结晶器液面控制探析

天津冶金职业技术学院

毕业课题

结晶器液位控制系统探析

系别机械工程

专业机电一体化

班级09机械

学生姓名徐冀峰

指导教师张秋菊

2011年9月27日

摘要

连铸是炼钢生产的核心设备。当代高端大型连铸机大多采用多流园弧形连铸机，连铸控制采用二级自动控制系统，即PLC控制和过程控制。在整个系统中，结晶器液位控制是关键技术。液位控制有很多方式，普遍采用的是钴-６０液位控制。本文将对钴-６０液位控制系统进行探析。

关键词：结晶器，液位控制，过程控制系统

目录

摘要-------------------------------------------------------Ⅰ

1.概述---------------------------------------------1

2.结晶器液位控制原理---------------------------------1 2.1.基础自动化部分---------------------------------------------1 2.2.检测部分--------------------------------------------1 2.

3.结晶器液位控制器------------------------------------1 2.

4.伺服执行机构-------------------------------------2

2.5.液位显示部分-----------------------------------------2

3.系统的组成---------------------------------------2 3.1.基础自动化-P L C系统-----------------------------------2 3.2.液面位置检测部分---------------------------------------3 3.3.结晶器液位控制器-----------------------------------------4

3.4.伺服执行机构---------------------------------5

4.自动浇铸-------------------------------7 4.1.前馈控制-------------------------------8

4.2.比例参数重新调正----------------------------------------8

5.结束语-----------------------------9

6.参考文献：-----------------------------9

1.概述

连铸是炼钢生产的核心设备。大型或特大型连铸机大多采用多流园弧形连铸机，连铸电控采用二级自动控制：即PLC控制和过程控制，全系统主要有钢水称重、钢水测温、钢渣检测与控制、结晶器钢水搅拌、结晶器液位控制、二冷水调节、引锭杆跟踪、自动切割、钢坯自动打号、钢坯输送及质量跟踪等控制，其中，结晶器液位控制是关键技术。

液位控制有很多方式，主要有：涡流式，浮子式，电极式，电磁感应式和钴-６０射源式，这些控制技术各有千秋，其中，鈷-60液位控制更为成熟。

目前，许多工业国家，如德国、意大利、美国、日本和韩国等大型钢厂都普遍采用钴-６０液位控制技术，经济效益十分可观。近年来，国内炼钢也逐渐开始采用鈷-60液位控制。本文将对这一控制技术进行详尽的探讨与分析。

2.结晶器液位控制原理

在连铸过程中，为了保证铸坯质量，防止溢钢和拉漏事故的发生，必须对结晶器液位进行控制，以使结晶器内的钢水液位达到相对稳定状态。影响结晶器液位变化有五个主要因素：一是钢种，二是钢水温度，三是中间罐注入结晶器的钢水流量，四是拉矫速度，五是结晶断面的大小。其中最主要的是钢水流量。通过调节中间罐塞棒的位置，来控制滑动水口的钢水流量；或调节拉矫速度来控制液位高低。由于采用恒定结晶器断面和定速拉矫的控制方式。因此结晶器液位控制，是通过调节中间罐塞棒位置来完成的。

结晶器液位控制通常采用串级闭环控制系统，该系统主要由以下部分组成：2.1基础自动化部分

是液位控制系统的神经中枢，大都采用PLC控制系统。目前使用较多的是SIEMENS/S7-400 System，简称S7-400系统，这一系统可较好地实现结晶器液位闭环控制。

2.2检测部分

包括：钴－60射源、闪烁计数器、结晶器液位计等自动化设备。

2.3结晶器液位控制器

包括：V/I转换器、振荡器、解调器、PID调节器、伺服放大器等。

2.4伺服执行机构

包括：电一液伺服阀、电磁换向阀、液压缸和中间罐塞棒机构。

2.5液位显示部分

主要是HMI操作画面(人机对话操作画面)和智能仪表显示。

整个结晶器液面控制系统，如图1所示。

图1. 结晶器液位控制系统图

液位控制原理是：现场检测到的钢水液位信号输入到S7-400系统，S7系统将检测到的现场液位实际值与设定值进行比较，将其差值进行PID运算，运算输出信号作为内环PID的设定值输入，该值再与塞棒位置信号进行比较，其差值经PID运算后，再将信号输出控制伺服阀，进而控制液压执行机构—液压缸动作，液压缸驱动塞棒升、降，塞棒控制钢水流量，使结晶器液位达到最佳设定值。

3.系统的组成

3.1基础自动化-PLC系统，即S7-400系统，主要配置：

一个主模件MFC Multi Function Controller

两个数字输入子模件DSI Digital Slave Input

两个数字输出子模件DSO Digital Slave Output

一个快速反应混合子模件QRS Quick Response Slave

一个模拟输出模件AOM Analog Output Module

六个端子模件TB Terminal Board

在液位控制系统中，来自结晶器检测元件的实际液位信号，经液位计处理变为4-20mA 的标准信号，该信号经端子模件ＴＢ送到相应的子模件DSI 和QRS 中，然后再送到主模件MFC 中,MFC 按PID 算法，计算出设定液位控制信号。经输出子模件DSO 和端子TB ，送到V/I 逆变器。将电流信号变为电压信号，再送到伺服放大器，经过比较运算和PID 运算后，输出控制信号到伺服阀，伺服阀控制液压缸动作，液压缸驱动中间罐塞棒升、降运动，使结晶器内钢水液面在设定值允许范围内轻微波动。

3.2 液面位置检测部分:主要是钴-60射源、闪烁计数器和结晶器液位计。

3.2.1 钴60-射源

物理测量原理是基于放射性射束经过金属物质时，其放射性强度减弱这一事实。γ射线的减弱程度，遵循指数规律衰减，其指数定律是：

式中：I0 为初始强度，d 为介质厚度，ε为介质密度，η为衰减系数（取决于射源类型）。

因此，测量计数只由厚度和密度之积ε·d 来决定。由于结晶器 熔池的高密度，最终吸收特性将在高弯曲部分（即使测量路径相对小），因而密度变化的影响微不足道，并且射线被完全吸收。

结晶器壁厚对测量计数没有影响，它只产生一个固定衰减因数，而这可通过增加射源的活性强度来补偿。选择合适的射源活性，使在允许操作条件及经过结晶器壁厚之后，仍有足够剂量率。射源的长度由测量范围的大小及测量系统的几何形状决定，一般在100-120mm 之间。

随着结晶器液位的升高，被熔池所遮挡的射源部分也增加，因此，被闪烁计数器所吸收的放射强度与结晶器液位成反比。由测量系统几何形状产生的非线性，将由沿

d

e I I ηε-?=0

射源的非线活性分布补偿，因此，在闪烁计数器（探测器）端部的射线强度总是与结晶器实际液位成线性比例关系。

射源钴-60的半衰期为5.3年，通常设计成5年寿命，射源装在带有可锁定光束窗的铅罐里，停止浇铸时关闭光束窗。

放射源、闪烁计数器和结晶器液位计组成的信号检测与处理系统，如图2所示。

图2.信号检测与处理系统

3.2.2闪烁计数器

闪烁计数器由NaJ（T１）晶体构成，由射源发射出的γ量子诱发晶体闪光，其频率与伴随的辐射强度成正比，晶体与光电倍增器进行光耦合后，光电倍增器的光敏层释放出电子。光敏层的HV（高压）加速电子向阳极运动，在阳极进一步释放电子。当它们碰到倍增电极时，串联的前置放大器就会产生高幅值的输出脉冲，然后再转换成标准脉冲，以确保无干扰传输信号。

3.2.3结晶器液位计

主要收以下部分构成：调整单元，测速单元，模拟显示单元，限度单元和振荡补偿。

从检测器来的标准脉冲，通过光电耦合器输入到液位计。特殊设计的电路可保证有相当高的共模抑制比，以防止外来干扰。计数脉冲在这里被进一步放大，标准化，计数，并被测速计平均为计数速率，由此得到结晶器液位信号。，由于计数速率信号变化与液位成反比，最后的信号被颠倒，因而直接与结晶器液位成正比。一般测量精度是：±2%－±3%。

3.3结晶器液位控制器

主要包括：V/I转换器、振荡器和解调器、PID调整的伺服放大器。

3.3.1V/I转换器

它可以将输入到S7－400的电压信号转换成4－20mA的电流信号；亦可将S7－400输出的电流信号转换成标准电压信号。

3.3.2振荡器和解调器

它由一个振荡器和一个与振荡器相位同步的解调器构成。主要完成对其测量信号的调制和解调。

振荡器产生两个正弦波电压（相位相反），用以激励转换器初级线圈，其振幅和频率可调。解调器从转换器接收到一个正弦信号，其振幅与位置值成正比，并将其转换为连续电压。

3.3.3PID调节的伺服放大器

PID调节能实现比例、积分、微分运算，其输出信号控制伺服阀。伺服放大器部分，对外部输入的两个信号的代数值（设定值和反馈值），进行比较并计算其偏差，最终用一个放大了的电流信号去控制伺服阀，以消除实际值和设定值之间的偏差。

伺服放大器部分可实现下列功能：

●读出并放大比较节点的偏差

●内部误差校正和外部误差校正的转换

●现场手动PID调节

●现场PID校正和计算机PID校正的转换（V/I）

●输出电流直接驱动伺服阀

●锁定状态时，延时清除伺服阀电流和积分电路的电流

3.4伺服执行机构

主要包括电一液伺服阀、电磁换向阀、液压缸和中间罐塞棒机构等。伺服放大器输出的控制信号，控制电液伺服阀的油流方向和大小，从而控制液压缸活塞杆的升降方向和升降速度，活塞杆再经一个杠杆传动机构，去控制塞棒的升降和速度。

伺服放大器和伺服执行机构的系统图，如图3所示。

图

3.伺服放大器和伺服执行机构系统结构图

系统结构图，如图4所示。

图4.系统结构图

图中：

Ａ 活塞工作面积

Ｖ 相对于地面的负载移动速度

Ｘ 相对于地面的负载位置

Q 0 无负荷流量

Q 伺服阀输出流量

K s a 伺服放大器比例系数

K q 伺服阀流量系数

K pq 伺服阀固定偏差

K fv 位置传感器系数；

E e 差值信号

A

Kq Ksa Kfx kvx ??= 而负载阻力Fd,则等于

)(2Kpq

Kvx X A F d ??= 位置随动误差Xf ，等于

Kvx

v Kq Ksa Av Kfx Ee Kfx X f =??=?=)()1()1( 伺服阀电流、流量与压力关系曲线，如图5所示。

网络油压 Ps

特定Ps的Q 0额定值

图5. 伺服阀电流与流量压力关系曲线

4. 自动浇铸

自动开浇是全自动浇铸的第一步，系统的整个工作都集中的对塞棒开度的控制上。为了顺利打开塞棒，而又不发生溢钢事故，塞棒应按 “最佳开浇曲线”进行控制，从而实现自动开浇。

“最佳开浇曲线”，是在实际经验基础上总结出来的。其参数在开浇前应预先设定好，随着塞棒的开启，当结晶器内钢水液位达到Qmm 时，自动开浇结束，系统进入自动浇铸过程。

自动浇铸过程是全自动连铸过程中，最重要的过程。这时连铸机的各个系统都已投入运行，在自动浇铸过程中，塞棒执行机构的控制是和液面调节器一起将结晶器中钢水液位控制在Qmm 附近。从而有效的保证了铸坯质量，防止溢钢，漏钢等事故的发生，以使连铸顺行。自动开浇曲线，如图6所示。

t(s)

图6. 自动开浇曲线

设定值与实际液位的差值输入到带有PID算法的控制程序中，从而产生一个代表伺服执行器位置的输出信号，这一输出信号又送到结晶器液位计中，一个模拟位置控制信号从液位计中输出到伺服阀，从而驱动执行器动作，直至设定位置信号被模拟位置传感器送来的位置信号平衡为止。

结晶器液位受塞棒位置、流速波动和中间罐钢水重量三个因素影响，所以该控制还应包括：

●速度波动补偿的“前馈”控制；

●与工作点相关的比例系数的实时重新设定（这一变化量是由中间罐钢水重量变化引起的）。

4.1前馈控制

当速度变化时，会引起液位变化，液位变化大小取决于结晶器充填时间和液位测量的延迟时间，这一变化被送入控制系统。控制系统采取适当校正措施，重新建立一个等于设定值的液位时，这一液位又发生了变化。这就需要在平衡条件建立之前，采取一些必要的校正措施。

“前馈”是由速度偏差推导出的值，产生一个可予见的校正行为（根据塞棒位置设定值），这一校正值，是根据塞棒一流量函数关系计算的。

4.2比例参数重新调正

重量变化会引起钢水流速的变化，如果塞棒位置不变，中间罐钢水重量与流速成正比，从流速中又可计算出钢水流量。

这一钢水流量值与80%中间罐液位设定值比较，产生一个大于“１”或小于“１”的倍增系数，作为“比例带”的校正，该“比例带”是根据变化值和设定值之间的差

值，计算出塞棒的动作值。

应当指出，当控制系统从“跟踪”切换到自动时，将保持精确的输出值，并根据这一输出值开始进行控制，因此，这个系统不需要随机的零位设定。这个系统可使控制在任意点开始。结晶器液位控制系统的结构图，如图8所示。

图8. 结晶器液位控制系统结构图

5.结束语

天津钢管公司炼钢厂钴－60结晶器液面控制系统是从德国引进的。该系统投入运行以来，准确可靠，实时性好，实现了中间罐塞棒高速度，高精度控制，避免了拉漏和溢钢事故的发生，达到了稳定控制结晶器钢水液位、提高钢坯质量、增加产量和确保安全的目的，取得了较好的经济效益。

6.参考文献

［1］谢光明夏路易可编程控制器与程序设计[M].北京：电子工业出版社，2008.8.

［2］朱梅朱光力. 液压与气动技术[M].西安：西安电子科技大学出版社.2008.4

［3］王金祥肖林和结晶器液面控制系统结构探讨[J].北京：2005, 连铸会议论文集

［4］SMS-DEMAC Modernized Electric Equipment & Automatic Plant,Germany,2006.12.

［5］SMS-DEMAC Modernized Electric Equipment & Automatic Plant,Germany,2006.12.

［6］Mannesmann Demag 连铸基础自动化功能[J].DTDL-798,天津钢管公司资料室，2008.10.［7］Mannesmann Demag 结晶器液位控制功能[J].DTDL－769,天津钢管公司资料室，2008.10

批语:

1、题目内容合格，结合生产实际，符合专业要求。

2、如果再插入一些设备的照片内容会更丰满。

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