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连铸过程控制系统的研究和应用
jiang_0514 发表于 2009/5/5 12:18:36 1264 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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关键字：过程控制;工艺数学模型;铸坯高质量
Abstract: continuous cast’s Process Control System is a important part of steel and iron enterprises accomplishing their information management. It integrates advanced technics mathematics model and advanced control technique,it makes cast slab’s quality improve greatly and production management more convenient and enhanced enterprises’ competition. It’s foreground is broad.
Key word: process control; technics mathematics model;cast slab high quality
0 前言
随着我国钢铁行业的快速发展，替代老式企业分散的、以人为主的管理模式，实现企业信息化统一管理模式已成为各钢铁企业的追求目标。目前，信息化的管理模式在一些大型企业已经有了实践，并且充分显示了其易于管理、资源共享、节省人力，物力、大大提高生产效率和生产质量的优点。连铸过程控制系统作为实现钢铁企业信息化目标中的重要环节，其集成了先进的工艺和控制技术，使铸坯质量得到极大提高、生产管理更加方便，增强了企业竞争力。
钢铁企业信息管理系统自上而下的层次结构一般可划分为为：ERP资源管理系统;生产管理系统（L3级）、生产制造执行系统（MES）;过程控制系统（L2级）;基础自动化（L1级）。连铸过程控制系统正是基于连铸生产线上建立的过程控制系统，连接着连铸基础自动化（L1级）系统和炼钢生产管理（L3）系统，使生产信息化系统和生产基础自动化系统实现了一体化。它是提高产品质量重要的不可替代的环节。
1 硬件、软件组成结构
因为连铸过程控制系统中需要保证生产信息数据存储的安全性、模型计算需要保证计算高的并发性和实时性，同时要保证整个系统的易于操作性、易于管理性和系统稳定性。所以，硬件、软件的合理选择和结构的合理配置非常重要。
1.1硬件结构
硬件系统主要由1台数据库服务器SVR_DBS、1台应用服务器VR_APP、2台客户机CLIENT1,CLIENT2、1台3COM交换机、1台刻录机、1台网络打印机、若干网络连接设备（网卡、网线）组成。
数据库服务器选用HP Proliant DL360 G5机架式标准配置服务器，选用冗余磁盘阵列卡ET200（配阵列为Raid5）配合4块大容量的热插拔SCIS硬盘可实现当任一硬盘出现故障时通过热插拔方式用新硬盘替换坏硬盘并自动恢复数据从而保证了系统的安全性。配置的刻录机可以定期刻录历史数据进行归档。
应用服务器选用HP Proliant DL360 G5机架式标准配置服务器，其Xeon级的双核CPU处理能力和大容量的一、二级缓存及内存保证了模型计算的实时性和多并发处理能力。应用服务器采用双网卡，一个连接基础自动化系统，另一个连接到L2级3COM交换机，是L1、L2级网络的隔离和接口点。
客户机选用HP DC7700 商用计算机，客户机一台位于主控室，供工艺人员和操作工监控生产过程状态和模型计算结果并向操作工提出合理的生产建议（如建议稳定拉速等）;另一台客户机位于切割室，主要根据采集的生产过程数据通过切割优化模型计算出最佳切割定尺提供给操作工参考。
网络打印机选用HP 1020n ，用来打印生产报表。
数据库服务器、应用服务器、客户机、网络打印机通过网络连接设备连接到3COM交换机组成了100M以太网。
硬件结构简图如下：
1.2 软件结构
软件结构采用服务器/客户机结构，整个系统以数据库为中心，应用服务器中的通讯软件从基础自动化系统采集现场实时数据并保存到数据库服务器的ORACLE数据库中，计算模型从数据库提取数据经过计算后将结果放回数据库中供客户机监控显示或由通讯程序下载到基础自动化系统指导生产。
数据库服务器装有WINDOWS2003 SERVER操作系统，应用软件为ORACLE10g数据库软件，用于对所有实时数据和历史数据的存储、维护管理。
应用服务器装有WINDOWS2003 SERVER操作系统，应用软件为VISUAL STUDIO 2005, 通讯软件为siemens industrial ethernet softnet-s7 for windows（支持OPC），工艺计算数学模型以服务的形式在后台运行。
客户机装有WINDOWS XP操作系统，应用程序软件为CCM_PCS，客户机主要显示生产计划、生产信息、工艺信息、设备管理以及模型运算结果;需要人工输入和干预的界面以及对各子系统的管理。
软件逻辑结构简图如下：
2、功能描述
连铸二级过程控制系统主要完成以下功能：冶金数据库的维护和管理、连铸生产过程信息的维护、管理;主要设备使用、维护的信息管理;现场过程数据的采集、存储、显示、分析和重要操作的日志记录;对生产过程的跟踪;工艺数学模型的运行、监控;对工艺人员的指导;操作维护人员的权限管理;生产报表的产生。。
2. 1冶金数据库的维护和管理
冶金数据库是连铸过程控制系统的信息数据仓库。所有的采集生产过程的实时数据、历史数据、模型计算结果、生产计划信息、钢种信息等都存储在其中。数据库定期自动备份一次，维护人员可定期将备份文件刻录到光盘中进行归档。维护管理人员也可通过客户机的人机交互界面对数据库进行操作，完成对数据库的维护和管理。
2.2 连铸生产管理
连铸生产管理包括连铸生产计划、钢种管理维护、冶炼节奏、物料跟踪。
2. 2.1 连铸生产计划
根据生产工艺要求，生产计划要在大包到达回转台之前下达，如果大包到达回转台后就不能再做修改。
生产计划数据处理系统具有下述功能：
1） 接收并保存从生产制造执行系统收到的计划数据（包括浇次计划、炉次计划、切割计划）或通过客户机的人机交互界面手动输入计划。
2） 可以对计划通过客户机的人机交互界面进行维护管理（包括查看、添加、修改、删除）。
3） 根据计划产生指导生产的铸造命令 。
2. 2.2 钢种管理维护
1）从上一级接收或手动输入各种钢种的成份标准（最大值、目标值、最小值），一般分为国标和厂标（内控标准）保存到冶金数据库中。
2）从上一级接收或手动输入化验室检测出的钢水实际成份并保存到冶金数据库中。
3）可以对各种钢种标准和钢水采样成份通过客户机的人机交互界面进行维护管理（包括查看、添加、修改、删除）
2. 2.3 冶炼节奏
为了保证连续浇铸，炼钢过程与铸机过程应保持炉机节奏匹配。
冶炼节奏提供下列信息支持匹配过程：
1） 预计现有大包浇完钢水的时间。
2） 上一工位（精炼）钢包出钢时间的显示（由上一工位传入）。
3） 根据当前的浇铸钢种、中包重量、温度和大包剩余钢水的重量和上一工位钢包出钢时间计算出建议稳定拉速和建议最大拉速以匹配冶炼节奏。该信息周期性刷新并显示在HMI上。
2. 2.4 物料跟踪
过程计算机系统将对各包钢水从到达回转台开始跟踪，直至切割成定尺铸坯，计算机将记录各包钢水在连铸过程中不同位置时状态的历史信息。物料跟踪主要包括炉次跟踪、铸流跟踪、出坯区板坯跟踪。
2. 2.4.1炉次跟踪
炉次跟踪主要包括每一包钢水信息（浇次、炉次、成份、钢种等）;钢水从到达回转台到离开回转台的信息采集（到达、离开的时间、重量、温度等）;每炉钢水所生成的板坯信息（板坯数目、规格等）。这些数据都保存到数据库中，将用于操作员查询、分析和报表生成。
2. 2.4.2 铸流跟踪
铸流跟踪从中包、结晶器、铸流本体到板坯切割整个过程中的生产信息：自动统计介质浇次使用量（如水、气、煤气等）并存入数据库，自动进行炉次接缝跟踪和异常事件响应，系统将整个区域的铸坯分成许多逻辑‘分段’，将每个事件与每个分段的具体位置联系在一起，跟踪每个分段的过程信息和事件，将收集到的每分段铸坯的历史信息，作为铸坯质量判定的依据。
2. 2.4.3 板坯跟踪
跟踪输出区（从切割机到板坯离开输出辊道时）的板坯位置, 收集每块板坯经过的处理信息（包括喷号、去毛刺、称重等）;同时也收集上线板坯的信息（将由此送往下一工序的板坯）
2. 2.5 生产信息查询、管理。
对于实时采集的主要的现场数据在人机界面上实时显示（当前炉次、钢种、规格、冷却水量等），对于保存的生产信息（浇次信息、炉次信息、板坯信息等）可以进行查询，添加、修改、删除操作。将重要的数据和操作信息保存到数据库形成历史数据和日志文件，并可以生成历史曲线或导出到分析软件中进行分析，给工艺人员提供查找故障，分析工艺的依据和手段。
2.3. 主要设备信息管理
将大包、中包、结晶器、扇形段的使用维护信息（寿命、每次维修的具体信息、厂家、材料等）存入数据库并可对其信息进行查询、编辑和维护。。
2.4 工艺控制数学模型
2.4.1 二次冷却水控制数学模型
过程计算机根据不同的钢种，断面尺寸和其他工艺参数，根据热传导理论和经验公式推导出二次冷却水数学控制模型。过程计算机根据采集到的实际拉坯速度计算出各二次冷却区冷却水流量，但这样计算出的冷却水量与拉速的函数关系是离散的，这必然给水量控制带来大量复杂的计算工作;由于水量控制的不连续性，必然影响铸坯的表面质量，所以采用最小二乘法进行拟合的方法，使冷却水量与拉速之间形成二次方程函数关系。二次方程式可表示为：
Qi = Ai＊Vg↑2 + Bi＊Vg + Ci
Qi: （ l / min ） 对应二冷某一段的水量设定值
Vg: （ m / min ） 拉坯速度
Ai、 Bi 、Ci : 对应于该段的水量系数
根据采集到的实际拉坯速度和二次方程式计算出的水量，还要根据采集到的实际中间包温度、二冷水温度等因素进行动态补偿和修正再下载到基础自动化。
2.4.2 最佳切割计算模型
最佳切割优化模型包括最佳尾坯切割和换中包连浇时最佳长度切割，最佳切割优化模型的目的是为最大可能的减少钢坯量的损失，使废坯达到最少。，
控制方法：铸坯的正常切割长度是由工艺决定并由过程计算机下达给火焰切割机的PLC并由其执行。当处于浇注末期时，过程计算机可根据此时铸流中的铸坯长度即时给出流的关断提示。当中包钢水浇铸完毕关闭塞棒或异钢种连浇时，过程计算机可根据此时铸流中的铸坯剩余长度、目标定尺长度、最大定尺长度、最小定尺长度即时的计算出切割时的最佳切割尺寸组合，以保证铸坯的最大的利用，尽可能地提高钢水的收得率。
2.4.3 质量判定数学模型
质量判定模型根据铸流跟踪中各分段所记录的异常生产信息以及异常信息对板坯的影响程度对板坯质量进行分析、判定，评估出板坯的质量等级。
控制方法：首先根据在浇铸过程中可能出现的各种事件对铸坯组织性能造成的影响的程度将各个事件定量的划为一个质量等级数。在铸坯形成的过程中，计算机将铸坯划分成若干一定长度的“段”，结合铸流跟踪模型并对段进行跟踪，在每一段经过实时过程参数监控点时可以将参数与临界值不断地进行比较并将异常事件参量作为铸坯质量的评估参数贮存起来。每段中可记录四个最严重事件，但用于判定的只取其优先级别最高的等级数。当板坯切割完成后，将板坯对应的段中的质量信息（等级数）提取出来，根据各段中有害事件的等级和在所有段中所占比例大小来确定该铸坯质量的优劣和综合质量等级并进行打印记录，最终判定为废坯、保留坯（需进一步评估或处理）、良坯。
影响铸坯质量的因素很多，例如：钢水成份超标、中包过热度超标、水口破损、冷却水阀门故障引起冷却异常、振动系统异常等。
2.4.4 拉速优化模型
过程控制系统根据当前钢种成份（主要是碳含量）、宽度、厚度、中间包钢水温度、钢水剩余量、下包预计到达时间和结晶器冷却、二次冷却等信息自动计算出合适的当前建议稳定拉速和建议最大拉速并显示给操作工，以调整生产节奏或防止漏钢或适当加大速度提高生产效率。
2.4.5 液压振动模型
过程控制系统根据当前浇铸的钢种选择适合的振动模式和工艺参数，主要分为正弦（振频、振幅）和非正弦（振频、振幅和偏斜角）两种形式，振频和振幅可以预先设定，也可以随拉速变化，或者由目标速度负滑动率、速度、振幅来决定振动频率。一般振动振幅小于6mm,振动频率不超过380次/分，振动起步频率大于60次/分可以保证系统的稳定并避免对振动机械设备的磨损。同时，模型自动计算出振动的工艺参数：振动正滑动时间、负滑动时间、负滑动速度比、负滑动率供操作人员和工艺人员实时监控工艺效果，即时调整参数以达到最好的脱模和减少振痕的目的。
2.3.6 动态轻压下模型
过程控制系统根据浇铸过程中的钢种、板坯厚度宽度、结晶器水水量、二冷水水量、气量以及拉速、中间包钢水温度、生产环境参数等利用热传导理论推导计算出铸坯在各辊子坐标处的坯壳厚度和坯壳表面温度，从而找出板坯液芯凝固末端。根据不同钢种收缩率不同，再经过动态轻压下模型计算出在坯子凝固末端前某一范围内的辊缝压下量设定值并传给远程调辊缝系统执行，一般轻压下位置在铸坯固相率60%～80%区间，单位轻压下量不大于1.5mm/m。经过轻压下可以明显改善板坯凝固末端内部组织的偏析缺陷。
2.5 生产报表
报表系统根据保存在数据库的历史生产信息，按客户要求通过人机交互界面系统生成、打印报表。主要生产报表为以下4种：
1）浇次报表：汇总一个浇次中炉次数量、钢水用量、板坯信息、介质消耗量
等，为工厂的成本核算及产量核算提供依据。
2）炉次报表：一炉钢水浇铸过程收集的数据：炉次钢水重量、生产时间、钢种成份、板坯情况等。
3）班次报表：某个班次生产情况汇总，为班组产量考核提供依据
4）日生产报表：指定日期一天的生产情况汇总。
2.6. 通讯接口
过程计算机和外部计算机系统通过Ethernet 网连接，和基础自动化系统通过工业以太网连接，同时提供标准的软件支持和通讯应用程序软件。
过程计算机具备和下列计算机系统通讯功能：
1） 三级计算机
2） 转炉二级计算机
3） 精炼二级计算机
4） 轧钢区二级计算机
3、结束语
当前，我国国家信息部已提出了建设信息化企业的战略目标，建立信息化企业已成为钢铁企业发展必然趋势。连铸过程控制系统正式作为实现钢铁企业信息化目标中的重要环节，其采用先进的工艺模型和控制技术，使铸坯质量得到极大提高、生产管理更加方便，增强了企业竞争力，其发展前景十分广阔。