CN102416456A - 板坯连铸二次冷却控制系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及板坯连铸二次冷却控制系统与方法，通过实时读取PLC数据对连铸生产过程进行跟踪，启动模型计算不同浇铸状态下二冷区各回路的喷水量，然后将设定值发送给基础自动化系统执行，实现了通过计算机全程自动控制连铸二次冷却的目的。本发明方法具有跟踪准确、控制精确的优点，实现了板坯连铸二次冷却的全程自动控制，满足了现场生产的控制需求，既降低了工人劳动强度，又提高了连铸生产的质量和效率，具有明显的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及冶金自动化领域，尤其涉及一种控制板坯连铸二次冷却喷水量的系统与方法。
背景技术
在钢铁企业的连铸生产过程中，二次冷却是获得优质铸坯、提高连铸效率至关重要的环节。连铸机二次冷却区铸坯所散失的热量占铸坯在凝固过程中散失总热量的60％左右，它直接影响铸坯的质量和产量，铸坯从结晶器拉出后，凝固壳较薄，内部还是液芯的，需要在二次冷却区继续冷却，使之完全凝固。冷却要均匀，才能获得质量良好的铸坯，同时要保持尽可能高的拉速，以获得高的产量。现代连铸机均采用气水冷却，把整个二冷却分成若干段，每个段又划分为若干冷却回路，冷却水在具有一定压力的空气作用下雾化，喷洒在铸坯表面达到冷却目的。
目前，二次冷却喷水量的控制以人工控制和比例控制为主。人工控制依赖于操作经验，开浇前根据钢种设定二冷总水量和各冷却段的水量，浇铸过程中由操作工根据观察对水量进行调整。比例控制按照与拉速的比例关系控制确定各冷却段的水量。这两种方法受操作水平、人为等外界干扰因素的影响较大，使得铸坯的质量难以保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种板坯连铸二次冷却控制系统与方法，实现坯连铸二次冷却的全程自动控制，降低工人劳动强度，提高连铸生产的质量和效率，
为解决上述技术问题，本发明提供一种板坯连铸二次冷却控制系统，其特征在于，包括数据采集模块、生产跟踪模块、模型控制模块和发送模块；所述数据采集模块，用于从生产基础自动化系统读取实时生产数据，发送到所述生产跟踪模块，
所述生产跟踪模块，用于分析实时生产数据，以事件消息的方式向所述模型控制模块发送事件消息；
所述模型控制模块，用于根据所述事件消息计算和设定各个冷却回路的配水量，
所述发送模块，用于读取所述模型控制模块设定的各个冷却回路的配水量信息，发送到生产基础自动化系统；
生产基础自动化系统按所述配水量信息控制现场各个喷水设施喷水。
所述模型控制模块，包括基本水表，所述基本水表包括若干个参考配水量，每个参考配水量分别对应不同的结晶器厚度、钢种和参考浇铸速度，所述参考配水量为本领域技术人员综合考虑结晶器厚度、钢种和参考浇铸速度经验值的因素，所得到的经验值；所述模型控制模块，根据所述事件消息中包括的结晶器厚度、钢种和设定浇铸速度，在所述基本水表种选择与事件消息包括的结晶器厚度、钢种相同、参考浇铸速度与所述设定浇铸速度匹配的参考配水量，设定冷却回路的配水量。所述设定浇铸速度为生产基础自动化系统设置的二冷段结晶器的拉速。
所述事件消息中还包括实时浇铸速度，所述模型控制模块，还用于在所述基本水表中选择与事件消息包括的结晶器厚度、钢种相同、参考浇铸速度与所述实时浇铸速度匹配的参考配水量，设定冷却回路的配水量。所述实时浇铸速度为结晶器的瞬时运动速度。在结晶器具有加速度、非匀速运动的工况下，所述实时浇铸速度不等于所述设定浇铸速度。
本发明还提供上述板坯连铸二次冷却控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述数据采集模块从生产基础自动化系统读取实时生产数据，发送到所述生产跟踪模块，
所述生产跟踪模块，用于分析实时生产数据，以事件消息的方式向所述模型控制模块发送事件消息；
所述模型控制模块，根据所述事件消息计算和设定各个冷却回路的配水量，
所述发送模块读取所述模型控制模块设定的各个冷却回路的配水量信息，发送到生产基础自动化系统；
生产基础自动化系统按所述配水量信息控制现场各个喷水设施喷水。
优选的，所述模型控制模块根据所述事件消息中包括的结晶器厚度、钢种和设定浇铸速度，在所述基本水表种选择与事件消息包括的结晶器厚度、钢种相同、参考浇铸速度与所述设定浇铸速度匹配的参考配水量，设定冷却回路的配水量。
进一步优化的，所述事件消息中还包括实时浇铸速度，所述模型控制模块在所述基本水表中选择与事件消息包括的结晶器厚度、钢种相同、参考浇铸速度与所述实时浇铸速度匹配的参考配水量，设定冷却回路的配水量。
更进一步优化的，所述模型控制模块根据所述设定浇铸速度和实时浇铸速度，计算综合浇铸速度，在所述基本水表中选择与事件消息包括的结晶器厚度、钢种相同、参考浇铸速度与所述综合浇铸速度匹配的参考配水量，设定冷却回路的配水量。
所述综合浇铸速度＝设定浇铸速度*K+(1-K)*实时浇铸速度，其中K为权重系数，0＜K＜1。
所述参考浇铸速度与设定浇铸速度、实时浇铸速度和所述综合浇铸速度匹配的方式为线性插值法。
本发明通过实时读取PLC数据对连铸生产过程进行跟踪，启动模型计算不同浇铸状态下二冷区各回路的喷水量，然后将设定值发送给基础自动化系统执行，实现了通过计算机全程自动控制连铸二次冷却的目的。本发明方法具有跟踪准确、控制精确的优点，实现了板坯连铸二次冷却的全程自动控制，满足了现场生产的控制需求，既降低了工人劳动强度，又提高了连铸生产的质量和效率，具有明显的经济效益。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为本发明连铸二冷水控制系统结构图。
图2为连铸生产跟踪流程图。
图3为二冷水模型计算流程图。
具体实施方式
本发明方法的原理为：铸机处于稳定状态(指恒定拉速)下的喷水量由用户来定义，被定义的水表称为基本水表，如表1所示。控制模型把从出结晶器到离开二冷区的铸流划分为若干长度相等(例如100mm)的冷却片断，冷却片断分别对应不同的冷却回路。铸流在铸机上运动的一个监控周期(例如2s)内，某个冷却片断移动的距离可以被检测到，通过距离和时间就可以计算该冷却片断的动态速度，即实时浇铸速度。根据实时浇铸速度，以基本水表为参考，通过线性插值就可以计算该冷却回路的配水量。
基本水表由工艺人员定义，可以按照结晶器厚度和钢种分组进行分类。如果连铸机有N种厚度规格，钢种分为M组，就应该定义N*M个基本水表。二冷水的配水量与钢水的碳含量有密切的关系，因此，可按含碳量将钢种划分为超低碳、低碳、中碳、高碳等组别，这是一种钢种分类方法，当然也可以按照钢水冷却凝固的其他特征进行分组。表1给出了某铸机在结晶器厚度为230mm，高碳钢(HC)的基本水表。
表1：基本水表
从表1可以看出，配水量除了与结晶器厚度、钢种有关外，还与浇铸速度密切相关。设实时浇铸速度为Vd，而铸流还有一个实际拉速，即设定浇注速度Vs，把分别使用实时浇铸速度和设定浇注速度进行配水量控制的方法称为动态控制和静态控制。经验表明，静态控制对拉速恒定的浇铸情况比较适用，而动态控制适用于浇铸速度波动较大的情形。
最优的，将两种控制相结合，通过设定两个速度的权重来计算综合浇铸速度，来确定配水量，设实时浇铸速度所占的比例系数为K，则综合浇铸速度V可以通过公式V＝Vd*K+Vs(1-K)得到。
本发明提供了一种连铸二冷水自动控制系统及方法，其核心是：通过读取现场实时生产数据对连铸生产过程进行跟踪，根据跟踪结果启动基于元素生命周期的动态模型进行计算，将计算结果作为设定值发送给基础自动化系统执行，以达到自动控制连铸二次冷却的目的。
如图1，本方法的实现基于上述包括数据采集模块、生产跟踪模块、模型控制模块和发送模块。基础自动化系统指基础自动化的PLC系统，并不包括在本发明中。数据采集模块和发送模块需要有读、写PLC数据的功能，通过OPC的方式比较容易实现。实现本方法的关键是生产跟踪模块和模型控制模块。
生产跟踪模块，分析实时生产数据，以事件消息的方式向所述模型控制模块发送事件消息；模型控制模块，根据所述事件消息计算和设定各个冷却回路的配水量，发送模块，用于读取所述模型控制模块设定的各个冷却回路的配水量信息，发送到生产基础自动化系统；生产基础自动化系统按所述配水量信息控制现场各个喷水设施喷水。
本发明所采用的连铸生产跟踪方法以工艺特征为主导，抓住插入引锭杆、浇铸准备好、开始浇铸、浇铸、清机开始、清机结束等主要事件，通过消息驱动的方式向模型程序传递特征事件。跟踪时首先根据工艺规则编制判定条件，然后根据实时生产数据循环判断，当满足所定义的规则时才触发相应的事件。本方法能够自动处理开浇时保护浇铸、钢种切换、中包更换等复杂事件，对钢水重量、浇铸长度的跟踪尤为准确，将误差控制在很小的范围内，当因设备故障未采集到跟踪值时、它能够根据工艺特征自动地进行处理，保证生产的连续性，减小出现生产质量事故的风险。
下面将结合图2和图3，以一个完整连铸浇次为例，说明本方法的具体实现方法。
步骤S1，启动模型控制模块，并进行初始化。
步骤S2，系统处于实时跟踪工作状态时，生产跟踪模块周期性地读取实时生产数据。实时生产数据包括铸机状态、设定浇铸速度、浇铸长度、大包钢水重量、中包钢水重量、大包水口开关信息、中包位置信号等信息。
步骤S3，生产跟踪模块判断浇铸准备好事件是否满足，如果不满足，程序继续；如果满足，则向模型控制模块发送浇铸准备好消息，模型控制模块进入浇铸准备好处理，读取模型控制常数和参数。
步骤S4，生产跟踪模块判断浇次第1炉打开事件是否满足，如果不满足，程序继续；如果满足，则向模型控制模块发送浇次第1炉打开消息，模型控制模块进入浇次第1炉打开处理，读取炉次的钢种信息，根据钢种和厚度载入基本水表。
步骤S5，生产跟踪模块判断浇铸开始事件是否满足，如果不满足，程序继续；如果满足，则向模型控制模块发送浇铸开始消息，模型控制模块进入浇铸开始处理，如果浇铸长度在安全长度以内则使用安全水量，如果浇铸长度大于安全长度，则由模型控制模块计算综合浇铸速度，通过线性插值法计算配水量，模型控制模块产生浇铸进行自循环消息。
步骤S6，生产跟踪模块判断浇次非第1炉打开事件是否满足，如果不满足，程序继续；如果满足，则向模型控制模块发送浇次非第1炉打开消息，模型控制模块进入浇次非第1炉打开处理，读取炉次的钢种信息，根据钢种和厚度载入基本水表，模型根据特征点计算浇铸速度，通过线性插值法计算水量直到上个炉次钢水浇铸完，然后根据新炉次的基本水表进行计算。
步骤S7，生产跟踪模块判断清机开始事件是否满足，如果不满足，程序继续；如果满足，则向模型控制模块发送清机开始消息，模型控制模块进入清机开始处理，判断各回路是否清机，如果是则采用最小水量，如果不是则采用计算水量，生产跟踪模块判断尾坯是否离开二冷区，如果离开则发送清机结束消息。
步骤S8，当模型控制模块读到浇铸进行自循环消息时，根据特征点计算综合浇铸速度，通过线性插值法计算水量。
步骤S9，当模型控制模块读到清机结束消息时，将各回路的水量都设为最小值，本浇次二次冷却自动控制结束。
步骤S10，系统定时延时5秒钟，到下次运行周期后执行步骤S2。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明通过采集现场实时数据，对连铸生产过程进行跟踪，启动基于元素生命周期的动态模型进行喷水量的计算，解决了连铸二次冷却计算机自动控制的问题。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种板坯连铸二次冷却控制系统，其特征在于，包括数据采集模块、生产跟踪模块、模型控制模块和发送模块；
所述数据采集模块，用于从生产基础自动化系统读取实时生产数据，发送到所述生产跟踪模块，
所述生产跟踪模块，用于分析实时生产数据，以事件消息的方式向所述模型控制模块发送事件消息；
所述模型控制模块，用于根据所述事件消息计算和设定各个冷却回路的配水量，
所述发送模块，用于读取所述模型控制模块设定的各个冷却回路的配水量信息，发送到生产基础自动化系统；
生产基础自动化系统按所述配水量信息控制现场各个喷水设施喷水。
2.根据权利要求1所述的板坯连铸二次冷却控制系统，其特征在于，所述模型控制模块包括基本水表，所述基本水表包括若干个参考配水量，每个参考配水量分别对应不同的结晶器厚度、钢种和参考浇铸速度；所述模型控制模块，用于根据所述事件消息中包括的结晶器厚度、钢种和设定浇铸速度，在所述基本水表种选择与事件消息包括的结晶器厚度、钢种相同、参考浇铸速度与所述设定浇铸速度匹配的参考配水量，设定冷却回路的配水量；所述设定浇铸速度为生产基础自动化系统设置的二冷段结晶器的拉速。
3.根据权利要求2所述的板坯连铸二次冷却控制系统，其特征在于，所述事件消息中还包括实时浇铸速度，所述实时浇铸速度为结晶器的瞬时运动速度；所述模型控制模块，还用于在所述基本水表中选择与事件消息包括的结晶器厚度、钢种相同、参考浇铸速度与所述实时浇铸速度匹配的参考配水量，设定冷却回路的配水量。
4.根据权利要求1或2所述的板坯连铸二次冷却控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述数据采集模块从生产基础自动化系统读取实时生产数据，发送到所述生产跟踪模块，
所述生产跟踪模块，用于分析实时生产数据，以事件消息的方式向所述模型控制模块发送事件消息；
所述模型控制模块，根据所述事件消息计算和设定各个冷却回路的配水量，
所述发送模块读取所述模型控制模块设定的各个冷却回路的配水量信息，发送到生产基础自动化系统；
生产基础自动化系统按所述配水量信息控制现场各个喷水设施喷水。
5.根据权利要求4所述板坯连铸二次冷却控制系统的控制方法，其特征在于，所述模型控制模块根据所述事件消息中包括的结晶器厚度、钢种和设定浇铸速度，在所述基本水表种选择与事件消息包括的结晶器厚度、钢种相同、参考浇铸速度与所述设定浇铸速度匹配的参考配水量，设定冷却回路的配水量。
6.根据权利要求5所述板坯连铸二次冷却控制系统的控制方法，其特征在于，所述事件消息中还包括实时浇铸速度，所述模型控制模块在所述基本水表中选择与事件消息包括的结晶器厚度、钢种相同、参考浇铸速度与所述实时浇铸速度匹配的参考配水量，设定冷却回路的配水量。
7.根据权利要求6所述板坯连铸二次冷却控制系统的控制方法，其特征在于，所述模型控制模块根据所述设定浇铸速度和实时浇铸速度，计算综合浇铸速度，在所述基本水表中选择与事件消息包括的结晶器厚度、钢种相同、参考浇铸速度与所述综合浇铸速度匹配的参考配水量，设定冷却回路的配水量；所述综合浇铸速度=设定浇铸速度*K+（1-K）*实时浇铸速度，其中K为权重系数，0<K<1。
8.根据权利要求7所述板坯连铸二次冷却控制系统的控制方法，其特征在于，所述参考浇铸速度与设定浇铸速度、实时浇铸速度和所述综合浇铸速度匹配的方式为线性插值法。
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