２０１２年１月 第４０卷第２期 机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｊａｎ．２０１２ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．２
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１２．０２．０４０
连铸机液位自动控制系统设计
邓丽霞，姜磊，高生祥
（浙江工业职业技术学院，浙江绍兴３１２０００）
摘要：在比较连铸机液位控制系统各组成部分形式和特点的基础上，采用涡流检测技术与步进电动缸技术相结合实现 结晶器液位的闭环自动控制。硬件设计上，完成了液位控制系统各组成部分的设计选型。下位机软件设计上，采用ＰＬＣ自 带的Ｆｒｏ输出口控制步进电动缸的位置间接控制进入结晶器的流量，采用成熟的ＰＩ控制算法实现液位的闭环控制。
关键词：连铸机；闭环自动控制；结晶器液位控制 。 中图分类号：ＴＰ２７２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—３８８１（２０１２）２—１１８—４
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃａｓｔｅｒ Ｌｉｑｕｉｄ Ｌｅｖｅｌ
ＤＥＮＧ Ｌｉｘｉａ，Ｊ１ＡＮＧ Ｌｅｉ，ＧＡＯ Ｓｈｅｎｇｘｉａｎｇ
（Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈａｏｘｉｎｇ Ｚｈｅｊｉａｎｇ ３１２０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｄａｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｏｌｄ ｍｏｌｔｅｎ ｓｔｅｅｌ ｌｅｖｅｌ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｅａｃｈ ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｌｄ ｌｅｖｅｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｅａｃｈ ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｍｏｌｄ ｌｅｖｅｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ
ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｏｃｋ—ｂｏｔｔｏｍ ｍａｃｈｉｎｅ，ＰＴＯ ｐｏｒｔ ｏｆ ＰＬＣ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｋｅｅｐ ｔｈｅ ｍｏｌｔｅｎ ｓｔｅｅｌ ｌｅｖｅｌ ｓｔｅａｄｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｕｒｅ Ｐ１ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｏｌｄ ｍｏｌｔｅｎ ｓｔｅｅｌ ｌｅｖｅ１． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｓｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ；Ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｍｏｕｌｄ ｌｅｖｅｌ ｃｏｎｔｒｏｌ
连铸是指使钢水连续不断地通过水冷结晶器，凝
成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却全
部凝固后，切成坯料的铸造工艺。连铸技术的开发与
应用是钢铁工业继氧气转炉之后又一次重大的技术革
命。连铸技术自大规模工业应用以来，一直是钢铁生
产技术发展的中心环节，它将是钢铁工业进一步实现
技术结构调整的主要动力。
１ 连铸机结晶器液位控制系统
１．１ 生产工艺流程综述
在连铸过程中，“结晶器液位”是指在振动冲程
１／２时结晶器钢水相对于它的上沿的标高。一般来
说，结晶器液位的设定点大约低于结晶器上沿１００—
１４０ ｍｍ。在浇铸过程中，结晶器液位控制系统帮助
把液位维持在预设液位上，以使铸坯质量得到保证。
连铸生产流程简图如图１所示。
操作顺序：钢水注满中间包，打开塞棒，通过程
序化操作预填充结晶器，按照程序化开浇曲线开始出
坯。与此同时向中间包液面上加入覆盖渣，并测量钢
水温度，在试车期间每ｌＯ～１５ ｍｉｎ测一次温度。通
过测重保持中间包钢水液面恒定。冷却系统的水量可
根据钢种选定，并根据浇铸速度的变化进行控制。拉
矫机以稳定的速度（拉坯速度）将铸坯自铸机拉出。
当引锭杆头通过拉坯机组时，拉坯辊的液压就会通过 跟踪系统完全变为拉铸坯的压力。火焰切割机从铸坯
上切下切头，倒人切头箱，然后再将铸坯切成预定长
度，切好的铸坯继续在辊道上运行直到送至冷床。
图１连铸生产流程简图
１．２液位控制系统的主要结构
结晶器液位检测系统和所有由液位控制系统与执
行机构控制的连铸机部件如图２所示。
根据铸速，钢水必须连续注入结晶器，以保证结
晶器液位恒定。如果液位太高，结晶器内的钢水很容
易溢出，或者会造成结晶器底端口处的填充物燃烧；
反之，如果液位太低，则冷却效果不足，钢坯的固化
收稿日期：２０１０—１２—０６ 作者简介：邓丽霞（１９７５一），女，硕士，讲师，主要研究领域为电气自动化。Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｉａｎｇｌｅｉｘｉｎｇ＠ｓｏｈｕ．ｅｏｍ。
第２期 邓丽霞等：连铸机液位自动控制系统设计 ・１１９・
外壳太薄，在被拉出结晶器后会破裂，以至于造成
钢水外漏，溢钢或漏钢都将给连铸操作造成不必要的
损失。特别是当处于自动浇铸状态时，连铸对液位控
制系统的要求更高。
矫正辊
图２连铸机结晶器控制系统构成图
１．３现有控制方案存在问题
在自动化实现以前，这部分的操作由铸造人员手
工完成，他们必须时刻密切注意结晶器的液位和拉坯
速度，并通过一个手柄控制中间包塞棒，这项工作劳
动强度很大。现有的常规结晶器液位控制装置（如
ＰＩＤ控制器、自适应ＰＩＤ控制器等）在稳足或近似稳
定状态下的工作能够令人满意，但它操作复杂，在干
扰状态下，不能很好地做出必要的反应，耗时很长才
能恢复到适当的稳定状态，而且欲提高控制精度比较
困难。 ’
１．４液位控制方法的选择
在连铸的发展过程中，结晶器液位控制大致经历
了３个阶段： ．
（１）速度型，即用拉速去控制结晶器液位。由
于拉坯速度的变化会引起铸坯凝固制度、二次冷却制
度、定长切割系统等一系列环节的修正，拉坯速度不
应该成为控制手段而应该把拉速稳定作为工艺目标。
因此，用调节拉速的方式保持结晶器液位稳定的这种
做法已经逐渐被淘汰。
（２）流量型，即通过控制中间包向结晶器内钢
液流人量的方式保持结晶器液位的稳定。这种方式根
据结晶器液位的变化调节中间包塞棒位置或滑动水口
开度，改变钢水的流入量，稳定结晶器的液位。这种
调节过程一般比较平稳，给系统的稳定运行带来很多
方便，已经成为当今结晶器液位控制方式的主流。
（３）混合型，即一般控制拉坯速度来保持液位
稳定，但是当拉速超过某一百分比仍不能保持给定液
位时，则控制塞棒或滑动水口，或者两者均控制，以
控制流量为主。这种方法主要用于小方坯连铸。
在连铸结晶器液位控制中，由于流量型液位控制
方法应用比较多、比较成熟，所以作者决定采用此 法。其中流量控制有两种形式：一种是通过调节滑动
水口的开度来调节中间包进入结晶器的流量；另外一
种是通过调节塞棒和浸入式水口之间的间隙来改变流
量。该塞棒控制系统主要由液面检测、工控机、
ＰＬＣ、驱动器、电动缸、执行机构组成，有如下优
点：
（１）恒拉速、恒液面的优秀品质满足连铸的工
艺要求；
（２）液面稳定，拉速由现场生产工艺要求设定，
振动与配水根据拉速调节，影响铸坯质量的因素均得
到控制，从而实现预定质量要求；
（３）现场Ｐ３箱工人减少，大大提高工作效率，
较少事故。 因此作者选用塞棒控制系统作为液位控制方法。
１．５液位控制系统执行机构及选择
在结晶器钢水液位自动控制系统中，执行器是很
关键的一环，和其他控制系统一样，往往系统无法运
行的原因全在执行器。对连铸结晶器液位自控系统，
由于温度高、环境恶劣，情况更加严峻。
目前，有４种执行器方式：
（１）液压执行器方式；
（２）电气交流无刷伺服电机执行装置方式；
（３）高精度气动数字缸方式；
（４）低惯量交流无刷伺服电动缸方式。
根据课题的具体要求，作者选用第三种执行结
构——数字电动缸。
１．６液位检测方式及选择
目前液位检测有许多方法，如热电偶埋入法、工
业电视法、周期性电极插入法、放射性同位素法、电
磁感应法、涡流法、激光法等等。目前世界上广泛采
用的有放射性同位素法、涡流法、激光法等。近年
来，涡流式钢水液位计的实用化进展很快，具有反应
速度快、测量精度高、不需特殊的安全防护、安装维
护方便等显著优点。因此，文中采用国内镭目公司生
产的ＲＡＭ系列涡流式钢水液位控制仪。
１．７液位控制系统常用控制算法
结晶器液位控制系统是一个典型的串级控制系
统，外环液位控制器的设计一直是目前研究的重点。
传统控制方法（如ＰＩＤ控制）和近年来发展起来的
智能控制方法（如预测控制）在外环控制器的设计
中都有不同程度的应用。但就工程应用来看，基于
ＰＩ（比例积分）的外环液位控制器的设计在现场占
有更大的比重。结果表明：在原有塞棒液压伺服内环
的基础上再串联一个比例控制器，同时抵消滑动水口
流量非线性的ＰＩ加非线性串联补偿方法效果最好。
传统的ＰＩ
Ｄ控制策略只有在特定工艺下才能实现 机床与液压 第４ＪＤ卷
较为有效的中间包液位控制。其不足之处在于：（１）
系统开环增益较大，即使很小的扰动也会引起较大的
偏差；（２）无法克服系统因滑动水口等存在死区或
摩擦而具有的非线形特性；（３）由于拉速等的扰动
作用，系统的鲁棒性较差。
典型的几种液位控制算法：（１）非线性串联补
偿；（２）主一副回路自校正ＰＩＤ控制；（３）预测液
位控制；（４）模糊液位控制；（５）自适应液位控制； （６）Ｈ 液位控制。
针对该系统的具体情况，拟采用带死区的ＰＩ控
制算法。
２结晶器液位检测系统方案设计
２．１ 系统概述
设计连铸机结晶器液位检测及塞棒数字控制系统
时，采用涡流检测技术与先进的数字控制技术相结
合，实现了结晶器钢水液位的ＰＩ自动控制。
液位检测及塞棒控制系统由工控机系统、可编程
逻辑控制器（ＰＬＣ）及扩展的模拟量采集模块、数字
电动缸系统、液面检测装置（含检测传感器和前置
放大器）、操作盒、电气控制柜及相应的控制软件等
几个部分组成，如图３所示。
图３结晶器液位检测及塞棒控制系统示意图
（１）上位机系统
上位机置于总控室中，它主要完成以下工作：
①参数设定。如钢水液面、塞棒位置等参数的设
定； ②将检测到的液位值、塞棒调整位置值以及各种
状态值，实时记录保存；
③显示液位及塞棒控制的状态，并画出液位波动
曲线。
（２）可编程控制器（ＰＬＣ）系统 可编程控制器（ＰＬＣ）系统包括一台ＣＰＵ ２２６型
号的ＰＬＣ和模拟量Ｉ／Ｏ扩展模块ＥＭ ２３１，它们是结
晶器液位检测及塞棒数字控制系统的核心部件，主要 完成以下工作：
①将液面检测系统输出的信号转换成液位高度
值；
②由液位高度值，采用ＰＩＤ调节算法进行运算，
得到塞棒调节的位移量；
③依据塞棒调节位移量，控制执行机构调节塞棒
的位移；
④监测液面检测系统及塞棒控制系统的工作状
态，防止异常事件发生；
⑤接收上位机设置的相关参数，并将检测的液位
值、塞棒位置及整个系统的状态传送到上位机。
（３）数字电动缸
数字电动缸是塞棒控制系统的核心，它接收ＰＬＣ
的控制命令，驱动执行机构，完成塞棒的调节。
（４）结晶器液位检测装置
结晶器液位检测装置由涡流式传感器和前置放大
器构成。探头将钢水液位的高度转换成电信号，经前
置放大器处理后转换成对应的电流信号。
（５）操作盒
操作盒上安装了方式选择开关、控制按钮、系统
状态指示灯、液位高度和塞棒位置显示器。
２．２ 系统工作原理
保持结晶器中钢水液面的稳定，一方面可使结晶
器的热交换稳定，钢水液面上的保护渣厚度一定；另
一方面可以保持拉速的相对稳定，这对改善铸坯的质
量有着十分重要的作用。该系统采用国内镭目公司生 产的ＲＡＭ系列涡流式钢水液面检测计。通过悬架在
结晶器上口３０ ｍｍ处的涡流式传感器的探头检测到
的液位信号，经控制仪转换成４～２０ ｍＡ电流信号，
再经过ＡＤ转换，得到液位的高度值，并实时把液面
信号送给处理机ＰＬＣ，ＰＬＣ根据实际液面和设定液面
的比较，控制中间包塞棒开口度调节钢水流量，从而
保证结晶器内钢水液面的稳定。控制系统框图如图４
所示。
涡流传感器Ｈ控制仪（二次仪表） —．１ ＰＬＣ 叫电动缸（控制塞棒）
操作盒Ｉ Ｉ工控机
图４钢水液面控制系统
２．３ 系统设备选型及硬件结构总体框架
经过调研、分析和比较，综合考虑到系统性能价
格比，选型如下：
（１）数字电动缸
选择数字电动缸ＩＩ型（ＤＥＣ－
２５０Ｂ２），具体参数