劉春暉，牟輝龍，張 政，黃存款，王立強(qiáng)，楊軍坤

(1.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島 266590；2.冀中能源股份有限公司邢東礦動(dòng)力科，河北邢臺(tái) 054000；3.冀中能源股份有限公司東龐礦，河北邢臺(tái) 054200)

0 引言

連鑄生產(chǎn)中，需要向連鑄結(jié)晶器內(nèi)不斷添加保護(hù)渣。保護(hù)渣可以起到隔絕空氣、潤(rùn)滑、導(dǎo)熱的作用，對(duì)生產(chǎn)鋼坯的質(zhì)量和連鑄機(jī)的高效運(yùn)行有著重要作用[1-3]。保護(hù)渣添加是否及時(shí)，添加量是否得當(dāng)，直接影響保護(hù)渣的作用效果[4]。

連鑄保護(hù)渣添加方式有人工添加和自動(dòng)添加兩種，自動(dòng)添加方式在板坯生產(chǎn)中運(yùn)用廣泛，人工添加方式普遍運(yùn)用于方坯生產(chǎn)中。經(jīng)調(diào)研，人工添加保護(hù)渣時(shí)，工人必須時(shí)刻觀察結(jié)晶口，注意鋼水流速、鋼坯拉速，不斷對(duì)結(jié)晶口處的保護(hù)渣液渣層厚度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)將一定量的保護(hù)渣推入結(jié)晶口，人工添加保護(hù)渣對(duì)工人的經(jīng)驗(yàn)和專注度要求高。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的特殊性和工作形式的間斷性，人工添加不能做到持續(xù)準(zhǔn)確地判斷保護(hù)渣添加量和添加時(shí)機(jī)，進(jìn)而無(wú)法保證連續(xù)良好的保護(hù)渣作用效果。另外，保護(hù)渣使用量的記錄需要靠人工核算保護(hù)渣進(jìn)出庫(kù)總量，而對(duì)于各個(gè)結(jié)晶口特定時(shí)間段內(nèi)的保護(hù)渣消耗量則沒有辦法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不便于對(duì)保護(hù)渣使用量進(jìn)行具體化管理。

根據(jù)方坯連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣的添加需求和實(shí)際情況，本文研發(fā)出一種能夠適應(yīng)方坯連鑄生產(chǎn)的保護(hù)渣自動(dòng)添加系統(tǒng)，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上開發(fā)出PLC控制程序和上位機(jī)、觸摸屏應(yīng)用軟件。

1 自動(dòng)添加系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能要求

方坯保護(hù)渣添加不同于板坯，方坯連鑄結(jié)晶口較多，且每一結(jié)晶口對(duì)應(yīng)的保護(hù)渣添加量和添加時(shí)機(jī)不同，因此對(duì)自動(dòng)添加系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的獨(dú)立性要求較高。根據(jù)方坯連鑄保護(hù)渣添加作業(yè)流程，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出方坯連鑄保護(hù)渣自動(dòng)添加系統(tǒng)的基本要求，如下：

(1)能對(duì)保護(hù)渣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制；

(2)能按照生產(chǎn)需求及時(shí)、準(zhǔn)確地向各個(gè)結(jié)晶口添加保護(hù)渣；

(3)能準(zhǔn)確檢測(cè)保護(hù)渣添加效果，實(shí)現(xiàn)保護(hù)渣添加的閉環(huán)控制；

(4)能顯示運(yùn)行過(guò)程、記錄歷史數(shù)據(jù)、進(jìn)行故障報(bào)警，并能實(shí)現(xiàn)機(jī)旁和遠(yuǎn)程控制。

1.2 系統(tǒng)控制策略

自動(dòng)添加系統(tǒng)采用多參數(shù)加渣量公式控制保護(hù)渣添加量以適應(yīng)連鑄生產(chǎn)中對(duì)保護(hù)渣需求量的變化。通過(guò)采集方坯連鑄生產(chǎn)中所有影響保護(hù)渣使用量的參數(shù)，結(jié)合專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)要求得出保護(hù)渣添加量計(jì)算公式[5]，即為多參數(shù)加渣量公式，如下所示：

式中：Q為保護(hù)渣消耗量，kg/m3；A為結(jié)晶器振幅，mm；vc為拉速，m/min；f為結(jié)晶器振頻，次/min；α為保護(hù)渣黏度，Pa·s。

采用保護(hù)渣添加效果反饋機(jī)制對(duì)保護(hù)渣添加時(shí)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)渣自動(dòng)添加系統(tǒng)的閉環(huán)控制。系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算得到的結(jié)晶口保護(hù)渣液渣層厚度,根據(jù)此厚度調(diào)節(jié)下個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)保護(hù)渣添加動(dòng)作的時(shí)間間隔，厚度超過(guò)一定數(shù)值增大保護(hù)渣添加動(dòng)作時(shí)間間隔，低于一定數(shù)值減小時(shí)間間隔，厚度在一定范圍內(nèi)則保持當(dāng)前添加周期，一般厚度設(shè)置為2～3 cm最為合適。

1.3 系統(tǒng)組成及工作原理

1.3.1 系統(tǒng)組成

以6流方坯連鑄生產(chǎn)車間使用的保護(hù)渣自動(dòng)添加系統(tǒng)為樣本，保護(hù)渣自動(dòng)添加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含6個(gè)保護(hù)渣存儲(chǔ)箱、6路下料管路、檢測(cè)傳感器及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)操作箱、上位機(jī)和配電控制柜等部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.2 工作原理

根據(jù)保護(hù)渣自動(dòng)添加系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和功能要求，本系統(tǒng)采用S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)保護(hù)渣自動(dòng)添加系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[6]。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

保護(hù)渣自動(dòng)添加系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)將保護(hù)渣狀態(tài)信息、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況、氮?dú)鈮毫π畔l(fā)送給計(jì)算機(jī)，為系統(tǒng)執(zhí)行保護(hù)渣添加動(dòng)作做好準(zhǔn)備。系統(tǒng)工作期間，計(jì)算機(jī)根據(jù)采集到的方坯連鑄生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)合控制策略得出保護(hù)渣添加量和添加時(shí)間間隔，經(jīng)PLC將保護(hù)渣添加量轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，將添加時(shí)間間隔轉(zhuǎn)化為電磁閥開通時(shí)間。存儲(chǔ)箱內(nèi)的保護(hù)渣在下料軸的帶動(dòng)下旋入下料管道，然后電磁閥開通壓縮氮?dú)鈱⒈Ｗo(hù)渣吹入結(jié)晶口，完成1次保護(hù)渣添加動(dòng)作，每10個(gè)上述保護(hù)渣添加動(dòng)作為1個(gè)檢測(cè)周期，1個(gè)檢測(cè)周期結(jié)束后，系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)工作1次，對(duì)保護(hù)渣液渣層厚度進(jìn)行測(cè)量，調(diào)節(jié)下一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)保護(hù)渣添加時(shí)間間隔。保護(hù)渣添加量根據(jù)方坯連鑄實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況及時(shí)調(diào)節(jié)，添加時(shí)間間隔根據(jù)檢測(cè)機(jī)構(gòu)反饋信息每1個(gè)檢測(cè)周期調(diào)節(jié)1次。

2 自動(dòng)添加系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要包括控制機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分?？刂茩C(jī)構(gòu)主要包括PLC、步進(jìn)電機(jī)控制器、上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)操作箱等。檢測(cè)機(jī)構(gòu)主要包括檢測(cè)傳感器和傳感器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括保護(hù)渣存儲(chǔ)箱、下料管路、噴嘴和氮?dú)夤苈返?，其中保護(hù)渣存儲(chǔ)箱包含保護(hù)渣料倉(cāng)、加熱板、步進(jìn)電機(jī)和氮?dú)怆姶砰y。

2.1 檢測(cè)傳感器選型

檢測(cè)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)對(duì)每一結(jié)晶口的液位信息進(jìn)行測(cè)量，方坯連鑄結(jié)晶口處液位變化幅度不大，但因鋼水的持續(xù)流入液位波動(dòng)較為頻繁，在保證精度的前提下選擇能夠持續(xù)測(cè)量的液位傳感器；結(jié)晶口處溫度極高，應(yīng)選用非接觸式測(cè)量傳感器；結(jié)晶器平臺(tái)空間有限，還要注意傳感器尺寸[7]。綜合考慮，檢測(cè)傳感器選用HZH-DDJ-S型激光液位儀，該傳感器采用一體化設(shè)計(jì)，體積小，工作環(huán)境溫度可達(dá)70 ℃，能夠適應(yīng)結(jié)晶器平臺(tái)的工作環(huán)境，通過(guò)RS485串口通信，測(cè)量范圍0.05～40 m，滿足系統(tǒng)通訊和精度要求。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)結(jié)晶口對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行S7-300 PLC的I/O口地址分配[8-10]。具體分配情況如表1所示。分配好I/O口地址后對(duì)系統(tǒng)控制配電柜進(jìn)行裝配，控制配電柜實(shí)物如圖3所示。

表1 PLC I/O口分配

圖3 控制配電柜

3 自動(dòng)添加系統(tǒng)控制程序和軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制程序設(shè)計(jì)

鑒于連鑄生產(chǎn)車間生產(chǎn)情況的不確定性，系統(tǒng)控制程序分為人工控制和自動(dòng)控制兩種，系統(tǒng)啟動(dòng)后默認(rèn)為自動(dòng)控制方式。自動(dòng)控制狀態(tài)下，系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)情況進(jìn)行保護(hù)渣添加動(dòng)作調(diào)節(jié)，點(diǎn)擊現(xiàn)場(chǎng)操作箱上的控制模式切換按鍵轉(zhuǎn)換到手動(dòng)控制，手動(dòng)控制時(shí)工人視生產(chǎn)情況調(diào)節(jié)保護(hù)渣添加參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行保護(hù)渣添加動(dòng)作。系統(tǒng)主控制流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主控制流程圖

3.2 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用軟件分為上位機(jī)應(yīng)用軟件和現(xiàn)場(chǎng)操作箱應(yīng)用軟件，采用VB語(yǔ)言編寫。上位機(jī)選用Advantech IPC，現(xiàn)場(chǎng)操作箱選用KTP 1200 Basic HMI作為顯示操作平臺(tái)，結(jié)合專用軟件，提供可視化的管理平臺(tái)和操作平臺(tái)。

上位機(jī)應(yīng)用軟件包含主界面、記錄界面、設(shè)置界面、修改密碼、退出系統(tǒng)等主要操作選項(xiàng)，上位機(jī)應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作過(guò)程顯示、歷史數(shù)據(jù)記錄、報(bào)表生成、系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制功能，軟件主界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件主界面

現(xiàn)場(chǎng)操作箱應(yīng)用軟件界面主要包含過(guò)程顯示界面、控制模式切換、手動(dòng)設(shè)置界面等，實(shí)現(xiàn)添加過(guò)程顯示、系統(tǒng)控制模式選擇、簡(jiǎn)單故障報(bào)警等功能，軟件主界面如圖7所示。

圖7 HMI主界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了方坯連鑄生產(chǎn)中人工添加保護(hù)渣存在的不足，在大量實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種保護(hù)渣自動(dòng)添加系統(tǒng)。分別對(duì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、控制策略、上位機(jī)和操作箱應(yīng)用軟件進(jìn)行了介紹。系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)都充分考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況，獨(dú)立模塊化的硬件設(shè)計(jì)和便捷可視化的軟件設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的適用性、操作性。該系統(tǒng)已在方坯連鑄車間實(shí)際應(yīng)用，實(shí)踐結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)保護(hù)渣添加動(dòng)作控制，提高了連鑄生產(chǎn)效率，減少了保護(hù)渣使用量，減輕了工人勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，改善工人工作環(huán)境。