莱钢5#连铸机二冷水自动控制系统的改造与应用

摘要：莱钢5#连铸机系统的升级改造，通过增加二冷水手动-自动切换的控制功能、提高调节阀控制精度，实现了对水量的高精度控制，取得了铸坯最佳冷却效果，满足了生产需要的同时，降低了故障率，提高了生产效率。 关键词： 连铸机；自动控制；二冷水 Update application of the automatic control system to the second cool water on the 5th continuous caster in Laiwu Iron and Steel Ltd. Li Gang Zhao Cunjia Yang Jian (Automation department of Laiwu Iron and Steel Ltd. Shandong. The factory of steel-making of Laiwu Iron and Steel Ltd. Shandong 271104) Abstract: Updating of the automatic control system to the 5th continuous caster of Laiwu iron and steel Ltd, composed of adding the hand-automatic switchover control of the second cool water and enhancing the valve controlling precision, realized high precision controlling of the water flow, getting the optimization cooling effect. This project satisfied the production, reduced failure probability and even increased the operative efficiency. Keyword: continuous caster; automatic control; second-cooling water 1.前言 莱钢5#方坯连铸机是普钢机，由于生产的需要，需要对此进行改造升级，实现普通连铸机既能生产普钢又能生产优钢的功能。由于普钢和优钢在二段时要求的水流量不同，阀门的控制精度也不同，普钢生产时要求水量控制在35～120L之间，优钢时水量控制在4.5～35L之间，所以要实现普优双拉，必须要求调节阀控制水量在4.5～120L升之间，但是调节阀精度不够，当水量低于10L时，调节阀无法稳定调节，造成拉优钢时二冷水调节始终不稳定，以至于达不到最佳的冷却效果，严重影响了钢坯的质量，生产了许多废钢，造成了巨大的经济损失。鉴于这一原因，必须提高调节阀精度，对整个二冷水系统进行改造升级。 2.二冷水系统的该造方案 鉴于上述原因，对改造方案的可行性分析: 1）优化生产工艺，根据优化结果，对调节阀进行优化选型，使得在生产优钢钢坯时，开度增大，使其进入有效调节范围，减小波动。 2）调整阀门控制参数，可以提高响应速度。 3）加强阀门的保养和调校工作，尽量避免关不严导致漏水和阀杆运行不灵活等现象发生。 ４）规范维护制度，稳定工艺参数，加强巡检，及时发现阀体和阀位定位器故障并及时处理。 5）调整调节阀气源压力，寻找调节阀平稳调节的最佳压力值，提高调节阀运行时的稳定性。 连铸机在生产过程中，钢水从中间包到结晶器（一冷）、二冷环节的冷却，然后到拉矫机，切割机出钢。整个出钢过程钢水是从1600度的液态变成900度方钢坯，其中中间环节的冷却，二冷冷却水（简称二冷水）环节的冷却最为重要。二冷水的配置是否合理，是钢坯生产最为关键的因素，直接关系到铸坯质量的优劣。 其中二冷水分为0段，一段，二段，三段。一、二、三段为汽水冷却且区分宽窄面分别配水，宽面用于普钢冷却，窄面用于优钢冷却。改造后的配水结构图见图1。 图1 二冷水配水结构图 每一个冷却段的宽窄面由原来的两个电磁流量计，现改为一个流量计后区分为两路，每一路各使用一个截至阀和一个调节阀，在调节阀后合并为一路直至冷却喷嘴。冷却喷嘴在数量上加以区分，分别对宽面和窄面进行冷却，宽面喷嘴数量为四个，窄面为三个。流量计后的两个调节段上，一段安装一个DN40截至阀和一个DN25气动调节阀，用于优钢生产时使用。另一段安装一个DN65截至阀和一个DN40启动调节阀，用于普钢生产时使用，由于普钢冷却需要的水流量比优钢大，所以在生产普钢中，如果宽面的水量不够，可以强制窄面阀门来弥补宽面水流量的不足。通过以上分析和设计，认为达到目标值是可行的。 3. 二冷水的自动控制系统 3.1二冷水的自动控制系统的硬件 连铸机整个生产工艺的自动控制系统的硬件是使用西门子S7-400 PLC。共六个流，每个流都是一套S7-400PLC，每流都有4个西门子流量计和7个阀门定位器，西门子MM440变频器和三台上位机。 3.2 二冷水的自动控制系统的软件 连铸机整个工艺的自动控制系统软件是用SIEMENS STEP-7 V5.3版本和HMI人机界面 WINCC6.0。通过变频器输出拉钢速度，并同时采集到反馈的实际速度，通过换算后，通过程序输出给阀门定位器，不同的速度段，输出的电流大小不同，阀门的开度也不尽相同。从而实现对水量的控制。每个流的每段水流量的数据都在上位机WINCC的监控画面同步显示。 3.3 二冷水的自动控制系统 在每流的PLC程序中，我们采用二次配水曲线数学模型的闭环PID调节方式来控制二冷水，并可通过监控站直接进行完全自动化配水功能，在WinCC画面上对应各区分别设有自动、手动2种配水控制方式按钮。在自动调节方式下，铸流水量设定值由PLC通过所选的水表参数计算给定。 通过变频器反馈到出钢的实际速度（不同的速度段，不同的配水系数），并通过公式计算出每段的喷水量SP，SP通过工程量换算成4-20mA的电流信号输出给执行器，执行器控制阀门开度，并通过阀门的阀位反馈信号输入到PID控制程序，与此同时，电磁流量计检测到的水流量PV（实际流量），输入到PID程序块中通过对比工程量和喷水量，计算出偏差，再输出给执行器来控制阀门，进行反复的PID调节，从而实现理论喷水量与实际流量一致。整个配水过程是调节阀利用PID控制回路进行模糊控制。根据工艺要求，设定目标参数，由PID回路的调试曲线，不断调整P、I、D控制参数，使被控参数稳定在设定值的正常波动范围内。 图2 PID控制图 利用上位机对过程监控画面进行优化。在回路调节画面中，PID回路的PV值、SP值、频率值同时用棒图形式和数字形式显示，操作人员可以直观看到回路的调节情况，也可以精确的对回路调节参数进行设定。在回路调节画面中设有手/自动切换、试水/实际拉速、强制/自动切换等按钮。 控制程序中增加功能块，增强控制能力和抗干扰能力，优化配水表中各项参数，通过S7对实时拉速进行监测，根据拉速精确计算各段水量。使水量调节最大程度接近理想曲线。 图3 实时监控趋势图 图4 增加抗干扰后的实时监控趋势图 3.4 二冷水自动控制系统的程序实现 在整个冷却水配水过程中，每个速度段的配水公式的系数是不同的，所以流量也不同。速度段分别为：0.5 ,0.9 ，1.5， 2.0 和4.5。在选定不同的钢种生产后，拉钢速度大于等于0.5m/m和小于0.9m/m时，调用数据块DB441里的系数IN2和IN3，通过FB44的配水公式，计算出结果到OUT15。 图5 数据块DB301 把计算后的配水结果DB441.DBD60送到数据块DB301.DBD6里，PID程序块FB41 调用DB301.DBD6，并与电磁流量计检测到的数据比较，在积分时间，微分时间的调节下，把最终数据放到MW54，最后通过PQW258输出给执行器。从而实现控制阀门的开度，达到对流量精确控制。 3.5 二冷水的手动控制 手动控制是指二冷水流量设定值由操作人员在WINCC监控画面上进行手动输入阀门开度，范围为：0-100，在PLC程序中，跳过PID调节，直接对PQW258赋值，实现对阀门的控制。 4. 结束语 本改造项目的成功实施，在无需增加任何新设备的情况下，不仅操作维护简单，提高了劳动生产率，而且实现了手-自动迅速无干扰切换，节省了调水的时间，为莱钢新二区5#连铸机的顺利生产起到了强有力的保障作用。新的控制系统自投入运行以来，解决了长期冷却效果差的难题，消除了因二冷水冷却效果差造成生产废钢的现象，大大降低了废钢回收率，钢坯合格率基本100%，直接经济效益120余万元/年。系统的成功改造，不论在控制系统方面，还是在生产工艺方面，都是一次质的飞跃，实现了普通连铸机生产优钢的功能，具有显著的社会效益。 参考文献 [1] 李刚 模拟定尺切割系统在连铸生产中的研究与应用 《PLC&FA》2006.12 168页 [2] 廖常初 深入浅出西门子S7-300PLC 北京航空航天大学 2004 50-154 [3] 廖常初 西门子S7-300PLC编程手册 北京航空航天大学 2004 21-210 [4] 廖常初 S7-300/400应用技术 机械工业出版社 2003 142-352 [5] 谢克明 可编程控制器原理与程序设计 电子工业出版社 2001 88-154