高度变化的4～20 mA传送给PLC系统。

2.2 控制与处理系统

控制与处理系统包括HMI（人机界面系统）、PLC、变频器和相应的网络通讯等。其控制系统构成示意图见图2。

图2 控制系统构成示意图Fig.2 Schematic diagram of control system

HMI（人机界面系统）采用研华工控机，组态软件采用Intach8.0，所有控制画面及参数都可以在HMI上显示，还可实现各工艺参数的设定、调整、控制。

PLC采用西门子S7-400系列，CPU采用了高性能的CPU416-3DP。每流1个PLC站，6个流共6个PLC站，这6个铸流设备PLC站的硬件组态和程序完全一样，只是以太网址不同。图2中仅示意出1个流的PLC站。铸流设备PLC除实现本文论述的结晶器钢水液位控制外，还对本流的全部其他设备实现自动控制。

S7-400系列PLC具有强大的控制能力、运算速度和网络功能，目前在国内外要求非常高的自动控制系统中应用十分广泛。

PLC与HMI采用工业以太网进行通讯，PLC和运动控制MC变频器采用Profibus-DP网方便灵活地集成在一起。该系统兼具了Profibus-DP高速数据传送和工业以太网向管理层拓扑便利的优点。

2.3 塞棒及其运动控制变频传动系统

塞棒机构示意图如图3所示。塞棒机构由低速变频调速电机、位移传感器、传动机构等组成。工作时主PLC通过Profibus-DP网络发控制指令给运动控制MC变频器，再由运动控制MC变频器驱动变频调速电机带动执行机构、塞棒作升降运动。下部的位移传感器将当前塞棒的位置反馈给控制系统，控制系统再根据结晶器液面情况判定塞棒位置需提升或下降；完成一次动作后，位移传感器再将位置反馈给控制系统，再根据液面情况判定塞棒的升降，如此周而复始，维持结晶器内钢水液面保持在设定值。

图3 塞棒机构示意图Fig.3 Schematic of stopper rod mechanism

3 控制原理与实现

结晶器液面自动控制系统对连铸生产至关重要。传统的控制算法有3种［2］：流量型、速度型和混合型。根据我厂生产的钢种以及采取的控制方式，采用了流量型算法，通过控制进入结晶器的钢水流量，以保持液位稳定。即改变塞棒的位置来控制钢水流量，达到液位稳定的目的。

3.1 PLC控制原理及其算法

该系统采用双闭环（两级）PID控制系统，图4为其控制原理方框图，其控制目标就是要将结晶器内钢水液位保持在要求的水平。PLC将现场反馈回来的实际液位与设定值进行比较。其差值经过液位PID运算产生塞棒位置给定信号。该信号与检测到的塞棒的实际位置之差经过塞棒PID运算产生位置输出信号控制塞棒电机，使塞棒不断地调整位置直到结晶器钢水液位到达要求的水平。

图4 液位控制原理方框图Fig.4 Block diagram of liquid level control

结晶器液面PID控制常采用一阶惯性加纯延迟环节，其模拟量PID控制微分方程的一般形式为

相应的传递函数为

式中：u(t)为塞棒控制的输入量；e(t)为液位偏差值；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。

Kp，Ti，Td构成系统的控制参数。

由于PLC系统是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。为了能使PLC程序实现式（1），必须将其离散化为如下的差分方程：

式中：e(k)为第k个采样时刻的偏差值；△e(k)为本次偏差值与上次偏差值之差，△e(k)=e(k)-e(k-1)；Ki为积分系数，Ki=T/Ti；Kd为微分系数，Kd=Td/T。

从式（3）可以看出u(k)是全量输出，每次输出均与过去的状态有关，这就大大增加了PLC的程序运算量和数据存储量，延长了扫描时间。因此在程序中采用了如下所示的增量式算法。

增量式算法虽然只是算法上一点改变，却带来了以下优点：1）PLC只输出增量，误动作时影响小，必要时可加逻辑保护；2）手动—自动切换时冲击小；3）算式中不需要累加，增量只与最近几次采集有关，容易获得较好的控制效果，而且大大减少了PLC的程序运算量和数据存储量。

在 PID 控制中，Kp，Ki，Kd参数的设定是关键，它与浇铸的钢种、结晶器断面尺寸、拉速等有关。一般可根据仿真系统结果结合现场实际进行调整。更换浇铸的钢种或改变拉速后，可在H M I上方便地改变 Kp，Ki，Kd的控制参数。

为使液位调节准确快速，控制程序根据采集到的液位设定值与实际值的差值e（k）的大小，自动上下浮动调节参数。当 e（k）值大于某值时，Kp，Kd上浮一定比例，使塞棒快速提升或下降；反之，当e（k）值小于某值时，Kd下浮一定比例，以力求塞棒位置准确，从而快速而准确地到达给定液位值。

3.2 运动控制变频传动系统的实现

塞棒机构由运动控制MC变频器6SE7021驱动变频调速电机实现升降运动。MASTERDIVE家族的6SE70系列变频器包含VC和 MC 2种变频器。MC专门应用于运动控制系统，广泛应用于精加工行业如：车床、印刷、纺织、机械加工等。使用MC控制器可实现如下功能：速度控制、位置控制、装置之间的角同步控制等功能。

该MC变频器通过附加的CBP通讯板（Profibus通讯板），实现与S7-400主PLC自动化系统的Profibus-DP通讯。按照Profibus标准，CBP通讯板通过9孔SUB D型插座连接到Profibus系统，该接口的所有连接是防短路，并且是电位隔离的。对传动装置的数据存取总是按照主从方式进行，传动装置总是从站且每个从站本身都有明确的地址。PLC周期性的与传动装置进行数据交换。

在传动装置Profibus前置文件（版本2）的结构中，周期型通道的有用数据被定义为参数过程数据对象，即PPO。按照有用数据有无参数区、过程数据的字节数，共有5种PPO类型［4］。本系统中使用的是PPO5通讯协议。

在PLC中硬件组态变频器，编制通讯DB块，就可以将前述PLC程序运算结果，按照PP05通讯协议，通过Profibus-DP网络，传送给运动控制MC变频器，修改其控制字，驱动电机带动塞棒机构升降。

4 存在问题与解决

系统投入运行后，曾出现液面波动的现象。经分析研究，其主要原因与解决方案为：1）更换结晶器、更换传感器或电缆后，检测信号出现偏差，造成液位波动。此时应重新调校标定系统，重点标定置空和置满信号（即液位为空或满时的信号）；2）做好抗干扰措施，避免干扰信号进入测量回路，连线连接可靠无接触电阻；3）部分钢种所需要的调节参数不同，需要与工艺结合好，根据现场实际（最好能仿真）调整参数。