PLC在连铸方坯二冷配水系统中的应用

景志峰　周辉林

摘 要：该文论述了昆钢第三炼钢厂6#方坯连铸机二冷配水系统的构成及系统配置，简要介绍了二冷自动配水系统的模型，及实际应用。

关键词：连铸机 配水 PLC PID调节

中图分类号：TM571 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（a）-0102-02

二冷配水系统是连铸机生产过程中关键的控制系统，一般的仪表控制系统设计复杂，可靠性差，严重地影响了铸机生产的产量和质量。为此，利用PLC可编程控制器来实现二冷配水的自动控制，可使铸机生产的产量和质量得到很大的提升。

1 系统工艺

昆钢第三炼钢厂6#方坯连铸机采用立弯式连铸形式，连铸机从浇铸到成材需要经过两次水冷却，即一次冷却和二次冷却。一次冷却由结晶器来完成，目的是使钢水结晶成形，它的冷却效果直接影响着钢坯的质量。然后，在引定杆的牵引下，钢坯进入二冷区，二冷区向带有液心的铸坯喷水，使铸坯内部钢水逐步完成凝固。二冷水配水系统根据不同钢种、拉坯速度等因素来决定配水量，二冷水配水量的变化是通过PLC可编程控制器经过配水模型计算输出控制信号改变调节阀的阀门开度来实现的。

2 配水模型

二冷区是连铸冷却中唯一可控制的区域。连铸的配水与多种工艺因素相关，选择其中影响较大的因素——铸坯的拉速和钢种作为控制配水的主要条件，确保浇铸过程中，当拉速发生变化时，所需的冷却水量也能随拉速连续变化。

理论上二冷配水控制曲线是一条二次曲线：

Q=K×Kx×（AV2+BV+C） （1）

式中：Q——某一段的配水量；

K，Kx——修正系数；

V——实际拉速；

A，B，C——配水系数；

由于实际建立模型的过程中，系数的确定十分困难，所以一般根据拉速的不同，用分段直线仿真二次曲线的方法进行配水控制和建立配水模型。昆钢第三炼钢厂6#方坯连铸机的实际配水模型如表1。

需要通过无数次的实际生产实验和大量的数据记录，将同一钢种在不同拉速下的水量输入到配水模型中，根据比水量，才可得到该钢种的控制参数（配水、修正系数），也才能得到实际的配水曲线。

3 系统组成

系统主要由四个部分组成：现场一次仪表，PLC控制器，现场执行机构和上位机。系统结构图如图1。

3.1 现场一次仪表

根据工艺和控制要求，需要对各项工艺参数进行检测采集作为系统控制的依据，检测包括：铸坯拉速、水流量、温度、压力等。这些数据采集和对水量的调节主要由一次仪表（流量计、压力变送器、热电阻等）来完成。

3.2 PLC控制系统

PLC作为系统的核心部分，负责收集各种信号，把各种参数进行运算和转换，给上位机提供数据并接收上位机的操作指令，把计算结果和控制信号输出给执行机构等，给水量的计算及PID运算、调节阀的控制均由PLC可编程控制器完成，昆钢第三炼钢厂6#方坯连铸机设有二种不同的计算控制方式供操作人员选择，操作人员可通过键盘和鼠标很方便地选择其中一种控制方式，此二种控制方式如下：

手动方式：回路输出信号通过PID运算，是操作人员操作键盘或鼠标改变阀位输出值而达到控制调节阀的目的。此工作方式适用于配水模型给水量的修正和应急及检修状态。

自动方式：通过上位机选好钢种，下传到PLC中，由PLC选择相应的配水模型；PLC接收现场的拉速信号，通过模型计算得出实际需要的配水量（设定流量SP），同时与现场实际的配水量（测量流量PV）进行比较其误差经过PID运算得出控制阀位值，控制调节阀的开度，使调水量达到设定流量SP。随着拉速的变化，反复循环该过程实现自动配水控制。该方式的优点是自动化程度高，反应迅速。

根据系统要完成的功能及控制方式的选择，列出部分程序如图2自动配水。

由图2可看出，根据不同的钢种选择和拉速变化得到不同的配水量。

PID流量调节的程序如图3。

3.3 上位机系统

上位机采用西门子公司WinCC 6.0 SP2组态软件。可对PLC参数进行读写，将系统变量参数及运行状态以文本和各种形式的图形画面（主界面、趋势图、参数表、结构图等），通过HMI显示出来供现场操作人员监视、操作和查询。操作人员根据实际情况可通过键盘和鼠标进行画面选择和数据录入，如选择控制方式、调节阀阀位给定值等，显示用户需要的数据如实际流量、压力、阀位开度等，可非常方便地对生产过程进行控制。

4 应用效果

昆钢第三炼钢厂6#方坯连铸机投产运行2年多以来，故障率低几乎免于维护，系统稳定可靠，具有以下特点：（1）系统控制精度高，反应灵敏。工况变化时，水量的调节反应时间低于4 s，避免了由于水量滞后而造成漏钢等现象。（2）控制方式灵活。操作人员可根据生产中的具体情况自由选择手/自动控制方式。（3）适应多种工艺要求。二冷配水系统对不同的钢种有相应的控制方案，配水模型更符合该铸机的实际冷却要求，为提高生产的自动化水平和生产的质量、产量提供了保证。

参考文献

[1] 6#连铸机设计任务书.2011.

[2] 廖常初.S7—300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7—400PLC[M].北京航空航天大学出版社，2007.

[4] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子WinCC V6[M].2版.北京航空航天大学出版社，2007.

[5] 李希胜，林颖，韩传基，等.矩形坯连铸机二冷自动配水系统[J].矿冶，2005（6）.

[6] 蔡开科，程士富.连续铸钢原理与工艺[M].北京：冶金工业出版社，1999.

[7] 单卫春，丁海玲，李惠.合金钢连铸自动配水系统设计[J].山东冶金，2003（4）.endprint

摘 要：该文论述了昆钢第三炼钢厂6#方坯连铸机二冷配水系统的构成及系统配置，简要介绍了二冷自动配水系统的模型，及实际应用。

关键词：连铸机 配水 PLC PID调节

中图分类号：TM571 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（a）-0102-02

二冷配水系统是连铸机生产过程中关键的控制系统，一般的仪表控制系统设计复杂，可靠性差，严重地影响了铸机生产的产量和质量。为此，利用PLC可编程控制器来实现二冷配水的自动控制，可使铸机生产的产量和质量得到很大的提升。

1 系统工艺

昆钢第三炼钢厂6#方坯连铸机采用立弯式连铸形式，连铸机从浇铸到成材需要经过两次水冷却，即一次冷却和二次冷却。一次冷却由结晶器来完成，目的是使钢水结晶成形，它的冷却效果直接影响着钢坯的质量。然后，在引定杆的牵引下，钢坯进入二冷区，二冷区向带有液心的铸坯喷水，使铸坯内部钢水逐步完成凝固。二冷水配水系统根据不同钢种、拉坯速度等因素来决定配水量，二冷水配水量的变化是通过PLC可编程控制器经过配水模型计算输出控制信号改变调节阀的阀门开度来实现的。

2 配水模型

二冷区是连铸冷却中唯一可控制的区域。连铸的配水与多种工艺因素相关，选择其中影响较大的因素——铸坯的拉速和钢种作为控制配水的主要条件，确保浇铸过程中，当拉速发生变化时，所需的冷却水量也能随拉速连续变化。

理论上二冷配水控制曲线是一条二次曲线：

Q=K×Kx×（AV2+BV+C） （1）

式中：Q——某一段的配水量；

K，Kx——修正系数；

V——实际拉速；

A，B，C——配水系数；

由于实际建立模型的过程中，系数的确定十分困难，所以一般根据拉速的不同，用分段直线仿真二次曲线的方法进行配水控制和建立配水模型。昆钢第三炼钢厂6#方坯连铸机的实际配水模型如表1。

需要通过无数次的实际生产实验和大量的数据记录，将同一钢种在不同拉速下的水量输入到配水模型中，根据比水量，才可得到该钢种的控制参数（配水、修正系数），也才能得到实际的配水曲线。

3 系统组成

系统主要由四个部分组成：现场一次仪表，PLC控制器，现场执行机构和上位机。系统结构图如图1。

3.1 现场一次仪表

根据工艺和控制要求，需要对各项工艺参数进行检测采集作为系统控制的依据，检测包括：铸坯拉速、水流量、温度、压力等。这些数据采集和对水量的调节主要由一次仪表（流量计、压力变送器、热电阻等）来完成。

3.2 PLC控制系统

PLC作为系统的核心部分，负责收集各种信号，把各种参数进行运算和转换，给上位机提供数据并接收上位机的操作指令，把计算结果和控制信号输出给执行机构等，给水量的计算及PID运算、调节阀的控制均由PLC可编程控制器完成，昆钢第三炼钢厂6#方坯连铸机设有二种不同的计算控制方式供操作人员选择，操作人员可通过键盘和鼠标很方便地选择其中一种控制方式，此二种控制方式如下：

手动方式：回路输出信号通过PID运算，是操作人员操作键盘或鼠标改变阀位输出值而达到控制调节阀的目的。此工作方式适用于配水模型给水量的修正和应急及检修状态。

自动方式：通过上位机选好钢种，下传到PLC中，由PLC选择相应的配水模型；PLC接收现场的拉速信号，通过模型计算得出实际需要的配水量（设定流量SP），同时与现场实际的配水量（测量流量PV）进行比较其误差经过PID运算得出控制阀位值，控制调节阀的开度，使调水量达到设定流量SP。随着拉速的变化，反复循环该过程实现自动配水控制。该方式的优点是自动化程度高，反应迅速。

根据系统要完成的功能及控制方式的选择，列出部分程序如图2自动配水。

由图2可看出，根据不同的钢种选择和拉速变化得到不同的配水量。

PID流量调节的程序如图3。

3.3 上位机系统

上位机采用西门子公司WinCC 6.0 SP2组态软件。可对PLC参数进行读写，将系统变量参数及运行状态以文本和各种形式的图形画面（主界面、趋势图、参数表、结构图等），通过HMI显示出来供现场操作人员监视、操作和查询。操作人员根据实际情况可通过键盘和鼠标进行画面选择和数据录入，如选择控制方式、调节阀阀位给定值等，显示用户需要的数据如实际流量、压力、阀位开度等，可非常方便地对生产过程进行控制。

4 应用效果

昆钢第三炼钢厂6#方坯连铸机投产运行2年多以来，故障率低几乎免于维护，系统稳定可靠，具有以下特点：（1）系统控制精度高，反应灵敏。工况变化时，水量的调节反应时间低于4 s，避免了由于水量滞后而造成漏钢等现象。（2）控制方式灵活。操作人员可根据生产中的具体情况自由选择手/自动控制方式。（3）适应多种工艺要求。二冷配水系统对不同的钢种有相应的控制方案，配水模型更符合该铸机的实际冷却要求，为提高生产的自动化水平和生产的质量、产量提供了保证。

参考文献

[1] 6#连铸机设计任务书.2011.

[2] 廖常初.S7—300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7—400PLC[M].北京航空航天大学出版社，2007.

[4] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子WinCC V6[M].2版.北京航空航天大学出版社，2007.

[5] 李希胜，林颖，韩传基，等.矩形坯连铸机二冷自动配水系统[J].矿冶，2005（6）.

[6] 蔡开科，程士富.连续铸钢原理与工艺[M].北京：冶金工业出版社，1999.

[7] 单卫春，丁海玲，李惠.合金钢连铸自动配水系统设计[J].山东冶金，2003（4）.endprint

摘 要：该文论述了昆钢第三炼钢厂6#方坯连铸机二冷配水系统的构成及系统配置，简要介绍了二冷自动配水系统的模型，及实际应用。

关键词：连铸机 配水 PLC PID调节

中图分类号：TM571 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（a）-0102-02

二冷配水系统是连铸机生产过程中关键的控制系统，一般的仪表控制系统设计复杂，可靠性差，严重地影响了铸机生产的产量和质量。为此，利用PLC可编程控制器来实现二冷配水的自动控制，可使铸机生产的产量和质量得到很大的提升。

1 系统工艺

昆钢第三炼钢厂6#方坯连铸机采用立弯式连铸形式，连铸机从浇铸到成材需要经过两次水冷却，即一次冷却和二次冷却。一次冷却由结晶器来完成，目的是使钢水结晶成形，它的冷却效果直接影响着钢坯的质量。然后，在引定杆的牵引下，钢坯进入二冷区，二冷区向带有液心的铸坯喷水，使铸坯内部钢水逐步完成凝固。二冷水配水系统根据不同钢种、拉坯速度等因素来决定配水量，二冷水配水量的变化是通过PLC可编程控制器经过配水模型计算输出控制信号改变调节阀的阀门开度来实现的。

2 配水模型

二冷区是连铸冷却中唯一可控制的区域。连铸的配水与多种工艺因素相关，选择其中影响较大的因素——铸坯的拉速和钢种作为控制配水的主要条件，确保浇铸过程中，当拉速发生变化时，所需的冷却水量也能随拉速连续变化。

理论上二冷配水控制曲线是一条二次曲线：

Q=K×Kx×（AV2+BV+C） （1）

式中：Q——某一段的配水量；

K，Kx——修正系数；

V——实际拉速；

A，B，C——配水系数；

由于实际建立模型的过程中，系数的确定十分困难，所以一般根据拉速的不同，用分段直线仿真二次曲线的方法进行配水控制和建立配水模型。昆钢第三炼钢厂6#方坯连铸机的实际配水模型如表1。

需要通过无数次的实际生产实验和大量的数据记录，将同一钢种在不同拉速下的水量输入到配水模型中，根据比水量，才可得到该钢种的控制参数（配水、修正系数），也才能得到实际的配水曲线。

3 系统组成

系统主要由四个部分组成：现场一次仪表，PLC控制器，现场执行机构和上位机。系统结构图如图1。

3.1 现场一次仪表

根据工艺和控制要求，需要对各项工艺参数进行检测采集作为系统控制的依据，检测包括：铸坯拉速、水流量、温度、压力等。这些数据采集和对水量的调节主要由一次仪表（流量计、压力变送器、热电阻等）来完成。

3.2 PLC控制系统

PLC作为系统的核心部分，负责收集各种信号，把各种参数进行运算和转换，给上位机提供数据并接收上位机的操作指令，把计算结果和控制信号输出给执行机构等，给水量的计算及PID运算、调节阀的控制均由PLC可编程控制器完成，昆钢第三炼钢厂6#方坯连铸机设有二种不同的计算控制方式供操作人员选择，操作人员可通过键盘和鼠标很方便地选择其中一种控制方式，此二种控制方式如下：

手动方式：回路输出信号通过PID运算，是操作人员操作键盘或鼠标改变阀位输出值而达到控制调节阀的目的。此工作方式适用于配水模型给水量的修正和应急及检修状态。

自动方式：通过上位机选好钢种，下传到PLC中，由PLC选择相应的配水模型；PLC接收现场的拉速信号，通过模型计算得出实际需要的配水量（设定流量SP），同时与现场实际的配水量（测量流量PV）进行比较其误差经过PID运算得出控制阀位值，控制调节阀的开度，使调水量达到设定流量SP。随着拉速的变化，反复循环该过程实现自动配水控制。该方式的优点是自动化程度高，反应迅速。

根据系统要完成的功能及控制方式的选择，列出部分程序如图2自动配水。

由图2可看出，根据不同的钢种选择和拉速变化得到不同的配水量。

PID流量调节的程序如图3。

3.3 上位机系统

上位机采用西门子公司WinCC 6.0 SP2组态软件。可对PLC参数进行读写，将系统变量参数及运行状态以文本和各种形式的图形画面（主界面、趋势图、参数表、结构图等），通过HMI显示出来供现场操作人员监视、操作和查询。操作人员根据实际情况可通过键盘和鼠标进行画面选择和数据录入，如选择控制方式、调节阀阀位给定值等，显示用户需要的数据如实际流量、压力、阀位开度等，可非常方便地对生产过程进行控制。

4 应用效果

昆钢第三炼钢厂6#方坯连铸机投产运行2年多以来，故障率低几乎免于维护，系统稳定可靠，具有以下特点：（1）系统控制精度高，反应灵敏。工况变化时，水量的调节反应时间低于4 s，避免了由于水量滞后而造成漏钢等现象。（2）控制方式灵活。操作人员可根据生产中的具体情况自由选择手/自动控制方式。（3）适应多种工艺要求。二冷配水系统对不同的钢种有相应的控制方案，配水模型更符合该铸机的实际冷却要求，为提高生产的自动化水平和生产的质量、产量提供了保证。

参考文献

[1] 6#连铸机设计任务书.2011.

[2] 廖常初.S7—300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7—400PLC[M].北京航空航天大学出版社，2007.

[4] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子WinCC V6[M].2版.北京航空航天大学出版社，2007.

[5] 李希胜，林颖，韩传基，等.矩形坯连铸机二冷自动配水系统[J].矿冶，2005（6）.

[6] 蔡开科，程士富.连续铸钢原理与工艺[M].北京：冶金工业出版社，1999.

[7] 单卫春，丁海玲，李惠.合金钢连铸自动配水系统设计[J].山东冶金，2003（4）.endprint