摘要：介紹了邢鋼1#方坯連鑄機的冷卻水控制系統的硬件組成、控制系統的配置以及控制策略和控制功能。對生產合格的連鑄坯起到了重要作用。

　　關鍵詞：連鑄 冷卻水 自動控制

　　1.概述

　　連鑄是一個多變量、非線性、大滯后、具有較強耦合作用的復雜生產過程。在連鑄過程中，鑄坯的冷卻凝固受控于與拉速有關的熱傳遞變化，鑄坯冷卻過程由一冷控制和二冷控制兩部分構成；一冷就是結晶器冷卻，其中二冷分成多個冷卻區，每個冷卻區包括多個冷卻回路。各回路的噴水控制，要根據拉坯速度、鋼水過熱度、鋼種以及冷卻水溫度等工藝參數來決定各冷卻回路的噴水量。本文著重本文介紹河北邢鋼1#方坯連鑄機冷卻水控制系統的設計與實踐。

　　2.控制系統的硬件設計

　　河北邢鋼1#方坯連鑄機是3機3流連鑄機，連鑄機自動化系統硬件配置圖如圖1所示。其中，冷卻水控制系統配置3套SIEMENSS7-400PLC系統，對沒流的冷卻水進行單獨控制。PLC系統，包括CPU模塊、電源模塊以及相應的輸入、輸出模塊，CPU采用西門子S7-400系列CPU。每流的冷卻水PLC系統包括主站、3個從站、現場總線和高速工業以太網。現場總線網絡上共掛有3個從站，為：4.5米平臺1#遠程I/O從站、4.5米平臺2#遠程I/O從站，10米平臺3#遠程I/O從站；主站的高速工業以太網接入HMI人機界面系統的高速工業以太網，實現數據通訊。各從站控制柜安裝在冷卻水配水間附近，以節約電纜，實現低成本自動化。

　　圖1：連鑄機自動化系統硬件配置圖

　　3.軟件配置及控制軟件算法

　　3.1系統軟件配置

　　計算機操作系統采用WindowsXP中文操作系統。PLC控制系統開發軟件采用西門子Step7V5.4編程軟件。基礎自動化的HMI監控系統開發采用西門子Wincc6.2開發版、運行版軟件，Wincc6.2服務器及冗余選件。

　　3.2冷卻水控制軟件典型算法

　　首先提出程序模塊化設計，將不同功能模塊設計成小耦合度功能塊FB，由相應的程序多次調用，使程序執行出錯率降低，提高程序可靠性；同時提高程序的可維修性，延長了程序生命周期。

　　3.2.1插值算法

　　在二冷水表處理方式上采用插值算法：假定區間[a，b］上的實值函數f（x）在該區間上n＋1個互不相同點x0，x1……xn處的值是f[x0］，……f（xn），估算f（x）在[a，b］中某點的值。利用一功能塊完成多張水表檢索。

　　3.2.2平滑PID算法

　　PID調節規律是連續系統動態品質校正的一種有效方法，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的PID控制器控制參數相互獨立，參數的選定簡單有效等優點；在連鑄冷卻水多種控制方式切換上采用PID設定值自動跟蹤測量值的平滑過渡，從而系統達到無擾切換，控制平穩過渡。

　　4.控制功能

　　冷卻水PLC系統的功能是完成連鑄機每流過程參數的設定和調節、參數和設備狀態的監視、報警顯示等。每流冷卻水系統包括：結晶器冷卻水、二冷水、設備閉路冷卻水、設備開路水和切割粒化水。

　　4.1結晶器冷卻水控制

　　結晶器冷卻水量主要是考慮防止漏鋼和減少鑄坯表面缺陷。水量過大，鑄坯會產生裂紋；水量過小，冷卻能力不夠，會使坯殼太薄造成拉漏。結晶器內水流速必須保證把銅壁的熱量帶走，避免熱積累而使銅壁溫度升高。如果銅壁溫度超過100℃，就會有水的沸騰，銅板表面覆蓋水氣泡，并有水垢沉積，惡化結晶器傳熱。

　　從結晶器下部進水管進入的水，以高速流過結晶器周圍，把熱量帶走，從上部水管流出。進出水溫度差一般為4～8℃，每個結晶器有寬面回水流量調節閥和窄面回水流量調節閥。每個回路的流量調節由冷卻PLC控制。結晶器冷卻水檢測包括出入結晶器的溫度（溫差）、壓力、流量測量以及閥位檢測。其現場回路圖控制如圖2所示。

　　圖2結晶器冷卻水控制回路圖

　　回路控制方式如下：

　　1）結晶器冷卻水控制方式分手動和自動兩種方式，在HMI畫面上選擇。

　　2）手動方式下，PLC根據HMI上的調節閥設定開度值直接控制。

　　3）自動方式下，PLC根據控制系統的設定流量值進行調節回路控制。

　　4）手動關閉。鑄機在維護模式下，在HMI畫面上操作，可手動打開或關閉進水切斷閥和回水切斷閥。

　　5）最小流量設定控制。不論手動或自動方式，調節閥的流量設定點都不能低于最小流量設定值。

　　4.2二冷水控制

　　二冷水的控制對鑄坯均勻冷卻，提高鑄坯表面質量，減少溫降,實現熱送起著至關重要的作用。二冷水調試質量將直接影響系統控制精度,進而影響鑄坯的質量。

　　1#方坯連鑄機二冷水分為5區，每區有寬面和窄面兩個流量調節閥，共10個二冷水流量調節閥。每個回路的流量調節由冷卻PLC控制。二冷水檢測包括二冷水溫度、壓力、流量測量、二冷氣壓力測量以及閥位檢測。二冷水控制方式包括L2、L1、操作員等自動方式。二次冷卻控制回路圖如圖3所示。

　　圖3二次冷卻控制回路圖

　　二冷回路控制方式為：

　　1）二冷水控制方式分手動和自動兩種方式，在HMI畫面上選擇。

　　2）手動開度控制。在HMI畫面上，選中HMI畫面方式后，在HMI畫面上可設定調節閥開度，PLC按設定值直接控制調節閥的開度，實現開環控制。

　　3）自動流量控制。在HMI畫面上，選中自動方式后，完成流量閉環調節控制功能。閉環回路通過調節調節閥的開度，使實際流量值與流量設定值保持一致。自動流量控制有三種模式：2級二冷動態模型（L2），1級水表（L1）和操作員設定（OP）。

　　l在L2模式下，各區調節閥的流量設定值由2級計算機提供。

　　l在L1模式下，各區調節閥的流量設定值由1級PLC根據1級水表和實際拉速計算得出，在HMI畫面上可設定10個水表。

　　l在OP模式下，各區調節閥的流量設定值由操作員在HMI畫面上手動輸入。

　　回路控制邏輯圖見如圖4。

　　圖4二冷水控制邏輯圖

　　4.3氣霧冷卻的空氣調節控制

　　二冷氣水混合冷卻具有水流密度大、水滴霧化程度好、冷卻面積大、鑄坯表面溫度波動范圍小、冷卻水用量少等優勢，所以氣霧混合水壓動能控制十分必要。

　　氣霧冷卻空氣作用于二冷系統的2-5區，每區有寬面和窄面兩個壓力調節閥，共8個氣霧冷卻空氣壓力調節閥。各空氣回路，配置空氣壓力檢測。二冷空氣控制方式包括L1級氣表、操作員和手動方式。氣霧冷卻空氣調節的控制邏輯圖如圖5所示。

　　圖5氣霧冷卻空氣調節的控制邏輯圖

　　二冷空氣控制方式如下：

　　1）二冷氣控制方式分手動和自動兩種方式，在HMI畫面上選擇。

　　2）手動開度控制。在HMI畫面上，選中HMI畫面方式后，在HMI畫面上可設定調節閥開度，PLC按設定值直接控制調節閥的開度，實現開環控制。

　　3）自動壓力控制。在HMI畫面上，選中自動方式后，實現壓力閉環調節控制功能。閉環控制回路通過調節調節閥的開度，使實際壓力與壓力設定值保持一致。自動壓力控制有兩種模式：1級PLC（L1）設定和操作員設定（OP）。

　　l在L1設定模式下，壓力設定值根據氣表和相應冷卻水實際水量計算得出。

　　l在OP模式下，壓力設定值由操作人員在HMI畫面輸入。

　　4.4設備閉路冷卻水控制

　　設備閉路水冷卻設備包括:扇形段的輥道和框架冷卻，拉矯單元的輥道和框架冷卻，切割機冷卻水。各回路冷卻水回水流量由流量開關的監測，并由手閥進行調節。對各回路冷卻水回水水溫檢測進行監測，并在HMI上顯示流量低報警和溫度高報警。

　　4.5設備開路冷卻水控制

　　設備開路冷卻水即設備外部冷卻水，出坯區輥道外部冷卻水的流量采用手閥調節。其水量采用流量開關進行流量監測。

　　5.結束語

　　邢鋼1#方坯連鑄機冷卻水控制系統于2011年5月投入生產,至今系統運行良好,自動投運率達100%。鑄坯的各項性能指標達到生產標準,滿足用戶要求。

　　作者簡介：張妍（1974-），工程師，主要從事自控系統設計集成工作。

　　譚周華（1965-），高級工程師，技術總監，從事電氣及自動化工程設計審查工作。

　　tantan@pzhsteel.com.cn