专利名称：新型连铸机结晶器冷却水自动控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种连铸机自动控制技术，尤其是涉及一种新型连铸机结晶器冷却水自动控制系统及其控制方法。
背景技术：
冶金工业的连铸机生产中，结晶器是最关键的设备之一，结晶器冷却水控制系统是连铸机高效稳定生产的重要因素之一。连铸机如何高效稳定高质量的工作是人们一直重点关注的问题，结晶器冷却水冷却强度不合适会影响铸坯表面质量甚至诱发漏钢的恶性事故，因此建立可靠的结晶器冷却水配水模型，应用先进的配水策略是提高铸坯质量、提高浇铸效率的关键。如图1所示，为现有技术中模型控制系统的工作流程图；如图2所示，为现有技术中模型控制原理图。模型控制系统包括电磁流量计、数据采集模块、CPU、信号输出模块、气动调节阀、通信模块、二级模型和人机操作界面(HMI)等结构。连铸的结晶器冷却水区由结晶器左侧窄边、结晶器右侧窄边、结晶器固定侧、结晶器松动侧四个冷却区组成。目前的使用的是基于铸坯钢种和断面的结晶器冷却水水控制模型，即根据不同钢种、不同断面设定不同的结晶器冷却水水水量，仅当铸坯钢种和断面发生改变时结晶器冷却水水量改变，此方法是以生产实践为基础，参考多次合格铸坯的配水量归纳分类，并结合一定的数学模型研究，确定出的钢种和断面同结晶器冷却水配水水量的关系，以水表的形式存储在上位机中，由PLC根据上位机水表设定的结晶器冷却水水配水量进行PID自动控制。上述方法PLC可以保证结晶器配水量同钢种和断面变化一致。上述结晶器冷却水控制系统仅与水量和钢种有关，没有考虑结晶器的导热性能。这种模型在浇铸过程稳定的情况下使用没有问题。但是这种模型有明显的缺陷:仅在浇铸过程稳定的情况下能正常使用，当现场环境或者工艺因素有变化时无法适用。当钢水中氢元素含量增高时，结晶器保护渣的导热性能恶化，结晶器导热性能发生改变。如果依然按照模型计算出的冷却水给定量进行浇铸会导致结晶器内铸坯坯壳生成不均匀甚至坯壳生成厚度不足，影响铸坯质量甚至诱发漏钢。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种新型连铸机结晶器冷却水自动控制系统，克服了结晶器导热性能发生变化时对铸坯质量和浇铸安全的影响。技术方案如下:一种新型连铸机结晶器冷却水自动控制系统，包括:进水温度检测器，用于检测结晶器的进水温度，并将检测到的结晶器进水温度值发送给数据采集模块；回水温度检测器，用于检测结晶器的回水温度，并将检测到的结晶器回水温度值发送给数据采集模块；电磁流量计，用于检测结晶器的冷却水流量，并将实际冷却水流量值传送到数据采集模块；数据采集模块，用于将冷却水流量值、结晶器进水温度值和结晶器回水温度值分别转换为识别CPU的信号，并将处理后的信号传送到CPU ；CPU，根据结晶器进水温度值和结晶器回水温度值得到的设定冷却水流量值与所述实际冷却水流量值进行PID运算，形成控制信号，并将所述控制信号发送给信号输出模块；信号输出模块，用于将CPU生成的所述控制信号发送给气动调节阀；气动调节阀，根据接收到的控制信号调节开度，实现结晶器冷却水的调节。进一步:所述CPU根据结晶器进水温度值和结晶器回水温度值计算出当前结晶器的实际热流值，并将实际热流值同存储在所述CPU中的设定基准热流值进行比较得出热流偏差值，根据热流偏差值计算出修正后的设定冷却水流量值；随后CPU根据电磁流量计的冷却水流量信号计算出当前结晶器实际冷却水流量，根据设定冷却水流量值和实际冷却水流量值进行PID运算，形成控制信号。进一步:所述CPU通过通信模块同冷却水配水模型进行通信，设定冷却水流量由冷却水配水模型发送到CPU中，CPU接到信号后结合数据采集模块接收到得进水温度值和回水温度温度值计算的修正后的设定冷却水流量值，然后通过所述信号输出模块控制所述气动调节阀开始动作直到所述电磁流量计反馈的实际冷却水流量同修正后的设定冷却水流量值的偏差在一定范围内为止。进一步:设定冷却水流量值通过公式Q=a A T+Qs和A T=Ts-Tp得到；其中，Q为结晶器某冷却区的配水量，a为特定钢种和断面条件下的结晶器冷却区控制参数，T为特定钢种、特定保护渣和特定断面条件下的热流偏差值，Ts为存储在CPU中的设定基准热流设定值，Tp为计算出当前结晶器的实际热流值，Qs为传统冷却水配水模型得出的冷却水流量设定值。进一步:所述控制信号中气动调节阀的开口度通过公式F=K(KP A Q+KIX /AQ.dt)和Q=Q-Qp得到；其中，F为气动调节阀的开口度，K表示PID的系数，KP表示比例系数，KI表示积分系数，Qp为计算出当前结晶器实际冷却水水流量，AQ冷却水流量的偏差值。本发明所解决的另一个技术问题是提供一种新型连铸机结晶器冷却水自动控制方法，克服了结晶器导热性能发生变化时对铸坯质量和浇铸安全的影响。技术方案如下:一种新型连铸机结晶器冷却水自动控制方法，包括:进水温度检测器检测结晶器的进水温度，并将检测到的结晶器进水温度值发送给数据采集模块；回水温度检测器检测结晶器的回水温度，并将检测到的结晶器回水温度值发送给数据采集模块；电磁流量计检测结晶器的冷却水流量，并将实际冷却水流量值传送到数据采集模块；数据采集模块将冷却水流量值、结晶器进水温度值和结晶器回水温度值分别转换为识别CPU的信号，并将处理后的信号传送到CPU ；CPU根据结晶器进水温度值和结晶器回水温度值得到的设定冷却水流量值与所述实际冷却水流量值进行PID运算，形成控制信号，并将所述控制信号发送给信号输出模块；信号输出模块将CPU生成的所述控制信号发送给气动调节阀；气动调节阀根据接收到的控制信号调节开度，实现结晶器冷却水的调节。进一步:所述CPU根据结晶器进水温度值和结晶器回水温度值计算出当前结晶器的实际热流值，并将实际热流值同存储在所述CPU中的设定基准热流值进行比较得出热流偏差值，根据热流偏差值计算出修正后的设定冷却水流量值；随后CPU根据电磁流量计的冷却水流量信号计算出当前结晶器实际冷却水流量，根据设定冷却水流量值和实际冷却水流量值进行PID运算，形成控制信号。进一步:所述CPU通过通信模块同冷却水配水模型进行通信，设定冷却水流量由冷却水配水模型发送到CPU中，CPU接到信号后结合数据采集模块接收到得进水温度值和回水温度温度值计算的修正后的设定冷却水流量值，然后通过所述信号输出模块控制所述气动调节阀开始动作直到所述电磁流量计反馈的实际冷却水流量同修正后的设定冷却水流量值的偏差在一定范围内为止。进一步:设定冷却水流量值通过公式Q=a A T+Qs和A T=Ts-Tp得到；其中，Q为结晶器某冷却区的配水量，a为特定钢种和断面条件下的结晶器冷却区控制参数，T为特定钢种、特定保护渣和特定断面条件下的热流偏差值，Ts为存储在CPU中的设定基准热流设定值，Tp为计算出当前结晶器的实际热流值，Qs为传统冷却水配水模型得出的冷却水流量设定值。进一步:所述控制信号中气动调节阀的开口度通过公式F=K(KP A Q+KIX /AQ.dt)和Q=Q-Qp得到；其中，F为气动调节阀的开口度，K表示PID的系数，KP表示比例系数，KI表示积分系数，Qp为计算出当前结晶器实际冷却水水流量，AQ冷却水流量的偏差值。与现有技术相比，技术效果包括:1、本发明不仅考虑了不同钢种、不同断面设定不同的结晶器冷却水水水量对结晶器冷却水水量的影响，还设定了结晶器导热性能发生变化时调节结晶器冷却水流量，从而达到消除结晶器导热性能变化时对铸坯的影响。所以，本发明克服了结晶器导热性能发生变化时对铸坯质量和浇铸安全的影响。2、利用本发明可以节省由于漏钢事故造成的影响。每发生一次漏钢事故影响生产6小时，每小时生产240吨，每吨铸坯2000元计算，损伤6 X 240 X 200=288万，每次漏钢需更换中间包，结晶器，扇型0段，结晶器维修费用=20万元/个，扇型0段维修费用=15万元/个，中间包费用=1.5万元/个。每次漏钢共损失288万元+20万元+15万元+1.5万元=324.5万元。即每预防一次漏钢事故即可节约234.5Jl 7H。
图1为现有技术中模型控制系统的工作流程图；图2为现有技术中控制方法的原理图；图3为本发明中模型控系统的工作流程图4为本发明中控制方法原理图。
具体实施例方式本发明针对结晶器导热性能波动对结晶器冷却水配水量的影响这一问题，开发一种新型连铸机结晶器冷却水自动控制系统和控制方法，旨在消除结晶器导热性能改变时对浇铸安全和铸坯质量的影响。本发明提供的新型连铸机结晶器冷却水自动控制系统和控制方法，是基于结晶器热流、板坯钢种和板坯断面的结晶器冷却水控制装置。如图3所述，为本发明中模型控制系统的工作流程图。本发明提供的新型连铸机结晶器冷却水自动控制系统，对现有技术中的模型控制系统进行了改进，在结晶器上增加了进水温度检测器、回水温度检测器，改进了中央处理器(CPU)的功能，进水温度检测器、回水温度检测器通过电缆连接到数据采集模块；进水温度检测器、回水温度检测器分别用于检测结晶器的进水和回水的温度，并将结晶器进水温度信号和结晶器回水温度信号通过电缆发送到数据采集模块，数据采集模块将处理后的信号传送到中央处理器(CPU)中。如图4所示，为本发明中控制方法原理图。本发明提供一种全新的控制方法，通过结晶器上的进水温度检测器和回水温度检测器计算出结晶器的热流值，根据热流值对结晶器冷却水设定流量进行修正，通过改变冷却水配水量达到消除结晶器导热性能发生改变时对铸坯质量和浇铸安全的影响。控制方法是:CPU通过通信模块同冷却水配水模型进行通信，设定冷却水流量由冷却水配水模型发送到CPU中，CPU接到信号后结合数据采集模块接收到得进水温度检测器和回水温度检测器计算出的修正后的设定冷却水流量，然后通过信号输出模块控制气动调节阀开始动作直到电磁流量计反馈的实际冷却水流量同修正后的设定冷却水流量的偏差值在一定范围内为止，下面结合图3和图4，对结晶器上的进水温度检测器、回水温度检测器、电磁流量计、数据采集模块、CPU、信号输出模块、气动调节阀和HMI界面模块的功能和工作过程作详细说明。进水温度检测器，用于检测结晶器的进水温度，并将检测到的结晶器进水温度值发送给数据采集模块。回水温度检测器，用于检测结晶器的回水温度，并将检测到的结晶器回水温度值发送给数据采集模块。电磁流量计，用于检测结晶器的冷却水流量，并将冷却水流量值传送到数据采集模块。数据采集模块，用于将冷却水流量值、结晶器进水温度值和结晶器回水温度值转换为CPU可识别信号，将处理后的信号传送到CPU中。冷却水配水模型，用于根据不同铸坯钢种、不同断面设定不同的结晶器冷却水流量，仅当铸坯钢种和断面发生改变时结晶器冷却水流量改变；冷却水配水模型是以生产实践为基础，参考多次合格铸坯的配水量归纳分类，并结合一定的数学模型研究，确定出的铸坯钢种和断面同结晶器冷却水配水流量的关系。CPU,根据设定冷却水流量值和实际冷却水流量值进行PID运算，形成控制信号，并将控制信号通过信号输出模块发送给气动调节阀，控制气动调节阀来调节冷却水流量。(PU通过信号输出模块控制气动调节阀开始动作直到电磁流量计反馈的实际冷却水流量同修正后的设定冷却水流量的差值在一定范围内为止，最终通过改变冷却水配水量达到消除结晶器导热性能发生改变时对铸坯质量和浇铸安全的影响。CPU通过通信模块同冷却水配水模型进行通信，设定冷却水流量由冷却水配水模型发送到CPU中，CPU接到信号后结合数据采集模块接收到得进水温度值和回水温度值计算出修正后的设定冷却水流量。信号输出模块，用于将CPU生成的控制信号发送给气动调节阀。气动调节阀，根据控制信号调节开度，实现结晶器冷却水的调节，通过气动调节阀来控制结晶器冷却水流量，从而达到消除结晶器导热性能变化时对铸坯的影响。HMI界面模块，通过通信模块实现和CPU的实时通信，可实时监控PLC控制系统传递来的信号，产生报警信号和故障诊断信息。下面结合附图4，对控制方法作详细说明。CPU，根据结晶器进水温度信号和结晶器回水温度信号计算出当前结晶器的实际热流值，并将实际热流值同存储在CPU中的设定基准热流值进行比较得出热流偏差值，根据热流偏差值计算出修正后的冷却水流量设定值。该部分控制可总结为如下的数学表达式:Q=a A T+Qs, A T=Ts-Tp其中Q为结晶器某冷却区的配水量；a为特定钢种、断面条件下的结晶器某冷却区控制参数；T为特定钢种、特定保护渣、特定断面条件下的热流偏差值；Ts为存储在CPU中的设定基准热流设定值；Tp为计算出当前结晶器的实际热流值；Qs为传统冷却水配水模型得出的冷却水流量设定值。随后CPU根据电磁流量计的冷却水流量值计算出当前结晶器实际冷却水流量值；根据设定冷却水流量值和实际冷却水流量值进行PID运算，形成控制信号，并将控制信号通过信号输出模块发送给气动调节阀，控制气动调节阀来调节水流量。该部分控制方法可总结为如下数学表达式:F=K (KP A Q+KI X /AQ.dt), Q=Q - Qp其中，F为气动调节阀的开口度；K表示PID的系数；KP表示比例系数；KI表示积分系数；Qp为计算出当前结晶器实际冷却水水流量；A Q冷却水流量的偏差值；最终通过改变冷却水配水量达到消除结晶器导热性能发生改变时对铸坯质量和浇铸安全的影响。以上列举的仅是一个具体实施例。显然本发明不仅局限于以上实施例，还可以有许多变形。如将PLC系统用DCS系统替代。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
权利要求
1.一种新型连铸机结晶器冷却水自动控制系统，包括: 进水温度检测器，用于检测结晶器的进水温度，并将检测到的结晶器进水温度值发送给数据采集模块； 回水温度检测器，用于检测结晶器的回水温度，并将检测到的结晶器回水温度值发送给数据采集模块； 电磁流量计，用于检测结晶器的冷却水流量，并将实际冷却水流量值传送到数据采集模块； 数据采集模块，用于将冷却水流量值、结晶器进水温度值和结晶器回水温度值分别转换为识别CPU的信号，并将处理后的信号传送到CPU ； CPU，根据结晶器进水温度值和结晶器回水温度值得到的设定冷却水流量值与所述实际冷却水流量值进行PID运算，形成控制信号，并将所述控制信号发送给信号输出模块； 信号输出模块，用于将CPU生成的所述控制信号发送给气动调节阀； 气动调节阀，根据接收到的控制信号调节开度，实现结晶器冷却水的调节。
2.如权利要求1所述的新型连铸机结晶器冷却水自动控制系统，其特征在于:所述CPU根据结晶器进水温度值和结晶器回水温度值计算出当前结晶器的实际热流值，并将实际热流值同存储在所述CPU中的设定基准热流值进行比较得出热流偏差值，根据热流偏差值计算出修正后的设定冷却水流量值；随后CPU根据电磁流量计的冷却水流量信号计算出当前结晶器实际冷却水流量，根据设定冷却水流量值和实际冷却水流量值进行PID运算，形成控制信号。
3.如权利要求1或者2所述的新型连铸机结晶器冷却水自动控制系统，其特征在于:所述CPU通过通信模块同冷却水配 水模型进行通信，设定冷却水流量由冷却水配水模型发送到CPU中，CPU接到信号后结合数据采集模块接收到得进水温度值和回水温度温度值计算的修正后的设定冷却水流量值，然后通过所述信号输出模块控制所述气动调节阀开始动作直到所述电磁流量计反馈的实际冷却水流量同修正后的设定冷却水流量值的偏差在一定范围内为止。
4.如权利要求2所述的新型连铸机结晶器冷却水自动控制系统，其特征在于:设定冷却水流量值通过公式Q=a A T+Qs和A T=Ts-Tp得到；其中，Q为结晶器某冷却区的配水量，a为特定钢种和断面条件下的结晶器冷却区控制参数，T为特定钢种、特定保护渣和特定断面条件下的热流偏差值，Ts为存储在CPU中的设定基准热流设定值，Tp为计算出当前结晶器的实际热流值，Qs为传统冷却水配水模型得出的冷却水流量设定值。
5.如权利要求4所述的新型连铸机结晶器冷却水自动控制系统，其特征在于:所述控制信号中气动调节阀的开口度通过公式F=K (KP A Q+KIX /AQ.dt)和Q=Q - Qp得到；其中，F为气动调节阀的开口度，K表示PID的系数，KP表示比例系数，KI表示积分系数，Qp为计算出当前结晶器实际冷却水水流量，A Q冷却水流量的偏差值。
6.一种新型连铸机结晶器冷却水自动控制方法，包括: 进水温度检测器检测结晶器的进水温度，并将检测到的结晶器进水温度值发送给数据采集模块； 回水温度检测器检测结晶器的回水温度，并将检测到的结晶器回水温度值发送给数据采集模块；电磁流量计检测结晶器的冷却水流量，并将实际冷却水流量值传送到数据采集模块；数据采集模块将冷却水流量值、结晶器进水温度值和结晶器回水温度值分别转换为识别CPU的信号，并将处理后的信号传送到CPU ； CPU根据结晶器进水温度值和结晶器回水温度值得到的设定冷却水流量值与所述实际冷却水流量值进行PID运算，形成控制信号，并将所述控制信号发送给信号输出模块； 信号输出模块将CPU生成的所述控制信号发送给气动调节阀； 气动调节阀根据接收到的控制信号调节开度，实现结晶器冷却水的调节。
7.如权利要求6所述的新型连铸机结晶器冷却水自动控制方法，其特征在于:所述CPU根据结晶器进水温度值和结晶器回水温度值计算出当前结晶器的实际热流值，并将实际热流值同存储在所述CPU中的设定基准热流值进行比较得出热流偏差值，根据热流偏差值计算出修正后的设定冷却水流量值；随后CPU根据电磁流量计的冷却水流量信号计算出当前结晶器实际冷却水流量，根据设定冷却水流量值和实际冷却水流量值进行PID运算，形成控制信号。
8.如权利要求6或者7所述的新型连铸机结晶器冷却水自动控制方法，其特征在于:所述CPU通过通信模块同冷却水配水模型进行通信，设定冷却水流量由冷却水配水模型发送到CPU中，CPU接到信号后结合数据采集模块接收到得进水温度值和回水温度温度值计算的修正后的设定冷却水流量值，然后通过所述信号输出模块控制所述气动调节阀开始动作直到所述电磁流量计反馈的实际冷却水流量同修正后的设定冷却水流量值的偏差在一定范围内为止。
9.如权利要求7所述的新型连铸机结晶器冷却水自动控制方法，其特征在于:设定冷却水流量值通过公式Q =a A T+Qs和A T=Ts-Tp得到；其中，Q为结晶器某冷却区的配水量，a为特定钢种和断面条件下的结晶器冷却区控制参数，T为特定钢种、特定保护渣和特定断面条件下的热流偏差值，Ts为存储在CPU中的设定基准热流设定值，Tp为计算出当前结晶器的实际热流值，Qs为传统冷却水配水模型得出的冷却水流量设定值。
10.如权利要求9所述的新型连铸机结晶器冷却水自动控制方法，其特征在于:所述控制信号中气动调节阀的开口度通过公式F=K(KP AQ+KIX /AQ.dt)和Q=Q-Qp得到；其中，F为气动调节阀的开口度，K表示PID的系数，KP表示比例系数，KI表示积分系数，Qp为计算出当前结晶器实际冷却水水流量，A Q冷却水流量的偏差值。
全文摘要
本发明公开了一种新型连铸机结晶器冷却水自动控制系统及其控制方法，本发明通过结晶器上的进水温度检测器和回水温度检测器计算出结晶器的热流值，根据热流值对结晶器冷却水设定流量进行修正，通过改变冷却水配水量达到消除结晶器导热性能发生改变时对铸坯质量和浇铸安全的影响。
文档编号B22D11/22GK103192047SQ20131005565
公开日2013年7月10日 申请日期2013年2月21日 优先权日2013年2月21日
发明者韩基伟, 杨文玉, 李台龙, 丁晓志 申请人:内蒙古包钢钢联股份有限公司