結(jié)晶器液面控制探析

1、天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)課題結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)探析系別機(jī)械工程專業(yè)機(jī)電一體化班級(jí)班機(jī)械學(xué)生姓名徐冀峰指導(dǎo)教師張秋菊2011年9月27日1連鑄是煉鋼生產(chǎn)的核心設(shè)備。當(dāng)代高端大型連鑄機(jī)大多采用多流園弧形連鑄機(jī)，連鑄控制采用二級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)，即PLC控制和過(guò)程控制。在整個(gè)系統(tǒng)中，結(jié)晶器液位控制是關(guān)鍵技術(shù)。液位控制有很多方式，普遍采用的是鉆-60液位控制。本文將對(duì)鉆-60液位控制系統(tǒng)進(jìn)行探析。關(guān)鍵詞：結(jié)晶器，液位控制，過(guò)程控制系統(tǒng)I摘要-I1 .概述12 .結(jié)晶器液位控制原理12.1. 基礎(chǔ)自動(dòng)化部分12.2. 檢測(cè)部分12.3. 結(jié)晶器液位控制器12.4. 伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)22.5. 液位顯示部分23

2、.系統(tǒng)的組成23.1. 基礎(chǔ)自動(dòng)化-PLC系統(tǒng)23.2. 液面位置檢測(cè)部分-33.3. 結(jié)晶器液位控制器43.4. 伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)54 .自動(dòng)澆鑄74.1. 前饋控制84.2. 比例參數(shù)重新調(diào)正85 .結(jié)束語(yǔ)96 .參考文獻(xiàn)：921 .概述連鑄是煉鋼生產(chǎn)的核心設(shè)備。大型或特大型連鑄機(jī)大多采用多流園弧形連鑄機(jī)，連鑄電控采用二級(jí)自動(dòng)控制：即PLC控制和過(guò)程控制，全系統(tǒng)主要有鋼水稱重、鋼水測(cè)溫、鋼渣檢測(cè)與控制、結(jié)晶器鋼水?dāng)嚢?、結(jié)晶器液位控制、二冷水調(diào)節(jié)、引錠桿跟蹤、自動(dòng)切割、鋼坯自動(dòng)打號(hào)、鋼坯輸送及質(zhì)量跟蹤等控制，其中，結(jié)晶器液位控制是關(guān)鍵技術(shù)。液位控制有很多方式，主要有：渦流式，浮子式，電極式，電磁

3、感應(yīng)式和鉆-60射源式，這些控制技術(shù)各有千秋，其中，M-60液位控制更為成熟。目前，許多工業(yè)國(guó)家，如德國(guó)、意大利、美國(guó)、日本和韓國(guó)等大型鋼廠都普遍采用鉆-60液位控制技術(shù)，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)煉鋼也逐漸開(kāi)始采用加-60液位控制。本文將對(duì)這一控制技術(shù)進(jìn)行詳盡的探討與分析。2 .結(jié)晶器液位控制原理在連鑄過(guò)程中，為了保證鑄坯質(zhì)量，防止溢鋼和拉漏事故的發(fā)生，必須對(duì)結(jié)晶器液位進(jìn)行控制，以使結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液位達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。影響結(jié)晶器液位變化有五個(gè)主要因素：一是鋼種，二是鋼水溫度，三是中間罐注入結(jié)晶器的鋼水流量，四是拉矯速度，五是結(jié)晶斷面的大小。其中最主要的是鋼水流量。通過(guò)調(diào)節(jié)中間罐塞棒的位置

4、，來(lái)控制滑動(dòng)水口的鋼水流量；或調(diào)節(jié)拉矯速度來(lái)控制液位高低。由于采用恒定結(jié)晶器斷面和定速拉矯的控制方式。因此結(jié)晶器液位控制，是通過(guò)調(diào)節(jié)中間罐塞棒位置來(lái)完成的。結(jié)晶器液位控制通常采用審級(jí)閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由以下部分組成：2.1 基礎(chǔ)自動(dòng)化部分是液位控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，大都采用PLC控制系統(tǒng)。目前使用較多的是SIEMENS/S7-40(System,簡(jiǎn)稱S7-400系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可較好地實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器液位閉環(huán)控制。2.2 檢測(cè)部分包括：鉆-60射源、閃爍計(jì)數(shù)器、結(jié)晶器液位計(jì)等自動(dòng)化設(shè)備。2.3 結(jié)晶器液位控制器包括：V/I轉(zhuǎn)換器、振蕩器、解調(diào)器、PID調(diào)節(jié)器、伺服放大器等。2.4 伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括

5、：電一液伺服閥、電磁換向閥、液壓缸和中間罐塞棒機(jī)構(gòu)2.5 液位顯示部分主要是HMI操作畫(huà)面（人機(jī)對(duì)話操作畫(huà)面）和智能儀表顯示。整個(gè)結(jié)晶器液面控制系統(tǒng)，如圖1所示。實(shí)際液位4$7400位置一反餌圖1.結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)圖液位控制原理是：現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的鋼水液位信號(hào)輸入到S7-400系統(tǒng)，S7系統(tǒng)將檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)液位實(shí)際值與設(shè)定值進(jìn)行比較，將其差值進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算輸出信號(hào)作為內(nèi)環(huán)PID的設(shè)定值輸入，該值再與塞棒位置信號(hào)進(jìn)行比較，其差值經(jīng)PID運(yùn)算后,再將信號(hào)輸出控制伺服閥，進(jìn)而控制液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)一液壓缸動(dòng)作，液壓缸驅(qū)動(dòng)塞棒升、降，塞棒控制鋼水流量，使結(jié)晶器液位達(dá)到最佳設(shè)定值。3 .系統(tǒng)的組成3.1 基

6、礎(chǔ)自動(dòng)化-PLC系統(tǒng)，即S7-400系統(tǒng)，主要配置：一個(gè)主模件MFCMultiFunctionController兩個(gè)數(shù)字輸入子模件DSIDigitalSlaveInput兩個(gè)數(shù)字輸出子模件DSODigitalSlaveOutput一個(gè)快速反應(yīng)混合子模件QRSQuickResponseSlave一個(gè)模擬輸出模件AOMAnalogOutputModule六個(gè)端子模件TBTerminalBoard在液位控制系統(tǒng)中，來(lái)自結(jié)晶器檢測(cè)元件的實(shí)際液位信號(hào)，經(jīng)液位計(jì)處理變?yōu)?4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)端子模件TB送到相應(yīng)的子模件DSI和QRSfr,然后再送到主模件MFg,MFC按PID算法，計(jì)算出設(shè)定

7、液位控制信號(hào)。經(jīng)輸出子模件DSO和端子TB,送到V/I逆變器。將電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再送到伺服放大器，經(jīng)過(guò)比較運(yùn)算和PID運(yùn)算后，輸出控制信號(hào)到伺服閥，伺服閥控制液壓缸動(dòng)作，液壓缸驅(qū)動(dòng)中間罐塞棒升、降運(yùn)動(dòng)，使結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面在設(shè)定值允許范圍內(nèi)輕微波動(dòng)。3.2 液面位置檢測(cè)部分：主要是鉆-60射源、閃爍計(jì)數(shù)器和結(jié)晶器液位計(jì)。3.2.1 鉆60-射源物理測(cè)量原理是基于放射性射束經(jīng)過(guò)金屬物質(zhì)時(shí)，其放射性強(qiáng)度減弱這一事實(shí)。丫射線的減弱程度，遵循指數(shù)規(guī)律衰減，其指數(shù)定律是：dI=10e式中：I0為初始強(qiáng)度，d為介質(zhì)厚度，e為介質(zhì)密度，”為衰減系數(shù)（取決于射源類型）。因此，測(cè)量計(jì)數(shù)只由厚度和密度之積8-

8、d來(lái)決定。由于結(jié)晶器熔池的高密度，最終吸收特性將在高彎曲部分（即使測(cè)量路徑相對(duì)?。?，因而密度變化的影響微不足道，并且射線被完全吸收。結(jié)晶器壁厚對(duì)測(cè)量計(jì)數(shù)沒(méi)有影響，它只產(chǎn)生一個(gè)固定衰減因數(shù)，而這可通過(guò)增加射源的活性強(qiáng)度來(lái)補(bǔ)償。選擇合適的射源活性，使在允許操作條件及經(jīng)過(guò)結(jié)晶器壁厚之后，仍有足夠劑量率。射源的長(zhǎng)度由測(cè)量范圍的大小及測(cè)量系統(tǒng)的幾何形狀決定，一般在100-120mm間。隨著結(jié)晶器液位的升高，被熔池所遮擋的射源部分也增加，因此，被閃爍計(jì)數(shù)器所吸收的放射強(qiáng)度與結(jié)晶器液位成反比。由測(cè)量系統(tǒng)幾何形狀產(chǎn)生的非線性，將由沿射源的非線活性分布補(bǔ)償，因此，在閃爍計(jì)數(shù)器（探測(cè)器）端部的射線強(qiáng)度總是與結(jié)晶器

9、實(shí)際液位成線性比例關(guān)系。射源鉆-60的半衰期為5.3年，通常設(shè)計(jì)成5年壽命，射源裝在帶有可鎖定光束窗的鉛罐里，停止?jié)茶T時(shí)關(guān)閉光束窗。放射源、閃爍計(jì)數(shù)器和結(jié)晶器液位計(jì)組成的信號(hào)檢測(cè)與處理系統(tǒng)，如圖2所示。結(jié)晶器閃爍計(jì)數(shù)器圖2.信號(hào)檢測(cè)與處理系統(tǒng)3.2.2 閃爍計(jì)數(shù)器閃爍計(jì)數(shù)器由NaJ（T1）晶體構(gòu)成，由射源發(fā)射出的丫量子誘發(fā)晶體閃光，其頻率與伴隨的輻射強(qiáng)度成正比，晶體與光電倍增器進(jìn)行光耦合后，光電倍增器的光敏層釋放出電子。光敏層的HV（高壓）加速電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，在陽(yáng)極進(jìn)一步釋放電子。當(dāng)它們碰到倍增電極時(shí)，串聯(lián)的前置放大器就會(huì)產(chǎn)生高幅值的輸出脈沖，然后再轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)脈沖，以確保無(wú)干擾傳輸信號(hào)。3.2

10、.3 結(jié)晶器液位計(jì)主要收以下部分構(gòu)成：調(diào)整單元，測(cè)速單元，模擬顯示單元，限度單元和振蕩補(bǔ)償。從檢測(cè)器來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，通過(guò)光電耦合器輸入到液位計(jì)。特殊設(shè)計(jì)的電路可保證有相當(dāng)高的共模抑制比，以防止外來(lái)干擾。計(jì)數(shù)脈沖在這里被進(jìn)一步放大，標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)數(shù)，并被測(cè)速計(jì)平均為計(jì)數(shù)速率，由此得到結(jié)晶器液位信號(hào)。，由于計(jì)數(shù)速率信號(hào)變化與液位成反比，最后的信號(hào)被顛倒，因而直接與結(jié)晶器液位成正比。一般測(cè)量精度是：±2K±3%3.3 結(jié)晶器液位控制器主要包括：V/I轉(zhuǎn)換器、振蕩器和解調(diào)器、PID調(diào)整的伺服放大器。3.3.1 V/I轉(zhuǎn)換器它可以將輸入到S7400的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成420mA勺電流信號(hào)；亦可

11、將S7400輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。3.3.2 振蕩器和解調(diào)器它由一個(gè)振蕩器和一個(gè)與振蕩器相位同步的解調(diào)器構(gòu)成。主要完成對(duì)其測(cè)量信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。振蕩器產(chǎn)生兩個(gè)正弦波電壓（相位相反），用以激勵(lì)轉(zhuǎn)換器初級(jí)線圈，其振幅和9頻率可調(diào)。解調(diào)器從轉(zhuǎn)換器接收到一個(gè)正弦信號(hào)，其振幅與位置值成正比，并將其轉(zhuǎn)換為連續(xù)電壓。3.3.3 PID調(diào)節(jié)的伺服放大器PID調(diào)節(jié)能實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分運(yùn)算，其輸出信號(hào)控制伺服閥。伺服放大器部分，對(duì)外部輸入的兩個(gè)信號(hào)的代數(shù)值（設(shè)定值和反饋值）,進(jìn)行比較并計(jì)算其偏差，最終用一個(gè)放大了的電流信號(hào)去控制伺服閥，以消除實(shí)際值和設(shè)定值之間的偏差。伺服放大器部分可實(shí)現(xiàn)下列功能：讀

12、出并放大比較節(jié)點(diǎn)的偏差內(nèi)部誤差校正和外部誤差校正的轉(zhuǎn)換現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)PID調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)PID校正和計(jì)算機(jī)PID校正的轉(zhuǎn)換（V/I）輸出電流直接驅(qū)動(dòng)伺服閥鎖定狀態(tài)時(shí)，延時(shí)消除伺服閥電流和積分電路的電流3.4 伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括電一液伺服閥、電磁換向閥、液壓缸和中間罐塞棒機(jī)構(gòu)等。伺服放大器輸出的控制信號(hào)，控制電液伺服閥的油流方向和大小，從而控制液壓缸活塞桿的升降方向和升降速度，活塞桿再經(jīng)一個(gè)杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，去控制塞棒的升降和速度。伺服放大器和伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)圖，如圖3所示。圖3.伺服放大器和伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。圖4.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中：A活塞工作面積V相對(duì)于地面的負(fù)載移動(dòng)速度X相對(duì)于

13、地面的負(fù)載位置Q0無(wú)負(fù)荷流量Q伺服閥輸出流量KSa伺服放大器比例系數(shù)Kq伺服閥流量系數(shù)Kpq伺服閥固定偏差Kfv位置傳感器系數(shù)；Ee差值信號(hào),KfxKsaKqkvx二A而負(fù)載阻力Fd,則等于2Kvx、Fd=AX)Kpq位置隨動(dòng)誤差Xf,等于1 1AvvXf=()Ee=()()=KfxKfxKsaKqKvx伺服閥電流、流量與壓力關(guān)系曲線，如圖5所示。94 .自動(dòng)澆鑄自動(dòng)開(kāi)澆是全自動(dòng)澆鑄的第一步，系統(tǒng)的整個(gè)工作都集中的對(duì)塞棒開(kāi)度的控制上。為了順利打開(kāi)塞棒，而又不發(fā)生溢鋼事故，塞棒應(yīng)按“最佳開(kāi)澆曲線”進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)澆?！白罴验_(kāi)澆曲線”，是在實(shí)際經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的。其參數(shù)在開(kāi)澆前應(yīng)預(yù)先設(shè)定

14、好，隨著塞棒的開(kāi)啟，當(dāng)結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位達(dá)到QmW,自動(dòng)開(kāi)澆結(jié)束，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)澆鑄過(guò)程。自動(dòng)澆鑄過(guò)程是全自動(dòng)連鑄過(guò)程中，最重要的過(guò)程。這時(shí)連鑄機(jī)的各個(gè)系統(tǒng)都已投入運(yùn)行，在自動(dòng)澆鑄過(guò)程中，塞棒執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制是和液面調(diào)節(jié)器一起將結(jié)晶器中鋼水液位控制在Qmm寸近。從而有效的保證了鑄坯質(zhì)量，防止溢鋼，漏鋼等事故的發(fā)生，以使連鑄順行。自動(dòng)開(kāi)澆曲線，如圖6所示。圖6.自動(dòng)開(kāi)澆曲線設(shè)定值與實(shí)際液位的差值輸入到帶有PID算法的控制程序中，從而產(chǎn)生一個(gè)代表9伺服執(zhí)行器位置的輸出信號(hào)，這一輸出信號(hào)又送到結(jié)晶器液位計(jì)中，一個(gè)模擬位置控制信號(hào)從液位計(jì)中輸出到伺服閥，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作，直至設(shè)定位置信號(hào)被模擬位置傳感器送

15、來(lái)的位置信號(hào)平衡為止。結(jié)晶器液位受塞棒位置、流速波動(dòng)和中間罐鋼水重量三個(gè)因素影響，所以該控制還應(yīng)包括：速度波動(dòng)補(bǔ)償?shù)摹扒梆仭笨刂?；與工作點(diǎn)相關(guān)的比例系數(shù)的實(shí)時(shí)重新設(shè)定（這一變化量是由中間罐鋼水重量變化引起的）。4.1 前饋控制當(dāng)速度變化時(shí)，會(huì)引起液位變化，液位變化大小取決于結(jié)晶器充填時(shí)間和液位測(cè)量的延遲時(shí)間，這一變化被送入控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采取適當(dāng)校正措施，重新建立一個(gè)等于設(shè)定值的液位時(shí)，這一液位又發(fā)生了變化。這就需要在平衡條件建立之前，采取一些必要的校正措施?！扒梆仭笔怯伤俣绕钔茖?dǎo)出的值，產(chǎn)生一個(gè)可予見(jiàn)的校正行為（根據(jù)塞棒位置設(shè)定值），這一校正值，是根據(jù)塞棒一流量函數(shù)關(guān)系計(jì)算的。4.2 比

16、例參數(shù)重新調(diào)正重量變化會(huì)引起鋼水流速的變化，如果塞棒位置不變，中間罐鋼水重量與流速成正比，從流速中又可計(jì)算出鋼水流量。這一鋼水流量值與80刈間罐液位設(shè)定值比較，產(chǎn)生一個(gè)大于“1”或小于“1”的倍增系數(shù)，作為“比例帶”的校正，該“比例帶”是根據(jù)變化值和設(shè)定值之間的差值，計(jì)算出塞棒的動(dòng)作值。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)控制系統(tǒng)從“跟蹤”切換到自動(dòng)時(shí)，將保持精確的輸出值，并根據(jù)這一輸出值開(kāi)始進(jìn)行控制，因此，這個(gè)系統(tǒng)不需要隨機(jī)的零位設(shè)定。這個(gè)系統(tǒng)可使控制在任意點(diǎn)開(kāi)始。結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖8所示。9伺服電磁閥圖8.結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5 .結(jié)束語(yǔ)天津鋼管公司煉鋼廠鉆一60結(jié)晶器液面控制系統(tǒng)是從德國(guó)引進(jìn)的。該系統(tǒng)投入運(yùn)行以來(lái)，準(zhǔn)確可靠，實(shí)時(shí)性好，實(shí)現(xiàn)了中間罐塞棒高速度，高精度控制，避免了拉漏和溢鋼事故的發(fā)生，達(dá)到了穩(wěn)定控制結(jié)晶器鋼水液位、提高鋼坯質(zhì)量、增加產(chǎn)量和確保安全的目的，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。6 .參考文獻(xiàn)1謝光明夏路易可編程控制器與程序設(shè)計(jì)M.北京：電子工業(yè)出版社，2008.8.2朱梅朱光力.液壓與氣動(dòng)技術(shù)M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2008.43王金祥肖林和結(jié)晶器液面控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)探討J.北京：2005,連鑄會(huì)議論文集4 SMS-DEMACModernizedElectricEquipment