【正文】 制系統(tǒng)中的液位檢測技術(shù)是阻礙我國在連續(xù)鑄鋼領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的生產(chǎn)過程的問題之一?，F(xiàn)在在國內(nèi)只有沈陽市的東北大學(xué)和核工業(yè)部 260 廠分別設(shè)計并且制造成利用超聲波的液位計和用 Co60 為放射性源的結(jié)晶器的液位測量儀，但一直沒有廠商正規(guī) 的在生產(chǎn)中使用過。米爾公司伏蘭克林廠和西安鋼鐵廠使用具有放射性的同位素法，日本東升月公司第 4 號板坯連鑄機采用熱電偶的處理方法，中國寶鋼也用過這種方法。使用起來在全世界都比較理想并且較為成熟的結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位的檢測方法是采用具有放射性的同位素的方法。然而，由于輻射對于人類的身體有非常大的傷害，現(xiàn)在這種方法已經(jīng)消失在絕大部分工廠中。隨著渦流法的成熟度和精度的提高，目前國內(nèi)已經(jīng)越來越廣泛使用。 關(guān)于控制處理器，因為連續(xù)鑄鋼車間內(nèi)的條件非常的苛刻，高溫多塵。 關(guān)于液位控制的策略，由于僅僅在某種條件下達到有效的結(jié)晶器液位控制的傳統(tǒng)比例積分微分的控制策略，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，因此出現(xiàn)了有多種以 PI（ D）為基礎(chǔ)的鋼水高度控制方法、智能鋼液控制方法以及配置零極點的液位控制方法。因此，液位控制策略仍然是目前研究的關(guān)鍵。 課題要求及其主要工作要求 通過對結(jié)晶器液位控制現(xiàn)狀及趨勢和意義的了解，以此為基礎(chǔ)主要使用可編程控制器（ PLC）對結(jié)晶器控制系統(tǒng)的軟硬件進行設(shè)計，使其能夠可靠穩(wěn)定的進行工作。 2．選擇合適的 PLC 型號和擴展模塊的型號，熟練使用編程軟件 step7，完成上下位機的軟硬件的設(shè)計、編程及調(diào)試。 本科畢業(yè)設(shè)計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 2 連鑄工藝和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的介紹 連鑄工藝 連鑄技術(shù)是由英國人于 1986 提出的。第二十世紀三十年代連鑄技術(shù)開始在一些有色金屬生產(chǎn)中的應(yīng)用。隨著連鑄技術(shù)的向前發(fā)展，連鑄工藝成為鋼鐵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的極為核心的組成。連續(xù)鑄造的過程中能否穩(wěn)定連續(xù)的進行，不僅影響煉 鋼廠家生產(chǎn)指標，且會沖擊到鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量與成品率。 連續(xù)鑄鋼生產(chǎn)線系統(tǒng)主要包括輸送設(shè)備、中間包、中間包車、結(jié)晶器、結(jié)晶器的振蕩裝置、二次的冷卻裝置、鋼坯的矯正系統(tǒng)、切割裝置和鋼坯輸出機構(gòu)等部分。通過運載鋼液的鋼包輸送設(shè)備旋轉(zhuǎn)、減速、停止。最后注入結(jié)晶器。鋼水在結(jié)晶器內(nèi)部邊沿冷凝成還殼，當(dāng)結(jié)晶器出口的還殼厚度達到一定值時，啟動后面的導(dǎo)向裝置和結(jié)晶器振動裝置，使中心部位還是液體鋼水的鑄還進入由很多夾輯組成的弧形導(dǎo)向段 。 當(dāng)鑄還進入矯直區(qū)域以后，鑄還在此處被矯直，但此時 鑄還有可能仍未完全凝固，處于液心狀態(tài)。 該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 如圖 。（修改到處） 連鑄機結(jié)構(gòu) 連鑄機按 照形狀連鑄機又可分為板坯連鑄機、小方坯連鑄機和大方坯連鑄機等，這其中小方坯連鑄機大約占 50％。 一臺完整的連鑄機構(gòu)主要是由盛鋼桶、中間包、結(jié)晶器、結(jié)晶器的振動裝置、液位自動控制裝置、二次冷卻裝置、矯直裝置、切割裝置和鑄坯裝置等部分組合而成的，如 本科畢業(yè)設(shè)計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 圖 。當(dāng)打開滑動水 口后。結(jié)晶器周邊的溫度較低，鋼液沿其周邊冷凝成坯殼。同時，在二次冷卻裝置的作用下鑄坯將會被進一步冷卻并繼續(xù)凝固。在水平位置上隨后將會被切割成定尺長度，置放于運坯裝置上，進而運送到規(guī)定地點。 弧型連鑄機的主要設(shè)備： 1） 液 鋼供給裝置：連鑄煉鋼精煉爐出的用合格的鋼水倒入鋼水罐，通過吹氫調(diào)節(jié)溫度或真空脫氣處理后，鋼水罐送到至中間罐上方，準備澆注。 本科畢業(yè)設(shè)計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 2 中間包和中間包車：中間包車是用來支持、運送中間包，并用來更換中間包的設(shè)備，將中間包從預(yù)熱的位置運送到鑄鋼的位置，以及向相反方向運送。中間包用于鋼液澆鑄的過渡裝置，它位于鋼包與結(jié)晶器之間，主要起著澆鑄生產(chǎn)緩沖的作用，某個鋼包的鋼水當(dāng) 流空以后，鋼包回轉(zhuǎn)臺當(dāng)旋轉(zhuǎn)一定的角度，使另一個臂上的鋼水包旋轉(zhuǎn)至澆鑄位，準備時間需要數(shù)分鐘。 3 結(jié)晶器：結(jié)晶器是連鑄機構(gòu)是核心部件，連鑄生產(chǎn)過程的主體想法就是將液態(tài)的鋼水直接冷卻鑄造成成型的特定產(chǎn)品，結(jié)晶器就是液態(tài)的鋼水冷卻成固態(tài)鋼坯的關(guān)鍵部件，鋼坯的外形取決于結(jié)晶器的形狀。 4 結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)：一次冷卻系統(tǒng)的目的是帶走液態(tài)鋼水通過結(jié)晶器銅管傳遞過來的熱量。二次冷卻系統(tǒng)主要作用于二冷區(qū)域的鑄還。采用直接噴水冷卻帶有液芯的鑄還，使其迅速冷卻至完全凝固，避免鑄還產(chǎn)生鼓肚變形。開路水用于冷卻并與設(shè)備冷卻水集中在一起，在處 理罐內(nèi)進行除油除雜質(zhì)處理，再次使用之前，回到水處理站進行處理。 5 電磁攪拌器：結(jié)晶器中電磁攪拌器的作用是通過鋼水運動可以對凝固殼表層區(qū)的夾雜物和氣泡進行清洗，可以有效的提升鑄坯表面質(zhì)量。鋼水運動可把樹枝晶打碎，改善鑄坯內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 6 拉矯裝置：用以啟動澆鑄過程，移動與存放引 鍵桿、控制熱鋼流速度以及在饒鑄末端推動鋼流的設(shè)備，位于二次冷卻區(qū)尾部，用于繞鋼期間拉出熱鋼還，同時將鑄還從弧形曲面矯直后送入中間輯道；在澆鑄準備期間用于將引錠桿經(jīng)二冷室導(dǎo)向插入結(jié)晶 本科畢業(yè)設(shè)計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 器中和結(jié)晶器銅管形成鑄型。 7 切坯裝置：鑄坯從拉矯機中連續(xù)不斷拉出，應(yīng)按成品規(guī)格及后步工序的要求切成規(guī)定的長度。 8 引錠裝置：澆注前結(jié)晶器的下口由引錠桿的引錠頭來堵住，這樣在開澆時才不會使鋼水漏 出。 本科畢業(yè)設(shè)計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 3 結(jié)晶器液位自動控制系統(tǒng)總體設(shè)計 控制系統(tǒng)總體方案 本章主要介紹結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的構(gòu)成。 連鑄機結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 如圖 ，主要由三部分組成分別是：液位檢測傳感器、液位控制器、執(zhí)行機構(gòu)。但是這些方法的原理都是相同的的，都是通過控制進出結(jié)晶器內(nèi)的液體流量平衡來達到控制目的。 本科畢業(yè)設(shè)計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 流量控制與拉速控制的結(jié)晶器液位相比較：兩種控制方法均適用于澆注普通炭鋼或?qū)|(zhì)量要求不高的鋼種。目前在連鑄現(xiàn)場有兩種方法可以用來調(diào)節(jié)中間包到結(jié)晶器的鋼液流量，一種是采用滑動水口，另一 種是塞棒。結(jié)晶器液位系統(tǒng)在一千多度的高溫下檢測和控制比較困難，而且像液壓執(zhí)行機構(gòu)、閥門等元件和設(shè)備也非常的腐蝕損壞，這使得存在諸多不利因素和較多的非線性影響結(jié)晶器液位控制，數(shù)學(xué)建模也非常的困難，但是恒拉速也具有很大的優(yōu)點，其對保證鑄坯質(zhì)量是非常穩(wěn)定的。因為此時連鑄工藝不但要保證液位的穩(wěn)定，同時也要保證拉速的穩(wěn)定 [8]。流量控制具有兩種形式：一種是 改變流量是通過調(diào)節(jié)塞棒和浸入式水口之間的間隙 ，另外一種 改變流量是 通過調(diào)節(jié)滑動水口的開度來調(diào)節(jié)中包進入結(jié)晶器的流量； 綜合以上的方案的特點，本系統(tǒng)采用塞棒控制系統(tǒng)；主要是由液面檢測、 PLC、驅(qū)動器、電動缸、執(zhí)行機構(gòu)等設(shè)備組成，有下面幾個優(yōu)點 [7]： 1．恒拉速、恒液面的優(yōu)秀品質(zhì)能夠滿足連鑄的工藝要求： 2．液面穩(wěn)定，可以根據(jù)生產(chǎn)工藝要求設(shè)定拉速，可以根據(jù)拉速調(diào)節(jié)振動與配水，使影響鑄坯質(zhì)量的因素均得到了有效的控制，從而實現(xiàn)預(yù)定質(zhì)量要求。 結(jié)晶器液位控制難點 在實際生產(chǎn)中，除去穩(wěn)定的繞注狀態(tài)外，還存在許多非穩(wěn)態(tài)的干擾情況，如生產(chǎn)過 渡、操作調(diào)節(jié) 、開繞、停淺、拉速變化、水口阻塞、阻塞脫落、塞棒焰損、中間包水口 更換等情況，會引起顯著的時變特性。 2 中間包水口和塞棒 中間包水口、塞棒的溶蝕，導(dǎo)致同樣的塞棒位置，但是鋼水流量不同。 3 鋼種的變化 鋼液在 塞棒和浸入式水口間的流動狀態(tài)取決于鋼種的點度，因此鋼種對塞棒特性曲 線和受控系統(tǒng)特性均會產(chǎn)生影響。 5 結(jié)晶器液位波動現(xiàn)象 實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶器液位在設(shè)定值周圍存在周期性的波動，即“極限環(huán)振蕩”。一般認為是連鑄還在夾輯之間會產(chǎn)生鼓 肚，又在通過夾輥時壓回。 6 結(jié)晶器振 動 為了避免鑄還在結(jié)晶器內(nèi)凝固并粘附于結(jié)晶器壁這種情況的發(fā)生，結(jié)晶器以一定的 頻率上下振動，從而影響結(jié)晶器液位的測量，結(jié)晶器液位的測量值包含結(jié)晶器振幅，因 此影響了結(jié)晶器液位控制的精度。 7 各種操作調(diào)整對液位的影響 生產(chǎn)操作對液位的影響主要表現(xiàn)在短時內(nèi)的拉速調(diào)節(jié)、鑄還厚度和寬度調(diào)整、中間 包水口更換等等。 本科畢業(yè)設(shè)計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 4 系統(tǒng)硬件的選擇 系統(tǒng)的硬件包括：開關(guān)按鈕、控制器、渦流傳感器、數(shù)碼管顯示器、伺服電機及其驅(qū) 動裝置。 傳感器的選擇（液位檢測系統(tǒng)） 在結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)中液位檢測器作為眼睛 ， 在整個液位控制中起著非常重要的作用 。 總體來說 ， 安全、穩(wěn)定、可靠、便于維護、耐高溫、抗干擾始終都是對結(jié)晶器鋼水液位檢測的基本要求 ， 最好能夠做到保護渣對測量的結(jié)果無影響 。 下面是幾種有簡單的常見的液位檢測方法原理及特點： 1 銫源型 銫源型根據(jù)輻射穿透衰變等因素，以及吸收理論和距離因素，綜合了銅管壁、導(dǎo)流水套及水層厚度，使制造出的的儀表能夠測量射線數(shù)量，根據(jù)射線數(shù)來測量液位高度的精確。 2 紅外型 紅外攝像機能夠感知鋼水液面的熱 信號強度，通過其處理的信號發(fā)送給主機，主機根據(jù)熱信號的強度計算出液位高度。 3 電磁式 傳感器安裝在結(jié)晶器導(dǎo)流水套，感應(yīng)表面和導(dǎo)流水的內(nèi)套表面齊平；傳感器發(fā)射電磁信號并接受渦流的回歸，其強度與鋼液表面成比例，控制器根據(jù)渦流信號強度讀取液位的高度。 4 渦流型 通電的勵磁線圈產(chǎn)生上電磁場，將會鋼水和周圍導(dǎo)電產(chǎn)生渦流效應(yīng)，在差動感應(yīng)線圈中的兩個次級線圈將會分 別產(chǎn)生感應(yīng)電勢 ,感應(yīng)電動勢和線圈高度的鋼液的差異是成正比關(guān)系的 。通過探頭可以鋼水液位高度轉(zhuǎn)換成電信號 ,前置放大器通過處理轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電流信號 ,最后送至給處理器進行處理 ,就能夠測量精確的結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液位高度 ,將標準 420毫安電流信號輸出 PLC。 本科畢業(yè)設(shè)計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 表 常用液面鋼水檢測方法的主要特性 (長度單位： mm，時間單位： s) 近年來，對渦流式鋼水液位計的實際應(yīng)用飛速發(fā)展，具有反應(yīng)速度快、測量精確、 安全防護級別低、易于安裝和維護等等。 在本系統(tǒng)方案中 ,結(jié)晶器液位檢測使用的是由世界最著名的結(jié)晶液位傳感器制造商捷克 生產(chǎn)的液位傳感器（型號為： SH7S10）、前置放大器（型號為： SHP）、VUHZ 信號處理器（型號為： SHE）。 內(nèi)容 放射性(Co60) 電磁法 電視法 紅外法 渦流法 測量范圍 50～ 200 20～ 600 按安裝 按安裝 0～ 150 精度 177。 3 177。 (3— 5) 177。 公司具有世界上最領(lǐng)先的科技水平，其 VUHZ 產(chǎn)品以巨大的優(yōu)勢突破了傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)的局限。 Co60檢測雖然精度很高，但是其具有很強的放射性，因此只有在專業(yè)人員保管下才能使用，安全性能不高。 VUHZ 公司生產(chǎn)的渦流式電磁感應(yīng)傳感器，測量范圍是 0～ 160 毫米。直接采用連鑄機的一次冷卻水閉環(huán)冷卻作為其冷卻系統(tǒng)，幾乎不需要增加其他的設(shè)備。勵磁電壓采用峰峰值 15V 頻率 800HZ 的信號。但是電磁信號是不能穿透銅板，所以在傳感器的其它部位外殼使用得銅質(zhì)材料。電動勢 Ve(Ve=VL+VR)和結(jié)晶器振動的頻率 (fo)和振幅 (Fo)信號一起作為變送器的輸入信號經(jīng)