攀钢2#板坯连铸液位控制系统

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关键词:摘要:介绍了2#板坯液位控制系统的组成,分析了控制系统的PID调节原理,阐述了该控制系统实现的功能,对以后的维护和改进有积极意义。摘要: 介绍了2#板坯液位控制系统的组成,分析了控制系统的PID调节原理,阐述了该控制系统实现的功能,对以后的维护和改进有积极意义。关键词: 液位控制伺服系统结晶器 PID调节1引言在攀钢炼钢板坯连铸区域,结晶器是连铸机上...
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  • 摘要:介绍了2#板坯液位控制系统的组成 ,分析了控制系统的PID调节原理,阐述了该控制系统实现的功能,对以后的维护和改进有积极意义 。

摘要: 介绍了2#板坯液位控制系统的组成 ,分析了控制系统的PID调节原理 ,阐述了该控制系统实现的功能,对以后的维护和改进有积极意义。
关键词: 液位控制伺服系统结晶器 PID调节
1引言
在攀钢炼钢板坯连铸区域,结晶器是连铸机上的核心设备 ,对其进行良好的控制显得尤为重要,其中结晶器液位控制便是主要的控制技术。结晶器液位控制系统是通过电动调节机构或液压调节机构调节中包车上的塞棒,控制中包车的钢水流速 ,使钢水液面在浇注时能保持在预先设定的位置,以保证浇钢过程中液面的稳定性 。该系统由三个基本部分组成:钢液面检测系统 、伺服系统、结晶器PLC自动控制系统 。该系统的引入,不但提高了板坯质量 ,杜绝了夹渣、鼓肚和裂纹现象,而且有效降低了浇铸过程中漏钢和断浇事故的发生率,为实现板坯全连铸提供了可靠的保障。下面以2#板坯液位控制系统为例来进行阐述和分析。
2控制系统的构成
2.1系统介绍
2#连铸机为现代化的高效单流板坯连铸机 ,设计年产板坯100万t,由外方提供整



套控制系统, 。如图1所示 ,连铸机配备两台中包车 ,一台浇注,一台预热准备,两个中包车配有完全相同的液位控制系统。控制设计为一级基础自动化PLC系统和二级过程计算机系统 ,以便实现生产过程管理 、设定及有关数学模型计算(如二冷强度 、铸坯质量判定和最佳定尺切割等),通过基础自动化系统对连铸机线上设备和浇铸过程进行逻辑顺序控制和跟踪。一级和二级自动化系统通过TCP/IP通讯协议的系统总线连接,基础自动化与过程计算机系统共用部分操作站 ,两级系统协调配合构成完整的“EI+C ”自动化控制系统,既具有较高的控制效率和可靠性,又能够节省投资 。伺服系统、操作台及现场检测设备均通过PLC远程I/O站与基础自动化系统交换控制信息。操作员工作站OWS主要用于设备和过程监控 ,并可执行过程控制接口、过程设定 、功能,使操作员可与应用软件和数据库交互作用,使用InTouch软件组态生成画面。
2.2钢液面检测系统
钢液面检测系统包括电磁涡流检测器 SH7-S10 ,前置放大器,以及二次运算表 。


2.2.1电磁涡流检测器的工作原理
检测器主要是依靠两个线圈的磁场相互作用来检测液位的,包括励磁线圈和感应线圈。励磁线圈产生高频的电磁场 ,从而在钢水表面产生漩涡电流 ,漩涡电流产生次级漩涡磁场,该磁场的分布与钢水的液面有关,该磁场在次级线圈中产生感应电压 ,感应电压的大小与钢液面有直接的关系。传感器检测范围大约600mm 。传感器呈圆柱状,由耐热不锈钢制造,安装在一个半自动的操作臂上 ,由气缸驱动和锁定,事故时可自动将传感器转到安全位置,工作时水平锁定在结晶器顶部表面。
2.2.2前置放大器的工作原理
它用于前置放大和处理来自传感器的信号 ,从运算单元得到反馈。它配置有连接传感器电缆的插座 。它距离传感器10米 。前置放大器置于一个300*300*150mm的连接盒内。这个盒子背面有孔用于固定前置放大器。
2.2.3二次运算表工作原理
它用于将来自前置放大器的测量信号进一步处理和运算 。模拟电流输出和4/8数字输入/输出分别有效,及通过RS232输出。配置有模拟输出的三线单元3SH给出运算单元提供电流输出(4-20mA)和4/8路数字输入/输出,及RS232接口输出。在仪表前面板上有一个键盘(包含

) ,电流指示表、八个LED和两行20个字符的显示屏 。仪表的后面包括A和D两个连接器,通过柔性电缆将前置放大单元与柜内终端板的主回路输入连接。背面RS232接口的连接器,用于运算单元到PLC的连接。
2.3电动伺服系统
每个中包车上安装有一套塞棒机构 ,用于对中间包到结晶器的钢流进行控制和微调 。塞棒由快速响应的交流伺服进行驱动 ,可手动人工操作,或自动闭环控制。塞棒的位置由一个数字式的位置传感器(精确度0.005mm)检测。塞棒动作速度50mm/s,行程100mm 。伺服电机电机型号25COLDMS ,功率AC0.75KW,由变频器控制运转。选用西门子SIMOVERT MASTER DRIVES全数字电压型交流变频器,具有过载能力大、调速范围宽等特点 ,且具有操作面板,可执行设定和故障监视功能。
2.4结晶器PLC自动控制系统
采用西门子S7系列PLC控制系统,液位PLC通过PROFIBUS-DP网与变频器进行通讯 。PROFIBUS现场总线是基于令牌协议加主从总线的介质存取方式 ,主站以主从方式与从站通信,各主站之间由令牌协议决定总线控制权 。1号中包的塞棒和2号中包的塞棒均由液位PLC控制。
3系统设计
3.1基本原理
传统的结晶器钢水液位自动控制有3 种方法:( 1 )流量型控制进人结晶器的钢水流量,以保持液位稳定 ,即改变塞棒或滑动水口的位置,或者控制塞棒和滑动水口二者的位置,控制钢水流量 ,以达到液位稳定的目的。 ( 2 )速度型即控制拉坯速度以保持液位稳定 。这种方法喷溅较少 ,主要用于小方坯连铸 ( 3 )混合型即一般控制拉坯速度来保持液位稳定,但是当拉速超过某一百分比仍不能保持给定液位时,则控制塞棒或滑动水口 ,或者两者均控制,以控制液位。
本液位控制系统采用的便是传统的流量型控制方法。液位控制的基本控制回路采用双闭环控制,对于液位控制来说主要还是对参数的调节 ,根据不同情况来对PID参数进行调节,下图3为控制原理图:


首先,电磁涡流检测器检测到的结晶器内的钢水液面值 ,把检测到的液面值经过通讯网络传输给结晶器PLC 。在人机接口的操作画面上,操作员设定一个液面值,或由二级计算机设定一个液面值 ,此值与电磁涡流检测器检测到的结晶器内的钢水液面值比较,产生的差值在系统内进行PID计算,计算后的值作为塞棒的给定值。塞棒的给定值与位置传感器检测到塞棒的实际值比较 ,产生的差值在系统内进行PID计算 ,这个计算结果由PLC经DP网络传到变频器,从而控制电机来带动塞棒的运动,最终来控制从中包到结晶器的钢水流量 ,达到控制结晶器内钢水液面的目的。
由于过程中使用了PID调节 。下面简要介绍一下PID调节的原理
PID是比例 、积分、微分的缩写,PID控制器是目前应用最广泛的闭环控制器,90%以上的闭环控制采用PID控制器 ,由于自动控制理论中的分析和设计方法是建立在被控制对象的线性数学模型的基础之上的,由于模型忽视了实际系统的非线性和时变性,与实际系统有很大的差距 ,因此在工业应用中很难用计算的方法求出系统的控制参数,而PID控制器不需要建立数学模型,控制结构简单 ,容易实现,因此在实际的工业控制中得到了广泛的应用。


式中控制器的输入量(误差信号)ev(t)=sp(t)-pv(t),sp(t)为设定值 ,pv(t)为过程变量的反馈值 ,mv(t)是控制器的输出信号,KP为比例系数,TI和TD分别是积分时间和微分时间常数 ,M是积分部分的初始值。式中等号右边的前3项分别是比例、积分 、微分部分,它们分别与误差ev(t),误差的积分和误差的微分成正比 。
在实际的控制系统中 ,通常对KP、KI、KD进行调节,也就是对比例系数,积分时间常数 ,微分时间常数进行调节,使得系统的输出在时域上表现为收敛在某一固定值。
由于本系统是恒值系统,采用了双闭环控制系统,分别是对塞棒位置进行调节的内环PID调节 ,以及对液位进行调节的外环PID控制系统。在程序中,通过调用FB30和FB31,分别赋值KP=0.1, KI =0.0005, KD=0 ,来进行PID控制的 ,使得液位维持在设定值左右 。
3.2 控制方式
结晶器液位控制方式有自动,手动和旁通;开浇方式有自动和手动 。
控制设计液位监视高度为0~180mm(取结晶器上口为最高点)。当结晶器液位低于监视段的10%时允许自动开浇,在自动开浇期间塞棒执行如图4曲线 ,曲线贮存在浇铸处方表里。当结晶器液位高于监视段的30%,而低于95%,及其它联锁条件具备 ,开浇后投入自动控制方式,此时系统取当前液位作为目标值;当液位平稳下来,目标液位将自动上升到从二级计算机接收的设定液位 。如果在开浇前中包临界重量被设定为零 ,自动开浇不执行,仅能手动开浇。


液位控制使用手动方式时,塞棒由铸流控制站的操纵杆(当中包车在浇铸位) ,或者由塞棒调试盘(当中包车在预热位)来动作。
旁通方式仅用于维护目的,或在塞棒电机系统失效的情况下使用 。
当下列情况出现时,悬挂操作盘上报警激活 ,表明系统有如下故障:选择了自动方式但其允许条件未达到;结晶器液位高于监视段的95%或低于30%;液位同设定点的偏差在20%以上。操作员可视结晶器液位情况 ,使用“紧急关闭”按钮关闭塞棒,紧急关闭功能也能自动执行。
3.3 功能特点
由DANIELI公司开发的结晶器液位控制专用软件包,使液位控制具有以下特点:
当中间包重量达到预设定的值时 ,塞棒打开,自动启动浇铸 。操作员也可以通过现场操作盘手动控制塞棒打开。结晶器充满钢水后,塞棒执行自动开浇曲线 ,避免起始加速度太快。
在正常浇铸期间,塞棒控制功能通过对结晶器钢水液位检测仪的测量值与设定值进行比较来控制 。比较的结果作为塞棒位置的下一个参考值。浇铸速度保持设定值不变,仅仅调节塞棒位置就可以控制钢水液面。
提供冲洗功能以避免铸流堵塞 。基于塞棒的位置和其位置趋势 ,检测堆积物的状况和阻塞可能 。如果发生堵塞,就开始冲洗程序以清除堆积物。为更有效避免水口沉积物(铝化合物),塞棒还能够抖动。抖动时间周期是100 ms ,并且抖动幅度可在OWS上从0到2mm选择 。
正常浇铸时,浸入式水口和塞棒





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