摘要：介紹了邢鋼1#方坯連鑄機(jī)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(dòng)控制

　　1.概述

　　連鑄是一個(gè)多變量、非線性、大滯后、具有較強(qiáng)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(gè)冷卻區(qū)，每個(gè)冷卻區(qū)包括多個(gè)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(jī)冷卻水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

　　2.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　河北邢鋼1#方坯連鑄機(jī)是3機(jī)3流連鑄機(jī)，連鑄機(jī)自動(dòng)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(jìn)行單獨(dú)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(gè)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(gè)從站，為：4.5米平臺(tái)1#遠(yuǎn)程I/O從站、4.5米平臺(tái)2#遠(yuǎn)程I/O從站，10米平臺(tái)3#遠(yuǎn)程I/O從站；主站的高速工業(yè)以太網(wǎng)接入HMI人機(jī)界面系統(tǒng)的高速工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)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(shí)現(xiàn)低成本自動(dòng)化。

　　圖1：連鑄機(jī)自動(dòng)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(jì)算機(jī)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?；A(chǔ)自動(dòng)化的HMI監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)采用西門子Wincc6.2開發(fā)版、運(yùn)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(jì)，將不同功能模塊設(shè)計(jì)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(cuò)率降低，提高程序可靠性；同時(shí)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(shí)值函數(shù)f（x）在該區(qū)間上n＋1個(gè)互不相同點(diǎn)x0，x1……xn處的值是f[x0］，……f（xn），估算f（x）在[a，b］中某點(diǎn)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(dòng)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(jìn)行控制的PID控制器控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定簡單有效等優(yōu)點(diǎn)；在連鑄冷卻水多種控制方式切換上采用PID設(shè)定值自動(dòng)跟蹤測量值的平滑過渡，從而系統(tǒng)達(dá)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(jī)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(bào)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?；?。

　　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(huì)產(chǎn)生裂紋；水量過小，冷卻能力不夠，會(huì)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(huì)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(jìn)水管進(jìn)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(jìn)出水溫度差一般為4～8℃，每個(gè)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(gè)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(dòng)和自動(dòng)兩種方式，在HMI畫面上選擇。

　　2）手動(dòng)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(dòng)方式下，PLC根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)定流量值進(jìn)行調(diào)節(jié)回路控制。

　　4）手動(dòng)關(guān)閉。鑄機(jī)在維護(hù)模式下，在HMI畫面上操作，可手動(dòng)打開或關(guān)閉進(jìn)水切斷閥和回水切斷閥。

　　5）最小流量設(shè)定控制。不論手動(dòng)或自動(dòng)方式，調(diào)節(jié)閥的流量設(shè)定點(diǎn)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(shí)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(jìn)而影響鑄坯的質(zhì)量。

　　1#方坯連鑄機(jī)二冷水分為5區(qū)，每區(qū)有寬面和窄面兩個(gè)流量調(diào)節(jié)閥，共10個(gè)二冷水流量調(diào)節(jié)閥。每個(gè)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(dòng)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(dòng)和自動(dòng)兩種方式，在HMI畫面上選擇。

　　2）手動(dòng)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(shí)現(xiàn)開環(huán)控制。

　　3）自動(dòng)流量控制。在HMI畫面上，選中自動(dòng)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(shí)際流量值與流量設(shè)定值保持一致。自動(dòng)流量控制有三種模式：2級二冷動(dòng)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(jì)算機(jī)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(shí)際拉速計(jì)算得出，在HMI畫面上可設(shè)定10個(gè)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(dòng)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(dòng)范圍小、冷卻水用量少等優(yōu)勢，所以氣霧混合水壓動(dòng)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(gè)壓力調(diào)節(jié)閥，共8個(gè)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(dòng)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(dòng)和自動(dòng)兩種方式，在HMI畫面上選擇。

　　2）手動(dòng)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(shí)現(xiàn)開環(huán)控制。

　　3）自動(dòng)壓力控制。在HMI畫面上，選中自動(dòng)方式后，實(shí)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(shí)際壓力與壓力設(shè)定值保持一致。自動(dòng)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(shí)際水量計(jì)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(jī)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(jìn)行調(diào)節(jié)。對各回路冷卻水回水水溫檢測進(jìn)行監(jiān)測，并在HMI上顯示流量低報(bào)警和溫度高報(bào)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(jìn)行流量監(jiān)測。

　　5.結(jié)束語

　　邢鋼1#方坯連鑄機(jī)冷卻水控制系統(tǒng)于2011年5月投入生產(chǎn),至今系統(tǒng)運(yùn)行良好,自動(dòng)投運(yùn)率達(dá)100%。鑄坯的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),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(jì)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(dòng)化工程設(shè)計(jì)審查工作。

　　tantan@pzhsteel.com.cn