摘要：介绍了邢钢1#方坯连铸机的冷却水控制系统的硬件组成、控制系统的配置以及控制策略和控制功能。对生产合格的连铸坯起到了重要作用。
关键词：连铸 冷却水 自动控制
1.概述
连铸是一个多变量、非线性、大滞后、具有较强耦合作用的复杂生产过程。在连铸过程中，铸坯的冷却凝固受控于与拉速有关的热传递变化，铸坯冷却过程由一冷控制和二冷控制两部分构成；一冷就是结晶器冷却，其中二冷分成多个冷却区，每个冷却区包括多个冷却回路。各回路的喷水控制，要根据拉坯速度、钢水过热度、钢种以及冷却水温度等工艺参数来决定各冷却回路的喷水量。本文着重本文介绍河北邢钢1#方坯连铸机冷却水控制系统的设计与实践。
2.控制系统的硬件设计
河北邢钢1#方坯连铸机是3机3流连铸机。冷却水控制系统配置3套SIEMENSS7-400 PLC系统，对没流的冷却水进行单独控制。PLC系统，包括CPU模块、电源模块以及相应的输入、输出模块，CPU采用西门子S7-400系列CPU。每流的冷却水PLC系统包括主站、3个从站、现场总线和高速工业以太网。现场总线网络上共挂有3个从站，为：4.5米平台1#远程I/O从站、4.5米平台2#远程I/O从站，10米平台3#远程I/O从站；主站的高速工业以太网接入HMI人机界面系统的高速工业以太网，实现数据通讯。各从站控制柜安装在冷却水配水间附近，以节约电缆，实现低成本自动化。
3.软件配置及控制软件算法
3.1系统软件配置
计算机操作系统采用WindowsXP中文操作系统。PLC控制系统开发软件采用西门子Step7V5.4编程软件。基础自动化的HMI监控系统开发采用西门子Wincc6.2开发版、运行版软件，Wincc6.2服务器及冗余选件。
3.2冷却水控制软件典型算法
首先提出程序模块化设计，将不同功能模块设计成小耦合度功能块FB，由相应的程序多次调用，使程序执行出错率降低，提高程序可靠性；同时提高程序的可维修性，延长了程序生命周期。
3.2.1插值算法
在二冷水表处理方式上采用插值算法：假定区间[a，b］上的实值函数f（x）在该区间上n＋1个互不相同点x0，x1……xn处的值是f[x0］，……f（xn），估算f（x）在[a，b］中某点的值。利用一功能块完成多张水表检索。
3.2.2平滑PID算法
PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器控制参数相互独立，参数的选定简单有效等优点；在连铸冷却水多种控制方式切换上采用PID设定值自动跟踪测量值的平滑过渡，从而系统达到无扰切换，控制平稳过渡。
4.控制功能
冷却水PLC系统的功能是完成连铸机每流过程参数的设定和调节、参数和设备状态的监视、报警显示等。每流冷却水系统包括：结晶器冷却水、二冷水、设备闭路冷却水、设备开路水和切割粒化水。
4.1结晶器冷却水控制
结晶器冷却水量主要是考虑防止漏钢和减少铸坯表面缺陷。水量过大，铸坯会产生裂纹；水量过小，冷却能力不够，会使坯壳太薄造成拉漏。结晶器内水流速必须保证把铜壁的热量带走，避免热积累而使铜壁温度升高。如果铜壁温度超过100℃，就会有水的沸腾，铜板表面覆盖水气泡，并有水垢沉积，恶化结晶器传热。
从结晶器下部进水管进入的水，以高速流过结晶器周围，把热量带走，从上部水管流出。进出水温度差一般为4～8℃，每个结晶器有宽面回水流量调节阀和窄面回水流量调节阀。每个回路的流量调节由冷却PLC控制。结晶器冷却水检测包括出入结晶器的温度（温差）、压力、流量测量以及阀位检测。
回路控制方式如下：
1）结晶器冷却水控制方式分手动和自动两种方式，在HMI画面上选择。
2）手动方式下，PLC根据HMI上的调节阀设定开度值直接控制。
3）自动方式下，PLC根据控制系统的设定流量值进行调节回路控制。
4）手动关闭。铸机在维护模式下，在HMI画面上操作，可手动打开或关闭进水切断阀和回水切断阀。
5）最小流量设定控制。不论手动或自动方式，调节阀的流量设定点都不能低于最小流量设定值。
4.2二冷水控制
二冷水的控制对铸坯均匀冷却，提高铸坯表面质量，减少温降,实现热送起着至关重要的作用。二冷水调试质量将直接影响系统控制精度,进而影响铸坯的质量。
1#方坯连铸机二冷水分为5区，每区有宽面和窄面两个流量调节阀，共10个二冷水流量调节阀。每个回路的流量调节由冷却PLC控制。二冷水检测包括二冷水温度、压力、流量测量、二冷气压力测量以及阀位检测。二冷水控制方式包括L2、L1、操作员等自动方式。
二冷回路控制方式为：
1）二冷水控制方式分手动和自动两种方式，在HMI画面上选择。
2）手动开度控制。在HMI画面上，选中HMI画面方式后，在HMI画面上可设定调节阀开度，PLC按设定值直接控制调节阀的开度，实现开环控制。
3）自动流量控制。在HMI画面上，选中自动方式后，完成流量闭环调节控制功能。闭环回路通过调节调节阀的开度，使实际流量值与流量设定值保持一致。自动流量控制有三种模式：2级二冷动态模型（L2），1级水表（L1）和操作员设定（OP）。
- 在L2模式下，各区调节阀的流量设定值由2级计算机提供。
- 在L1模式下，各区调节阀的流量设定值由1级PLC根据1级水表和实际拉速计算得出，在HMI画面上可设定10个水表。
- 在OP模式下，各区调节阀的流量设定值由操作员在HMI画面上手动输入。
4.3气雾冷却的空气调节控制
二冷气水混合冷却具有水流密度大、水滴雾化程度好、冷却面积大、铸坯表面温度波动范围小、冷却水用量少等优势，所以气雾混合水压动能控制十分必要。
气雾冷却空气作用于二冷系统的2-5区，每区有宽面和窄面两个压力调节阀，共8个气雾冷却空气压力调节阀。各空气回路，配置空气压力检测。二冷空气控制方式包括L1级气表、操作员和手动方式。
二冷空气控制方式如下：
1）二冷气控制方式分手动和自动两种方式，在HMI画面上选择。
2）手动开度控制。在HMI画面上，选中HMI画面方式后，在HMI画面上可设定调节阀开度，PLC按设定值直接控制调节阀的开度，实现开环控制。
3）自动压力控制。在HMI画面上，选中自动方式后，实现压力闭环调节控制功能。闭环控制回路通过调节调节阀的开度，使实际压力与压力设定值保持一致。自动压力控制有两种模式：1级PLC（L1）设定和操作员设定（OP）。
- 在L1设定模式下，压力设定值根据气表和相应冷却水实际水量计算得出。
- 在OP模式下，压力设定值由操作人员在HMI画面输入。
4.4设备闭路冷却水控制
设备闭路水冷却设备包括:扇形段的辊道和框架冷却，拉矫单元的辊道和框架冷却，切割机冷却水。各回路冷却水回水流量由流量开关的监测，并由手阀进行调节。对各回路冷却水回水水温检测进行监测，并在HMI上显示流量低报警和温度高报警。
4.5设备开路冷却水控制
设备开路冷却水即设备外部冷却水，出坯区辊道外部冷却水的流量采用手阀调节。其水量采用流量开关进行流量监测。
5.结束语
邢钢1#方坯连铸机冷却水控制系统于2011年5月投入生产,至今系统运行良好,自动投运率达100%。铸坯的各项性能指标达到生产标准,满足用户要求。
10/29/2011
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