结晶器液面自动控制系统的应用研究

姬兰帅

【摘要】随着科技的持续发展，市场对钢铁产品的要求越来越高，钢种品级不断提高，从原先的普钢到现在的优钢、特种钢，因此需要对结晶器液面自动控制系统进行细致优化。本文对结晶器液面自动控制系统的应用进行研究，介绍了结晶器钢水液面自动控制系统的工作原理，并结合实际情况提出了具体的策略，使各类钢铁企业制造出高精度、高质量的产品。

【关键词】结晶液面;自动控制系统;钢铁

【DOI 编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2022.02.032

Research on the Application of Automatic Control System of Crystallizer Liquid Level

JI Lan-shuai

（Nanjing Iron and Steel Co.，Ltd.，Nanjing 210035，China）

Abstract：With the continuous development of science and technology，the market has higher and higher requirements for iron and steel products，and the grade of steel continues to improve. From the original ordinary steel to the current high-quality steel and special steel，it is necessary to carefully optimize the automatic control system of mold liquid level. This paper studies the application of mold liquid level automatic control system，introduces the working principle of mold molten steel level automatic control system，and puts forward specific strategies combined with the actual situation，so that all kinds of iron and steel enterprises can manufacture high- precision and high-quality products.

Key words：crystal liquid level;automatic control system;steel

为了提高生产作业率，钢铁企业需要改善自动化系统，保证结晶器钢水液面自动控制系统应用的有效性。系统要分析存在的问题并提出解决方法，有效应用现代技术原理和算法，通过Profibus-DP网实现变频器的PLC控制，提高生产过程中的性能以及可靠性，满足时代的发展需求。

1结晶器液面自动控制系统组成及功能

1.1检测系统

检测系统由Co60放射源、闪烁计数器和液位计组成，安装位置前后对称，由于被钢水吸收的γ射线随钢水液面高度的不同而不同，将此用于测量结晶器内的钢水液位高度。Co60放射源和闪烁计数器安装在结晶器内，当Co60放射源中的γ射线透过结晶器和内部钢水时，少量到达闪烁计数器的探测表面，钢水液面越高，位于另一侧的闪烁计数器接收到的射线强度越低，借助于二次仪表转化与过滤处理，能够输出给PLC系统具体数值为0～10 V或4～20 mA的信号（如图1所示），根据检测出的Y射线强度转换成钢水液面高度的变化[1]。

1.2自动化控制系统

整个自动控制系统由Siemens提供，在此过程中要求PID控制参数调整，塞棒位置反馈信号，高速传送数据并向管理层拓展应用，以此进行实时历史趋势的显示及查询。

自动化控制系统由PLC、Win CC HMI等组成，其中DI32XDC24V模块（2只）、DO32XDC24V模块（2只），用于操作现场塞棒的开度;PLC系统由电源PS 307 5A（1只）用于系统供电及启动;CPU 315-2DP（1只）、AI8X16bit（2只），用于塞棒电动缸运行温度及控制曲线开浇后P3操作，使WinCC HMI控制画面可以对实时设定值，保证自动控制启动的有效性和安全性。

1.3控制变频传动系统

控制变频传动系统中包含塞棒机构，工作时主PLC通过Profibus-DP网络发出控制指令，其中的位移传感器将具体的塞棒位置上传到控制系统中，然后利用MC变频器判定塞棒是否需要进行位置变动。而其中的变频传动系统基本构成大多由低速变频型的调速电机、传动机构以及位移传感器等构成，下控制系统主要根据结晶器液面情况进行有效控制，在一次动作全部完成之后，借助MC变频器来对变频调速电机进行驱动，而达到调节中间包钢水进入结晶器内的恒流量，使鋼水达到稳定状态。而位移传感器向控制系统进行位置反馈，结合具体的液面情况来明确塞棒是否需要升降，确保结晶器中的钢水液面始终维持在合理范围之内，实现结晶器钢水液面恒稳定控制[2]。

2结晶器液面自动控制系统的原理与实现

2.1自动控制原理

采用双闭环PID控制系统，目标就是要将结晶器内钢水液位保持在要求的水平位置。为使塞棒不断地调整位置直到结晶器钢水液位到达要求，PLC将现场反馈回来的实际液位与设定值进行比较，检测到塞棒的实际位置误差动作时影响小，可见增量只与最近几次采集有关。

为使液位调节准确快速地获取各类参数，在PID控制中按照仿真系统的最终结果以及实际情况来调整，明确浇铸钢种、结晶器的具体断面尺寸以及结晶器拉速等，按照所采集的设定数值与实际数值之间的差值，实现参数自动调节，使塞棒快速提升或下降，从而快速而准确地到达给定液位值。水密度能够有效阻挡射线，钢水处于结晶器中会有不同高度，借助实际测量与计算对结晶器液位控制系统进行调控，带动机构的升降运动。工人对伺服电动缸进行控制时所在操作位置的辐射均在安全范围。

2.2原始值计算

原始计数值来源于探测器的输入模块，在针对结晶器进行液面的自动控制过程中，需要将放射源和一次性仪表事先安装，然后标定具体的原始技术数值。原始计数与结晶器液位高度成反比，它显示出探测器所接收到的辐射量。这个模块是进行系统设立的关键参照，因此需要分别对应满量程的0%、30%、50%、80%、100%进行标定检测，提高检测的有效性。控制系统将采集的实际液位值与设定值进行比较，对射线阻挡的能力不同，通过钢水的γ粒子数量就不同，按国家防护标准进行了安全防护。操作人员可通过操作盘进行手（自）动模式的切换，对浇铸过程中的钢水液位展开全程控制，同时针对各种关键数值、报警信号以及工作情况进行实时显示[3]。

2.3设定系统标准

为保持钢水在结晶器内的液位稳定，需要对此加强关注，当液位高度超出或低于允许控制范围时，使用安放在结晶器一侧的放射源，输出控制驱动设备的信号到伺服驱动器，将其差值经PID控制。

在正常情况下，结晶器内的钢水液位通过接收器检测出后，接收器發出的是脉冲信号，随后将系统工作状况及时反馈给上位机，然后将其转换成标准的电流、电压信号输出，通过液位检测仪经滤波和D/A转换将信号转换成4～20 mA/0～10 V 的标准，从而满足实际需求。

3结晶器液面自动控制系统的应用策略

某地区第二钢轧厂3#连铸机原设计年产量为40万吨，此次改造要求实际年产量为70万吨，根据实际需求将其改造为6机6流。根据品种钢生产的实际需要要求，铸机的自动开浇率达95%以上，因此引进了Siemens公司关键部位的设备、技术，自动开浇、自动连续浇铸方面已经取得很大成功，铸机的自动开浇率达98%，提高了生产率，现如今已达到年产120万吨的生产水平。上述钢扎厂为了能够达到液位稳定的目的，需要采用流量型算法，通过控制进入结晶器的钢水流量，以保持液位稳定。

3.1液面测量

结晶器液面所实现的自动控制和测量工作的精确性有直接联系。液位测量的主要方法是同位素测量法，在这种方法中，可以选择特殊放射源来当测量所需放射源，其中的放射射线在穿越水套与铜管之后会被另一个探测器收回，同位素测量的准确、可靠和测量过程非接触，能够有效应用在周围环境恶劣的情况下。

质量吸收的实际系数是由吸收体材料以及放射线能量这两种因素决定的，因为探测器收到的实际射线强度会随结晶器内钢水液位的高度变化而改变，如钢水密度大，变化小可能造成较大的数值误差，若两者差距不大，则影响可以忽略不计。当放射源一定时，照射过程产生电脉冲，为保持结晶器中的钢水液位稳定，经光电隔离、补偿、放大之后进行脉冲计数、液位高低报警和PLC联锁[4]。

3.2液压控制系统

为实现结晶器液面自动控制，上述钢扎厂合理应用液压控制系统，在全开和全闭的情况下进行接近开关的设置，并设置一个水口液压型的专业控制器，从而达到水口开口自动化的目的。随着水口技术的发展，滑动水口逐渐取代了塞棒水口，当测量到实际液位后，由PLC计算出和液位设定值的偏差与现场的实际开度比较，最后结合实际情况对水口开度进行调节。

3.3运动控制变频传动系统的实现

塞棒机构由运动控制MC变频器变频调速电机实现升降运动，MC变频器专门应用于运动控制系统，能够实现速度控制、位置控制等符合PFB标准要求，CBP通讯板通过9孔SUB D型插座连接到PFB系统，实现与S7-400主PLC自动化系统的通讯[5]。

传动装置的数据存取总是按照主从方式进行，PLC周期性地与传动装置进行数据交换，接口的所有连接是防短路，周期型通道的有用数据被定义为参数过程数据对象。在PLC中硬件组态变频器编制通讯DB块，按照PP05通信协议，将前述PLC程序运算结果修改，使其能够控制驱动电机带动塞棒机构升降。

3.4系统调试应注意的问题

系统在首次运行前应在手动状态下将水口开度调到最大，在开浇时应在手动状态运行，并与经验公式计算的拉速相比较，避免结晶器内无钢水。同时应该手动调节变频器旋钮，到液位稳定时记录此时的拉速，在短时间内使钢水达到给定高度造成的溢钢和漏钢，确定系统的最大拉速，保证在拉矫机、液压系统故障时能够自动关闭水口。

3.5系统存在问题与解决办法

在系统正式投入运行使用后，最可能出现的一种问题就是液面波动，这也是最常见的问题。针对这种问题进行分析研究不难发现，其主要原因如下：由于结晶器、电缆或传感器得到了更换，因此导致检测信号发生一定偏差，进而造成液位出现波动。针对这种问题可以采取以下解决办法：

1）可以重新对标定系统进行调校，重点针对置满信号与置空信号进行标定，也就是液位为满或者为空时的具体信号;

2）要做好相关的抗干扰防护工作，防止干扰信号混入到测量回路中，连线连接可以依靠无接触型电阻;

3）由于不同钢种需要进行调节的具体参数也各不相同，因此需要结合具体的工艺和现场实际情况进行参数调整，条件允许时可以在参数调整之前先进行科学的仿真。

4结语

该系统在通过线性化的改善，经过现场的跟踪调试，能够适应市场对钢铁产品的要求，生产优钢、特种钢时运行效果较佳，能够将钢水液面控制到最精细化的范围之内，从而更好地满足既定目标需求，现已成为生产品种钢、特殊钢的重要保证。

【参考文献】

[1]孔超，田鹏，林大帅，等.板坯连铸结晶器液面异常波动原因分析[J].连铸，2019，44（5）：31-34.

[2]赵鹏.连铸结晶器内液面波动行为的大涡模拟[J].钢铁钒钛，2019，40（6）：101-107.

[3]田立，田运辉，谢卫东，等.基于前馈补偿方式的板坯结晶器液面周期性波动研究[J].炼钢，2019，35（4）：38-42.

[4]张开天，刘建华，崔衡，等.浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响[J].工程科学学报，2018，40（6）：697- 702.

[5]曹成虎.降低低合金高强钢结晶器液面波动的工艺实践[J].安徽冶金科技职业学院学报，2019，29（3）：4-6.