摘要：萊鋼5#連鑄機(jī)系統(tǒng)的升級改造，通過增加二冷水手動-自動切換的控制功能、提高調(diào)節(jié)閥控制精度，實現(xiàn)了對水量的高精度控制，取得了鑄坯最佳冷卻效果，滿足了生產(chǎn)需要的同時，降低了故障率，提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞： 連鑄機(jī)；自動控制；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
萊鋼5#方坯連鑄機(jī)是普鋼機(jī)，由于生產(chǎn)的需要，需要對此進(jìn)行改造升級，實現(xiàn)普通連鑄機(jī)既能生產(chǎn)普鋼又能生產(chǎn)優(yōu)鋼的功能。由于普鋼和優(yōu)鋼在二段時要求的水流量不同，閥門的控制精度也不同，普鋼生產(chǎn)時要求水量控制在35～120L之間，優(yōu)鋼時水量控制在4.5～35L之間，所以要實現(xiàn)普優(yōu)雙拉，必須要求調(diào)節(jié)閥控制水量在4.5～120L升之間，但是調(diào)節(jié)閥精度不夠，當(dāng)水量低于10L時，調(diào)節(jié)閥無法穩(wěn)定調(diào)節(jié)，造成拉優(yōu)鋼時二冷水調(diào)節(jié)始終不穩(wěn)定，以至于達(dá)不到最佳的冷卻效果，嚴(yán)重影響了鋼坯的質(zhì)量，生產(chǎn)了許多廢鋼，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。鑒于這一原因，必須提高調(diào)節(jié)閥精度，對整個二冷水系統(tǒng)進(jìn)行改造升級。

2.二冷水系統(tǒng)的該造方案
鑒于上述原因，對改造方案的可行性分析:
1）優(yōu)化生產(chǎn)工藝，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行優(yōu)化選型，使得在生產(chǎn)優(yōu)鋼鋼坯時，開度增大，使其進(jìn)入有效調(diào)節(jié)范圍，減小波動。
2）調(diào)整閥門控制參數(shù)，可以提高響應(yīng)速度。
3）加強(qiáng)閥門的保養(yǎng)和調(diào)校工作，盡量避免關(guān)不嚴(yán)導(dǎo)致漏水和閥桿運行不靈活等現(xiàn)象發(fā)生。
４）規(guī)范維護(hù)制度，穩(wěn)定工藝參數(shù)，加強(qiáng)巡檢，及時發(fā)現(xiàn)閥體和閥位定位器故障并及時處理。
5）調(diào)整調(diào)節(jié)閥氣源壓力，尋找調(diào)節(jié)閥平穩(wěn)調(diào)節(jié)的最佳壓力值，提高調(diào)節(jié)閥運行時的穩(wěn)定性。

連鑄機(jī)在生產(chǎn)過程中，鋼水從中間包到結(jié)晶器（一冷）、二冷環(huán)節(jié)的冷卻，然后到拉矯機(jī)，切割機(jī)出鋼。整個出鋼過程鋼水是從1600度的液態(tài)變成900度方鋼坯，其中中間環(huán)節(jié)的冷卻，二冷冷卻水（簡稱二冷水）環(huán)節(jié)的冷卻最為重要。二冷水的配置是否合理，是鋼坯生產(chǎn)最為關(guān)鍵的因素，直接關(guān)系到鑄坯質(zhì)量的優(yōu)劣。

其中二冷水分為0段，一段，二段，三段。一、二、三段為汽水冷卻且區(qū)分寬窄面分別配水，寬面用于普鋼冷卻，窄面用于優(yōu)鋼冷卻。改造后的配水結(jié)構(gòu)圖見圖1。


圖1 二冷水配水結(jié)構(gòu)圖
每一個冷卻段的寬窄面由原來的兩個電磁流量計，現(xiàn)改為一個流量計后區(qū)分為兩路，每一路各使用一個截至閥和一個調(diào)節(jié)閥，在調(diào)節(jié)閥后合并為一路直至冷卻噴嘴。冷卻噴嘴在數(shù)量上加以區(qū)分，分別對寬面和窄面進(jìn)行冷卻，寬面噴嘴數(shù)量為四個，窄面為三個。流量計后的兩個調(diào)節(jié)段上，一段安裝一個DN40截至閥和一個DN25氣動調(diào)節(jié)閥，用于優(yōu)鋼生產(chǎn)時使用。另一段安裝一個DN65截至閥和一個DN40啟動調(diào)節(jié)閥，用于普鋼生產(chǎn)時使用，由于普鋼冷卻需要的水流量比優(yōu)鋼大，所以在生產(chǎn)普鋼中，如果寬面的水量不夠，可以強(qiáng)制窄面閥門來彌補(bǔ)寬面水流量的不足。通過以上分析和設(shè)計，認(rèn)為達(dá)到目標(biāo)值是可行的。

3. 二冷水的自動控制系統(tǒng)
3.1二冷水的自動控制系統(tǒng)的硬件
連鑄機(jī)整個生產(chǎn)工藝的自動控制系統(tǒng)的硬件是使用西門子S7-400 PLC。共六個流，每個流都是一套S7-400PLC，每流都有4個西門子流量計和7個閥門定位器，西門子MM440變頻器和三臺上位機(jī)。

3.2 二冷水的自動控制系統(tǒng)的軟件
連鑄機(jī)整個工藝的自動控制系統(tǒng)軟件是用SIEMENS STEP-7 V5.3版本和HMI人機(jī)界面 WINCC6.0。通過變頻器輸出拉鋼速度，并同時采集到反饋的實際速度，通過換算后，通過程序輸出給閥門定位器，不同的速度段，輸出的電流大小不同，閥門的開度也不盡相同。從而實現(xiàn)對水量的控制。每個流的每段水流量的數(shù)據(jù)都在上位機(jī)WINCC的監(jiān)控畫面同步顯示。

3.3 二冷水的自動控制系統(tǒng)
在每流的PLC程序中，我們采用二次配水曲線數(shù)學(xué)模型的閉環(huán)PID調(diào)節(jié)方式來控制二冷水，并可通過監(jiān)控站直接進(jìn)行完全自動化配水功能，在WinCC畫面上對應(yīng)各區(qū)分別設(shè)有自動、手動2種配水控制方式按鈕。在自動調(diào)節(jié)方式下，鑄流水量設(shè)定值由PLC通過所選的水表參數(shù)計算給定。
通過變頻器反饋到出鋼的實際速度（不同的速度段，不同的配水系數(shù)），并通過公式計算出每段的噴水量SP，SP通過工程量換算成4-20mA的電流信號輸出給執(zhí)行器，執(zhí)行器控制閥門開度，并通過閥門的閥位反饋信號輸入到PID控制程序，與此同時，電磁流量計檢測到的水流量PV（實際流量），輸入到PID程序塊中通過對比工程量和噴水量，計算出偏差，再輸出給執(zhí)行器來控制閥門，進(jìn)行反復(fù)的PID調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)理論噴水量與實際流量一致。整個配水過程是調(diào)節(jié)閥利用PID控制回路進(jìn)行模糊控制。根據(jù)工藝要求，設(shè)定目標(biāo)參數(shù)，由PID回路的調(diào)試曲線，不斷調(diào)整P、I、D控制參數(shù)，使被控參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值的正常波動范圍內(nèi)。


圖2 PID控制圖
利用上位機(jī)對過程監(jiān)控畫面進(jìn)行優(yōu)化。在回路調(diào)節(jié)畫面中，PID回路的PV值、SP值、頻率值同時用棒圖形式和數(shù)字形式顯示，操作人員可以直觀看到回路的調(diào)節(jié)情況，也可以精確的對回路調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。在回路調(diào)節(jié)畫面中設(shè)有手/自動切換、試水/實際拉速、強(qiáng)制/自動切換等按鈕。
控制程序中增加功能塊，增強(qiáng)控制能力和抗干擾能力，優(yōu)化配水表中各項參數(shù)，通過S7對實時拉速進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)拉速精確計算各段水量。使水量調(diào)節(jié)最大程度接近理想曲線。



圖3 實時監(jiān)控趨勢圖
圖4 增加抗干擾后的實時監(jiān)控趨勢圖
3.4 二冷水自動控制系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)
在整個冷卻水配水過程中，每個速度段的配水公式的系數(shù)是不同的，所以流量也不同。速度段分別為：0.5 ,0.9 ，1.5， 2.0 和4.5。在選定不同的鋼種生產(chǎn)后，拉鋼速度大于等于0.5m/m和小于0.9m/m時，調(diào)用數(shù)據(jù)塊DB441里的系數(shù)IN2和IN3，通過FB44的配水公式，計算出結(jié)果到OUT15。


圖5 數(shù)據(jù)塊DB301
把計算后的配水結(jié)果DB441.DBD60送到數(shù)據(jù)塊DB301.DBD6里，PID程序塊FB41 調(diào)用DB301.DBD6，并與電磁流量計檢測到的數(shù)據(jù)比較，在積分時間，微分時間的調(diào)節(jié)下，把最終數(shù)據(jù)放到MW54，最后通過PQW258輸出給執(zhí)行器。從而實現(xiàn)控制閥門的開度，達(dá)到對流量精確控制。

3.5 二冷水的手動控制
手動控制是指二冷水流量設(shè)定值由操作人員在WINCC監(jiān)控畫面上進(jìn)行手動輸入閥門開度，范圍為：0-100，在PLC程序中，跳過PID調(diào)節(jié)，直接對PQW258賦值，實現(xiàn)對閥門的控制。

4. 結(jié)束語
本改造項目的成功實施，在無需增加任何新設(shè)備的情況下，不僅操作維護(hù)簡單，提高了勞動生產(chǎn)率，而且實現(xiàn)了手-自動迅速無干擾切換，節(jié)省了調(diào)水的時間，為萊鋼新二區(qū)5#連鑄機(jī)的順利生產(chǎn)起到了強(qiáng)有力的保障作用。新的控制系統(tǒng)自投入運行以來，解決了長期冷卻效果差的難題，消除了因二冷水冷卻效果差造成生產(chǎn)廢鋼的現(xiàn)象，大大降低了廢鋼回收率，鋼坯合格率基本100%，直接經(jīng)濟(jì)效益120余萬元/年。系統(tǒng)的成功改造，不論在控制系統(tǒng)方面，還是在生產(chǎn)工藝方面，都是一次質(zhì)的飛躍，實現(xiàn)了普通連鑄機(jī)生產(chǎn)優(yōu)鋼的功能，具有顯著的社會效益。

參考文獻(xiàn)
[1] 李剛 模擬定尺切割系統(tǒng)在連鑄生產(chǎn)中的研究與應(yīng)用 《PLC&FA》2006.12 168頁
[2] 廖常初 深入淺出西門子S7-300PLC 北京航空航天大學(xué) 2004 50-154
[3] 廖常初 西門子S7-300PLC編程手冊 北京航空航天大學(xué) 2004 21-210
[4] 廖常初 S7-300/400應(yīng)用技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社 2003 142-352
[5] 謝克明 可編程控制器原理與程序設(shè)計 電子工業(yè)出版社 2001 88-154