矩形坯连铸机二热水自动配水系统的研究

矩形坯连铸机二热水自动配水系统的研究

1连铸生产过程中二冷分配连铸造是将钢水连续铸造为钢渣的过程。用连铸工艺代替模铸工艺,省去了初轧,简化了从钢液到钢坯的生产流程。连铸工艺因其节约能源、降低生产成本,受到国内外冶金企业的高度重视。在连铸生产过程中,水作为冷却剂起着极其重要的作用。冷却水按其冷却部位可分为:结晶器(一次)冷却水、二次冷却水(简称二冷水)、设备冷却水。在连铸生产过程中,结晶器冷却水和设备冷却水的流量通常保持不变,而二冷水的给水量随钢种、铸坯断面尺寸及拉速等条件而改变,以达到优化钢坯质量的目的。因而,二冷自动配水在连铸生产过程十分重要。安阳钢铁股份有限公司第二炼钢厂5#连铸机为一机二流矩形坯连铸机,外弧半径6m,断面180mm×260mm,二冷区可分为足辊段、二冷Ⅰ段、二冷Ⅱ段及二冷Ⅲ段。在改造之前,二冷水采用手动控制方式,在拉钢过程中配水工要同时操作数十个水气阀门,完全凭经验观察钢坯表面温度来操作阀门的开度。因此,二冷配水量的调整远远滞后于拉速及铸坯表面温度的变化。对于拉速不断变化的拉坯过程,这种控制方式具有较大的盲目性,直接影响铸坯的质量。为了提高铸坯质量、增加浇铸钢种,该厂对5#连铸机二冷配水进行了自动化改造。2自动配水系统的组成安阳钢铁股份有限公司第二炼钢厂5#连铸机二冷自动配水系统计算机及PLC部分如图1所示。上位机选用研华工业控制计算机,PLC选用德国西门子公司S7系列PLC,上位机与PLC通过标准PROFIBUS网络相连。PLC主站采用S7-400CPU,通过PROFIBUSDP网络下挂3个ET-200MI/O站。在ET-200MI/O站中插有S7-300系列信号输入/输出模块,与过程检测仪表及执行装置等相连接,完成信号的输入、输出功能。S7-400系列PLC为西门子公司生产的高端PLC产品,具有较强的功能,适宜于构成中型、大型的PLC控制系统,能够满足自动配水系统的要求。自动配水系统仪表部分包括手操器、压力变送器、流量变送器、电子调节阀等。手操器上可显示冷却水流量信号,操作方便。整个系统共有9个控制回路,即压缩空气总管压力控制回路、东流二冷区冷却水流量控制回路4个(每段一个)、西流二冷区冷却水流量控制回路4个(每段一个)。除以上控制回路外,该系统还完成大包温度、大包重量、中包温度、拉速、振频、结晶器冷却水流量、压力、温差、二冷各段冷却水压力等的检测。3配水系统软件设计S7系列PLC硬件组态及软件设计采用STEP7编程软件包完成。该软件包功能强大,使用方便,支持STL、LAD、FBD等多种编程语言。内置有软件PID子模块,可方便地实现PID控制。为了便于维护,本系统软件模块主体采用电气工程技术人员熟悉的LAD语言编程,部分较复杂功能采用STL语言编程。二冷自动配水系统软件在硬件的配合下实现以下功能:实时控制及在线检测。实时控制任务主要是指二冷各段冷却水流量控制及压缩空气总管压力控制。在线检测任务包括其余各类过程参量的检测。42.2冷流的动态控制4.1配水控制设计各冷却区域配水以冶金准则和传热学为基础。建立传热学模型,通过仿真计算,得到不同钢种在不同拉速条件下各冷却回路的最佳配水量,使各段铸坯表面温度分布与目标温度分布相符合。但仿真计算得到的数据是不连续的,很难直接用于配水控制,因此必须对数据进行处理。根据最小二乘法原理,编制一元高次回归方程程序,将同一钢种、不同拉速下的输入到回归程序中,即可得到该钢种的配水模型。本系统采用的二冷水控制模型如下:Qi=Aiv2+Biv+Ci(1)式中:Qi为特定钢种、二冷区第i回路的配水量;v为拉速;Ai、Bi、Ci均为特定钢种、二冷区第i回路的配水量控制模型参数。只要确定出上式中控制模型参数,就可得到实用的二冷水自动配水控制模型。将这些参数事先存储到PLC控制程序中,并在系统运行过程中选择相应的浇铸钢种,即可完成二冷水自动配水。4.2配水系统操作方式为了便于调试及操作并提高系统的可靠性,配水系统操作方式分为程序自动控制、单回路自动控制、软手操控制、硬手操控制、机械手操控制等五种操作方式。(1)确定分配水量一般情况下,选择“程序自动控制”方式。在该控制方式下,用户在计算机上设定浇铸钢种,确认后下传至PLC,PLC根据钢种及实测拉速计算得到各段配水量设定值。每个回路的PID控制器据此输出操作量,调整流量调节阀的开度,实现冷却水流量控制。(2)配水管理控制方式适宜于最佳配水量试验研究及PID控制器参数整定。在该控制方式下,用户在计算机上给出各段配水量设定值。各控制回路的PID控制器据此输出操作量,调整流量调节阀的开度,实现冷却水流量控制。(3)控制阀开度为后备控制方式。在该控制方式下,用户在计算机上设定各控制回路的调节阀开度,以全刻度百分比表示(0～100%)。确认后,各控制回路的PID控制器据此输出操作量,调整流量调节阀的开度,实现冷却水流量控制。(4)控制阀开度的设定为后备控制方式。在该控制方式下,用户在手操器上设定各控制回路的调节阀开度,以全刻度百分比表示(0～100%)。手操器输出操作量,调整流量调节阀的开度,实现冷却水流量控制。(5)机械手械手练习控制为后备控制方式。在该控制方式下,用户直接转动流量调节阀上的手阀,调整流量调节阀的开度,实现冷却水流量控制。(6)控制方式的实现由软件实现,系统自动跟踪调节阀开度,在切换时将当时的阀位开度设定为自动输出值。自动→手动控制的切换由软件和硬件结合实现。当由自动控制方式切换到软手操时,系统自动跟踪调节阀开度,在切换时将当时的阀位开度设定为控制器输出值。当由自动控制、软手操控制方式切换到硬手操控制方式时,手操器自动跟踪调节阀开度,在切换时将当时的阀位开度设定为手操器输出值。本系统通过软件和硬件相结合的方式,实现了多种控制方式间的无扰切换。4.3该程序自动控制下的一些技术问题4.3.1正常浇铸阶段在程序自动控制方式下,根据来自拉速测量仪表的拉速信号判断连铸机工作状态,以决定是否喷洒冷却水。当拉速长时间为零时,程序判断连铸机处于停机状态,关闭流量调节阀,停止喷洒冷却水;当速度从零突然增大时,程序判断连铸机处于开浇状态,快开流量调节阀,开始喷洒冷却水;当速度相对稳定后,程序判断连铸机进入正常浇铸阶段,根据模型计算流量设定值;当速度逐渐减小为零,程序判断连铸机进入拉尾坯阶段,在继续喷洒30s后,停止冷却水喷洒。4.3.2冷却水设定值的滤波、分档处理由于生产工艺设备及测量仪表等原因,造成拉速信号不稳。在这种情况下,如果不对拉速信号进行处理,直接根据拉速信号计算冷却水设定值,将导致设定值变化频繁,实际流量忽大忽小,影响产品质量;此外,这也将使调节阀动作频繁,不仅使其温度上升,而且影响使用寿命。为此,在对拉速信号进行滤波处理的基础上,将拉速信号进行分档处理。在同一速度档,按该挡的标准速度值计算冷却水设定值。对于拉速较低的情况,设定低速阈值,当低于该阈值且不为零时,按此低速阈值计算冷却水设定值。4.3.3影响电机工作的安全因素由于一些不确定的扰动因素的存在,电动调节阀有时会不停地做微小动作,这样不仅会使电机温度上升,而且影响使用寿命,甚至会导致电机温度过高而停止工作。为了解决这一问题,采用了带死区的PID算法,减少调节阀的频繁动作,以提高调节阀的寿命。4.3.4模糊pid控制器PID控制器的整定是在正常拉速条件下进行的。针对系统灵敏度随调节阀开度变化的性质,采用了模糊PID控制器。模糊PID控制器根据模糊化处理后的冷却水流量设定值调整PID参数,这样既减小在流量测量范围的低端区域内因系统灵敏度偏高所造成的振荡,又兼顾在流量测量范围的高端区域内的性能。5配水参数控制本文介绍了安阳钢铁股份有限公司第二炼钢厂5#矩形坯连铸机二冷水自动配水系统。该系统采用目标温度控制的二冷水控制模型,该模型以冶金准则和传热学为基础,根据现场的实际工艺和设备参数,得到最佳的配水参数。各控制回路根据模型给出的配水参数,控制各回路的实际水量,以达到最佳的控制效果。该5#矩形坯连铸机二冷水自动配水系统中采用带有死区的模糊PID