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

　　關(guān)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(fù)雜生產(chǎn)過程。在連鑄過程中，鑄坯的冷卻凝固受控于與拉速有關(guān)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(gòu)成；一冷就是結(jié)晶器冷卻，其中二冷分成多個冷卻區(qū)，每個冷卻區(qū)包括多個冷卻回路。各回路的噴水控制，要根據(jù)拉坯速度、鋼水過熱度、鋼種以及冷卻水溫度等工藝參數(shù)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(tǒng)的設(shè)計與實踐。

　　2.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)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(tǒng)硬件配置圖如圖1所示。其中，冷卻水控制系統(tǒng)配置3套SIEMENSS7-400PLC系統(tǒng)，對沒流的冷卻水進行單獨控制。PLC系統(tǒng)，包括CPU模塊、電源模塊以及相應(yīng)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(tǒng)包括主站、3個從站、現(xiàn)場總線和高速工業(yè)以太網(wǎng)。現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)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(yè)以太網(wǎng)接入HMI人機界面系統(tǒng)的高速工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。各從站控制柜安裝在冷卻水配水間附近，以節(jié)約電纜，實現(xiàn)低成本自動化。

　　圖1：連鑄機自動化系統(tǒng)硬件配置圖

　　3.軟件配置及控制軟件算法

　　3.1系統(tǒng)軟件配置

　　計算機操作系統(tǒng)采用WindowsXP中文操作系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)開發(fā)軟件采用西門子Step7V5.4編程軟件。基礎(chǔ)自動化的HMI監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)采用西門子Wincc6.2開發(fā)版、運行版軟件，Wincc6.2服務(wù)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(shè)計，將不同功能模塊設(shè)計成小耦合度功能塊FB，由相應(yīng)的程序多次調(diào)用，使程序執(zhí)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(qū)間[a，b］上的實值函數(shù)f（x）在該區(qū)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(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)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(shù)相互獨立，參數(shù)的選定簡單有效等優(yōu)點；在連鑄冷卻水多種控制方式切換上采用PID設(shè)定值自動跟蹤測量值的平滑過渡，從而系統(tǒng)達到無擾切換，控制平穩(wěn)過渡。

　　4.控制功能

　　冷卻水PLC系統(tǒng)的功能是完成連鑄機每流過程參數(shù)的設(shè)定和調(diào)節(jié)、參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視、報警顯示等。每流冷卻水系統(tǒng)包括：結(jié)晶器冷卻水、二冷水、設(shè)備閉路冷卻水、設(shè)備開路水和切割粒化水。

　　4.1結(jié)晶器冷卻水控制

　　結(jié)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(chǎn)生裂紋；水量過小，冷卻能力不夠，會使坯殼太薄造成拉漏。結(jié)晶器內(nèi)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(jié)晶器傳熱。

　　從結(jié)晶器下部進水管進入的水，以高速流過結(jié)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(jié)晶器有寬面回水流量調(diào)節(jié)閥和窄面回水流量調(diào)節(jié)閥。每個回路的流量調(diào)節(jié)由冷卻PLC控制。結(jié)晶器冷卻水檢測包括出入結(jié)晶器的溫度（溫差）、壓力、流量測量以及閥位檢測。其現(xiàn)場回路圖控制如圖2所示。

　　圖2結(jié)晶器冷卻水控制回路圖

　　回路控制方式如下：

　　1）結(jié)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(jù)HMI上的調(diào)節(jié)閥設(shè)定開度值直接控制。

　　3）自動方式下，PLC根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)定流量值進行調(diào)節(jié)回路控制。

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

　　5）最小流量設(shè)定控制。不論手動或自動方式，調(diào)節(jié)閥的流量設(shè)定點都不能低于最小流量設(shè)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(zhì)量，減少溫降,實現(xiàn)熱送起著至關(guān)重要的作用。二冷水調(diào)試質(zhì)量將直接影響系統(tǒng)控制精度,進而影響鑄坯的質(zhì)量。

　　1#方坯連鑄機二冷水分為5區(qū)，每區(qū)有寬面和窄面兩個流量調(diào)節(jié)閥，共10個二冷水流量調(diào)節(jié)閥。每個回路的流量調(diào)節(jié)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(shè)定調(diào)節(jié)閥開度，PLC按設(shè)定值直接控制調(diào)節(jié)閥的開度，實現(xiàn)開環(huán)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(huán)調(diào)節(jié)控制功能。閉環(huán)回路通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，使實際流量值與流量設(shè)定值保持一致。自動流量控制有三種模式：2級二冷動態(tài)模型（L2），1級水表（L1）和操作員設(shè)定（OP）。

　　l在L2模式下，各區(qū)調(diào)節(jié)閥的流量設(shè)定值由2級計算機提供。

　　l在L1模式下，各區(qū)調(diào)節(jié)閥的流量設(shè)定值由1級PLC根據(jù)1級水表和實際拉速計算得出，在HMI畫面上可設(shè)定10個水表。

　　l在OP模式下，各區(qū)調(diào)節(jié)閥的流量設(shè)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(diào)節(jié)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(yōu)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(tǒng)的2-5區(qū)，每區(qū)有寬面和窄面兩個壓力調(diào)節(jié)閥，共8個氣霧冷卻空氣壓力調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)的控制邏輯圖如圖5所示。

　　圖5氣霧冷卻空氣調(diào)節(jié)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(shè)定調(diào)節(jié)閥開度，PLC按設(shè)定值直接控制調(diào)節(jié)閥的開度，實現(xiàn)開環(huán)控制。

　　3）自動壓力控制。在HMI畫面上，選中自動方式后，實現(xiàn)壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)控制功能。閉環(huán)控制回路通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，使實際壓力與壓力設(shè)定值保持一致。自動壓力控制有兩種模式：1級PLC（L1）設(shè)定和操作員設(shè)定（OP）。

　　l在L1設(shè)定模式下，壓力設(shè)定值根據(jù)氣表和相應(yīng)冷卻水實際水量計算得出。

　　l在OP模式下，壓力設(shè)定值由操作人員在HMI畫面輸入。

　　4.4設(shè)備閉路冷卻水控制

　　設(shè)備閉路水冷卻設(shè)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(guān)的監(jiān)測，并由手閥進行調(diào)節(jié)。對各回路冷卻水回水水溫檢測進行監(jiān)測，并在HMI上顯示流量低報警和溫度高報警。

　　4.5設(shè)備開路冷卻水控制

　　設(shè)備開路冷卻水即設(shè)備外部冷卻水，出坯區(qū)輥道外部冷卻水的流量采用手閥調(diào)節(jié)。其水量采用流量開關(guān)進行流量監(jiān)測。

　　5.結(jié)束語

　　邢鋼1#方坯連鑄機冷卻水控制系統(tǒng)于2011年5月投入生產(chǎn),至今系統(tǒng)運行良好,自動投運率達100%。鑄坯的各項性能指標達到生產(chǎn)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(tǒng)設(shè)計集成工作。

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

　　tantan@pzhsteel.com.cn