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-PLC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编辑版word 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 编辑版word 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 编辑版word 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deII0编辑版word 射源的非线活性分布补偿，因此，在闪烁计数器（探测器）端部的射线强度总是与结晶器实际液位成线性比例关系。
射源钴-60的半衰期为5.3年，通常设计成5年寿命，射源装在带有可锁定光束窗的铅罐里，停止浇铸时关闭光束窗。
放射源、闪烁计数器和结晶器液位计组成的信号检测与处理系统，如图2所示。
LB300-2电线电线端子箱闪烁计数器结晶器液位计结晶器射源
图2.信号检测与处理系统
3.2.2 闪烁计数器
闪烁计数器由NaJ（T１）晶体构成，由射源发射出的γ量子诱发晶体闪光，其频率与伴随的辐射强度成正比，晶体与光电倍增器进行光耦合后，光电倍增器的光敏层释放出电子。光敏层的HV（高压）加速电子向阳极运动，在阳极进一步释放电子。当它们碰到倍增电极时，串联的前置放大器就会产生高幅值的输出脉冲，然后再转换成标准脉冲，以确保无干扰传输信号。
3.2.3 结晶器液位计
主要收以下部分构成：调整单元，测速单元，模拟显示单元，限度单元和振荡补偿。
从检测器来的标准脉冲，通过光电耦合器输入到液位计。特殊设计的电路可保证有相当高的共模抑制比，以防止外来干扰。计数脉冲在这里被进一步放大，标准化，计数，并被测速计平均为计数速率，由此得到结晶器液位信号。，由于计数速率信号变化与液位成反比，最后的信号被颠倒，因而直接与结晶器液位成正比。一般测量精度是：±2%－±3%。
3.3 结晶器液位控制器
主要包括：V/I转换器、振荡器和解调器、PID调整的伺服放大器。 编辑版word 3.3.1 V/I转换器
它可以将输入到S7－400的电压信号转换成4－20mA的电流信号；亦可将S7－400输出的电流信号转换成标准电压信号。
3.3.2 振荡器和解调器
它由一个振荡器和一个与振荡器相位同步的解调器构成。主要完成对其测量信号的调制和解调。
振荡器产生两个正弦波电压（相位相反），用以激励转换器初级线圈，其振幅和频率可调。解调器从转换器接收到一个正弦信号，其振幅与位置值成正比，并将其转换为连续电压。
3.3.3 PID调节的伺服放大器
PID调节能实现比例、积分、微分运算，其输出信号控制伺服阀。伺服放大器部分，对外部输入的两个信号的代数值（设定值和反馈值），进行比较并计算其偏差，最终用一个放大了的电流信号去控制伺服阀，以消除实际值和设定值之间的偏差。
伺服放大器部分可实现下列功能：
读出并放大比较节点的偏差
内部误差校正和外部误差校正的转换
现场手动PID调节
现场PID校正和计算机PID校正的转换（V/I）
输出电流直接驱动伺服阀
锁定状态时，延时清除伺服阀电流和积分电路的电流
3.4 伺服执行机构
主要包括电一液伺服阀、电磁换向阀、液压缸和中间罐塞棒机构等。伺服放大器输出的控制信号，控制电液伺服阀的油流方向和大小，从而控制液压缸活塞杆的升降方向和升降速度，活塞杆再经一个杠杆传动机构，去控制塞棒的升降和速度。
伺服放大器和伺服执行机构的系统图，如图3所示。