二冷水自動控制系統(tǒng)(DOC)

1、連鑄機二冷水自動控制系統(tǒng)文均、劉衛(wèi)標、李會祥、粟小琴昆鋼重裝集團維檢中心摘要：煉鋼廠3#、4#連鑄機二冷水系統(tǒng)的升級改造，通過增加二冷水自動控制功能、采用PID控制調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)了對水量的精確控制，獲得鑄坯最佳冷卻效果，滿足了生產(chǎn)工 藝需要，降低了漏鋼率，提高了鑄坯外形質(zhì)量。關鍵詞： 二冷水 、拉速、配水模型、PID調(diào)節(jié)1 引言煉鋼廠 3#、4#連鑄機建于 2003 年，機型為三機三流全弧形二點矯直小方坯 連鑄機。從澆注到成材需要經(jīng)過兩次水冷卻，即一次冷卻和二次冷卻。一次冷卻 是由結(jié)晶器來完成， 這個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 坯進入二冷區(qū)， 二次冷卻水在整個連鑄生產(chǎn)階段

2、是非常重要的， 它的冷卻效果直 接影響著鋼坯的質(zhì)量。由于原來二冷水流量固定不可調(diào)節(jié)，沒有跟隨拉速變化， 近年來隨著股份公司品種鋼的開發(fā)， 在生產(chǎn)優(yōu)鋼過程中， 由于二次冷卻控制不當， 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、表面裂紋。 原有的二冷水流量固定配水方式已不能滿足工藝需要，達不到最佳的冷卻效果， 嚴重影響了鋼坯的質(zhì)量。鑒于這一原因，必須采用二冷水動態(tài)調(diào)節(jié)，獲得最佳冷 卻效果。2 二冷水的工藝簡介及控制思路連鑄機在生產(chǎn)過程中， 鋼水從中間包到結(jié)晶器 （一冷）凍結(jié)成型，在引錠桿 的牽引下鋼坯進入二冷環(huán)節(jié)的冷卻，然后到拉矯機，經(jīng)火切機切割后輸出鋼坯。 整個工藝品過程鋼水

3、從 1500 度的液態(tài)變成 700 度方鋼坯。對于高效連鑄而言， 二冷水的配置是否合理， 是鋼坯生產(chǎn)較為關鍵的因素， 直接關系到鑄坯質(zhì)量的優(yōu) 劣，合理的冷卻制度是杜絕鑄坯內(nèi)部裂紋的關鍵工藝要素。 良好的二冷模式應具 有以下特點： 有助于鑄坯內(nèi)部質(zhì)量乃至表面質(zhì)量的提高； 能延長二次冷卻區(qū)設備 的使用壽命；用水量少； 滿足生產(chǎn)效率的要求。二冷水的控制方式根據(jù)現(xiàn)場實際 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測凝固厚 度梯度和溫度分布變化，用拉速來控制冷卻水的流量。控制過程如下圖：煉鋼廠 3#、4#連鑄機改造后二次冷卻水分三段進行水量的比例配水控制，即足輥段、I段、U段。三段

4、均為水霧冷卻且依據(jù)內(nèi)外弧和兩側(cè)邊分別配水，水量 隨拉速的變化是不間斷均勻變化的。每一個冷卻段使用一個流量計和一個調(diào)節(jié) 閥，在調(diào)節(jié)閥后分管直至分水器，通過分水器再分成內(nèi)外弧和左右兩側(cè)噴淋管。3 二冷水控制數(shù)學模型的實現(xiàn)二冷水動態(tài)模型控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，且沿拉速方向按最佳狀態(tài)分布，以控制鑄坯表面溫度符合設定的目標溫度， 從而獲得良好的鑄坯質(zhì)量。3.1 配水模型基本公式運用拉速相關控制法，也稱水表法、比水量法或比例控制法，屬于一級控制。 即以拉速為控制參數(shù)，根據(jù)拉速 V 的大小來決定冷卻水量 Q 的大小。通常采用 以下公式計算冷卻水量：Q=A*V2+B*V+G(1

5、)式中：Q- 冷卻水量，m3；V-拉速，m/mi n；A、B C 是由鋼種和鑄坯斷面尺寸等各項因素所確定的系數(shù)；內(nèi)弧右側(cè)噴淋管左側(cè)嘖淋管外弧噴淋管i冷卻段序號，i=1、2、3;3.2 控制原理在中包鋼水溫度相對穩(wěn)定的條件下， 采用閉環(huán)控制方式。該控制是使二冷區(qū) 各段水量隨拉速的變化而變化。是對不同鋼種、 不同斷面尺寸的鑄坯，在不同的 拉速下進行模型運算，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 應的水量與鋼坯拉速的關系，如式（1）。該控制系統(tǒng)根據(jù)這一關系，實現(xiàn)二冷 區(qū)各段對鑄坯冷卻的最佳配水。系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示。4 自動化控制系統(tǒng)組成及功能實現(xiàn)4.1 二冷水自動控制系統(tǒng)的硬

6、軟件配置煉鋼廠 4#連鑄機整個生產(chǎn)工藝的自動控制系統(tǒng)的硬件采用GE 公司的 9030PLC 軟件使用 SIMATIC 人機界面 WINC（6.0sp2 和 GEVersaPro 編程軟件。Wince 監(jiān)控界面與 PLC 之間通過 GE OPC Server 進行標準化的數(shù)據(jù)交換，PLC 站與站之 間、PLC 站與上位機之間通訊使用以太網(wǎng)網(wǎng)絡來進行數(shù)據(jù)交換，如圖2。人機終端界面 HMI 有寫入修改參數(shù)，讀出需要數(shù)據(jù)功能，并做有報警程序，當水量低、 水溫溫差大的情況下發(fā)出聲光報警，提醒當班人員查看設備，了解生產(chǎn)狀態(tài)，排查隱患，提高設備安全長周期運行率。該鑄機共有三個流，每流有 1 套反沖洗裝置、1

7、 臺快切閥、1 只電子壓力表；每段上有 1 只電子流量計和 1 臺氣動比例閥。 在原有連鑄機的 PLC 系統(tǒng)擴展機架中加入數(shù)據(jù)采集模塊，并在 PLC 中對其進行組 態(tài)，分配好相應的 I/O 地址?，F(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)包括二冷水系統(tǒng)的水流量、水壓、 調(diào)節(jié)閥位反饋、振動裝置的振動頻率與拉矯機拉速反饋，結(jié)晶器水流量及溫度等。為了防止信號干擾，在采集流量、壓力、溫度的信號回路中間加裝有無源信號隔 離器，如圖 3rm監(jiān)控計算機圖 34.2 二冷水水量計算及修正主機架F1RCPITCI7IHIH HOUTOT(117our3RD313S02311323232333232PAR1) )m3RD3DiLCWGMJG

8、1LC1LCnoPim3K3923S2392392無源信號隔離器lr- iii1tf JITOK!av-HHR 3 5 faI Inwr葉ITnaaitff-iFHmr-i根據(jù)配水模型基本公式（1），綜合相關經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取用下列數(shù)據(jù)模型（以足輥為例）:Q1JS=1.138*V2+3.491*V-1.321其中：Q1s-計算后的配水量（m3/min）V-拉速（m/min）修正后的流量： Q1XZ= K*K1 其中：Q1s修正后的配水量（m3/min）K總流量修正系數(shù)K1 足輥流量修正系數(shù)在整個冷卻水配水過程中， 每個速度段的配水公式的系數(shù)是不同的， 所以流 量也不同。在實際應用中，水量的控制采用分

9、段函數(shù)：Q1 = 0 （V1.5 m/min）二冷水水量修正計算是根據(jù)二冷各段噴嘴設計布置的理論流量分配比例， 以 實際生產(chǎn)時，拉速為 2.0m/min 的合理比水量確定出的 k、k 1 、k2、k3 調(diào)節(jié)數(shù)值， k 初步確定統(tǒng)一為1.00，調(diào)節(jié)范圍 12;其中低合金鋼足輥k1=1.91, 一段k2=1.23，二段 k3=0.84，普碳鋼足輥 k1=1.67, 段 k2=1.08，二段 k3=0.74，調(diào) 節(jié)范圍 03.0。分鋼種在拉速為 2.0m/min 的理想給水量，調(diào)整時應鄭重，一般 不作調(diào)整。 如果某一段的供水管或噴嘴發(fā)生嚴重堵塞造成水量的嚴重不足， 可參 照 k1、k2、k3 值作出

10、調(diào)整。實際生產(chǎn)中 k 值一般不作調(diào)整， k1、k2、k3 調(diào)整操 作應精細，以 0.05為一個調(diào)整單位進行調(diào)整。在實際調(diào)試時，結(jié)合生產(chǎn)要求，考慮到足輥流量在開澆起步階段的重要性， 足輥調(diào)節(jié)閥設為全開狀態(tài)。即當拉速大于 0.4m/min 時，足輥流量為最大值。 水量修正計算程序如下圖 5：圖54.3 二冷水每段水量 PID （比例、積分、微分）閉環(huán)控制在每流的 PLC 程序中，我們采用二次配水曲線數(shù)學模型的閉環(huán) PID 調(diào)節(jié)方式 來控制二冷水，并可通過監(jiān)控畫面直接進行完全自動化配水功能， 在 WinCC 畫面 上對應各段分別設有自動、手動兩種配水控制方式按鈕。在自動調(diào)節(jié)方式下，鑄流水量設定值 S

11、P （計算流量）由 PLC 通過配水公式及修正后計算給定。通過電位器給定拉速，并通過配水公式計算出每段的噴水量SP, SP 通過工程量換算成 4-20mA 的電流信號輸出給執(zhí)行器，執(zhí)行器控制閥門開度，并通過閥 門的閥位反饋信號輸入到 PID 控制程序，與此同時，電磁流量計檢測到的水流量 PV（實際流量），與 PID 過程設置點 SP 的數(shù)據(jù)比較，輸入到 PID 程序塊中通過對 比工程量和噴水量，計算出偏差，再輸出給執(zhí)行器來控制閥門。根據(jù)工藝要求， 設定目標參數(shù)，由 PID回路的調(diào)試曲線，不斷調(diào)整 Kp（比例系數(shù)）、Kd（積分系 數(shù)）、Ki （微分系數(shù)）控制參數(shù)，使被控參數(shù)穩(wěn)定在設定值的正常波動

12、范圍內(nèi)，從 而實現(xiàn)控制閥門的開度，達到對流量精確控制，實現(xiàn)理論噴水量與實際流量一致。 整個配水過程是調(diào)節(jié)閥利用 PID控制回路進行閉環(huán)控制。把最終數(shù)據(jù)放到R03050 最后通過模擬量模塊 AQ0040 俞出給執(zhí)行器。其 PID 功能塊程序如圖 6:利用上位機對過程監(jiān)控畫面進行優(yōu)化。在回路調(diào)節(jié)畫面中，PID 回路的 PV值、SP 值、CV（ PID 輸出）值同時用棒圖形式和數(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，也可以精確的對回路調(diào)節(jié)參數(shù)進行設定。在回路調(diào)節(jié)畫面中設有手/自動切換按鈕。手動控制是指二冷水流量設定值由操作人員在 WINCC 監(jiān)控畫面上進行手動輸入閥門開度，范圍為：0-32

13、000 （0100%,在 PLC 程序中，跳過 PID 調(diào)節(jié)，直接對 AQ0040 賦值，實現(xiàn)對閥門的控制。使水量調(diào)節(jié)最大 程度接近理想曲線。WINCC PID 監(jiān)控趨勢圖 7。32000.O2971E；. 02T432 025146.022860.O20574.05 改造產(chǎn)生效果本改造項目的成功實施，不僅可通過 HMI 進行在線監(jiān)控及操作，且操作靈活 方便，提高了勞動生產(chǎn)率，而且實現(xiàn)了手 - 自動迅速無干擾切換，節(jié)省了調(diào)水的 時間，為煉鋼廠 3#、4#連鑄機的穩(wěn)定生產(chǎn)起到了強有力的保障作用。改造后的 控制系統(tǒng)自投入運行以來， 解決了長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