钢水浇铸自动控制与监测系统的设计

摘 要： 随着冶金技术的不断完善，钢水浇铸自动控制与关键工艺参数的监测成为提高钢锭成型质量以及安全性的重要手段。针对冶金企业的钢水浇铸自动化应用，提出了一种基于改进型PID算法的钢水浇铸控制与监测系统，利用虚拟仪器技术与Matlab完成系统控制流程与过程计算，结合数据库技术实现整个浇铸过程中关键参数的文本存储并生成钢水浇铸系统监测报告，便于技术人员分析产生质量问题的原因，并及时调整与改进生产工艺，避免了重大安全事故与经济损失的发生，满足了实际工业应用中的生产需要。

关键词： 钢水浇铸； 改进型PID算法； 控制与监测； 虚拟仪器技术； Matlab； 数据库技术

中图分类号： TN05⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）03⁃0115⁃03

Design of steel casting automatic control and monitoring system

JIANG Si⁃jie， JIANG Chuan⁃hua， CHENG Zhao⁃ming

（No.722 Institute of CSIC， Wuhan 430079， China）

Abstract： With the continuous improvement of metallurgical technology， automatic control of molten steel casting and monitoring of the key process parameters become important means of improving the quality and security of steel ingot molding. For molten steel casting automation application of metallurgical enterprises， a molten steel casting control and monitoring system based on improved PID algorithm is put forward in this paper. The virtual instrument technology and Matlab are adopted to complete the system control flow and process calculation. In combination with database technology， the text store of the key parameters in the casting process and generation of monitoring report for the molten steel casting system are realized， so as that the technical staff analyze the product quality， and timely adjust and improve the production process to avoid the occurrence of major safety accidents and economic loss and meet the production needs in the real industrial application.

Keywords： steel casting； improved PID algorithm； control and monitoring； virtual instrument technology； Matlab； database technology

0 引 言

浇铸是铸造生产过程中的一个重要环节，虽然大多数冶金企业采用吊包浇铸方式，通过重量传感器来实现钢水浇铸重量的检测，但并没有找到能够满足浇口中钢水的液位高度检测的传感器件，从而限制了浇铸自动化水平的发展。

（1） 浇铸控制。随着微电子技术与自动控制理论的快速发展，PID算法控制在工业控制系统中得到广泛的应用，在冶金工业中，PID算法控制的使用率高达82.9%，是冶金企业所采用的最主要的控制方式之一。

（2） 浇铸监测。浇铸监测主要依靠重量传感器实时采集在浇铸过程中吊钩秤上钢水的重量值，通过无线或有线数据传输的方式将数据信息传递到数据处理终端计算出浇铸速率、时间等参数，从而实现浇铸过程的监测。

本文以传统钢水浇铸为基础，提出了一种基于改进PID算法的钢水浇铸控制与浇铸流量监测系统，详细阐述了该系统的结构组成、控制算法与监测方案，为冶金工作自动化发展添砖加瓦。

1 系统构成

钢水浇铸控制与监测系统主要硬件包括控制机柜、步进电机、图像传感器、铸流量伺服控制组合与打印机，其中控制机柜中包括工控机、信号接收机、图像采集卡、液晶显示器，如图1所示。

工控机作为控制核心与管理中枢，通过数据连接线控制步进电机驱动铸流量伺服控制组合从而操控吊钩秤来控制铸流量，利用吊钩秤上的重量传感器与浇口图像传感器实现浇铸过程中重量与液面状态的数据采集，之后经图像采集卡将数据信息反馈至控制机柜计算液面高度偏差并由控制算法得到相应的步进电机控制量，实现误差补偿与实时监测功能。

钢水浇铸开始之前，检查系统线路是否良好，开启控制机柜，运行系统控制与监测软件，设定流量给定参数，启动钢水浇铸。此时，工控机控制步进电机快速驱动浇铸流量伺服控制组合，使得吊钩秤运动控制浇铸流量，从而在浇口中以给力流量值建立液位。当浇口中的钢水液面建立后，系统进入稳态阶段，通过从图像传感器上反馈回来的液面状态对原控制算法进行补偿，通过浇铸流量伺服控制组合位置将钢水液位维持在浇口高度值附近，从而保持浇铸过程的稳定性。当钢水液位达到浇口高度时，工控机控制步进电机快速关闭浇铸流量伺服控制组合，浇铸停止。

3 系统关键技术的研究

本系统采用虚拟仪器技术，将LabVIEW2011作为开发平台，实现钢水浇铸过程中的自动PID控制与实时监测功能，结合MySQL数据库实现系统的监测信息存储与报告格式预处理，调用Matlab进行改进PID算法与监测数据的处理。

下面就本系统设计中所采用的关键技术进行探讨。

3.1 改进型PID控制算法

在实际工业生产中，对于钢、铁、铜、铝、锡等液态金属浇铸对象，其浇铸流量大致数学模型如式（1）：[π4k1h2tdhtdt=Q1t-π-

通过Matlab计算浇铸重量差、浇铸速率与时间，技术人员便可随时了解钢水浇铸过程中机械与生产状态。

4 结 论

本文通过分析冶金企业的钢水浇铸流程，提出一种基于改进型PID算法的钢水浇铸控制与监测系统，集合虚拟仪器技术、Matlab与数据库技术实现系统控制流程、过程计算与报告输出，为技术人员分析生产工艺缺陷与产生质量问题的原因提供了便利，避免了重大安全事故与经济损失的发生，满足了实际工业应用中的生产需要。

参考文献

[1] 周兵，吴兴纯，吴文斗.基于PID控制的自动浇铸控制系统对象建模研究[J].广西轻工业，2007（2）：51⁃54.

[2] 章浙根.一种铅锭浇铸自动控制系统的设计与实现[J].浙江科技学报，2002（4）：5⁃9.

[3] 李刚，袁春峰，刘军.浅谈国产圆盘浇铸机控制系统的改进[J].有色冶金设计与研究，2010（2）：25⁃26.

[4] 强明辉，刘大为，于波.新型铝锭连续铸造机浇铸过程控制方法研究[J].科学技术与工程，2008（2）：519⁃521.

[5] 梁犇，李训诰，林江.基于Matlab与LabVIEW的信号处理分析与研究[J].实验科学与技术，2010（6）：39⁃41.

[6] 王怡苹，许爱强，汪定国.自动测试系统中测试数据管理[J].电子测量技术，2010（3）：137⁃140.

[7] BITTER Rick， MOHIUDDIN Taqi， NAWROCKI Matt. LabVIEW advanced programming techniques [M]. [S.l.]： CRC Press， 2001.

[8] WILSON H B， TURCOTTE L H， HALPERN D. Advanced mathematics and mechanics applications using Matlab [M]. [S.l.]： Chapam Hall/CRC， 2003.