撫鋼合金鋼方坯連鑄機(jī)二次冷卻控制

1、撫鋼合金鋼方坯連鑄機(jī)二次冷卻控制1)張振山柴天佑王偉鄧立民呂鳳鈞鄧長輝摘要介紹撫鋼合金鋼方坯連鑄機(jī)二次冷卻控制系統(tǒng)的組成和各局部的功能，說明二冷水流量設(shè)定、拉坯速度前饋控制以及溫度反應(yīng)控制，重點(diǎn)分析了鑄坯成長模型和鑄坯外表溫度濾波等關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵詞連鑄機(jī)二次冷卻鑄坯成長模型secondary cooling control for alloy steel billet continuous caster in fushun special steel co ltd zhang zhenshan chai tianyou wang wei (automation research center

2、of northeastern university shenyang 110006) deng limin lü fengjun deng changhui (fushun special steel co ltd) abstractthe construction and functions of the secondary cooling control system for alloy steel billet continuous caster in fushun special steel co ltd are introduced. the setting of wat

3、er flowrate, feedforward control of withdrawal velocity and feedback control of temperature are described. some key technologies, such as billet life time model and surface temperature filtering are analyzed in detail. key wordscontinuous caster; secondary cooling; billet life time model 撫鋼連鑄分廠的弧形連鑄

4、機(jī)為1機(jī)4流，用于澆鑄合金鋼方坯(最大斷面320mm×280mm)，由意大利danieli公司設(shè)計(jì)。東北大學(xué)自動(dòng)化研究中心與撫鋼連鑄分廠電氣工程師對控制系統(tǒng)進(jìn)行了消化吸收，參加了安裝調(diào)試。二次冷卻是連鑄過程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，本文將對其控制原理和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。1系統(tǒng)組成二次冷卻系統(tǒng)由生產(chǎn)現(xiàn)場、過程控制和優(yōu)化設(shè)定3級組成，如圖1所示。4流都有獨(dú)立的完全相同的二次冷卻控制系統(tǒng)，下面只介紹其中1流系統(tǒng)。圖1二次冷卻系統(tǒng)概圖1.1生產(chǎn)現(xiàn)場級連鑄坯由結(jié)晶器“出生后，要經(jīng)過半徑為12m，長16.4m的扇形輥道，再進(jìn)入拉矯機(jī)進(jìn)行矯直。二冷水的噴嘴就安裝在扇形輥道的四周，分成3個(gè)段，每段的長度和噴嘴

5、數(shù)量見表1。表1二冷區(qū)各段長度與噴嘴數(shù)量二冷區(qū)分段長度/mm噴嘴數(shù)量/個(gè)120022220093440010系統(tǒng)的控制量是二冷水的流量，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是氣動(dòng)薄膜閥，每段1個(gè)。系統(tǒng)的反應(yīng)量有4種，一是二冷水流量，用于二冷水的流量控制回路，每段1個(gè)流量計(jì)；二是鑄坯外表溫度，由安裝在二冷室出口處的輻射測溫計(jì)測量；三是鑄坯的位移增量，由拉矯機(jī)上的碼盤測量；四是拉坯速度，由變頻器輸出一個(gè)模擬量提供。1.2過程控制級過程控制級采用西門子的可編程序控制器s5-135u，完成二次冷卻的所有實(shí)時(shí)控制功能，采用西門子的r125型pc機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，二者經(jīng)sinech1網(wǎng)進(jìn)行通信。在過程監(jiān)控pc機(jī)上，人機(jī)界面用組態(tài)軟件fix

6、32開發(fā)。與二次冷卻有關(guān)的功能有：顯示二冷水每段的實(shí)際流量、壓力以及連鑄坯在二冷室出口處的外表溫度等，還可以設(shè)定鑄坯出口溫度，二冷水流量設(shè)定模型的3個(gè)參數(shù)(k1、k2、k3)，溫度反應(yīng)控制器的比例增益kp和積分增益ki，另外還能進(jìn)行噴水測試。1.3優(yōu)化設(shè)定級r125型pc機(jī)除了連在sinec-h1網(wǎng)上外，還可以和過程控制pc機(jī)直接進(jìn)行通信。軟件用pascal語言開發(fā)，用來管理生產(chǎn)過程的歷史數(shù)據(jù)庫和技術(shù)數(shù)據(jù)庫，包括編輯和修改各種設(shè)定值，用曲線的方式對當(dāng)前和歷史的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，以方便專業(yè)技術(shù)人員對生產(chǎn)過程進(jìn)行離線分析和優(yōu)化。2控制原理二次冷卻的被控對象可以看成是3輸入單輸出的溫度系統(tǒng)。3個(gè)輸入

7、分別是3段二冷水的流量，一個(gè)輸出是鑄坯在二冷室出口處的外表溫度。二次冷卻的控制目標(biāo)實(shí)質(zhì)是整個(gè)鑄坯的溫度場，由于無法直接測量，只能在鑄坯出二冷室時(shí)測量它的外表溫度，所以在設(shè)計(jì)控制器時(shí)就把控制目標(biāo)由溫度場轉(zhuǎn)化為外表溫度了。二冷水的3個(gè)流量控制回路(圖1只畫了其中的一個(gè))采用常規(guī)的pi控制器，故不再多說。2.1流量設(shè)定與前饋控制拉坯速度是設(shè)定二冷水流量的重要依據(jù)之一，在影響鑄坯溫度的干擾中，拉坯速度也是最主要的。拉坯速度和二冷水流量間的具體關(guān)系可以用二次多項(xiàng)式來表示：ff=k3k2.sk1.s2(1)如圖1所示，式中ff是流量設(shè)定值；k1、k2、k3是多項(xiàng)式的3個(gè)系數(shù)，根據(jù)鑄坯的鋼種和規(guī)格來確定；s

8、是平均拉坯速度，計(jì)算方法將在下文給出。式(1)起兩個(gè)作用，一是設(shè)定每段二冷水的根本流量，二是當(dāng)拉坯速度發(fā)生變化時(shí)能對所設(shè)定的流量進(jìn)行前饋修正。2.2溫度反應(yīng)控制二冷系統(tǒng)的溫度反應(yīng)控制回路采用常規(guī)pi控制器：fb=kp.tki.t(2)t=tsettf(3)如圖1所示，式中fb是對流量的反應(yīng)修正值，kp、ki分別是比例和積分控制增益，tset是鑄坯在二冷室出口溫度的設(shè)定值，tf是經(jīng)過濾波的鑄坯外表溫度的測量值。反應(yīng)控制對流量的修正是受限的，修正后的總流量不得低于前饋流量的30，這主要是從平安角度考慮的。另外，如果tf低于800，為防止積分控制器飽和，要停止積分。如果tset低于800，積分也將停

9、止，但比例控制仍然起作用。本系統(tǒng)的拉坯速度一般為1.3m/min，所以傳輸滯后相當(dāng)大，3個(gè)控制量同時(shí)輸出，控制效果的反應(yīng)不是同時(shí)的。這種大滯后的特點(diǎn)決定了控制周期不能太短，也不能追求太快的響應(yīng)，否那么會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。3關(guān)鍵技術(shù)獲得(1)式中平均速度s和(3)式中鑄坯溫度tf是本系統(tǒng)的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，主要介紹如下。3.1鑄坯成長模型(1)式s是兩個(gè)速度的加權(quán)平均：s=(1k).vk.v(4)如圖1所示，式中k是系數(shù)，決定兩種速度所占的權(quán)重；v是鑄坯的瞬時(shí)拉速，來自變頻器的模擬量輸出；v是平均速度，來自鑄坯成長模型。鑄坯“成長是對連鑄坯一次冷卻和二次冷卻工藝的一種擬人化的說法。對于連鑄坯上任何一橫

10、截片，它在結(jié)晶器內(nèi)的一次冷卻過程稱為“孕育，在孕育過程中形成坯殼；從結(jié)晶器“出生到拉矯機(jī)前的二次冷卻過程叫作“成長；成長過程又可分為兩個(gè)階段，有液芯時(shí)為“幼年，完全凝固后為“成年。以結(jié)晶器彎月面為起點(diǎn)，鑄坯橫截片所經(jīng)歷的位移叫作“旅程，所花的時(shí)間叫作“年齡。在本系統(tǒng)的連鑄坯上，每隔200mm就有一個(gè)橫截片被跟蹤，鑄坯成長模型中就存儲著這些橫截片的旅程和年齡，用旅程除以年齡，就得到橫截片過去的平均速度，如圖1所示。圖2給出了連鑄坯上被跟蹤橫截片的位移(旅程)和時(shí)間(年齡)在plc中的存儲示意圖。圖2旅程表和年齡表的存儲當(dāng)跟蹤點(diǎn)位于0200mm時(shí)，它的準(zhǔn)確位置和到此處所用的時(shí)間分別存在db81和d

11、b82的dd2中，以此類推。設(shè)結(jié)晶器液位是600mm，再由表1可知，600800mm、18002000mm和52005400mm3個(gè)位置分別對應(yīng)3個(gè)二冷段的中間。采用處于以上3個(gè)位置的橫截片的數(shù)據(jù)來計(jì)算平均速度，即用dd8計(jì)算所得代表二冷一段中鑄坯的平均速度，用dd20和dd54數(shù)據(jù)算出的平均速度分別代表位于二段和三段中鑄坯的平均速度。鑄坯的位移靠碼盤來檢測，鑄坯每移動(dòng)200mm，存放器中的數(shù)據(jù)就移動(dòng)一次，dd56在鋼坯上所對應(yīng)的橫截片不再被跟蹤，它的數(shù)據(jù)也被原來dd54的內(nèi)容覆蓋掉了；之后，一個(gè)新的橫截片將被跟蹤，它對應(yīng)著結(jié)晶器彎月面附近剛生成的坯殼，其數(shù)據(jù)在dd2中保存和更新，直到鑄坯又移

12、動(dòng)了200mm?？梢姡T坯成長模型的作用在于計(jì)算出(4)式中的平均速度v。我們知道，前饋控制是為了加快二冷水流量對拉速變化的響應(yīng)速度，但隨著平均速度分量的加重，響應(yīng)速度將變慢，如同進(jìn)行了慣性濾波，為什么要這樣做呢?二次多項(xiàng)式屬于靜態(tài)控制，也就是說它是適用于恒定拉速的情況。當(dāng)拉速變化時(shí)，比方由小變大，如果單純用當(dāng)前的瞬時(shí)速度對給水量進(jìn)行修正，將會造成過度冷卻，這是因?yàn)榈屠贂r(shí)二冷強(qiáng)度低，二冷時(shí)間長，鑄坯內(nèi)部的熱量更有時(shí)間傳到鑄坯外表，使外表溫度比擬高；本來高拉速所對應(yīng)的大噴水量在較低的外表溫度下已經(jīng)把換熱效率提得足夠高了，這種較高的外表溫度進(jìn)一步加大了坯水溫差和換熱系數(shù)，所以導(dǎo)致了過高的換熱效率

13、。用加權(quán)平均速度替換瞬時(shí)速度就可解決這個(gè)問題。從這個(gè)角度講，引入平均速度，相當(dāng)于在靜態(tài)控制前參加了一個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)，從而使靜態(tài)控制器能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)過程。那么系統(tǒng)的過渡過程有多久呢?以拉坯速度變化的時(shí)刻為起點(diǎn)，考慮結(jié)晶器彎月面新生成的坯殼，當(dāng)它移到二冷一段中央時(shí)，該段的給水量才完全和新拉速相對應(yīng)，當(dāng)它運(yùn)動(dòng)到三段中央時(shí)，整個(gè)過渡過程才結(jié)束。顯然，如果把平均速度的權(quán)重定為100，就有些太保守了。也就是說，平均速度并不能完全反映外表溫度的影響，只是因?yàn)樗鼘o水量所起的緩合作用有益于在過渡過程中使鑄坯獲得適宜的冷卻效率，所以才給它一定的權(quán)重。平均速度的權(quán)重是受限的，不僅如此，當(dāng)平均速度大于瞬時(shí)速度的1.5倍時(shí)

14、，采用瞬時(shí)速度的1.5倍，即平均速度本身也被限幅，這進(jìn)一步說明用平均速度來補(bǔ)償外表溫度的過渡過程是有約束條件的。3.2鑄坯外表溫度濾波由于水霧、鋼坯外表氧化皮、不均勻冷卻等因素的影響，溫度檢測信號中有大量的干擾，如圖3所示，為此需要對實(shí)測溫度進(jìn)行濾波。圖1中的溫度濾波器包括兩局部：一是取最大值，二是取平均值。plc程序每執(zhí)行1次，就讀取1個(gè)溫度值t(i)，程序的執(zhí)行周期不到200ms，那么在8s內(nèi)可以讀到40多個(gè)溫度值，第1次濾波就是在這40多個(gè)值中取最大的，即(5)圖3溫度測量波形示意圖這樣每8s可以得到1個(gè)t1(n)。在接下來的第2次過濾中，要把過去8個(gè)經(jīng)過第1次濾波的值取平均，即(6)這便得到最終用于反應(yīng)控制的溫度tf(n)。假設(shè)連鑄速度是1.2m/min，8s內(nèi)鑄坯走了0.16m，8×8s內(nèi)走了1.28m。溫度濾波的實(shí)質(zhì)是在0.16m長的鋼坯上取最大溫度值，并以此為根底，在1.28m長的鋼坯上取平均溫度值?？梢?，二冷水溫度反應(yīng)控制的周期是8s，除了連鑄坯的傳輸滯后外，溫度測量環(huán)節(jié)也存在著滯后。4結(jié)束語撫鋼連鑄生產(chǎn)線已于