CN111944954B - 一种pcm钢包底吹氩控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种PCM钢包底吹氩控制系统及控制方法，包括钢包、氩气供气装置、控制器、炼钢二级系统和PCM控制系统，PCM控制系统读取控制器采集的压力、流量信号和炼钢二级系统的生产过程数据，计算钢包氩气出口压力和PCM阀组流量输出能力，根据吹氩工艺确定合适的PCM控制编码，完成对氩气流量的初调；并根据吹氩工艺给定值和流量变送器反馈信号来控制可调节流口，实现对氩气流量精调；最终实现对氩气流量的实时调节。本发明大大减小了传统PCM调节存在的流量脉动，提高了流量调节精度，并实现了对氩气管道故障诊断。

Description

一种PCM钢包底吹氩控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金自动化控制的技术领域，尤其涉及一种PCM钢包底吹氩控制系统及控制方法。

背景技术

钢包底吹氩系统在钢包底部安装供气管路，通过钢包底部透气砖吹入氩气，实现对钢水搅拌、脱气、去除夹杂物、均匀钢水成分等功能，是目前国内外采用最广泛的一种炉外精炼方法。氩气流量需要根据吹氩工艺和钢水液面搅拌情况实时调节，氩气流量压力的控制效果直接影响冶炼质量和成本。

目前，钢包底吹氩流量控制方式主要有质量流量控制器(MFC)和脉冲编码流量控制技术(PCM)两种方式。质量流量控制器具有精度高、重复性好、响应速度快、自带负反馈、稳定可靠、工作压力范围宽等优点，但其组成元件价格高昂且对气路的清洁程度要求很高。PCM控制主体是一种高速开关阀，具有数字接口，不需A/D转换即可用计算机直接控制，并且还有阀体结构简单、抗污染和抗干扰能力强、可靠性高等突出优点，现有很多钢厂钢包底吹氩调节装置都采用PCM控制技术。

脉冲编码流量控制技术(PCM)采用二进制的控制信号，控制一组电磁阀的开关组合来切换不同通径的孔板，综合开口面积为组合的开关阀控制开通孔板孔口面积之和。当输出的二进制信号变化时，就可以得到与二进制信号的变化成一定比例关系的阀的开口度，从而获得与二进制信号变化成比例关系的氩气流量。PCM吹氩控制技术可以克服负载、压力差、温度、气体压缩性和黏性对输出流量的影响，满足流量控制要求，但存在以下问题：

1孔板不同通道的节流口孔径也不相同，导致气流在各管路产生的损耗存在差异，进而影响各管路实际流量系数；

2整体流量控制精度受制于阀组中开关阀的数量，且流量调节不平滑，存在一定的梯度；

3实际控制中，阀组的流量不仅与孔板节流口孔径有关，还受到阀口压差的影响。因此，管路堵塞、钢水背压、透气砖状况等因素都会影响阀组氩气输出流量。

4受开关阀开通和关断时间影响，大流量孔口开关阀切换过程中会造成流量脉动，影响后续调节效果。

5现有底吹氩PCM控制方法缺少PCM孔口流量机理、钢包钢水温度、钢水液面高度等方面的综合考虑，实际的调节效果较差，存在很大优化改进的空间。并且缺少有效的吹氩管路故障诊断方法与手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种PCM钢包底吹氩控制系统及控制方法，该系统从PCM流量控制机理入手，实时计算PCM装置流量，通过可调节流口进行氩气流量二次调节，提高了流量调节精度，减小了PCM开关阀切换过程中产生的流量脉动，并实现了对氩气管道故障诊断。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种PCM钢包底吹氩控制系统，其特征在于，包括钢包、氩气供气装置、控制器、炼钢二级系统和PCM控制系统；

所述氩气供气装置通过供气管与所述钢包底部连接，向钢包内输送氩气，所述供气管上沿气流方向依次设有第一手动球阀、第一压力传感器、比例减压阀、第二压力传感器、第一电磁阀、第一稳压包、第三压力传感器、PCM阀组、第四压力传感器、可调节流口、第一流量变送器、单向阀、第二稳压包和第二流量变送器，还设有手动支管，所述手动支管两端分别与供气管相连通，手动支管上依次设有第二手动球阀和第二电磁阀，两端分别位于所述比例减压阀和第一电磁阀之间的管路及所述单向阀和第二稳压包之间的管路上；

所述控制器输入端与所述第一、第二、第三、第四压力传感器、第一、第二流量变送器相连，输出端与所述第一、第二电磁阀、可调节流口及PCM阀组相连，将采集的压力和流量信号传送给所述PCM控制系统，并将PCM控制系统实时输出信号分别作用于PCM阀组和所述可调节流口，完成对氩气流量的实时调节；

所述炼钢二级系统记录包括划调度/质量标准类数据、生产实绩数据、成分数据、设备传感数据的炼钢环节生产过程数据；

所述PCM控制系统包括钢水背压模型、PCM阀组流量模型、吹氩控制模块和故障诊断模块四部分，所述钢水背压模型读取炼钢二级系统的生产过程数据，计算钢包氩气出口压力；所述PCM阀组流量模型根据PCM阀组输入压力、所述计算的出口压力和PCM阀组中孔板孔径，计算PCM阀组流量输出能力；所述吹氩控制模块包括两部分，一部分根据吹氩工艺和PCM阀组流量模型确定合适的PCM控制编码，另一部分根据吹氩工艺给定值和流量变送器反馈信号来控制可调节流口，实现对氩气流量精调；所述故障诊断模块根据压力流量传感器采集信号和所述吹氩控制模块输出，结合PCM阀组流量模型，实现对吹氩管道故障诊断。

按上述方案，所述控制器为单片机或PLC或仪器仪表或工控机。

一种PCM钢包底吹氩的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)钢包处于吹氩工位，并与氩气供气装置完成管路连接，氩气管路中第一手动球阀打开，PCM控制系统启动；

S2)钢水背压模型读取炼钢二级系统中的钢种、成分、重量、温度数据，通过钢水液面测量仪测量或理论估算钢包中钢水液面高度h，根据钢种和温度计算钢水密度ρ_t，参照公式P_t＝ρ_tgh计算钢水产生的背压，即钢包氩气出口压力；

S3)PCM阀组流量模型读取PCM阀组输入压力P_i、钢水背压模型计算的出口压力P_t和所述PCM阀组中孔板孔径R_i，根据公式

计算PCM阀组不同编码下对应的流量输出能力；

S4)吹氩控制模块首先实时读取炼钢二级系统中钢种、成分、温度、氧含量参数，根据吹氩工艺确定不同工艺分阶段下底吹氩压力和流量给定值，通过控制器调节比例减压阀输出压力，实现对吹氩压力的调节，打开氩气控制通道中的第一电磁阀，并通过四个压力传感器完成氩气供气装置四个部位的压力监测；

S5)吹氩控制模块根据吹氩工艺确定的流量给定值和PCM阀组流量模型，确定合适的PCM控制编码，完成对氩气流量的初调；

S6)吹氩控制模块通过第一流量变送器检测氩气管路流量大小，并求取其与吹氩工艺确定的流量给定值的偏差，通过控制算法，调节可调节流口通径大小，从而调节供气系统输出管道中氩气流量，实现了对搅拌效果的精确微调；

S7)故障诊断模块根据采集的压力、流量信号和氩气控制模块输出，结合PCM阀组流量模型，实现对吹氩管道堵塞情况诊断与报警，提示操作人员切换到手动支管吹氩；

S8)吹氩搅拌完成，关闭氩气控制通道中的第一电磁阀，系统等待下一次钢包底吹氩处理。

本发明的有益效果是：提供一种PCM钢包底吹氩控制系统及控制方法，根据炼钢二级系统中的钢种、成分、重量、温度等数据，计算钢包透气砖氩气出口压力，并结合PCM阀组输入压力和PCM阀组中孔板孔径，计算PCM阀组流量输出能力，为后续PCM阀组编码控制提供设定依据；增设可调节流口对PCM阀组输出氩气管道通径进行微调，实现对输出氩气流量精调，减小所述PCM阀组切换时的流量脉动；先根据吹氩工艺和PCM阀组流量模型确定合适的PCM控制编码，实现流量的初调，再根据吹氩工艺给定值和流量变送器反馈信号来控制可调节流口，实现对氩气流量精调；故障诊断模块根据所述压力流量传感器采集信号和所述控制模块输出，结合所述PCM阀组流量模型，可以实现对吹氩管道故障诊断。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构原理图。

图2为本发明一个实施例的氩气供气装置的结构原理图。

图3为本发明一个实施例的与常规PCM控制系统氩气流量控制对比仿真曲线图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1-图2所示，一种PCM钢包底吹氩控制系统，包括钢包1、氩气供气装置2、控制器3、炼钢二级系统4和PCM控制系统5。

氩气供气装置通过供气管6与钢包底部连接，向钢包内输送氩气，供气管上沿气流方向依次设有第一手动球阀2.11、第一压力传感器2.21、比例减压阀2.3、第二压力传感器2.22、第一电磁阀2.41、第一稳压包2.51、第三压力传感器2.23、PCM阀组2.6、第四压力传感器2.24、可调节流口2.7、第一流量变送器2.81、单向阀2.9、第二稳压包2.52和第二流量变送器2.82，还设有手动支管7，手动支管两端分别与供气管相连通，手动支管上依次设有第二手动球阀2.12和第二电磁阀2.42，两端分别位于比例减压阀和第一电磁阀之间的管路及单向阀和第二稳压包之间的管路上，实现自动和手动供气的切换。

控制器输入端与第一、第二、第三、第四压力传感器、第一、第二流量变送器相连，输出端与第一、第二电磁阀、可调节流口及PCM阀组相连，将采集的压力和流量信号传送给所述PCM控制系统，并将PCM控制系统实时输出信号作用于PCM阀组和所述可调节流口，完成对氩气流量的实时调节。

炼钢二级系统记录包括划调度/质量标准类数据、生产实绩数据、成分数据、设备传感数据的炼钢环节生产过程数据。

PCM控制系统包括钢水背压模型5.1、PCM阀组流量模型5.2、吹氩控制模块5.3和故障诊断模块5.4四部分，钢水背压模型读取炼钢二级系统的生产过程数据，计算钢包氩气出口压力；PCM阀组流量模型根据PCM阀组输入压力、计算的出口压力和PCM阀组中孔板孔径，计算PCM阀组流量输出能力；吹氩控制模块包括两部分，一部分根据吹氩工艺和PCM阀组流量模型确定合适的PCM控制编码，另一部分根据吹氩工艺给定值和流量变送器反馈信号来控制可调节流口，实现对氩气流量精调；故障诊断模块根据压力流量传感器采集信号和吹氩控制模块输出，结合PCM阀组流量模型，实现对吹氩管道故障诊断。

控制器具有模拟量输入输出、开关量输入输出、数值运算和通讯等功能，可以是单片机或PLC或仪器仪表或工控机。

可调节流口用来微调所述PCM阀组输出氩气管道通径，实现对输出氩气流量精调，减小所述PCM阀组切换时的流量脉动。

一种PCM钢包底吹氩的控制方法，包括如下步骤：

S1)钢包处于吹氩工位，并与氩气供气装置完成管路连接，氩气管路中第一手动球阀打开，PCM控制系统启动；

S2)钢水背压模型读取炼钢二级系统中的钢种、成分、重量、温度数据，通过钢水液面测量仪测量或理论估算钢包中钢水液面高度h，根据钢种和温度计算钢水密度ρ_t，参照公式P_t＝ρ_tgh计算钢水产生的背压，即钢包氩气出口压力；

S3)PCM阀组流量模型读取PCM阀组输入压力P_i、钢水背压模型计算的出口压力P_t和所述PCM阀组中孔板孔径R_i，根据公式

计算PCM阀组不同编码下对应的流量输出能力；

S4)吹氩控制模块首先实时读取炼钢二级系统中钢种、成分、温度、氧含量参数，根据吹氩工艺确定不同工艺分阶段下底吹氩压力和流量给定值，通过控制器调节比例减压阀输出压力，实现对吹氩压力的调节，打开氩气控制通道中的第一电磁阀，并通过四个压力传感器完成氩气供气装置四个部位的压力监测；

S5)吹氩控制模块根据吹氩工艺确定的流量给定值和PCM阀组流量模型，确定合适的PCM控制编码，完成对氩气流量的初调；

S6)吹氩控制模块通过第一流量变送器检测氩气管路流量大小，并求取其与吹氩工艺确定的流量给定值的偏差，通过控制算法，调节可调节流口通径大小，从而调节供气系统输出管道中氩气流量，实现了对搅拌效果的精确微调；

S7)故障诊断模块根据采集的压力、流量信号和氩气控制模块输出，结合PCM阀组流量模型，实现对吹氩管道堵塞情况诊断与报警，提示操作人员切换到手动支管吹氩；

S8)吹氩搅拌完成，关闭氩气控制通道中的第一电磁阀，系统等待下一次钢包底吹氩处理。

实施例一

PCM阀组具有6组开关阀2.62，分别对应孔板孔口2.61直径分别为1.4142mm、2mm、2.8284mm、4mm、5.6568mm、8mm，对应的孔口面积比为S0:S1:S2:S3:S4:S5＝1:2:4:8:16:32。钢水温度1670℃，对应钢水密度ρ_t＝7×103kg/m3，钢水在大罐中相对透气砖高度h＝2.9m。钢水氩气正常搅拌压力为6Ba，流量为60L/min；合金化阶段搅拌压力为11Ba，流量为100L/min。

钢包与氩气供气装置管路连接完成，第一手动球阀打开，PCM控制系统启动。钢水背压模型根据获取的钢水温度、液面高度h等数据，计算钢水产生的背压为P_t＝1.99Ba。

PCM阀组流量模型读取PCM阀组输入压力P_i、钢水背压模型计算的出口压力P_t和所述PCM阀组中孔板孔径R_i，根据公式计算PCM阀组不同编码下对应的流量输出能力。其正常搅拌和合金化搅拌阶段对应的PCM阀组流量大小如表1所示。

表1PCM阀组输出流量能力表

下面进一步给出在正常搅拌阶段吹氩流量从30L/min增大到50L/min时，本系统调节过程：通过表1可以确定PCM阀组控制编码分别为010110(输出流量30L/min时需要同时打开1、3、4号阀)、010101(输出流量50L/min时需要同时打开1、3、5号阀)，对应的PCM阀组输出流量分别为31.2842L/min、51.6913L/min。因此，保持1、3号阀开通，关闭4号阀打开5号阀，就可以完成流量从40L/min向50L/min的调节，实现对氩气流量的初调。吹氩控制模块通过第一流量变送器检测氩气管路流量大小，并求取其与吹氩工艺确定的流量给定值的偏差，通过控制算法，调节可调节流口通径大小，从而调节供气系统输出管道中氩气流量，实现了对搅拌效果的精确微调。本方法调节曲线和常规PCM方法调节曲线仿真效果图如下图3所示。

从图3中可以看出，通过可调节流口对PCM阀组初调后的氩气流量进行精调，可以提高氩气调节的精度，流量调节更加线性化。此外，可以有效消除开关阀在关断过程中由于关断时间对管路氩气流量产生的冲击脉动，使氩气流量调节切换更加平滑。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种PCM钢包底吹氩控制系统，其特征在于，包括钢包、氩气供气装置、控制器、炼钢二级系统和PCM控制系统；

所述氩气供气装置通过供气管与所述钢包底部连接，向钢包内输送氩气，所述供气管上沿气流方向依次设有第一手动球阀、第一压力传感器、比例减压阀、第二压力传感器、第一电磁阀、第一稳压包、第三压力传感器、PCM阀组、第四压力传感器、可调节流口、第一流量变送器、单向阀、第二稳压包和第二流量变送器，还设有手动支管，所述手动支管两端分别与供气管相连通，手动支管上依次设有第二手动球阀和第二电磁阀，两端分别位于所述比例减压阀和第一电磁阀之间的管路及所述单向阀和第二稳压包之间的管路上；

所述控制器输入端与所述第一、第二、第三、第四压力传感器、第一、第二流量变送器相连，输出端与所述第一、第二电磁阀、可调节流口及PCM阀组相连，将采集的压力和流量信号传送给所述PCM控制系统，并将PCM控制系统实时输出信号分别作用于PCM阀组和所述可调节流口，完成对氩气流量的实时调节；

所述炼钢二级系统记录包括划调度/质量标准类数据、生产实绩数据、成分数据、设备传感数据的炼钢环节生产过程数据；

所述PCM控制系统包括钢水背压模型、PCM阀组流量模型、吹氩控制模块和故障诊断模块四部分，所述钢水背压模型读取炼钢二级系统的生产过程数据，计算钢包氩气出口压力；所述PCM阀组流量模型根据PCM阀组输入压力、所述计算的出口压力和PCM阀组中孔板孔径，计算PCM阀组流量输出能力；所述吹氩控制模块包括两部分，一部分根据吹氩工艺和PCM阀组流量模型确定合适的PCM控制编码，另一部分根据吹氩工艺给定值和流量变送器反馈信号来控制可调节流口，实现对氩气流量精调；所述故障诊断模块根据压力流量传感器采集信号和所述吹氩控制模块输出，结合PCM阀组流量模型，实现对吹氩管道故障诊断。

2.根据权利要求1所述的一种PCM钢包底吹氩控制系统，其特征在于，所述控制器为单片机或PLC或仪器仪表或工控机。

3.一种PCM钢包底吹氩的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)钢包处于吹氩工位，并与氩气供气装置完成管路连接，氩气管路中第一手动球阀打开，PCM控制系统启动；

S2)钢水背压模型读取炼钢二级系统中的钢种、成分、重量、温度数据，通过钢水液面测量仪测量或理论估算钢包中钢水液面高度h，根据钢种和温度计算钢水密度ρ_t，参照公式P_t＝ρ_tgh计算钢水产生的背压，即钢包氩气出口压力；

S3)PCM阀组流量模型读取PCM阀组输入压力P_i、钢水背压模型计算的出口压力P_t和所述PCM阀组中孔板孔径R_i，根据公式

计算PCM阀组不同编码下对应的流量输出能力；

S4)吹氩控制模块首先实时读取炼钢二级系统中钢种、成分、温度、氧含量参数，根据吹氩工艺确定不同工艺分阶段下底吹氩压力和流量给定值，通过控制器调节比例减压阀输出压力，实现对吹氩压力的调节，打开氩气控制通道中的第一电磁阀，并通过四个压力传感器完成氩气供气装置四个部位的压力监测；

S5)吹氩控制模块根据吹氩工艺确定的流量给定值和PCM阀组流量模型，确定合适的PCM控制编码，完成对氩气流量的初调；

S6)吹氩控制模块通过第一流量变送器检测氩气管路流量大小，并求取其与吹氩工艺确定的流量给定值的偏差，通过控制算法，调节可调节流口通径大小，从而调节供气系统输出管道中氩气流量，实现了对搅拌效果的精确微调；

S7)故障诊断模块根据采集的压力、流量信号和氩气控制模块输出，结合PCM阀组流量模型，实现对吹氩管道堵塞情况诊断与报警，提示操作人员切换到手动支管吹氩；

S8)吹氩搅拌完成，关闭氩气控制通道中的第一电磁阀，系统等待下一次钢包底吹氩处理。

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