计算机技术在舞钢连铸结晶器液面控制中的应用

　 舞钢1 900 mm板坯连铸机1992年试车投产后，钢水液面控制长期采用手动操作。结晶器内的液面高低及波动，仅凭操作人员肉眼观察，作出判断，进行调节。这种人工操作方式，易受保护渣厚薄、人员所处观察位置、操作者体力和经验状况等因素的影响，控制精度往往较差。通常人工控制液位，其液面波动在±30mm左右。经验表明，钢水液面波动在±10mm以内，可消除皮下夹渣。如果结晶器钢水液面波动>10mm，不仅产生夹渣和夹渣深度增大，而且铸坯表面纵裂发生率将会上升30％。液面波动与铸坯皮下夹渣深度的关系见表1。

表l 液面波动与铸坯皮下夹渣深度的关系

液面波动范围/㎜	皮下夹渣深度/㎜
±20	＜2
±40	＜4
＞40	＜7

　

　 可见，手动控制易使铸坯产生夹渣。表面纵裂发生率大大增加。相反，如果实现液位自动控制，板坯质量就能得以改善。结晶器液位控制方式对铸坯质量的影响可见表2。

表2 结晶器液位控制方式对板坯质量的影响

缺陷种类	纵裂	横裂	针孔	夹渣
手动	1.0	1.0	1.0	1.0
自动	0.9	0.4	0.5	0.6

　　 注：表2中的数字是指有关质量缺陷发生率

　　　

　 表2数据显示，手动操作对铸坯质量的影响显著。另外，人工控制液位的操作方法，不仅影响板坯质量，还易发生设备及人身事故。1996年7月，由于操作不当，该系统发生了一起较大的漏钢事故，造成停产近一个月，经济损失严重。可见采用结晶器钢水液面自动控制势在必行。

　 2003年，公司决定对连铸结晶器液面控制系统进行改造。结合舞钢实际，选择了由武钢自动化仪表公司研制的WAL一Ⅱ型结晶器钢水液面自动控制系统(以下简称WAL一Ⅱ型液面控制系统)，并于2004年3月,成功试车投运。

　 WAL一Ⅱ型液面控制系统，具有以下两大特点。

2.1 从控制原理上看，系统采取了闭环控制，详见图1。

　

图1 结晶器钢水液面自动控制原理框图

　

2.2 从构成上看，WAL一Ⅱ型液面控制系统采用计算机代替传统的模拟量调节器，充分利用了计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能，使系统的控制更加稳定、快速和精确。具体构成如图2所示。

　

图2 系统构成图

　

　 WAL一Ⅱ型液面控制系统实质上是一个计算机闭环控制系统，是计算机技术和自动控制技术结合的产物。

　 应用计算机技术来自动控制结晶器钢水液位，从选型、设计、实施到投用，是一个环节多、难度大、要求高、技术性强的系统工程。特别是对于系统各组成部分的选型定位．更应慎之又慎。下面，对WAL一Ⅱ型液面控制系统中的测量单元、执行单元和控制单元进行具体分析，从中可以看出抓好各个环节，对于实行有效控制的重要性。

3.1 测量精确，是实施计算机有效控制的前提条件

　 数据采集与处理是每个计算机控制系统必须具备的基本功能，也是计算机进行计算处理的前提条件。WAL一Ⅱ型液面控制系统采用了电涡流式液位测量系统，取得了良好效果。该系统测量稳定、可靠，并且测量组件直接安装在结晶器上，克服了保护渣、烟尘、振动对其影响。

　 涡流位移传感器是测量系统的核心装置，它是根据电磁感应原理而制作的一种新型液位仪。测量原理如图3所示。

图3 涡流位移传感器原理图

　

　 该装置分为涡流探头和测量装置两部分。涡流探头由3个线圈组成，其中包括一个空心线圈和两个相关联的、反相连接的测量线圈。测量装置由振荡器、反馈放大器、信号转换器等几部分组成。来自振荡器的高频电流通过反馈放大器后，进入探头的空心线圈，使空心线圈产生一个交变的磁场。当高频磁场穿过钢水表面时，便产生电动势而形成电涡流，该涡流产生了一个新的磁场，并在测量线圈中产生差分电动势。差分电动势的大小与涡流大小有关，而涡流大小随空心线圈与钢水表面之间的相对距离而变化，因此可测量线圈与钢水间的距离。此电动势信号经放大、转换后，变成电流信号，通过专用屏蔽电缆输送给计算机，进行后期的处理。此测量系统可确保以下技术指标：

　 1)测量距离：150mm；

　 2)测量精度：±0.5(O～100mm)；±1(100～150mm)；

　 3)检测周期：<50ms。

3.2 调节平稳，是实施计算机有效控制的可靠保证

　 这里所说的调节环节，是指执行机构所行使的调节功能。WAL一Ⅱ型液面控制系统选择了控制中间包钢水向结晶器流入量来调节液位的方案。该方案可保证铸机拉速恒定、过程调节平稳，比其他控制液位的方案优越得多。执行机构调节的工作原理是：由数字控制器处理过的、向数字马达驱动器发出的驱动控制信号，传送给执行机构的数字马达，在精密制造安装的螺旋转换器的作用下，将数字马达的旋转运动转换成直线运动．推动中间包的塞棒上下移动．通过钢水流量的变化，对结晶器液位高度进行调节。试运行一年来的生产实践表明，这种执行机构运行正常，对控制系统功能的发挥，起到了可靠的保证作用。

　 执行系统主要技术指标如下：

　 行程时间<8S；行程距离>160mm；最小步距0.02mm；工作力矩5000N·m。

3.3 应用程序开发利用，是实施计算机有效控制的基础和灵魂

　 要实现计算机系统对各个部分的全方位控制功能，必须具有全新的硬件设备，功能强大的控制软件和安全可靠的通信网络；其中，控制软件，特别是应用软件的开发和应用，尤为重要，它是实施计算机有效控制的基础和灵魂。下面仅对WAL一Ⅱ型液面控制系统的应用软件作一简要说明和分析。

　 WAL一Ⅱ型液面控制系统所具备的应用软件是用微软的Microsoft Visual Basic 6.0语言编制而成．源程序是按结构化编程技巧来编制的，由一系列窗体文件、标准模块、类文件组成。窗体文件包括：主窗体文件(Mlev.frm)、线性化窗体文件(Lines.frm)、帮助文件(Help.frm)、参数设置窗体文件(Setup.frm)和传感器校验窗体文件(Ver.frm)；其中，主窗体文件(Mlev.frm)是整个程序的主文件，是提供人机对话的平台。它的主要功能是：启动和退出应用程序、调用其它窗体、并为操作人员提供一个人机界面。通过这一机制，从画面中的趋势图，可以监视钢水的实际液位、液位设定值、执行机构的位置反馈值、传感器内的温度值、系统运行时间、手动/自动开始时间、报警记录状态等．从而为管理人员判断系统状态和系统控制能力提供有用的参考数据。

　 下面介绍两个在液面自动控制中出现的典型程序算法。从中可以体会到应用软件在计算机控制系统中的重要作用。

3.3.1 对液位信号进行数字线性化程序算法

　 在用计算机进行线性化处理时，对于能用解析式明确表示的非线性函数关系，可按公式进行计算，实现对非线性的补偿；而液位信号则不能用数学公式精确表达。所以，只能应用线性化插值法中的等距分段法来实现。其实现方法是：1)先用实验的方法测量出输入输出的非线性关系曲线Y=f(X)；2)将X轴(结晶器的液位高度)从0～150㎜均匀分成16个插值基点；3)确定并计算出各插值点的Xi、Yi值及两相邻插值点间拟合直线段的斜率Ki，并在程序中以数据表的形式存放；4)通过查表找出X所在的区间，取出该段直线的斜率Ki和基点值Xi、Yi；5)根据插值公式Y=Yi Ki(X-Xi)，计算出X点所对应的Y值。其相应程序的部分清单如下：

　 1)下段为读取数据表

　 Lines(i，o)=ReadINI(INIFile，Line，″实际电压i″，0)

　 Lines(i，1)=ReadINI(INIFile，Line，″相对电压i″，0)

　 Lines(i，2)=ReadINI(INIFile，Line，″放大系数i″，0)

　 其中：Lines(i，o)——表示各点的实际电压

　 Lines(i，1)——表示各点的相对电压

　 Lines(i，2)——表示各点的放大系数

　 2)下段为线性化计算

　 If i>15 Then i=15

　 LineValues=(value-Lines(i一1，1))*Lines(i，2) 10*(i一1)

　 If LineValues>150 Then LineValues=150

　 If LineValues<0 Then LineValues=0

　3.3.2 对数字控制器的程序算法

　 该控制器控制算法采用的是数字PID增量式控制算法。所谓增量式PID算法，是对位置式PID算法的结果取增量。这种算法主要优点是：1)数字控制器输出的是相邻两次采样时刻所计算的位置值之差，它不需要做累积运算，控制量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，因此，计算误差对控制量计算的影响较小。2)此算法得出的数据，是控制量的增量，只输出变化的部分，不会产生积分失控因此误动作影响小。3)如有特殊情况，可以通过逻辑判断来禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。4)采用此算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。其算法框图如图4^

　

图4 数字控制器的程序算法框图

　

　 下面，列出增量式PID算法程序的模块。为了避免和消除控制动作过于频繁带来的振荡，模块中还包括有死区的PID算法。

　 *带死区的PID算法：

　 Values=levelSet-LevelInput(计算差值)

　 If Abs(Valuesl)<εThen(ε—是死区值)

　 Con_—PID=0(如果差值小于死区则PID输出为O)

　 End If

　 *增量式算法

　 *Valuesl——表示T时刻的偏差

　 *Values2——表示T一1时刻的偏差

　 *Values3——表示T一2时刻的偏差

　 *Con_— PID——P1D控制

　 *SamplTime——采样周期(取值500)

　 d(O)=Kc*(1 SamplTime/Ti Td/SamplTime)

　 d(1)=-Kc*(1 2*Td/SamplTime)

　 d(2)=Kc*Td/SamplTime(计算PID值)

　 Con_—PlD=(d(0)*Valuesl d(1)*Values2 d(2)*Values3)

　 values3=Values2　 (取最近的偏差采样值)

　 Values2=Values l

　 由于WAL一Ⅱ型液面控制系统在硬件和软件的选型上正确有效．确保控制单元达到以下技术指标：

　 控制精度±3mm；控制范围0～120mm；控制周期<100ms。

　 WAL一Ⅱ型液面控制系统充分利用了计算机具有的精度高、速度快、存贮量大等特点和独有的逻辑判断功能,实现了快速、精密的控制效果。加上系统选择了新型的涡流液位传感器和安全可靠的以数字马达为中心的执行机构，达到了有效控制结晶器钢水液位的目的，初步取得了以下效果：

　 1)减少和避免漏钢、溢钢，稳定安全生产操作；

　 2)有利于钢液中的夹渣物上浮，减少铸坯中的杂质，避免在表面和内部产生夹渣；

　 3)防止结晶器保护渣不均匀流入，避免产生裂纹、熔渣条痕等表面缺陷；

　 4)使铸坯初期凝固稳定，保证在结晶器内部产生均匀的坯壳；

　 5)防止产生铸坯振痕，使铸坯表面光滑，外观质量好。

　 6)减轻了操作工人的劳动强度，大大改善了恶劣的工作环境，基本上杜绝了人身设备事故的发生。

　 WAL一Ⅱ型液面自动控制系统投产至今，总体上满足了连铸生产的要求，但在有些方面，还不尽人意，需要进一步改进和完善。

5.1 安装在现场的设备，距离钢水较近，受到的热辐射较多。由此引起温度上升，有的板卡工作点飘移，控制精度受到影响。

5.2 生产过程中，由于现场空间狭小，部分电缆受到操作人员的挤压和碰撞。致使系统有时检测出异常信号，造成液面波动过大。

5.3 由于WAL一Ⅱ型液面自动控制系统是一封闭体系，目前缺少与其它系统的通信联络，数据不能充分共享。

6 结束语

　 一年来的投用表明，WAL一Ⅱ型液面自动控制系统惯性低、响应速度快、运行平稳，确保结晶器液面波动在±3mm的范围内，完全能够满足连铸坯生产的需要。据统计，由裂纹、皮下夹渣和气孔三大缺陷引起的计划外铸坯量，同比降低了50％以上，取得了较好的经济效益。