阮 亞

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串級(jí)控制系統(tǒng)在連鑄機(jī)擋塊鏈冷卻控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

阮 亞

（銅陵有色銅冠銅材，安徽 銅陵 244000）

連鑄機(jī)擋塊鏈冷卻控制參數(shù)具有大時(shí)滯、時(shí)變性、非線性、多變量的特點(diǎn)。本文通過采用PLC及其串級(jí)控制系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的抗變換性和良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，滿足系統(tǒng)的控制要求。

串級(jí)控制；連鑄機(jī)擋塊鏈；PLC控制系統(tǒng)

低氧銅桿是現(xiàn)代化工業(yè)的重要基礎(chǔ)材料之一，是電線電纜、漆包線、電磁線等導(dǎo)體的理想原材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)電、制造、通信、電子、能源交通等行業(yè)。得益于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速的增長(zhǎng)，電氣、通信業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)低氧銅桿的需求也相應(yīng)增加。目前我國(guó)是世界最大的低氧銅桿生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，而使用連鑄連軋技術(shù)生產(chǎn)低氧銅桿是目前國(guó)內(nèi)外電線電纜行業(yè)中生產(chǎn)銅桿所采用的主要工藝之一[1]。而銅桿連鑄機(jī)是整個(gè)連鑄連軋生產(chǎn)工藝流程中的關(guān)鍵設(shè)備，連鑄機(jī)的控制系統(tǒng)水平高低直接影響到資金與能源消耗、設(shè)備安全、人身安全以及最終低氧銅桿產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。

連鑄機(jī)的鑄造過程，使高溫銅液通過用上下為回轉(zhuǎn)鋼帶和左右為回轉(zhuǎn)擋塊鏈構(gòu)成長(zhǎng)方體模腔進(jìn)行連續(xù)澆鑄，在澆鑄過程中持續(xù)的對(duì)模腔進(jìn)行冷卻，讓銅液結(jié)晶形成固定形狀的鑄坯，并且使其斷面光滑[2]。在連鑄連軋生產(chǎn)線中，連鑄機(jī)是核心設(shè)備，其中的擋塊鏈冷卻系統(tǒng)用于對(duì)銅液進(jìn)行控溫冷卻，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的影響。

過去擋塊鏈溫度控制效果不好，全靠操作人員通過手動(dòng)調(diào)節(jié)擋塊鏈冷卻閥流量來控制擋塊鏈溫度，容易造成擋塊鏈溫度過高或過低，且操作人員精神高度緊張，容易疲勞，較易出現(xiàn)人身及設(shè)備安全事故。本文采用PLC及其串級(jí)控制系統(tǒng)來控制擋塊鏈的溫度，可以有效避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。

1 擋塊鏈的基本控制原理

在連鑄機(jī)中，通過紅外測(cè)溫傳感器測(cè)量擋塊鏈的溫度，并將其溫度信號(hào)通過工業(yè)以太網(wǎng)反饋給PLC，以控制用來冷卻該擋塊鏈的水流量控制閥，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)擋塊鏈鏈冷卻水的流量。其中，測(cè)溫傳感器選用雷泰傳感器，流量反饋數(shù)據(jù)由流量計(jì)提供。擋塊鏈分內(nèi)側(cè)擋塊鏈和外側(cè)擋塊鏈，內(nèi)側(cè)和外側(cè)擋塊鏈的控制回路相互獨(dú)立，但控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相同。內(nèi)外側(cè)擋塊鏈控制回路分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式。在手動(dòng)模式下，操作人員靠手動(dòng)切換開關(guān)，改變閥門的開度來控制冷卻水的流量。正常生產(chǎn)時(shí)通常選擇在自動(dòng)模式。自動(dòng)模式是通過PLC中央處理器（CPU）進(jìn)行控制，用來保持擋塊鏈溫度穩(wěn)定。

正常生產(chǎn)時(shí)，需要盡可能保證冷卻水的流量穩(wěn)定的，才能保證擋塊鏈溫度的穩(wěn)定。因此，在擋塊鏈溫度控制處于自動(dòng)模式下，希望擋塊鏈溫度保持恒定，就要求CPU控制冷卻水的流量處于穩(wěn)定狀態(tài)。擋塊鏈冷卻水流量的給定值能夠通過工業(yè)人機(jī)界面輸入。

在工業(yè)人機(jī)界面觸摸屏上，手動(dòng)和自動(dòng)的控制模式可以通過人工或自動(dòng)方式來完成切換。比如：如果雷泰溫度傳感器提供了一個(gè)無效的讀數(shù)時(shí)間過長(zhǎng)，通過報(bào)警HMI畫面，連鑄機(jī)報(bào)警燈就會(huì)被激活5min，然后進(jìn)入手動(dòng)模式。

2 串級(jí)控制系統(tǒng)

2.1 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于擋塊鏈溫度滯后大、干擾信號(hào)強(qiáng)，對(duì)控制質(zhì)量要求高，并且流量被控量的給定值需要隨另一擋塊鏈溫度被控量的輸出變化而變化，具有大時(shí)滯、非線性和時(shí)變性的特點(diǎn)，因此，本文應(yīng)用PLC及其串級(jí)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)擋塊鏈溫度的自動(dòng)化控制。

1）系統(tǒng)控制框圖

本系統(tǒng)采用串級(jí)控制方案，通過擋塊鏈溫度控制回路的輸出來改變?cè)O(shè)定點(diǎn)控制回路，擋塊鏈溫度控制回路的給定值與紅外測(cè)溫儀測(cè)量的實(shí)際溫度進(jìn)行比較，得出溫度偏差，經(jīng)西門子安全型PLC通過PID函數(shù)運(yùn)算，提供給流量控制器給定值信號(hào)，流量控制器給定值與流量傳感器實(shí)際測(cè)得的流量進(jìn)行比較，得到流量偏差，經(jīng)PLC通過PID函數(shù)運(yùn)算作為給控制閥輸入信號(hào)，然后控制閥動(dòng)作，調(diào)節(jié)擋塊鏈冷卻水的流量，流量傳感器反饋回來一個(gè)實(shí)測(cè)信號(hào)，流量控制器再根據(jù)變化的流量偏差調(diào)整輸出信號(hào)調(diào)節(jié)控制閥開度，整個(gè)過程不斷延續(xù)，最終使擋塊鏈溫度目標(biāo)值與擋塊鏈溫度給定值達(dá)到一致為止。這時(shí)冷卻水量保持到了一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)[4]。其控制框圖如圖1所示。

2）系統(tǒng)傳遞函數(shù)及抗干擾能力分析

用傳遞函數(shù)和拉氏變換表示的串級(jí)控制系統(tǒng)框圖，如圖2所示。

圖1 擋塊鏈冷卻串級(jí)系統(tǒng)控制框圖

圖2 擋塊鏈冷卻串級(jí)系統(tǒng)控制框圖

在擋塊鏈溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中，各環(huán)節(jié)和參數(shù)拉氏變換如下。

輸出對(duì)于二次擾動(dòng)的傳遞函數(shù)為

在給定值作用下，系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

設(shè)副回路中各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為

這說明，在擋塊鏈溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中，溫度控制器和流量控制器比例放大系數(shù)的乘積越大，擋塊鏈溫度控制系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng)，控制質(zhì)量就越高。擋塊鏈冷卻串級(jí)控制系統(tǒng)正是根據(jù)這個(gè)原理來設(shè)定溫度控制器和流量控制器比例系數(shù)的。

那么干擾作用于主回路時(shí)的抗干擾能力為

把干擾由流量控制回路進(jìn)入系統(tǒng)是的抗干擾能力式（9）和干擾由溫度控制回路進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)的抗干擾能力式（11）進(jìn)行比較可得

通過以上推導(dǎo)可以看出，由于副回路的存在，對(duì)進(jìn)入副回路的干擾具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

3）溫度控制器和流量控制器的設(shè)計(jì)

擋塊鏈串級(jí)控制系統(tǒng)從控制效果上看是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。使用串級(jí)控制系統(tǒng)的目的是為了更好地穩(wěn)定溫度參數(shù)，使之等于給定值，而溫度參數(shù)就是主回路的輸出，因此將主回路設(shè)計(jì)為定值控制系統(tǒng)。流量控制回路的輸出是流量參數(shù)，流量控制回路的給定值是溫度控制器的輸出，所以在串級(jí)控制系統(tǒng)中，流量參數(shù)要求隨溫度控制器的輸出變化而變化，是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。因此，溫度參數(shù)要求無余差，流量參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)變化，這是選擇控制規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。

擋塊鏈溫度控制根據(jù)連鑄機(jī)生產(chǎn)工藝安全等要求，溫度控制器和流量控制器都選用PID控制中比例控制。

4）PID控制的特點(diǎn)

在工程實(shí)際應(yīng)用中的PID控制，是由比例（P）控制、積分（I）控制和微分（D）控制組構(gòu)成，具有較強(qiáng)的抗干擾性和適應(yīng)性、易于實(shí)施、算法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不易掌握，或數(shù)學(xué)模型不便描述，或控制技術(shù)難以使用時(shí)，依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定控制系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，是很難實(shí)現(xiàn)的。如果采用PID 控制技術(shù)，使用起來就很方便。PID的控制原理，如圖3所示。

圖3 PID控制系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)PID控制器的微分方程式為

在S7-300PLC程序中有一個(gè)FB41功能塊，用于對(duì)連續(xù)變化的模擬量進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制，可在PLC程序中對(duì)FB41功能塊各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后由PLC程序直接調(diào)用。本系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)傳感器測(cè)得不同時(shí)間的溫度、流量的各種過程值均輸入至FB41功能塊，包括設(shè)定FB41調(diào)用條件、輸入給定值、比例、積分時(shí)間、微分時(shí)間等參數(shù)，完成后PLC控制器通過設(shè)定好的PID調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

5）選擇溫度控制器和流量控制器的正、反作用

為了滿足連鑄機(jī)生產(chǎn)工藝安全等要求，同時(shí)讓擋塊鏈串級(jí)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，溫度控制器和流量控制器的正、反作用方式必須選擇正確。

對(duì)于擋塊鏈串級(jí)控制系統(tǒng)來說，先確定流量控制器正反作用，再定溫度控制器正反作用。溫度控制器和流量控制器的正、反作用方式的選擇原則為了保證整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋，也就是流量回路各環(huán)節(jié)放大系統(tǒng)系數(shù)極性乘積必須為正值。溫度回路中溫度控制器、擋塊鏈出口溫度和溫度變送器極性乘積為正值。對(duì)各環(huán)節(jié)控制器放大系數(shù)c極性的正負(fù)規(guī)定如下：當(dāng)控制器的輸出隨著測(cè)量值的增加而也增加，那么c取負(fù)（正作用控制器）；反之，c取正（反作用控制器）。過程放大系數(shù)極性是：調(diào)節(jié)閥的輸出隨著過程輸入的的增加而也增加，那么v取正；反之v取負(fù)。

在本項(xiàng)目中，溫度控制器為負(fù)作用，流量控制器為正作用。

6）串級(jí)系統(tǒng)投運(yùn)及PID參數(shù)整定

在連鑄機(jī)的人機(jī)界面上可對(duì)內(nèi)、外側(cè)擋塊鏈的流量控制器和溫度控制器的比例、積分、微分參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，也可對(duì)擋塊鏈的溫度給定值、最高溫度、最大流量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，內(nèi)、外側(cè)擋塊鏈同類參數(shù)設(shè)置一樣，便于同步控制。圖4中設(shè)置P為0.08，溫度給定值為80，最大流量為250lpm，流量給定值為0等。圖5和圖6分別為內(nèi)、外側(cè)擋塊鏈溫度控制器參數(shù)設(shè)置圖。

串級(jí)系統(tǒng)投運(yùn)按照“先投副回路，再投主回路”順序投運(yùn)。

串級(jí)系統(tǒng)參數(shù)整定一般有逐步整定法、一步整定法和兩步整定法。在實(shí)際工程中多使用一步整定法。本項(xiàng)目使用一步整定法來整定參數(shù)：①確定流量控制器的PID整定參數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)在人機(jī)界面首先設(shè)定其積分時(shí)間和微分時(shí)間都設(shè)置為零，再確定比例系數(shù)為0.08，將其放好，如圖4所示；②確定溫度控制器PID整定參數(shù)，同樣在人機(jī)界面首先設(shè)定其積分時(shí)間和微分時(shí)間都設(shè)置為零，再確定比例系數(shù)為0.1，如圖5所示。溫度控制器的PID參數(shù)整定是按照單回路控制系統(tǒng)控制器的整定方法整 定的。

圖4 內(nèi)側(cè)擋塊鏈流量控制器參數(shù)及溫度給定值設(shè)置

圖5 內(nèi)側(cè)擋塊鏈溫度控制器參數(shù)設(shè)置

圖6 外側(cè)擋塊鏈溫度控制器參數(shù)設(shè)置

3 結(jié)論

運(yùn)行實(shí)踐表明，在擋塊鏈冷卻控制系統(tǒng)中使用串級(jí)控制系統(tǒng)，解決了手動(dòng)操作控溫波動(dòng)大、達(dá)不到工藝要求、導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不易控制、易造成人身及設(shè)備安全事故的問題。同時(shí)也比單回路控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，冷卻控制效果好，較好地滿足了生產(chǎn)安全工藝要求，也對(duì)類似工程及其他工業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。下一步工作重點(diǎn)是，在溫度控制器中逐漸加入積分和微分控制，使控制效果更佳。

[1] 黃崇祺. 論中國(guó)電纜工業(yè)的廢雜銅直接再生制桿[J]. 電線電纜, 2009(6): 1-5, 9.

[2] 張文娟. 鋁桿連鑄連軋機(jī)控制算法研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2011.

[3] 楊立波. 模糊PID控制器仿真研究[J]. 華人時(shí)刊(中旬刊), 2013, 11(1): 188.

[4] 俞金壽. 過程控制系統(tǒng)和應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

Application of cascade control system in cooling control system of block chain of continuous casting machine

Ruan Ya

(Tonglingcolored Copper, Crown copper material, Tongling, Anhui 244000)

The cooling control parameters of the block chain of the continuous caster belong to the characteristics of large time delay, time-varying, nonlinear and multivariable. By using PLC and its cascade control system, it has strong resistance to transformation and good adjustment quality, so as to achieve the control requirements of the system.

cascade control; block chain of continuous casting machine; PLC control system

2018-04-11

阮 亞（1971-），男，安徽省銅陵市人，控制工程碩士，主要從事電氣及儀表自動(dòng)化設(shè)備維護(hù)、設(shè)計(jì)及檢修工作。