PLC在连铸机结晶器液位控制中的应用
作者：魏哲明陈洁
来源：《数字化用户》2013年第04期
【摘要】介绍了唐钢方坯连铸机结晶器液位控制系统的组成、功能特点以及应用情况，以及基于西门子S7系列PLC的液位闭环过程控制的功能图软件设计方法。

由于不同的连铸机结晶器液位控制的思路是类似的，因此不同的系统控制程序修改后是可以移植的。

采用功能阁的方法编制PLC的程序具有思路清晰，逻辑严谨，可移植性高等特点。

采用PID串级控制器井按照功能图方法编写的程序经过工程实践，结晶器液位在稳定工作时其控制精度在左3mm 以内，系统响应速度快，运行自定可靠，同时减少了编程开发调试时间。

【关键词】连铸结晶器液位控制 PLC 自动控制
一、引言
在我国的钢铁连铸领域，特别是方坯连铸机领域中，自动化水平是相对较低的，在科技快速发展的今天，技术水平落后已经尤为突出。

连铸自动化水平的提高，直接关系到对保证铸坯质量、提高连铸机的劳动生产率、增加连铸机的金属收得率起着非常重要的作用。

为了提高产品的市场竞争力以及与世界接轨，是世界冶金生产的发展方向。

因此，实现PLC自动控制系统在连铸生产过程中非常重要。

结晶器液位控制是连铸生产中的重要环节。

稳定的液位有利于使铸坯初期坯壳生成，提高凝固坯壳生长的均匀性，有助于液相穴内的杂物上浮，降低铸坯纵裂纹指数，减少表面夹渣，提高铸坯质量，同时大大减少连铸机生产中的拉漏、溢钢事故。

二、自动控制系统设计
结晶器内的液位控制采用流量控制，通过调节中间包裹棒与水口之间的缝隙控制钢水流量，以达到控制结晶器内液位目的。

控制器设计为串级控制，共有两个控制器，包括塞棒开度控制和液位控制两个控制环，其中开度环采用P控制器，塞棒位置传感器检测塞棒的实际位置，通过控制器控制液压缸的伺服阀从而控制塞棒位置。

液位控制采用PID控制器，将液位检测信号反馈到液位控制器，经调节算法进行运算，得到塞棒调节的位移量，再将位置量传送到开度P控制器。

P控制器最终输出信号控制比例阀。

开度按制作为内环，液位作为主控制器，这种控制器结构能够改善系统的动态特性，提高系统的工作频率。

三、自动控制系统构成
连铸机的自动控制系统由公用PLC、流用PLC、液位PLC、火切机PLC、电磁搅拌PLC 组成。

液位PLC的控制是在正常浇钢条件的情况下，为每个流的液位和拉速控制。

连铸机共有两台中包车，可以一台浇铸，另一台预热准备。

中包车的塞捧由电动缸驱动升降，调节塞棒与水口的间隙。

控制系统主要由PLC、组态软件、及液位检测、液压系统等组成。

检测元件包括，结晶器液位检测部分，镭目公司提供的Cs-137检测仪及前端处理柜，前端处理带有滤波及平滑算法，信号转换为4 -20mA；塞棒位置检测传感器等。

每流包括铸流及液位PLC各一套。

两个中间包车的液位由一套PLC控制，采用西门子的S7-300系列PLC，铸流PLC采用西门子S7-400。

S7-300与流PLC通过Profibus-DP网进行通信，编程环境为西门子Step7。

电动缸系统机构包括紧急阀门，手自动切换阀，液压伺服阀，液压缸等。

Intouch上位机软件用于实现过程显示，液位及参数设定，过量报警处理级当前趋势及历史趋势显示等功能。

四、自动控制工艺过程
液位控制系统的工作模式分为手动模式，自动模式及自动开始浇铸方式。

浇铸前中包车在停止位，通过人工检查并安装，对传感器、电动缸等机构进行测试，检测系统是否正常。

一切正常后，将中包车开到浇铸位准备浇钢并查看塞棒位置，检查完成后即开始浇铸。

开始浇钢后，人工撬杠塞棒并手动调整钢水液位，控制液位在一定范围内；待液位平稳恒定并出现自动液位投入信号，浇钢工切换到自动方式。

此后，系统将按照设定值自动调节。

浇钢工可以通过按钮调节液位设定值。

当然，系统也可以自动开浇，开始时大包向中间包内下流，中间包中钢水到达浇钢下流量后，浇钢工可以按下自动开浇，这时塞杆将打开较大开度，快速向结晶器内部注钢，如果液位在3秒内达到10%则关掉塞杆，等待3秒后再次向结晶器内注钢，如果液位大于20%再次关押塞棒，同时启动结晶器振动台冰开启二冷水；等待4秒s，自动启动拉矫机，250ms后拉速和液位控制自动投入，开始闭环调节，整个自动开浇过程完成，系统切换到正常浇铸过程。

如果自动控制中液位降低过多，系统将向流发出减少拉速的指令，防止漏钢，如果系统发生意外故障，将会自动关闭塞杆。

当液位过高时，到达一定值时，关闭中间包塞棒，防止溢钢，液位过低时，降低拉速，防止漏钢。

五、自动控制程序设计
程序的结构设计分为工艺步序管理，手动操作控制，系统监控，模式管理，输入输出控制，设定值计算，PID控制，阀组管理，零点探测等部分。

工艺管理部分负责控制自动开浇，拉速调节等工艺部分的功能；手动操作用于开环塞杆位移控制；系统监控负责对系统各个部分的状态作出判断，如果发生故障则作出相应处理；输出控制用于对液压旁路阀，比例阀部分输出；设定值计算用于计算从流PLC传过来的设定数据，PID控制器包括位量与液位两个控制器，是整个过程控制程序的核心，主要进行PID计算；零点探测用于在开浇前进行的零点探测，标定传感器等内容。

六、结束语
方坯连铸及西门子PLC自动控制系统能够圆满的完成各项控制任务。

保证设备的稳定性，而其系统响应速度快，性能可靠，完全可以实现全自动浇钢过程。

实践证明，该系统设计合理，安全可靠，提高了铸坯质量，保证了方坯连铸机的作业率，减轻了工人的劳动强度，为唐钢取得良好的经济效益。

同时也充分地表明，西门子PLC在唐钢方坯连铸机自动控制系统中的应用很成功的。