陈文昌
宝钢湛江钢铁有限公司 广东湛江524072
摘 要:本文对宽厚板连铸机中包车升降系统做了介绍，中包车是实现连铸生产过程稳定的重要设备，保证了浇铸作业的平稳运行。中包车液压缸同步控制系统通过精确的位置传感器进行检测，严密的数字PID控制算法。对液压比例阀进行了精确的位置控制。本文将对中包车垂直升降系统的控制原理及同步控制调节过程进行说明。
关键词:中包车升降；四缸同步；控制系统应用
引 言
中包车是连铸机整套设备中结构比较复杂的较大型关键设备，用来运载中间罐，在烘烤与浇铸位置之间运行。按工艺要求，中包车应具备行走、升降、对中、称量、长水口安装等多种功能，其同步升降装置是中间罐上升、下降的关键机构。在实际中人们往往更重视液压系统的控制功能，而对系统的能耗却考虑的很少。实际上，系统的效率一般也就只有50%左右，由此造成的能源浪费极为可观。由此产生了各种不必要的损失，使系统温升提高，为了维持理想的油温，又不得不采取降温的措施，从而进一步加剧了能量的无功消耗。因此，将节能意识融于液压系统的始终，也是一项极为重要的内容。
一、中包车升降四缸同步控制技术
1.1中包车升降四缸同步控制的重要性
在连铸设备运行中，中包对于连铸起到了承上启下的作用。在连铸开始前的准备阶段，中包在预热站进行烤包作业，而在连铸生产开始时，大包下流的钢水需要通过中包的缓冲、排渣后进入到结晶器中，在浇铸过程中因为结晶器中钢水对浸入式水口的侵蚀作用，需要不断地对水口渣线进行调整，每一个过程都要求中包升降的平稳，精确。四缸同步控制的意义是：第一；保证生产安全，降低操作人员的安全风险。第二；在升降过程中保证中包液面的稳定，保证产品质量。第三；精确的调整水口的侵蚀，延长水口的使用寿命，提升生产效率。第四；保证中包排渣的平稳。
1.2采用的连接方式及控制方法
中包车左、右两侧各有两个液压缸，同侧两缸之间有支撑中包的包臂且随液压缸的升降同步动作。两侧的升降控制采用柔性控制方式。每个液压缸均有位置检测传感器，而其升降则有对应的比例阀对每个液压缸单独进行控制。整个系统的检测系统、控制系统与协调同步系统则是通过PLC联系起来。为了保证在连铸作业生产的稳定运行、生产设备的安全可靠和现场操作人员的人身安全，防止因液压缸位置传感器损坏造成中包车错误升降，其控制模式采用自动控制模式、手动控制模式两种。
1.3造成控制失败的原因分析
一是，在烤包或浇铸过程中造成传感器或传感器电缆的绝缘程度恶化；二是，液压油路或液压传动部分的机械特性异常；三是，控制比例阀电气线路电气特性不合格。
二、四缸同步控制系统分析
2.1单液压缸的位置控制
在手动模式下，单液压缸的位置控制为单闭环控制系统。液压缸设定位置与实际位置的差值，经过位置PID控制器的运算的结果对液压缸比例阀进行控制，进而控制液压缸的升降。当液压缸位置传感器通过看门狗程序检测到损坏故障时，可以在本地操作箱进行手动控制。其控制原理是取消PID调节器，直接通过对比例阀进行开度调节操作来控制液压缸的升降。此时需要人工介入确认现场液压缸位置，防止危险的发生。为了防止动作过快对液压缸造成机械损坏。在程序中设置最高和最低位置，并对动作速度进行调节。
2.2四缸同步控制
本控制系统采用控制四缸供油的方式实使用时所带负载不尽相同，为了保护液压传动系统不因偏差过大造成设备的机械损坏或中包倾斜，当任意两个液压缸的实际位置偏差超过15mm时，将会禁止手动升降操作，所以必须通过技术手段进行四缸同步控制。首先需要对液压缸进行机械零位校准。手动将液压缸降到机械零位，人工确认后通过远程标定请求进行标定。为了保证四缸动作同步，设置了自动找平程序。其程序控制逻辑为在手动操作完成后的3秒内，四缸进行自动找平，首先计算设备水平的目标位置时四液压缸实际位置的平均值，再将目标值传给每个液压缸作为其设定值，最后进行单个液压缸的位置控制。
三、控制系统设备组成
本控制系统采用现场操作，远程监控的控制模式。现场控制设备包括本地操作箱、液压缸位置传感器和比例阀，与其相连的是西门子S7-400 PLC可编程逻辑控制器，实时读取液压缸位置传感器值，与当地操作站的控制命令结合，通过PID控制对液压缸进行位置控制。上位机采用WINCC软件，通过HMI画面完成对液压缸位置，比例阀控制的监控。并结合相关报警信息，可以快速的分析判断故障，提生产效率。
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图1.四缸同步原理
四、位置 PID 控制系统的实现
四缸同步控制控制原理框图如图 1 所示，通过 PLC 程序实现。PID 控制器采用增量式控制算法，相对位置式控制算法具有以下优点：
（1）控制器的输出量仅与近几次的偏差量采集有关，PLC 计算精度或计算误差对控制量的计算影响小。
（2）可以有效的避免控制系统的积分饱和现象时，通过逻辑条件去除输出的控制增量。提升控制系统的动态响应。
（3）增量式控制算法仅输出变化的控制增量，当出现电磁干扰等影响设备的情况时，系统误动影响范围小，不会严重影响到系统的工作。
五、降低系统能耗的措施
5.1合理选择液压泵或马达
由于中间包升降时，系统的外负载为恒定值，各液压缸负载的偏差很小，而且举升重量比较大，因此在对系统设计时，应优先考虑采用恒压柱塞泵。因为柱塞泵与其他泵相比效率最高，而且采用恒压供油方式，可以避免溢流损失，压力与负载也比较接近，压力过剩量小，流量与负载也相互匹配。因此，系统的功率损失小，系统效率高。当泵或马达的转速提高时,其流量成正比例增加，相对泄漏量减少，容积效率会提高,但由于转速提高,相对滑动表面摩擦增加，机械效率降低。因此最佳转速一般在1000~1800r/min范围内。同时，如果马达转速较低,压差较大,容积效率就会下降,其总效率也会下降,液压泵的转速过低时，吸油膜不易形成,机械效率就会降低。
5.2合理选择控制元件
各类控制元件应根据其在系统中相应位置和可能出现的最高压力和最大流量来确定其规格，不宜过大或过小。液压阀产生的压力损失与流量的平方成正比。为减少压力损失，必须保证通过液压阀的流量不超过阀本身的额定流量。同时应尽量考虑采用新型的二位插装阀。二位插装阀是集成元件，其内部通道连接使阀体本身无泄漏，插装阀锥口节流损失小，元件集成式连接也起到良好的节能作用。
5.3采用现代液压技术是提高系统效率、降低能耗的重要手段
采用定量泵和比例阀的压力匹配系统，系统效率可提高30%；变量泵和比例节流阀、变量泵和比例换向阀、多联泵和比例节流溢流阀系统，效率可提高28%~45%。节能效果更好一些的有负载信号传感液压泵、负载信号传感液压控制阀、功率匹配式液压系统等。因此在设计初，可以从这些方面考虑，系统效率会大大提高。同时，由于比例、伺服元件及传感器的使用，系统便于自动控制。而且随着自动化等技术的进步，系统的控制精度会极大的提高，结构调整也比较方便。这些特点会使得中包车运行中更为平稳，设备运行更为可靠。
六、结束语
液压控制系统中的能量转换环节较多，如何在保证功率和性能的前提下，提高系统的效率，是液压控制技术的发展方向。系统的最大化效率不是单个执行元件的最大化效率，而是各环节综合后的最大化效率。伴随着科技的发展及交叉学科的深度化，节能方法将会有根本性的变化。就液压技术本身而言，节能的最有效方法就是在设计时，应尽量使泵输出的流量、压力与负载所要求的流量、压力相匹配，尽量减少溢流损失。
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