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结晶器液位控制系统

结晶器液位控制系统

2007/3/19 9:43:00
引言:结晶器液位控制精度是连铸生产的一个重要工艺指标,直接影响最终产片的质量。整个结晶器液位控制系统的被控对象由液压伺服系统、水口执行机构两部分组成,机理复杂难于建模。系统中存在塞棒粘结、结晶器液位无阻尼振动、拉速、鼓肚效应等各种干扰,对结晶器液位产生错综复杂的影响。本系统通过摩擦力补偿器、控制参数自适应的模糊控制、在线模糊自适应、增益在线优化、结晶器振动截止频率过滤器等进行功能补偿以优化控制,有效地降低了上述干扰对结晶器液位的影响,取得了良好的效果。 1 工艺对控制系统的要求 为了保证恒拉速浇注,必须严格控制结晶器钢水液位。宝钢股份不锈钢分公司连铸机结晶器液位控制系统通过位置传感器检测塞棒位置信号,通过涡流传感器检测结晶器中的钢水液位。利用钢水液位调节塞棒位置以控制钢水进入结晶器的钢水流量,使钢水液位维持在恒定位置。 浇注操作模式有:手动方式(操作工操作塞棒控制杆)、塞棒关闭方式、自动方式、测试方式、自动开始浇铸方式等。 1)手动方式: 在开始浇铸之前,在HMI主画面或者OS4上的“+/-”按钮设定结晶器液位设定值,此设定值必须大于等于MLC投入自动的最小液位值。按下“手动”按钮投入手动方式,此时可以通过操作现场塞棒液压缸控制塞棒的开度,当实际液位值到达MLC投入自动的最小液位值时,“自动”按钮灯闪,表示此时可以切换到自动方式。手动方式控制级别高于自动开始浇注方式和自动方式。 有下列情况之一时MLC自动切换到手动方式工作  塞棒位置反馈信号故障  塞棒控制阀故障  结晶器液位为高报警液位、低报警液位 2)塞棒关闭方式: 按下“塞棒关闭”按钮,塞棒立刻关闭。在控制器发生故障时,塞棒也立刻关闭。塞棒关闭方式控制级别高于其他所有操作方式。在自动方式时,结晶器液位为高高液位或者低低液位时,塞棒自动关闭。 3)自动方式: 按下OS4 上“自动”按钮,MLC切换为自动方式,在自动方式时仍然可以操作现场塞棒控制杆手动控制结晶器液位,直到实际液位值到达MLC投入自动的最小液位值后,控制方式自动地从手动切换到自动。当前的液位值就作为用于自动控制的初始设定值,通过预设定的上升斜率到达结晶器液位的预设定值。结晶器液位设定值可以通过HMI或者OS4上的“+/-”按钮设定一般设定为50%。 4)测试方式: 此方式用于检测塞棒位置控制系统和液压执行元件。只有中间包在预热位时,才能启动测试方式。其中包括两种测试方式: 开环测试方式:在OS5.1/5.2上操作塞棒打开/关闭按钮。 中间包小车1/2在预热位置,按下OS5.1/5.2上测试按钮开始测试,通过增大、减小按钮控制塞棒开口度。按下按钮5秒内设定值慢速增加/减小±1%/s,超过5秒设定值高速增加/减小±10%/s。再次按下测试按钮测试完毕。 闭环测试方式:在HMI上设定塞棒的开度。 中间包小车1/2在预热位置,按下OS5.1/5.2上测试按钮开始测试,在HMI上设定塞棒的开度控制塞棒开口度。再次按下测试按钮测试完毕。 5)自动开始浇铸方式: 自动开始浇铸方式与自动方式或者手动方式自锁,包括两种操作方式: 带曲线自动开始浇铸方式:首先操作工在HMI画面选择开始浇铸曲线和预选择带曲线开始浇铸方式,然后按下“自动开始浇铸”按钮,塞棒按照设定的开始浇铸曲线动作,当结晶器液位实际值到达MLC投入自动的最小液位值,MLC切换为自动方式,当前的液位值就作为初始设定值用于自动控制,通过预设定的上升斜率到达结晶器液位的预设定值。在结晶器液位上升过程中时,当结晶器液位实际值到达流浇注开始液位值时,流驱动启动。 无曲线自动开始浇铸方式:首先操作工在HMI画面预选择无曲线开始浇铸方式,然后按下“自动开始浇铸”按钮,此时不管是否在自动方式,塞棒开度通过操作现场塞棒液压缸控制,当结晶器液位实际值到达MLC投入自动的最小液位值,MLC切换为自动方式,当前的液位值就作为初始设定值用于自动控制,通过预设定的上升斜率到达结晶器液位的预设定值。在结晶器液位上升过程中时,当结晶器液位实际值到达流浇注开始液位值时,流驱动启动。 通过按“自动开始浇铸按钮”,从手动方式或者塞棒关闭方式切换为自动开始浇铸方式,同时塞棒关闭位置被校正。假如在本次自动开始浇铸时塞棒自动控制发生故障,则塞棒自动关闭或者切换到手动,而且不能继续自动开始浇铸。为了继续开始浇铸,塞棒必须为手动方式。 2 结晶器液位控制系统组成 系统主要由上位Siemens 公司提供的PLC、WinCC HMI(人机界面)及现场检测设备、液压系统等组成。 a: PLC硬件配置: MLC PLC硬件配置如图2-1所示。由电源PS 405 10A(1只) 、CPU 416-3(1只)、CP通讯扩展模块(1只)、ET200站(5只)构成。
图2-1图2-1 MLC PLC硬件配置图
b: WinCC HMI(人机界面): MLC HMI画面共有7个画面。  MLC主画面包含以下功能:结晶器自动开始浇铸曲线选择;MLC操作方式的显示;中间包车状态指示;VUHZ状态指示;结晶器液位和塞棒控制的数据;结晶器液位和塞棒控制数据的曲线等。  MLC Hydraulic画面主要用于显示MLC液压系统工作状态。  MLC Stopper画面可以选择开始浇铸时塞棒开度曲线(供选择的输入开始浇铸时塞棒开度曲线共8组),输入MLC投入自动时的液位值(Take over controller)、流驱动启动时的液位值(Start strand drive)及投入到自动后设定的开度加速值(Setpoint Ramp Auto Cast)。  MLC Teststand画面用于显示塞棒控制模式、开口度及输入开口度设定值。  MLC Parameter1画面用于显示及输入MLC及塞棒控制参数。  MLC Parameter2画面用于显示及输入在线优化、在线模糊优化、在线优化的局部补偿等控制功能参数。  MLC Parameter3画面用于显示及输入拉速补偿、模糊控制、结晶器振荡过滤等控制功能参数。 c: 现场检测设备: 现场检测设备主要有结晶器液位检测设备VUHZ(涡流传感器、成套设备)、塞棒液压缸位置传感器(2只)、压力传感器等。 d: 液压系统: 结晶器液位控制系统的液压系统为成套系统。在液压系统中存在着电能、液压能、机械能的相互转换,在转换过程中受到较多的非线性的影响。这些非线性不能包含在简单的传递函数中,因此必须采用信号流图的方式建立液压系统的被控对象模型。液压系统主要由伺服阀、比例阀、塞棒液压缸、蓄能器等组成。其作用如下:  伺服阀:按给定电压的极性和大小改变液压缸进油方向和流量,进而调节活塞的运动方向和速度。  液压缸:通过活塞将液压能转换为驱动塞棒的机械能。 3 结晶器液位控制系统(MLC)基本控制原理及功能 结晶器液位控制系统(MLC)采用串级控制,有2个控制环,一个控制环用于结晶器液位控制;另一个控制环为塞棒位置控制。结晶器液位控制器是一个PID控制器。结晶器液位控制增加控制参数自适应的模糊控制、在线模糊自适应、增益在线优化、结晶器振动截止频率过滤器等进行功能补偿以优化控制,在浇注过程中具有自适应功能。塞棒位置控制器为P控制器。塞棒位置控制器增加摩擦力补偿器进行前馈补偿。如图 3-1所示。 a:塞棒位置控制器: 塞棒位置控制器是P控制器,处于整个结晶器液位控制系统的内环,其被控对象涉及到液压缸活塞运动特性、塞棒流量特性等,简言之即为伺服阀输入信号u与塞棒实际位置S之间的动态关系。它采用Siemens S7中提供的P控制标准模块实现。 P控制原理: P控制器传递函数: u = Kc*e (3-1) 式中:Kc为比例增益;e为偏差信号。 b:结晶器液位控制器: 结晶器液位控制器是PID控制器,处于整个结晶器液位控制系统的内环,它采用Siemens S7中提供的PID控制标准模块实现。结晶器是一个典型的容积对象,流出量模型如式(3-2),结晶器液位模型如式(3-3)Qo=Am*Cs (3-2) dL/dt=(Qm-Qo)/ Am (3-3) 式中,L为结晶器液位,Qo为结晶器钢水流出量,Cs为拉速,Am为结晶器截面积。 PID控制器原理: PID控制器传递函数: Gc(s)=K*c(1+1/T*is+ T*ds)/ (1+1/KiTis+ Td/ Kd s) (3-4) 式中:K*c=F*K c;T*i=F*Ti ;T*d= Td/F;
图3-1图3-1 结晶器液位控制流程图
其中带*为控制器参数的实际值,不带*为参数的刻度值。F为相互干扰系数;Ki为积分增益。 c:串级控制: 结晶器液位控制系统(MLC)由于其本身工艺要求控制精度高、参数间相互关系复杂等特点,传统的简单单回路控制系统已不能满足其控制要求,故我们引入复杂控制系统中比较常见的串级控制来解决这一问题。在串级控制系统中,采用了两级控制器,即本系统中控制结晶器液位的PID控制器和控制塞棒液压缸位置的P控制器,形成双闭环控制如图3-1所示。这样,在调节过程中,副回路即塞棒液压缸位置控制回路起“粗调”作用,能有效地克服二次扰动、改善调节对象的动态特性、提高整个系统的工作频率以及增大主回路即结晶器液位控制回路中PID控制器的增益。 d:摩擦力补偿器: 在本系统中,由于暂时的粘结,塞棒中的摩擦力会使结晶器液位产生错综复杂的影响。基于前馈控制原理,引入摩擦力前馈补偿。摩擦力补偿器可以预先识别这些粘结并且对于塞棒控制产生一个前馈的信号用于控制液压并且产生一个新的设定值用于位置控制环的P控制器。这样,只要摩擦力干扰出现,摩擦力补偿器就立即进行比较,使其影响在P控制进行之前就被抵消掉,极大的减少摩擦力干扰对结晶器液位的影响。 前馈控制是以不变性<
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