孫清川

（日照鋼鐵有限公司，山東 日照276800）

隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，小方坯連鑄自動(dòng)控制也得到了迅速的發(fā)展。大包滑動(dòng)水口是連鑄機(jī)關(guān)鍵設(shè)備之一，滑動(dòng)水口是安裝在鋼包底部的裝置。1000多度的鋼水通過(guò)滑動(dòng)水口流入中間包內(nèi)，滑動(dòng)水口可以隨時(shí)開閉，起到穩(wěn)定鋼流、控制鋼水溫度的作用，保護(hù)著鋼包下方設(shè)備和人員安全。而手動(dòng)控制滑動(dòng)水口的開度已嚴(yán)重制約連鑄生產(chǎn)節(jié)奏。為了提升生產(chǎn)效率，保障生產(chǎn)順行，根據(jù)中間包內(nèi)部鋼水液位的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)大包滑動(dòng)水口的開度，維持中間包內(nèi)鋼水液面平穩(wěn)變化，以便保障鑄機(jī)拉速穩(wěn)定。

1 更換液壓控制方式

目前大包滑動(dòng)水口由液壓缸來(lái)控制開度變化，通過(guò)開閉液壓電磁閥來(lái)控制液壓缸的伸縮。開閉各有一個(gè)液壓電磁閥控制，在澆注時(shí)手動(dòng)控制液壓電磁閥通電和斷電。通過(guò)手動(dòng)操作按鈕按壓給電時(shí)間的長(zhǎng)短，來(lái)控制大包滑動(dòng)水口動(dòng)作的開度變化。給電時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)；給電時(shí)間短，動(dòng)作時(shí)間短。

在供油管路閥臺(tái)上設(shè)計(jì)為2組（如圖1），兩組閥分別供油大包滑動(dòng)水口液壓缸的有桿腔和無(wú)桿腔，從而控制大包滑動(dòng)水口打開和閉合。每組閥臺(tái)又分為快速和慢速開閉。符合事故斷電或其他異常因素，緊急關(guān)閉水口的功能。

圖1

2 中包液位檢測(cè)原理

為了檢測(cè)中包液位變化，需增設(shè)中包稱重控制系統(tǒng)。每臺(tái)中包車增設(shè)4只中包稱重傳感器，并通過(guò)接線盒將稱重信號(hào)傳輸至稱重顯示表。由稱重顯示表輸出4～20mA模擬量信號(hào)傳輸至PLC中，以便實(shí)時(shí)檢測(cè)中包重量的變化情況。根據(jù)中包重量的變化，達(dá)到控制中包液位變化的目的。同時(shí)在操作室合適的位置裝設(shè)大屏顯示器，以便操作工能方便觀察中包重量的數(shù)據(jù)。

（1）設(shè)定中包重量上限：手動(dòng)操作增大滑動(dòng)水口開度，使中間包鋼水液面上升，在鋼水液面達(dá)到排渣位置，此時(shí)觀察中包重量的數(shù)值，此數(shù)值可設(shè)置為中包重量的上限值。保障在正常生產(chǎn)時(shí)，中包重量不能超過(guò)上限值。

（2）設(shè)定中包重量下限：在中包車去皮結(jié)束后，中間包內(nèi)的鋼水量必須滿足連鑄機(jī)拉速需求。通過(guò)試驗(yàn)連鑄機(jī)不同的鋼種和鑄坯的規(guī)格，鋼水的液面在滿足最低的要求，此時(shí)的重量設(shè)定為中包重量下限值。

（3）設(shè)定中包穩(wěn)定拉速動(dòng)態(tài)變化量：觀察中包重量與拉速的匹配關(guān)系，選取合適的重量變化范圍，能有效的穩(wěn)定拉速需求。把此重量變化值設(shè)定為中包穩(wěn)定拉速偏差量，即為中包重量死區(qū)范圍。中包鋼水重量在此死區(qū)范圍內(nèi)變化時(shí)，大包滑動(dòng)水口的開度保持不變。

3 涉及相關(guān)安全因素

大包中的鋼水流入中間包實(shí)現(xiàn)連鑄機(jī)連續(xù)生產(chǎn)，原有的大包滑動(dòng)水口存在如下問(wèn)題：（1）手動(dòng)控制比較隨意，大包所處任何位置，手動(dòng)都能控制滑動(dòng)水口的開閉。（2）即使接包位的操作手柄，也能控制澆注位的滑動(dòng)水口的開閉。（3）澆注位的大包出現(xiàn)意外事故進(jìn)行事故轉(zhuǎn)包時(shí)，大包滑動(dòng)水口也不能自動(dòng)關(guān)閉，嚴(yán)重危害現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和操作人員的安全，危險(xiǎn)系數(shù)較高。（4）在人員操作方面，大包或中包未在澆注位時(shí)，均有可能由于人為誤操作，會(huì)導(dǎo)致大包水口打開鋼液流出，熾熱的鋼水所到之處，必然會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備損壞，甚至?xí)斐扇藛T傷亡。

針對(duì)以上問(wèn)題，在大包滑動(dòng)水口自動(dòng)控制設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮包含手動(dòng)控制在內(nèi)的安全因素的影響，達(dá)到本質(zhì)安全要求，避免危險(xiǎn)因素的發(fā)生。大包滑動(dòng)水口的開閉需要判定，大包、中包所處的位置。在大包旋至澆注位、中包車運(yùn)行到澆注位，大包滑動(dòng)水口操作箱條件允許指示燈亮，才能控制在澆注位的大包滑動(dòng)水口的開閉。繪制監(jiān)控Wincc聯(lián)鎖、解鎖畫面，在現(xiàn)場(chǎng)限位出現(xiàn)異常情況下，通過(guò)人為觀察現(xiàn)場(chǎng)安全條件滿足時(shí)，可進(jìn)行強(qiáng)制解鎖操作，避免由于異?，F(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)致大包滑動(dòng)水口不能打開。

在大包澆注完畢或由于特殊因素轉(zhuǎn)包時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉大包滑動(dòng)水口。避免在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中滑動(dòng)水口處于打開狀態(tài)，導(dǎo)致鋼液飛濺。在中包熱換時(shí)，在澆位的中包車離開澆注區(qū)時(shí)，大包滑動(dòng)水口會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。避免由于中包車不在澆注位打開大包水口，造成設(shè)備或人員傷亡。當(dāng)熱換中包結(jié)束后，烤包區(qū)的中包車進(jìn)入澆注區(qū)后，中包車澆注位條件滿足，具備大包水口開閉的中包在澆注位的條件。如果此時(shí)其他安全聯(lián)鎖條件均滿足后，可開閉大包滑動(dòng)水口。

4 大包水口自動(dòng)與手動(dòng)控制方式

原大包滑動(dòng)水口的控制方式僅為手動(dòng)控制，在人員操作安全的位置有一個(gè)手動(dòng)控制操作箱，在澆注位和接包位各有一個(gè)移動(dòng)式的操作手柄。通過(guò)選取操作箱的轉(zhuǎn)換開關(guān)，來(lái)選擇澆注位或者接包位的操作手柄，并做到控制相應(yīng)的大包滑動(dòng)水口的作用。

在原操作箱上增設(shè)自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，信號(hào)均進(jìn)入PLC模塊。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況做好相應(yīng)切換。通過(guò)編制PLC程序在手動(dòng)控制時(shí)，液壓閥選擇為快速閥。自動(dòng)控制時(shí)根據(jù)中包重量變化范圍，自動(dòng)選擇快速閥或慢速閥。

4.1 手動(dòng)控制方式：

將操作箱上的轉(zhuǎn)換開關(guān)旋至手動(dòng)位置，在現(xiàn)場(chǎng)滿足生產(chǎn)和安全條件時(shí)，人為觀察中間包內(nèi)鋼液的變化，通過(guò)手動(dòng)操作手柄控制大包水口的開閉。

通過(guò)編制PLC程序，手動(dòng)控制也必須滿足安全聯(lián)鎖要求，且做到安全可靠。接包位與澆注位的移動(dòng)式操作手柄，不能相互控制對(duì)方的滑動(dòng)水口。在任何一側(cè)移動(dòng)式操作手柄出現(xiàn)故障或者電纜損壞時(shí)，為了保障生產(chǎn)的連續(xù)性，可以手動(dòng)選擇操作箱的轉(zhuǎn)換開關(guān)，來(lái)進(jìn)行控制損壞側(cè)的大包滑動(dòng)水口。在出現(xiàn)緊急情況手動(dòng)轉(zhuǎn)包時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉大包滑動(dòng)水口，避免大包內(nèi)鋼液流出，造成安全事故。在設(shè)備檢修時(shí)，如果要手動(dòng)測(cè)試大包滑動(dòng)水口開閉，可將待試驗(yàn)的大包旋轉(zhuǎn)至澆注位或接包位，用對(duì)應(yīng)的操作手柄進(jìn)行手動(dòng)操作。

4.2 自動(dòng)控制方式

手動(dòng)控制為開環(huán)控制方式，通過(guò)人眼的觀察中間包內(nèi)鋼水的液面變化，來(lái)操作控制滑動(dòng)水口的開閉，將大包內(nèi)鋼液流入中間包內(nèi)。此控制方式?jīng)]有自動(dòng)檢測(cè)元件，不能及時(shí)有效的控制滑動(dòng)水口的開度。由于人為操作性強(qiáng)，易由于人為的精神恍惚，導(dǎo)致出現(xiàn)操作失誤，造成安全或設(shè)備事故。

閉環(huán)控制系統(tǒng)是指：把控制系統(tǒng)輸出量的一部分或全部，通過(guò)一定方法和裝置反送回系統(tǒng)的輸入端，然后將反饋信息與原輸入信息進(jìn)行比較，再將比較的結(jié)果施加于系統(tǒng)進(jìn)行控制，避免系統(tǒng)偏離預(yù)定目標(biāo)，閉環(huán)控制系統(tǒng)利用的是負(fù)反饋。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，不論是輸入信號(hào)的變化、干擾的影響，還是系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的改變，只要是被控量偏離了規(guī)定值，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的作用去消除偏差。因此，閉環(huán)控制抑制干擾能力強(qiáng)。

通過(guò)開環(huán)控制與閉環(huán)控制的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)在控制上具有以下特點(diǎn)：由于輸出信號(hào)的反饋量與輸入量作比較產(chǎn)生偏差信號(hào)，利用偏差信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出量的控制或者調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的輸出量能夠自動(dòng)地跟蹤輸入量，減小跟蹤誤差，提高控制精度，抑制擾動(dòng)信號(hào)的影響。除此之外，負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)還有其他的優(yōu)點(diǎn)：引入反饋通路后，使得系統(tǒng)對(duì)前向通路中元器件參數(shù)的變化不靈敏，從而使系統(tǒng)對(duì)于前向通路中元器件的精度要求不高；反饋?zhàn)饔眠€可以使得整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于某些非線性影響不靈敏。

基于閉環(huán)控制方式的優(yōu)勢(shì)（圖2），通過(guò)中間包稱重系統(tǒng)的反饋，建立的自動(dòng)控制系統(tǒng)，由控制器、受控對(duì)象和反饋通路組成。比較環(huán)節(jié)是用來(lái)將輸入與輸出相減，給出偏差信號(hào)，這一環(huán)節(jié)在此系統(tǒng)中由PLC設(shè)置相應(yīng)的控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此控制系統(tǒng)中，受控對(duì)象為中間包；輸出變量為中間包內(nèi)實(shí)際檢測(cè)的鋼水重量；輸入變量為設(shè)定的鋼水重量。由于中間包裝設(shè)了稱重控制系統(tǒng)，設(shè)定重量與實(shí)時(shí)檢測(cè)重量相比較，兩者的差值經(jīng)PLC設(shè)定相應(yīng)的控制程序，來(lái)控制大包滑動(dòng)水口的開度變化，調(diào)節(jié)大包鋼水的流出量，從而保障中間包內(nèi)部鋼水重量的穩(wěn)定。

圖2

在確定好采用閉環(huán)控制方式后，就必須設(shè)計(jì)必要的控制條件，條件滿足后可進(jìn)行自動(dòng)控制。自動(dòng)控制條件：大包、中包在澆注位，中間包內(nèi)鋼水重量滿足上下限要求，中包重量在3秒范圍內(nèi)滿足穩(wěn)定拉速動(dòng)態(tài)變化量的要求。

連鑄機(jī)在開澆前，中包車停靠在烤包位對(duì)中包進(jìn)行烤包作業(yè)。在將要開澆時(shí)，手動(dòng)操作中包車，運(yùn)行至中包澆注位。在中包車澆注位信號(hào)滿足后，由于此時(shí)中間包內(nèi)沒(méi)有鋼水，將此時(shí)中包的重量在PLC程序中自動(dòng)設(shè)置為皮重。在大包水口手動(dòng)打開后，鋼水流入中間包內(nèi)，每隔3秒自動(dòng)檢測(cè)中間包重量的變化，將此重量設(shè)定為毛重。毛重與皮重的差值是中間包內(nèi)鋼水凈重。同時(shí)為了避免由于中包車澆注位限位信號(hào)異常，在監(jiān)控畫面設(shè)置手動(dòng)去皮和手動(dòng)設(shè)置皮重功能。

在待澆大包旋至澆注位，中包車運(yùn)行至澆注位。手動(dòng)打開大包滑動(dòng)水口，鋼液流入中間包內(nèi)，觀察中間包內(nèi)鋼水液面在允許轉(zhuǎn)換自動(dòng)條件時(shí)，可將轉(zhuǎn)換開關(guān)旋至自動(dòng)位置。在自動(dòng)控制條件滿足，且轉(zhuǎn)換開關(guān)旋至自動(dòng)位置的瞬間，將此時(shí)中間包內(nèi)鋼水的重量，在PLC程序中自動(dòng)設(shè)置為鋼水凈重基準(zhǔn)值。通過(guò)設(shè)定中包穩(wěn)定拉速動(dòng)態(tài)變化量，在基準(zhǔn)值的變化量范圍內(nèi)，保障大包滑動(dòng)水口的開度穩(wěn)定。在生產(chǎn)狀況發(fā)生變化時(shí)，連鑄機(jī)拉鋼工會(huì)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)奏的需求，調(diào)整鑄機(jī)拉速的變化。在超過(guò)或低于動(dòng)態(tài)變化量時(shí)，PLC控制器會(huì)根據(jù)中間包內(nèi)鋼水重量的變化，自動(dòng)調(diào)整大包滑動(dòng)水口的開閉，以便于調(diào)整中間包內(nèi)鋼水的流入量。在PLC控制邏輯中，設(shè)定啟動(dòng)液壓快速閥和慢速閥重量的分界線。在中間包內(nèi)鋼水重量偏差大時(shí)，自動(dòng)選取液壓快速閥進(jìn)行動(dòng)作，并通過(guò)液壓慢速閥進(jìn)行補(bǔ)充。當(dāng)中間包內(nèi)鋼水重量偏差較小時(shí)，可自動(dòng)選取液壓慢速閥動(dòng)作，控制大包滑動(dòng)水口的動(dòng)作。以此控制邏輯來(lái)合理控制大包滑動(dòng)水口的開度，保障中間包內(nèi)鋼水重量的穩(wěn)定。

5 改造后效果

在對(duì)大包滑動(dòng)水口控制方式升級(jí)時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際增設(shè)了相應(yīng)的安全邏輯。在安全程序投用后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。避免了由于突發(fā)異常狀況，引起鋼水噴灑導(dǎo)致的生產(chǎn)停澆事故。同時(shí)在大包滑動(dòng)水口自動(dòng)控制改造后，經(jīng)過(guò)實(shí)際使用驗(yàn)證，性能穩(wěn)定可靠。與原來(lái)的手動(dòng)控制相比，降低了生產(chǎn)勞動(dòng)力、保障了人員安全性，減少了漏鋼和冒鋼現(xiàn)象。可以根據(jù)中包重量自由設(shè)定中包液面的高度，保障了鋼液平穩(wěn)和鑄機(jī)拉速穩(wěn)定。