CN1061174A - 用于水平连续铸造运转控制系统 - Google Patents

Abstract

一种与水平连续铸造设备相结合的控制系统，它 包括一个有控制环作用其上的铸造系统驱动马达。 凸轮选择系统把单独的凸轮图形的申请提供给马达 控制环。显示系统提供单独所应用的凸轮图形和实 际铸造运动的显示。附加的监控系统提供在铸造处 理过程中多重系统功能的直接控制。基于速度时间 比的控制系统在结构上得到了简化，并提供快速、准 确的控制。

Description

本申请是1989年11月3日申请的申请号为07/431，290的申请的继续部分。

本发明一般涉及水平连续铸造系统，特别是用于单股或多股铸造系统的运转控制系统。随着水平连续铸造系统的发展，可允许扩展长度的常截面铸件的铸造，如钢铸件，既经济又方便。尽管水平连续铸造系统的结构随着厂家的不同而变化，但操作部分基本相同。这些连续铸造系统在美国专利号为4，437，509;4，520，860;4，532，977;4，580，614和4，774，996的专利中均有描述。现陈述于此做为参考。

在连续铸造设备的操作中，在铸造处理开始之前，熔化的金属被送入一个浇口盘中。然后一个具有其断面通常相应于铸后铸件断面的起动杆被插入铸模中，接着，浇口盘上的一个滑动门被打开，存于浇口盘中的的熔化的金属经过出口流进铸模中并且熔接到起动杆上。然后驱动马达开始了铸造系统所要求的铸造运动，这时处理开始了。

在铸造模中正在形成的铸造运动包含了一系列按照预定的运动图形而产生的运动。最广泛使用的运动图形包含了一系列被称作铸造冲程的短的向前的运动。在一个较好的系统中每一个向前的运动伴随着一个短暂的逆向运动。这样，在这个用于水平连续铸造操作的较好的运动图形中，一连串的运动循环产生了。每个循环包括了一个向前的铸造冲程和一个伴随其后的短暂的逆向运动。

当铸造系统开始了其稳定操作时，铸造处理的各种参数必须仔细地加以控制，以便提供最佳的铸造。有一点非常重要的是，把这些参数快速而精确地加以相互联系并予以控制，以便提供优质的铸造。为了得到铸造运动的准确控制，可以利用一个计算机化的连续铸造系统。这样，美国专利号为3，614，978的Kosco公开了一个其操纵对股位置敏感的计算机化的连续铸造控制系统。在Kosco专利的系统中，驱动该铸造的马达总是向前转动的。另外，该系统是以位置控制为基础的。所以，这个系统不能用在一个既有向前运动又有逆向运动的系统中。再有，当运动控制被约束在象高炉温度、冷却剂流量、冷却剂温度等之类的铸造操作参数中时，由于位置控制特性的结果，该系统是相当的慢而且复杂。

因此，需要一个用于水平连续铸造设备的运动控制系统，它简单、快速，而且即使被约束在铸造操作参数中也能准确运动控制。

本发明的总的目的是提供一个用于水平连续铸造系统的改进了的运动控制系统，它尤为特别的目的是为水平连续铸造提供一种改进的运转控制系统，这对在这个系统中用精确的方法控制单股或多股水平连续铸造系统具有特别的优越性。

根据本发明，提供了一个运动控制系统和一个单股或多股水平连续铸造设备的综合系统，这个铸造设备具有高炉装置，铸模和后冷却装置，由一个电动马达驱动的驱动装置，最好是一个直流扭矩马达。该运动控制系统包含一个闭环控制系统，这个控制系统可用在铸造设备各股的电机上。这样，一个译码器被连接到电驱动马达的输出轴上。一个连在译码器上的传感器提供了一个显示驱动马达的旋转运动的输出信号。一个计算机控制系统接收信号并产生一系列信号，这些信号相应于用在铸造处理中的所要的运动图形或运动循环。在控制环中的一检测器系统响应译码的输出和所要求的运动图形凸轮的信号值，并产生适当的作用到驱动电机上的输出信号，以获得所要求的运动。这个输出信号由电机驱动放大器放大到足以开动该系统的驱动电机的功率级，计算机系统接收信号并按驱动电机的速度时间比的曲线图来实时修改处理控制显示。这个主要基于硬件而不是软件的系统可以给出实时控制，并且非常的迅速和准确。

本发明及其进一步的目的和优点，通过下面的描述和附图，可以得到进一步的了解。在图中相同的数字表示相同的部件。

图1表示了一个水平连续金属坯段铸造设备的总布局。

图2是一个运动控制系统的方框图，是基于与图1的金属坯段铸造设备一起使用的速度时间比。

图3是图2的运动控制系统的速度/时间冲程详图。

图4是图2运动控制系统的计算机凸轮和实际凸轮显示的分解图。

图5是图2所示TS2计算机的方框详图。

图6是本发明用于三股水平连续铸造的运动控制系统方框图。

参考图1，一个具有一内部绝缘存贮室的浇口盘和浇口盘车1有一个出口2，这个出口通常是靠近浇口盘的底部表面。安装在挨着浇口盘出口或排泄口的滑行门3用于当需要时打开或关闭该浇口盘。一种未表示的耐火材料衬砌在该浇口盘的内侧，以保护该浇口盘的结构，防止熔化的金属存积于内。一种或多种未表示的陶瓷元件或喷咀被装在浇口盘排泄口内以便提供一个对铸造系统其它部分相适合的分界面。一个长条的铸模的后冷却机4用相连接的布置方法支承在滑动门3和靠着浇口盘的喷嘴上，铸模和后冷却机4有一个贯穿的中间通道并具有与所期望的铸造铸件相适应的横截面。铸模和后冷却机包含了一个环境冷却系统，它可以提供泉水这类冷却剂在铸模通道外表面的流动。铸模一般是用铜或其它具有高热传导率的金属制成的。一个流体控制系统被加在铸模上以提供在铸模铸造通路内部或外部周围所需要的冷却剂流。在铸造模的排泄口或出口部分，一排支承滚动轮7安装在一个大致为直线的通路内，用以支撑并提供一个滚动面来传送铸件。一个或多个带有直流扭矩马达11的拉出器被有效地连到显露出的铸件上并给出铸造所要求的运动。一个切割喷枪8安放在拉出器的下手方向，它的作用是将每股切割成适当的长度。如图1所示，一个译码器13被连在扭矩马达11的轴12上，这个译码器就是运动控制系统的起点。

运动控制系统最主要的任务是精确地控制这些直流电机拉出器，以便在铸造过程中准确地对钢进行提取和固化并且监控所有的水压、空气压力和温度的临界点，以达到适合的铸造条件。如本发明的运动控制系统的最佳形式是最好如图2、3、4和5中所示，一般有3台带有Intel80836的AT型计算机。在每台AT机中是几台专门用于特定工作的单板计算机。每台单板机提供自己的总线和与外部元件的联接。这些外部元件是被接到控制插件板上的。这三台AT机是由它们的基本功能命名的。

1、PCS-处理控制屏幕

2、TS1-触屏接口1号

3、TS2-触屏接口2号

PCS-处理控制屏幕

PCS计算机最好含有超速、高分辨率（1280×1024）显示控制器，它们可以接收AT总线传来的信息并实时修改过程控制显示器。这些显示器实际上就是一个实时示波器，可以显示出每一个正在铸钢时的马达速度与时间比的曲线图，即每个马达负责一股。这些显示对铸造过程中监控钢的适时提取和固化是必要的。另外，显示可按要求设计如下：

1、生产率。

2、要求的曲线与实际的曲线比

3、跟踪误差

4、实际的马达扭矩曲线

5、马达扭矩平均条线图

6、跟踪误差条线图

7、实际拉出长度

8、实际推回长度

PCS计算机接收来自从两个方向锁住所有译码器边缘的接口板的信号，译码器是连在铸造驱动马达的轴上的，马达放大器也提供一个与马达电流相配的直流输入。这就是被输入到接口板上的输入，然后被转换成一个实际马达扭矩显示。本系统使用了起动凸轮。这样，当一开始铸造时就能够有多达八个凸轮中的八个合金存贮单元而且每个单元都可提供所使用的预编程序提取的停顿图形。本系统独特的地方是单板机的使用，它们可提供于特定工作的非常快速、实时控制的专用控制系统。凸轮生成和触屏接口在铸造过程中提供凸轮图形的瞬间再生。处理显示器不仅可以提供速度曲线的示波器型波形图，还可以提供从示波器上不能得到的显色试验和条线图信息。PLC和数据获得计算机提供了在控制系统内构成一完整系统整体所需要的所有部分，以致在设备安装时不需要附加设备。

一个独立的监控器显示了铸模热电偶和温度、冷却器的水温和材料处理设备的线性趋势。这信息是通过与其它两台AT型计算机TS1和TS2相连的通信线路接收到的。

TS2-触屏接口2号

TS2有一个具有触屏功能的VGA（640×480分辨率）的彩色显示器，以便当图形系统显示器被触后，它可以提供对所有外部系统部件的控制，这些外部部件包括象泵、电磁线图、炉中氩的压力、空气压力、水的流速、炉温和其它连到系统上的特殊设备以及正在生产的钢件的直径、钢的具体比重和用于排除故障的自我诊断程序。

这个计算机也有用于可编程的逻辑控制器和获得数据控制器的单板机，这种获得数据控制器起独立计算机的作用并通过一个双重端口的RAM获得信息以便接到AT上。将一个打印机接到TS2上，用于在铸造过程中对所有事件和数据进行运动时间记录。所有热电偶、流动速度和家电磁线圈、泵及铸造电机信息这类的信号被贮存起来，并送到系统中另外两台计算机中。

TS1-触屏接口1号

TS1是铸造操作中一个重要的计算机，它包含了一个用于每个铸造电机的成比例差动（PID）环形运动控制计算机。这个单板机通过一个双端凸轮接口接收一个铸造马达所要求的速度曲线，并且以1毫秒的修改速度精确地控制用于每次铸造冲程的提取和送回。操作器接口也是一个可以提供凸轮瞬间生成和特性的触屏，它可以根据被铸造的特殊合金来制作，这些凸轮按它们的作用被存贮在三个不同的存贮体内。即，一个为单个凸轮的定制凸轮，该单个凸轮允许一个操作器瞬间改变定义一个凸轮的几个参考数中的任意一个，以便优化用于实验中合金的铸造图形;一个快速选择凸轮，它为八个凸轮的八个合金存贮体，在每个存贮体内允许操作器迅速离开八个不同的预生成的凸轮中的任何一个。

全部的控制系统如图2所示，译码器13向运动控制器和一个译码器及放大器输入板同时送出脉冲。运动控制器依次向放大器送出运动命令信号，这个放大器与拉出马达相连。放大的命令信号将目前的扭矩输出读到译码器和放大器输入板。运动控制器也送一个信号到冲程开始板。板上的信号同时送到一个输入/输出板，并依次提供生产运行的计算，计算结果反馈到PCS程序设计器。PCS程序设计器接收来自TS2计算机的用于趋势显示的温度，如图5所示。PCS程序通过VGA彩色显示器送信号到一个用于拉出马达的凸轮显示器。TS1计算机的菜单参数也送到运动控制器。

图3以图解形式表示了拉出马达的冲程循环。这样，在冲程开始时，运动是向前的，跟着是一个短促的回复运动，然后在开始下一个周期前有一个停顿。如图3所示，一个冲程周期是15毫秒。在这15毫秒中，有9毫秒是用于铸造向前运动的，3毫秒用于回复运动，3毫秒用于下一冲程开始前的停顿。该系统同时检查并调整至少四个方面的作用，即相称性、整体性、差动性和向前送料。其结果，该系统的实际情况与预想的图形相当的接近。

图4显示的是要求的或者计算机的凸轮曲线与实际曲线或铸造设备的实际凸轮之比。另外，图4表示了要求的曲线与实际曲线之比的差量，该实际曲线为用条线图表示的跟踪误差。图中也显示了该实际马达扭矩曲线和一个马达扭矩平均数的条线图。因此，铸造操作的临界特性总是能够显示出来的。

图5是TS2计算机的详图。如图2所示TS2计算机送数据到PCS程序。如图5所示，计算机同时显示并控制象炉温、水流停止、坯材的尺寸和包括一个用于屏幕、键盘、线条图、实时时钟和图形数据的输入图形控制这类参数。

图6进一步显示的是用于多股水平连续铸造操作的控制系统10。扭矩驱动马达11具有一个支撑一个光学译码器13的输出轴。虽然未在图6中显示，但也很容易明白输出轴12与适当的驱动滚轴和用于将运动传递到铸股（如图1所示）的相关机械装置相连。译码器13是一个普通的光学译码器，它具有一个连接到轴12的旋转部件，并且可以同时旋转。译码器13还包括了一个可产生一个与轴12运动相应的输出信号的输出端14。检波器13包括了两个输入端31和32及一个输出端33。译码器13的输出端14与检波器30的输入端31相连。因此检波器30提供一个用于输入31和32的输入信号的比较，并在输出33产生一个表示其关系的输出信号。一个用常用制造技术制造的功率放大器包括一个连到检波器30的输出33的输出端子20和一个连到马达11的输出端子21。译码器13、检波器30和放大器15联合形成了一个相配的整体差动控制环（PID）作用到马达11上。

一个二极马达40包含了一个连到译码器42的输出轴41，译码器42是按照常用制造技术制造的并且具有一个输出端子43，按照常用制造技术制造的译码器50包括一对输入端子51和52及输出端子53。一个按照常用制造技术制造的放大器44包括一个连检波器50的输出端子53上的输入端子45和一个连到马达40上的输出端子46，译码器42，检波器50和放大器44联合形成了一个PID环作用到马达40上。

按常规制造技术制造的马达60包含了一个支持光学译码器62的输出轴。译码器62含有输出端子63。检波器64含有一对输入端子65和66及一个输出端子67。用常规制造技术制造的一个放大器70含有连到检波器64的输出端67上的一个输入端子71和一个连到马达60的输出端子72。译码器62，检波器64和放大器70联合形成了一个PID环作用到马达60上。

一个凸轮存贮和选择处理器100包含了一个由三个分别被连到检波器30、50和64的三个输入端子32、52和66上的输出端103、104、105所组成的组。通过连接器102连接到凸轮处理器100上。一个按常规制造技术制造的显示控制器由连接器106连到凸轮处理器100上。一个显示器113通过一连接器串连到显示器110，而一个凸轮输出装置114从连接器112连到显示控制器110上。

为了响应来自凸轮输入114的用户输入信号，显示控制器110和凸轮处理器100共同提供一个由三个用到检波器30、50和64的输入32、52和66上的铸造图形或凸轮所组成的组。为了响应在凸轮输入114上的输入，凸轮处理器100可以交替地取回来自存贮器101所要求的凸轮图形或产生一个由用户提供的特殊构造的凸轮图形。不论怎样显示控制器100总会在显示器113上显示用到检波器30、50和64上的运行凸轮。

显示控制器122包含一个连到译码器13的输出14上的输入123，一个输入124，一个连到凸轮处理器100的输出端上的输入125和输出121。显示器120连接显示控制器122。

一个显示控制器132包括一个接到译码器42的输出43上的输入133，一个输入134，一个连到凸轮处理器100的输出104上的输入135和一个输出136。显示器130有一个连到显示控制器132输出端136上的输入131。

显示控制器142包含了一个连到译码器62的输出端63上的输入143，一个输入144，一个连到凸轮处理器100的输出端105上的输入45和一个输出146，显示器140有一个与显示控制器142的输出146相连的输入141。

显示控制器122发出一组适当的用于显示器120操作的控制信号，显示器120本身又按其最佳形式，包括有一个象光栅扫描器CRT这样的高分辨率的视频显示器。同样，在显示控制器142向显示器140提供适当的控制信号时，显示控制器132向显示器130提供适当的显示信号。

马达系统处理器80包含一个与凸轮处理器100的输出端103相连的输入端81，一个与译码器13的输出端14相连的输入端82，一个与处理器100的输出端104相连的输入端83，一个与译码器42的输出端43相连的输入端84，一个与凸轮处理器100的输出端105相连的输入端85和一个与译码器62的输出端63相连的输入端86。马达系统处理器80还包含了与放大器15、44和70的端子22，47和73分别相连的输入端87、88和89。马达系统处理器80还包含了一个由三个分别连接到显示控制器122，132和142的输入端124、134和144上的输出端90、91和92所组成的组。

向处理器80提供信息的控制系统150包含了一个输入端154和多个输出端151、152和153。可把用普通制造技术制作的冷却剂系统155控制系统铸模（未表示）。通过铸造模提供一个所要求的冷却剂传送和流动。冷却剂系统155包含一个与控制系统150的输出端153相连的输入端158。将滚轴控制器156用到用普通制造技术制造的铸造系统（未表示）上，把一组滚轴用到系统铸造中去。滚轴控制器156有一个与控制系统150输出端152相连的输入159。用普通制造技术制造的，并能加热系统高炉的（未表示）高炉加热系统157，包含一个与控制系统150输出端151相连的输入160。控制系统150的作用是响应用到端子154上的输入控制信号，产生适当的传送到冷却剂系统155、滚轴控制器156和高炉加热系统157的输出信号。显示控制器170包括一个由三个分别连接到控制系统150的输出端151、152和153上的输入端176、177和178所组成的组。显示控制器170还包括一个由三个输入端173、174和175所组成的组。显示控制器还包含了一个输出端172和一个输出端171，用普通制造技术制造的显示器180包含了一个与显示控制器170端子172相连的输入端181和一个输入端182。按照普通制造技术制造的打印机185具有一个与显示控制器170的输出171相连的输入187，输入装置165包含了一个与显示器180的输入端182相连的输出端167和一个与打印机185输入端186相连的输出168，铸造温度传感系统190包含了一组温度传感装置（未显示），用于监控在铸造系统内各个选择点的温度。铸造温度传感器190包含了一个与显示控制器170的输入端173相连的输出端193。冷却剂流量传感器191包含了用于检测冷却剂系统中冷却剂流动速率的装置和一个与显示控制器170的输入端174相连的输出194。冷却剂温度传感系统192包含了一组作用于冷却剂系统的温度传感器，用于监控该系统中在选择点上的冷却剂温度。冷却剂温度传感系统192具有一个与显示控制器170输入端175相连的输出端195。条形图显示器205包括一个视频显示和一个输入206，显示控制器200包括一个与显示器205的输入端206相连的输出202和一个与显示控制器170相连的输入端201。

在操作中，操作员使用凸轮输入114给显示控制器110和凸轮处理器110提供适当的信号，来为操作马达11，40和60输出所要求的凸轮图形。如上所述，输入114可按操作员的选择来提供信号，轮流提供图形凸轮，这些图形凸轮可标准化并可贮存在贮存器10内，或者这些图形凸轮可以按正在铸造的特殊合金或金属来成形。无论哪种情况，把由马达11，40和60所要求的三个凸轮图形所组成的凸轮处理器100的输出信号，分别用到检波器30，50和64上，然后将如上所述的PID控制环操作加到马达11，40和60，适当的输出信号由检波器30、50和64提供并由放大器15、44和70放大并分别驱动马达11，40和60，同时，凸轮处理器100的输出与显示控制电路122，132和142相连并分别产生用于马达11，40和60的凸轮图形，再分别被显示在显示器130，120和140上。另外，把译码器13，42和62的输出信号也同样分别应用到显示控制器122，132和142上。后者的连接允许马达11，40和60的实际运动图形分别在显示器120，130和140上同时显示。这样，在基本的系统操作过程中，显示器120，130和140可得到用于每一个单独的铸造股的、适合于显示所要求的凸轮图形和实际产生的铸造运动两者的信息。

除了为马达11，40和60制造放大的驱动信号外，放大器15，44和70，每一个还分别提供马达电流的指示信号，这些信号分别与马达系统处理器80的输入端87、88和89相连。另外，把译码器13，42和62以及所要求的凸轮图形同样地输入到马达系统处理器80。处理器80对上述的输入信号产生反应，从而在分别连接到显示控制器122，132和142上的每个马达11，40和60上产生运行信息。结果，显示器120，130和140可能显示关于马达运行及铸造设备操作的附加信息。

控制系统150通过常规的机电控制机械可有效地控制冷却系统155，滚轴控制系统156和高炉加热系统157的功能。控制系统150响应来自输入装置165的输入指令。这样操作员可以选择冷却剂系统155，滚轴控制系统156或者高炉加热系统157所要求的操作，并通过控制系统150直接执行操作。同时，输入165有效地形成显示180，以表示铸造系统的操作。在其最佳形式中，输入165和显示器180还可以合并成一个触屏显示器，像现在使用的红外检波触屏装置。通过操作铸造温度传感器190，冷却剂流动传感器191和冷却剂温度传感器192，显示控制器170接收到关于冷却剂系统155，滚轴控制156和高炉加热系统157的运行信息。显示控制器170处理输入信息以产生一个合适的输入信号到显示控制器200上。然后，显示控制器200又将收到的信息送到条形图显示器205。条形图显示器205具有一个象CRT这样的常用的视频显示终端。按照本发明的一个重要方面，这个显示终端可显示在实时基础上的铸造系统的操作。这样，条形图显示器205包括具有条形图特性的显示，该特性在实时基础上表示在预定的周期内该系统的运行情况。

上面已经对本发明特定的具体设备进行了表示和描述。显然，对本专业的熟练技术人员来说，不离开本发明的精神，可以在更广阔的方面作出改变和修改。因此，权力要求书的目的就是要尽可能在本发明的特性和范围内包括所有这些变化和改进。

Claims (4)

1、一种由一控制水平连续铸造设备用的控制系统和一水平连续铸造设备所组合的综合设备，其特征是所述铸造设备包含高炉装置，用于铸造铸件的铸模装置和从所说的铸造设备中拉出铸件的拉出装置，这个拉出装置包含一个带一根驱动轴的电动马达；所述控制系统包含与上述电动马达轴连在一起的译码器装置和一个含有上述译码器的闭环控制系统，还包含一个运动控制器和一个用于接收来自所述译码器信号的译码器/放大器输入板；所述运动控制器被制造和布置成向与上述电驱动马达相连通的放大器装置提供控制信号，并且向冲程开始板提供脉冲；所述的译码器和放大器输入板及冲程开始板向输入/输出板提供信号，然后输入/输出板供给处理控制程序；接着控制程序向显示器装置送出信号；所述系统同时提供一个用于控制铸造设备操作的计算的凸轮运动图形和装置，以使该铸造设备的实际运动图形跟踪予定的凸轮图形。

2、如权利要求1中所述综合设备，其特征是所述电驱动马达是一个扭矩马达。

3、一种用于控制如水平连续铸造设备之类系统运动的运动控制系统，其特征是这个运动控制系统包含与电马达轴相连的译码器装置和一个含有所述译码器的闭环控制系统，还包含一个运动控制器装置及一个用于接收来自所述译码器的信号的译码器/放大器输入板;所述运动控制器装置用来给与所述电驱动马达相连接的放大器装置提供控制信号，并且向冲程开始板送出脉冲;所述译码器和放大器输入板及冲程开始板向输入/输出板提供信号，输入/输出板再依次提供处理控制程序;所述处理控制程序依次向显示装置送出信号，所述系统同时提供一个用于控制设备操作的计算的凸轮运动图形和装置，以使该设备的实际运动图形跟踪予定的凸轮图形。

4、如权利要求3所述的运动控制系统，其特征是所述电驱动马达为扭矩马达。

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