二冷水自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、連鑄機(jī)二冷水自動(dòng)限制系統(tǒng)文均、劉衛(wèi)標(biāo)、李會(huì)祥、粟小琴昆鋼重裝集團(tuán)維檢中央摘要：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)限制功能、采用PID限制調(diào)節(jié)閥,實(shí)現(xiàn)了對(duì)水量的精確限制,獲得鑄坯最正確冷卻效果,滿足了生產(chǎn)工藝需要,降低了漏鋼率,提升了鑄坯外形質(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)階段是非常重要的,它的冷卻

2、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,由于二次冷卻限制不當(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、外表裂紋.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)不到最正確的冷卻效果,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),獲得最正確冷卻效果.2 二冷水的工藝簡(jiǎn)介及限制思路連鑄機(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.對(duì)于高效連鑄而言

3、,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)量乃至外表質(zhì)量的提升；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.二冷水的限制方式根據(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)限制冷卻水的流量.限制過(guò)程如以下圖：給定拉速數(shù)學(xué)植理理論流量P1D調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥實(shí)際流量煉鋼廠3#、4#連鑄機(jī)改造后二次冷卻水分三段進(jìn)行水量的比例配水限制,即足輾段、I段、II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

4、,水量隨拉速的變化是不間斷均勻變化的.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.3二冷水限制數(shù)學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)二冷水動(dòng)態(tài)模型限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,且沿拉速方向按最正確狀態(tài)分布,以限制鑄坯外表溫度符合設(shè)定的目標(biāo)溫度,從而獲得良好的鑄坯質(zhì)量.配水模型根本公式運(yùn)用拉速相關(guān)限制法,也稱水表法、比水量法或比例限制法,屬于一級(jí)限制.即以拉速為限制參數(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：Q=A*V2+Bi*V+G(1)式中：Q冷卻水量,m3;V拉速,m/min；AB、C是由鋼種和

5、鑄坯斷面尺寸等各項(xiàng)因素所確定的系數(shù)；i冷卻段序號(hào),i=1、2、3;限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)限制方式.該限制是使二冷區(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.該限制系統(tǒng)根據(jù)這一關(guān)系,實(shí)現(xiàn)二冷區(qū)各段對(duì)鑄坯冷卻的最正確配水.系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示.圖14自動(dòng)化限制系統(tǒng)組成及功能實(shí)現(xiàn)二冷水自動(dòng)限制系統(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)限制系統(tǒng)的硬件采用GE公司的9030PLG軟件使用SIMATIC人機(jī)界面WINCC和GEVersaP

6、ro編程軟件.Wincc監(jiān)控界面與PLC之間通過(guò)GEOPCServe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)備平安長(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)展機(jī)架中參加數(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.現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)包括二冷水系統(tǒng)的水流量、水

7、壓、調(diào)節(jié)閥位反應(yīng)、振動(dòng)裝置的振動(dòng)頻率與拉矯機(jī)拉速反應(yīng),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.主夠下展機(jī)架制SEE此lieS2P鈿整332栽魏網(wǎng)交虹也.TTOV-Ht*1a9重L*AJr而司R段E蒯2-lt.rt.iC可利磨習(xí)*亶/rtdn網(wǎng)犯的電燈LliH圖3二冷水水量計(jì)算及修正根據(jù)配水模型根本公式1,綜合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),取用以下數(shù)據(jù)模型以足輾為例：Q1js=*V2+*其中：Q1js計(jì)算后白配水量m3/minV拉速m/min修正后的流量：Q1XZ=K*K1其中：Q1js修正后白配水量m3/minK總流量修正系數(shù)K1足輾流量修正系

8、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,水量的限制采用分段函數(shù)：Q1=0V1.5m/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,調(diào)節(jié)范圍12；其中低合金鋼足輾k1=,一段k2二,二段k3二,普碳鋼足輾k1=,一段k2=,二段k3=,調(diào)節(jié)范圍0.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)重缺乏,可參照k1、k2、k3值作出調(diào)整.實(shí)際生產(chǎn)中k

9、值一般不作調(diào)整,k1、k2、k3調(diào)整操作應(yīng)精細(xì),以為一個(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min時(shí),足輥流量為最大值.水量修正計(jì)算程序如以下圖5：圖5二冷水每段水量PID比例、積分、微分閉環(huán)限制在每流的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)限制二冷水,并可通過(guò)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)兩種配水限制方式按鈕.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!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

10、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)行器限制閥門(mén)開(kāi)度,并通過(guò)閥門(mén)的閥位反應(yīng)信號(hào)輸入到PID限制程序,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)比擬,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)限制閥門(mén).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比例系數(shù)、Kd分系數(shù)、Ki微分系數(shù)限制參數(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)限制閥門(mén)的開(kāi)度,到達(dá)對(duì)流量精確限制,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限制回路進(jìn)行閉環(huán)限制.把最終數(shù)據(jù)放到R03050

11、,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: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、CVV(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)限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(mén)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(mén)的限制.使水量調(diào)節(jié)最大程度接近理想曲線.WINCCPID監(jiān)控趨勢(shì)圖7.32000.0V2710.0-

12、2T432.0|拈14白nr忸盟口,口70574,口一13.07:29.40613:0T4440601920001&002.n13716.03114yU.0：91440H&858.O:45720hn-；-0813:07:14406U.OJ5改造產(chǎn)生效果本改造工程的成功實(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,提升了勞動(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)有力的保證作用.改造后的限制系統(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,大大降低了鑄坯脫