连铸机电气控制关键技术探究

张 静

（南京交通技师学院 江苏 南京 210000）

0 引言

连铸机电气控制系统中，结晶器液位自动控制技术以及结晶液压振动技术，是影响连铸机电气控制效率的关键因素。基于这种情况，研究人员尝试运用双闭环PID技术，实现对于结晶器液位的自动化控制，进而令连铸机具备自动开浇功能。同时，针对结晶振动进行模糊控制处理，提升自动化控制系统的运行精度，为连铸机持续、平稳工作提供保障。

1 连铸机工作流程及运行原理

钢铁冶炼过程中，工人需要利用连铸机将液态钢转变为能够进行加工的钢坯，先使用转炉对原料进行加热，得到液态的钢水，再将钢水注入精炼炉，筛除液态钢水中的杂质，对钢水进行精炼，最后根据工业生产实际需求，对已经完成冷凝的钢材进行切割，制备不同规格的铸坯。在此过程中，需要使用结晶、切割装置以及钢包回转台等装置[1]。

实际作业过程中，将处于高温状态的液态钢水注入带有强制水冷系统的结晶装置中，对液态钢水进行冷凝，待冷凝结束之后使用引锭头将坯壳拉出，再使用切割装置按照需求对其进行切割，得到不同规格的坯料。

连铸机的工作流程为：利用钢包回转台，将钢水输送至浇钢目的地，浇筑至中心的包中。工作人员操控中包车，将液态钢运送至结晶器内进行浇筑作业。当钢水进入结晶器之后，通过冷凝以及振动，形成具有一定厚度的壳体，进而形成铸坯，再由切割装置对铸坯进行切割。

连铸机生产工艺与传统工艺相比，其优势主要体现在以下5个方面：（1）连铸机生产流程简单高效，能够在保障铸坯总体质量的基础上，提升铸坯生产效率。（2）成材率得到了显著提升，正常状态下，连铸机能够利用95%的钢水，具有很高的成材率，有效节省了原材料成本[2]。（3）与传统铸坯模式相比，连铸机省略了开坯这一环节，节约了大量能源。（4）连铸机自动化程度较高，搭载自动控制系统之后，能够实现自动化生产。（5）丰富了钢材种类，能够更好地满足工业生产需求。

2 电气控制系统关键技术设计

2.1 结晶器液位自动控制

连铸机工作过程中，由于受到外界环境因素的影响，结晶装置的液位会出现波动。如果液位的波动超过一定的阈值，则会令一些杂质混入液态钢水之中，对于铸坯的质量造成一定影响。严重情况下，还可能引发钢水溢出或者钢水泄漏等安全事故，威胁施工人员安全，并影响后续生产工作。因此，结晶装置液位控制技术，就成了连铸机电气控制系统中的关键技术，通过对液位的灵活控制，避免杂质混入钢水，一方面能够提升铸坯整体质量，另一方面有效避免出现各种安全生产事故[3]。此外，对结晶装置液位进行科学控制，能够确保钢水在冷凝过程中，保持相对稳定的状态，确保铸坯外壳质地均匀。

2.1.1 液位控制系统

结晶装置液位控制系统，主要由PLC控制系统、液位监测反馈系统、液压控制系统等集合而成。通过监测反馈系统，对结晶装置内的钢水液位进行实时检测，并将读取到的数据传输给PLC系统，PLC系统通过内置的单片机，对该数据进行分析、计算以及存储，得出钢水液位的实际值，并将该数值与系统设定好的安全阈值进行比较。当两组数据之间出现偏差，PLC系统就会自动记录钢水液位的偏差值，根据偏差值的大小，启动PID处理装置，给外部的塞棒提供一个浮动的控制量信号，结合塞棒的实际位置数据，对液位监测值与安全阈值之间的数据差数据进行PID运算，最终向塞棒的伺服阀输送控制信号，伺服阀装置会根据接收到的信号对结晶器内的钢水液位进行管控，避免其超过安全阈值。

通过对连铸机结晶装置液位控制系统运行流程的分析可以发现，钢水液位控制精度与传感器的测量信号有着密切联系。若确保PID控制装置能够稳定运行，就要尽可能提升液位监测系统的测量准确率[4]。

在该系统中，控制钢水液位误差的公式为e=ref-yF，该公式中，ref代表连铸机凝结器中预先设定的钢水液位高度安全阈值，yF则代表实际工作中钢水液位高度。将两个数据之间的相差数值输送至PID控制系统中，同时输出塞棒的位置（S），则能够得到塞棒给定位置，即Sref。

PID控制系统中，结晶器的实际液位h（t）的数值，是某一特定时间内，结晶器中输出的钢水总量与加入钢水总量的积分。在本次设计中，工作人员决定使用增量式PID液位控制系统，其具体的运算逻辑如下：

（1）外环液位控制。将结晶器液位设定值标记为r1(k)，并将实际液位值标记为c1(k)，设定值与实际值之间的偏差标记为e1(k)，则可以得到：e1(k)=r1(k)-c1(k)。同时，结晶器液位变化率△e1(k)则可以表示为：△e1(k)=e1(k)-e1(k-1)。而液位器输出钢水的输出控制增量△u1(k)则可以表示为：

（2）内环液位控制。该控制系统中，△u1(k)+△u1(k-1)是内环液位的输入设定，在运算中将其标记为r2(k)，同时将液压缸的形成反馈标记为c2(k)，则能够得到公式：e2(k)=r2(k)-c2(k)。在该公式中，输出控制增量△u2(k)的运算公式为：△u2(k)=d2p△e2(k)+k2ie2(k)，经过系统运算，最终得出输出公式：u2(k)=u2(k-1)+△u2(k)。

连铸机实际运行过程中，由于拉速、钢材料品种以及截面尺寸等参数存在差异，因此PID控制系统中的KP、Ti以及Td3项控制参数就变得尤为重要，不同尺寸结晶器下口的宽度参数见表1。

表1 不同尺寸结晶器下口宽度参数表

2.1.2 辅助控制系统

从整体上看，结晶器液位控制技术能够直接影响铸坯的质量，因此需要使用塞棒对结晶器内钢水液位进行科学合理的控制，提升液位控制的准确性。而想要达到这一目标，就要为PID控制系统搭载若干个辅助控制系统，帮助塞棒能够更好地工作[5-6]。

（1）摩擦前馈补偿系统。该系统的主要功能是抵消塞棒工作过程中，由于摩擦力的作用而对钢水液位所造成的影响。塞棒工作过程中会产生摩擦力，摩擦前馈补偿系统能够有效获取此项数据，并将该数据发送至PID控制系统中，增加结晶液位安全阈值判定参数。如果出现摩擦，利用该系统就可以实时对液位安全阈值进行灵活调整。

（2）清洁系统。连铸机运行过程中，会出现一些钢渣以及杂质，这些钢渣或者杂质会在滑动水口、塞棒等位置囤积，如果不及时清除，不仅会影响钢原料的成才率，还会对连铸机的安全运行造成一定影响。因此需要搭配清洗功能，在连铸机工作结束之后及时对容易产生堵塞的位置进行清洗。同时，工作人员需要采用视检的方式观察塞棒、滑动水口等位置是否存在钢渣堵塞问题，确保铸流能够顺畅流动[7-8]。

（3）钢水溢出、钢水泄漏监测系统。钢水溢出或者钢水泄漏，属于重大安全事故，因此需要在连铸机PID控制系统中搭载相应的在线监测系统。如果连铸机在工作过程中突然出现液位下降或者明显上升问题，工作人员就要判断是否出现钢水外溢或者钢水泄漏事故，并立刻开启防溢出程序，对连铸机结晶器进行检测，确保铸流的稳定性。

2.2 液压结晶器振动设计

通过对连铸机的结构进行分析可以发现，结晶装置内部安装的铜套零件会与铸坯的表面接触，一旦铜套与铸坯表面出现粘连，则会破坏铸坯表面的完整性，严重的还会令铸坯出现开裂问题。想要避免结晶器铜套与铸坯表面粘连，就要加装振动系统，通过振动将铜套与铸坯表面分开。振动系统主要由两组液压缸体构成，每一个液压缸体上安装有两个伺服阀，日常工作中，使用其中一个伺服阀，另一个伺服阀作为备用。借助液压伺服装置，为液压设备提供动力，使其能够根据实际情况进行振动，见图1。

PID与模糊控制系统是控制液压结晶器振动工作的关键技术，PID系统能够确保振动系统保持良好的稳态性能，而模糊控制系统能够确保振动装置获得足够的动态性能。PID与模糊控制系统中，偏差值以及偏差变化率是控制信号输出的重要数据，因此需要对这些数据进行及时准确的分析。如果偏差值较小，则启动PID控制系统，反之则启动模糊控制系统，通过这种方式完成对于液压结晶器振动系统的科学控制[9]。

如果将PID控制装置作为液压结晶器振动系统的控制设备，则传递函数为：

该函数关系式中，Td代表微分时间常数，Ti则代表积分时间常数，Kp为比例系数。依据连铸机工作的实际需求，可以将比例环节Ka视为伺服简化步骤，则Ka=0.006 A/V，由于该环节为二阶振荡环节，则该系统中安装在液压缸上的伺服阀传递函数可以表示为：

在得出了伺服阀的传递函数参数之后，就能够对结晶装置PID控制参数进行计算。（1）对于微分时间进行重置，使其归零，同时将积分时间调整至最大值，并视具体情况对比例系数进行调控，待3个参数调整完毕之后，启动该系统。（2）在对比例度参数进行调节的时候，要按照参数由大变小的顺序逐渐调整，同时观察系统中出现的等幅振荡，系统会自动记录等幅振荡的临界比例度以及临界振荡周期。

该系统中所搭载的模糊控制系统为二维模糊控制装置，将信号反馈的差值e与系统设定位置参数，视作输入参数数据，该系统的输出值即控制增量，输入值即偏差变化率。

工作人员设计该控制系统的各个参数的论域以及模糊集。其中误差变量EC的模糊集被设定为{NB，PO，PS，PM，PB}，控制量U的模糊集设置为{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}，误差E的模糊论域设定为{-6，-5，-4，-3，2，-1，2，3，5，6}。依据连铸机实际工作情况，将控制量U的基本论域设定为{-7，7}，将误差e基本论域设定为{-0.6，0.6}。

该系统中控制量比例因子（Ku）的数值被设定为1，因此考虑到量化因子控制特点，在进行振动系统仿真实验时将比例因子数据调整为Ku=3.5，Kec=0.1，Ke=2，将其作为振动装置模糊控制系统的参数，在此基础上计算该系统的隶属函数。

最后，依据模糊控制理论以及连铸机实际工作状态，采用MAX-MIN模糊推理原则，制定相应的液压结晶振动系统控制规则[10]。

2.3 液压振动控制系统

连铸机内部安装的结晶器振动装置（简称HOC），主要利用振动控制PLC模块，对输出信号进行控制，引领CH2液压站进行油液输出，通过这种方式对总系统的工作提供动力源。结晶振动装置内部的核心零件为振动伺服阀，该零件具有很高的灵敏性，实际工作中，为了避免微小波动对伺服阀数据的影响，造成输出波形失真问题，设计人员需要为其加装储能器模块，以缓冲系统的波动，提升整个系统的安全性。该系统在计算机中提供信号的振幅和频率信息，借助波形发生器得到给定的振动位移值，通过振动位移传感器得到实际的振动位移值，将这两个值一起输入控制器，通过设置参数振动来控制伺服阀。

本次设计中，相关工作人员采用PI调节装置对该系统进行管控，先采集连铸机液压缸体的实际位置数据，并将该数据与设定的目标值进行对比，确保比值处于可控范围内。在此基础上，利用其他控制系统，对连铸机结晶器振动装置的工作进行控制，主要包括信号滤波器、阀门工作模式线性化装置、信号分析装置以及自动调节装置等。

此外，为了确保两台液压装置能够同步工作，要利用HOC装置针对两个缸体在做功过程中，出现的液体回路不平衡问题进行调控，通过调节缸体移动速度，确保两台缸体保持同步工作，见图2。

3 结语

若要确保连铸机能够始终处于稳定的工作状态，一项重要的工作就是对关键技术进行不断的优化与升级。相关工作人员要深入分析连铸机工作原理以及工作流程，并对液压结晶器振动系统以及结晶器液位自动控制进行重点研究，提升连铸机电气控制系统工作效率。