结晶器液面控制探析

天津冶金职业技术学院

毕业课题

结晶器液位控制系统探析

系别机械工程

专业机电一体化

班级09机械

学生姓名徐冀峰

指导教师张秋菊

2011年9月27日

摘要

连铸是炼钢生产的核心设备。当代高端大型连铸机大多采用多流园弧形连铸机，连铸控制采用二级自动控制系统，即PLC控制和过程控制。在整个系统中，结晶器液位控制是关键技术。液位控制有很多方式，普遍采用的是钴-６０液位控制。本文将对钴-６０液位控制系统进行探析。

关键词：结晶器，液位控制，过程控制系统

目录

摘要-------------------------------------------------------Ⅰ

1.概述---------------------------------------------1

2.结晶器液位控制原理---------------------------------1 2.1.基础自动化部分---------------------------------------------1 2.2.检测部分--------------------------------------------1 2.

3.结晶器液位控制器------------------------------------1 2.

4.伺服执行机构-------------------------------------2

2.5.液位显示部分-----------------------------------------2

3.系统的组成---------------------------------------2 3.1.基础自动化-P L C系统-----------------------------------2 3.2.液面位置检测部分---------------------------------------3 3.3.结晶器液位控制器-----------------------------------------4

3.4.伺服执行机构---------------------------------5

4.自动浇铸-------------------------------7 4.1.前馈控制-------------------------------8

4.2.比例参数重新调正----------------------------------------8

5.结束语-----------------------------9

6.参考文献：-----------------------------9

1.概述

连铸是炼钢生产的核心设备。大型或特大型连铸机大多采用多流园弧形连铸机，连铸电控采用二级自动控制：即PLC控制和过程控制，全系统主要有钢水称重、钢水测温、钢渣检测与控制、结晶器钢水搅拌、结晶器液位控制、二冷水调节、引锭杆跟踪、自动切割、钢坯自动打号、钢坯输送及质量跟踪等控制，其中，结晶器液位控制是关键技术。

液位控制有很多方式，主要有：涡流式，浮子式，电极式，电磁感应式和钴-６０射源式，这些控制技术各有千秋，其中，鈷-60液位控制更为成熟。

目前，许多工业国家，如德国、意大利、美国、日本和韩国等大型钢厂都普遍采用钴-６０液位控制技术，经济效益十分可观。近年来，国内炼钢也逐渐开始采用鈷-60液位控制。本文将对这一控制技术进行详尽的探讨与分析。

2.结晶器液位控制原理

在连铸过程中，为了保证铸坯质量，防止溢钢和拉漏事故的发生，必须对结晶器液位进行控制，以使结晶器内的钢水液位达到相对稳定状态。影响结晶器液位变化有五个主要因素：一是钢种，二是钢水温度，三是中间罐注入结晶器的钢水流量，四是拉矫速度，五是结晶断面的大小。其中最主要的是钢水流量。通过调节中间罐塞棒的位置，来控制滑动水口的钢水流量；或调节拉矫速度来控制液位高低。由于采用恒定结晶器断面和定速拉矫的控制方式。因此结晶器液位控制，是通过调节中间罐塞棒位置来完成的。

结晶器液位控制通常采用串级闭环控制系统，该系统主要由以下部分组成：2.1基础自动化部分

是液位控制系统的神经中枢，大都采用PLC控制系统。目前使用较多的是SIEMENS/S7-400 System，简称S7-400系统，这一系统可较好地实现结晶器液位闭环控制。

2.2检测部分

包括：钴－60射源、闪烁计数器、结晶器液位计等自动化设备。

2.3结晶器液位控制器

包括：V/I转换器、振荡器、解调器、PID调节器、伺服放大器等。

2.4伺服执行机构

包括：电一液伺服阀、电磁换向阀、液压缸和中间罐塞棒机构。

2.5液位显示部分

主要是HMI操作画面(人机对话操作画面)和智能仪表显示。

整个结晶器液面控制系统，如图1所示。

图1. 结晶器液位控制系统图

液位控制原理是：现场检测到的钢水液位信号输入到S7-400系统，S7系统将检测到的现场液位实际值与设定值进行比较，将其差值进行PID运算，运算输出信号作为内环PID的设定值输入，该值再与塞棒位置信号进行比较，其差值经PID运算后，再将信号输出控制伺服阀，进而控制液压执行机构—液压缸动作，液压缸驱动塞棒升、降，塞棒控制钢水流量，使结晶器液位达到最佳设定值。

3.系统的组成

3.1基础自动化-PLC系统，即S7-400系统，主要配置：

一个主模件MFC Multi Function Controller

两个数字输入子模件DSI Digital Slave Input

两个数字输出子模件DSO Digital Slave Output

一个快速反应混合子模件QRS Quick Response Slave

一个模拟输出模件AOM Analog Output Module

六个端子模件TB Terminal Board

在液位控制系统中，来自结晶器检测元件的实际液位信号，经液位计处理变为4-20mA 的标准信号，该信号经端子模件ＴＢ送到相应的子模件DSI 和QRS 中，然后再送到主模件MFC 中,MFC 按PID 算法，计算出设定液位控制信号。经输出子模件DSO 和端子TB ，送到V/I 逆变器。将电流信号变为电压信号，再送到伺服放大器，经过比较运算和PID 运算后，输出控制信号到伺服阀，伺服阀控制液压缸动作，液压缸驱动中间罐塞棒升、降运动，使结晶器内钢水液面在设定值允许范围内轻微波动。

3.2 液面位置检测部分:主要是钴-60射源、闪烁计数器和结晶器液位计。

3.2.1 钴60-射源

物理测量原理是基于放射性射束经过金属物质时，其放射性强度减弱这一事实。γ射线的减弱程度，遵循指数规律衰减，其指数定律是：

式中：I0 为初始强度，d 为介质厚度，ε为介质密度，η为衰减系数（取决于射源类型）。

因此，测量计数只由厚度和密度之积ε·d 来决定。由于结晶器 熔池的高密度，最终吸收特性将在高弯曲部分（即使测量路径相对小），因而密度变化的影响微不足道，并且射线被完全吸收。

结晶器壁厚对测量计数没有影响，它只产生一个固定衰减因数，而这可通过增加射源的活性强度来补偿。选择合适的射源活性，使在允许操作条件及经过结晶器壁厚之后，仍有足够剂量率。射源的长度由测量范围的大小及测量系统的几何形状决定，一般在100-120mm 之间。

随着结晶器液位的升高，被熔池所遮挡的射源部分也增加，因此，被闪烁计数器所吸收的放射强度与结晶器液位成反比。由测量系统几何形状产生的非线性，将由沿

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