摘要:梅山炼钢厂2号高效板坯连铸机结晶器液位控制系统采用了SIEMENS PCS 7系统。简要阐述了液位控制系统的原理、结构特点以及与工艺的匹配。

　 我国钢铁工业正在进行提高质量和降低成本为目标和质量的结构性调整，其中连铸生产技术占有较重要的地位。为达到连铸生产的高效率、高质量和低成本，世界上各个国家都在不断地提高铸机的装备水平。而结晶器是连铸机上的一个关键设备，其液位控制精度对提高钢产量和钢质量、降低钢坯生产事故率有着重要的意义。　 本文主要介绍液位控制系统的应用。

　 梅山高效板坯连铸机由VAI设计的采用当前世界上最先进的技术装备的铸机。采用结晶器在线调宽、漏钢预报、结晶器电磁制动和动态轻压下等技术。铸机正常拉速可高达2.4 m/min。可以说结晶器液位自动控制系统是实现高拉速的必要条件。

2.1液位检测单元

　 传统的检测系统采用Co一60或浮球检测系统。其中Co—60检测虽然精度高，但其具有放射性，需要专业人员保管和使用，安全性不高。而浮球是采用耐材制造的，会受到钢水的侵蚀，需定期人为更换和预热，增加操作人员的劳动强度和中断整个控制系统降低铸机的效率。本系统的检测单元是采用VUHZ公司电磁感应式传感器，测量范围为0～160mm。此传感器安装在结晶器的顶部。冷却系统采用直接用铸机的一次冷却水闭环冷却，几乎不用另增设备。

　 该传感器内部基本结构原理见图1。由励磁线圈S和检测线圈L和检测线圈R组成。励磁采用峰峰值15V频率800HZ的信号。由于浇注时钢液面上有保护渣层，而此励磁产生的电磁信号可以穿透10mm的渣层和18mm钢水。但该电磁信号不能穿透铜板，因此在传感器的其它部位使用铜质的外壳。电磁信号经过钢液面反射回来分别在两个检测线圈上产生与钢液面的高度成相应关系的感应电动势VL和VR。电动势Ve(Ve=VL+VR)和结晶器振动的频率(fo)和振幅(Fo)信号一起作为变送器的输入信号经过补偿、转换成标准的4～20mA液位信号。其运算可用函数关系式(1)表达。

Iout= f( Ve, fo, Fo, P₁₀，P₁₁ , P₁₂)　　 (1)

　 式中:P₁为结晶器内没有钢水时的信号即零点;P₁₁为满量程;P₁₂为输出信号的线性修正系数。见图2。

2.2控制单元

　 结晶器液位控制运算单元采用SIEMENS公司PCS7系统，PLC为S7 - 400。为了提高铸机的效率，通过控制塞棒来控制结晶器液位控制原理，见图3。由于塞棒动作的响应时间长，对液位控制非线性度大，甚至还可能出现无规律现象，从而导致液位控制的不稳定性，而且控制精度低。主要有以下因素:

　 (1)塞棒控制的性状有影响。例如，含铝量较高的钢流浇注时，水口部分容易粘结，从而对钢流的流动起阻塞作用。

　 (2)在浇注过程中，塞棒及水口被逐渐熔融、冲刷、侵蚀而改变钢流通道的尺寸和形状，这些都将改变钢流。

　 (3)由于过程参数的改变，诸如钢液温度、中间罐钢流量，都将对结晶器液位控制产生影响。

　 针对以上情况，SIEMENS运用现代智能控制技术模糊控制器来实现其控制思想。所设计的控制软件采用以塞棒开度控制液位的系统，将液位传感器检测的液位信号h(n)与给定的液位信号r（n）比较，计算出液位偏差e(n)及偏差变化率ec(n)，并进行模糊化、模糊推理和决策，经过调节因子计算后，送给实际的塞棒开度PI控制器进行运算，其输出中间罐塞棒的开度，从而控制结晶器的液位。其中拉速s(n)是已知量作为前馈量。液位模糊控制系统框图见图4。模糊控制器选用二维输入和一维输出，输入变量为结晶器液位误差E和液位误差变化率EC,输出量Z改变塞棒开度PI控制器的P,I参数。根据模糊理论推理的经验:当偏差E较大时，需加快系统响应速度，取较大的P，同时为防止积分饱和系统响应出现超调，取较小的I;当E和EC适中时，取适中的P和较小的I;当E较小时，取较大的P和I。

图4液位模糊控制系统框图

　 模糊控制规则用模糊条件语句表示为:

　 if E is Ei AND EC is ECi THEN P(I) is Pi(Ii)

　 根据控制规则可计算出模糊输出量P和I的隶属度。

　 其中Ei和ECi是E和EC两前提空间的模糊子集，Pi(Ii)是结论P(I)空间的模糊子集，i=1,2,……,N,N为模糊标记的数目。

　 模糊控制规则的推理通过编程在PLC中完成，控制规则采用带有调节因子的控制算法，计算出模糊输出量P和I，对常规PI控制器中给定的P和I进行在线修正。

　 至于塞棒堵塞，通过塞棒开度反馈值及时给出报替提醒，通过人为冲棒操作解决处理。

2.3执行单元

　 执行机构使用电动伺服马达作为驱动通过丝杆实现塞棒的有关动作。塞棒执行机构由VAI设计，选用YASKAWA伺服执行器和伺服马达，该伺服马达最大输出力矩Fmax=6.25 kN;塞棒执行机构最大速度Vmax=60mm/s，最大行程Lmax=90mm。响应时间为14s。

3.1调试阶段

　 此液位控制系统在调试阶段控制效果比较理想。液位控制精度为士2mm，达到了设计要求。控制效果见图5。

3.2调试后阶段

　 但在其后的正常生产中，随着新钢种的增加，新的生产工艺参数的投入以及在低拉速浇注合金钢和包晶钢时出现了液位的波动(波动量为8%～10%)。通过把PLC原扫描时间为120ms的低速模拟量输入I/O模板替换成扫描时间为10ms的高速模拟量输入I/O模板，控制软件由每20 ms执行一次的OB37改为每10ms执行一次的OB38，并把塞棒执行机构伺服马达转速由1200 r/s提高到2000 r/s。液位波动状况有较大改善((4 %～ 5%)。若调整连铸机的二冷配水量对结晶器液位也有影响。

　 通过实际的生产和液位控制系统运行的状况分析，就该控制系统本身是一个非常完善的控制系统。由于铸机矫直段前动态轻压在处理铸坯鼓肚时所造成液位的波动，是液位控制系统无法控制和修正的。在工艺参数经过调整优化以后，并提高液位控制系统的运行处理速度，该控制系统一直运行稳定可靠。

　 另外，梅山高效连铸机结晶器有EMBR即电磁制动系统，但该系统对结晶器液位传感器产生一个固定的干扰，所以结晶器液位控制系统必须在EMBR启动后才能投人自动方式运行。