摘要:弧形连铸机塞棒自动开浇与液位自动控制系统采用Siemens S7-400PLC作为基础自动化设备 ，模仿人工开浇过程，设定自动开浇的5步动作，并通过生产试验优化了开浇参数，液位调节时，PLC将检测到的液位信号与设定值比较，通过变增益控制器利用差值来控制塞棒运动，以实现全自动浇钢。从而提高了铸坏质量，并为改造中国现有连铸机和设计现代化新铸机提供依据。

　 随着计算机技术的迅猛发展，连铸自动化水平不断提高，但开浇技术却一直相对滞后。20世纪80年代，丹涅利、德马克等己把自动开浇技术应用于连铸生产。而目前中国的大部分连铸机仍采用传统的手动开浇。尽管近年来首钢、宝钢、包钢等己在少数连铸机上实现了自动开浇，但很多是从国外引进的，且经常由于自动开浇模块引进的不完善或未完全掌握而降低开浇率。因此，开发具有自主知识产权的自动开浇技术是中国冶金工业的一项迫切任务。在连铸过程中，结晶器液面波动一旦超过±10 mm，就可能使保护渣和杂滓大量卷入钢水中，且会在铸坯表面产生夹渣和造成漏钢，所以结晶器钢水液位的稳定性是连续铸钢生产中至关重要的问题。在生产中通常采用控制塞棒开度的方法来控制液而的稳定。

1 自动浇钢控制系统硬件设计

　 需改造的铸机为弧形小方坯连铸机其控制系统改造思路是在消化吸收意大利DANTELI公司为首钢设计的矩形坯连铸机控制系统的基础上给出的。改造后的弧形连铸机控制系统的可编程控制器为Siemens S7-400PLC，替代原MODTCON 984控制系统，直流电机为INFRANOR公司下属的MA-VILOR公司的产品,型号为DC motor MSS6 Serie,功率为0.6 k W，伺服控制系统为同一公司生产的MQC1210012,液位检测仪表选用德国BERTHOLD公司的Co60放射源型液位检测装置,监控系统选用lntoueh7. 0,人机接口HM1,通讯网络选用工业以太网和Profibus现场总线。

　 PLC由电源模板、中央处理单元(CPU) ,数字量输入和输出信号模板、模拟量输入信号模板等部分组成。伺服控制器由2个控制字决定电机的动作，一个决定电机的运转方向，另一个决定电机转速。PLC接收液面的实际值信号和设定值信号，通过CPU运算处理后输出数据经Profibus总线传输，送给伺服控制器,修改它的2个控制字,驱动电机带动塞棒机构升降。液位检测系统根据结晶器钢液面的高低，产生420 mA的电流信号，然后接入PLC的模拟量输入模块。

2 塞棒自动开浇设计

　 自动开浇是实现连铸生产全自动化不可缺少的环节。它有利于获得质量稳定的优质连铸坯，同时能提高开浇成功率，增加连铸比，为多炉连浇提供条件并可改善劳动条件、节约劳动力。

　 当钢水进入中间包并达到预先设定点后，试验模仿人工开浇过程，塞棒开始5步动作，预先设定的开浇参数即塞棒运动模型主要包括:运动分几步、每步的位置及停留时间和一步到另一步的速度;拉矫机拉速从零到正常速度的变化模型;PTD调节参数( Kp, Ti, Td)等。图1为开浇时塞棒运动图。该曲线储存在铸机操作处方中,在每步时间内塞棒快速达到指定位置，生产中不一定5个步骤全部需要，当液位到达机器开浇所需的液位时，马上跳至最后一步。

　 图2示意了自动开浇时塞棒的位置、结晶器的液位及拉坯速度的变化。程序设计首先设定塞棒零位置，编码器在不同时刻返回不同的位置值，计算塞棒的实际开启距离，从而获得浇口流量值。从图2看出，开浇完成后塞棒的功能转为液位的自动调节。为保证结晶器液面稳定、不出现拉坯缺陷，程序设定了液位变化的范围值。同时，拉矫机开始拉坯，速度的增加由快变慢，最后稳定在正常拉速值，这时的钢水液位变化也须处在规定范围内。自此实现了全自动浇钢。

图2 自动开浇塞棒位置、结晶器液位及拉速变化

图3 塞棒控制液位原理

　 塞棒控制中间包水口开度，调节钢水从中间包流入结晶器的流量，以维持钢水液面的稳定，塞棒位置信号来源少结晶器液位监视器( Co60射线检测仪)，监视器通过液位测量系统准确地测量结晶器钢水液位高度。该信号提供给塞棒控制器，由控制器再把信号提供给侍服电机，侍服电机作用于塞棒执行机构，从而控制钢水从中间包到结晶器的流量，以此来维持结晶器钢水液面的稳定。

　 结晶器液位控制系统的核心是PID控制器模块。本系统采用串级控制方法，内环为位置环，外环为液位环，即采用两级PID控制方法:第1级为液位检测PID，第2级为塞棒位置检测PID。液位检测PID控制器输入量为控制误差e=r_ef－y_F,其中y_ref是结晶器的液位设定点，y_F为实际检测的结晶器液位,其输出值是塞棒位置S,它也是第2级PID(即塞棒位置检测PID)控制器模块的塞棒位置设置点S_ref,它与检测到的塞棒的实际位置SF之差( b=S_ref一S_F)作为第2级控制模块的输入量,其输出值为塞棒执行机构的电信号,同时系统还会根据拉坯速度的变化调整结晶器液位高度,它是液位——塞棒——拉速结合在一起的控制方法。

　 PID控制液位的原理是:液面高度h(t)是流入结晶器钢水量与流出结晶器钢水量的积分。

　　

　 结晶器钢水液位PID控制是按设定液位值与实际测量的液位值偏差的比例、积分和微分线性组合的控制方式。

　 在PID控制中,设定Kp, Ti, Td参数是关键。它与钢种、结晶器横断面尺寸、拉速等有关。首先建立控制系统数学模型通过MATLAT3进行仿真调整优化Kp, Ti, Td等参数，再依据仿真结果并结合现场实际进行微调。

　 为准确、快速地调节液位，执行自动控制程序时，CPU采集液位设定值和实际值，然后根据差值的大小来确定不同的PID调节参数。当差值较大时，塞棒快速提升或下降，具有较大的调节参数;差值较小时，应力求塞棒位置准确，故降低调节参数，即根据差值进行分段处理，以快速而准确地到达给定液位值。为此，程序设计如下的变增益控制器:

　 对应于不同控制增益的误差区间分别称为死区、不灵敏区和灵敏区，当│e(t)│<e3时称为事故区,系统自动停止运行。

　 另外，由于系统的非线性特性及拉速波动，水口结瘤.结瘤脱落等非稳态波动，控制器在设计时还考虑了①干扰信号的影响，即dither的振动环的设计，它在连铸过程中也是很重要的，实践证明，信号叠加后可避免液位绕设定值呈周期性波动的极限环振荡现象。②减少塞棒、水口结瘤的塞棒抖动功能。③高、低液位报警功能。整个系统在任何时均可实现塞棒的手动控制，以防止意外事故，及时、准确地关闭塞棒。

4 全自动浇钢试验

　 试验在1机8流弧形小方坯连铸机上的一流上进行。浇注断而为120 mm ×120 mm.中间包自动开浇质量为9. 5 t，钢种为各种碳钢、低合金钢，试验共进行了30个浇次，力求获得合理的开浇和液面调节的参数。试验中钢水流量的理论计算采用VSV通量表，实践证明，这与实际使用的塞棒有些差距，后观察操作工手动开浇过程，适当放大开浇的塞棒位置，获得了较合理的开浇参数;同时，在多次优化液位调节参数后.调节品质得到很大提高。图4为某次试验的自动浇钢曲线，中包温度为1497℃ ，钢种82B起步拉速为2.2 m/ min 。

　 由图4可见，自动开浇成功后，液位能很快达到给定值并保持稳定，波动不明显。值得指出的是，试验采用的小方坯连铸结晶器，尺寸较小，液面较易受到扰动的影响。试验成功后投入试生产，又对20个中包浇次的钢水进行测试，结果表明在正常稳定的工作状态下(不包括开浇和引锭杆未脱出时的控制)液面控制精度15 mm，达到了设计要求。

　 （1）塞棒定位准确、迅速，液位控制精度较高，在正常稳定的工作状态下液面控制精度±5mm，满足连铸要求。

　 （2）自动控制系统能适应各种现场环境因素的改变，如钢种、断而、拉速、中包液位等，精度控制较局。

　 （3）自动控制系统在浇注过程中因更换大包及水口，或因其他因素引起液位波动时，能在很短的时间内稳定下来，具有较强的抗干扰性。

　 （4）自动控制系统安全性好，投资低、操作简单。