Адаптивный ПИД-регулятор поддержания уровня металла в кристаллизаторе УНРС

Мы все обожаем восхищаться шедеврами инженерного искусства, поскольку в деталях понимаем как все устроено и сколько сил и ресурсов было вложено в решение, будь то смартфон, автомобиль или космический корабль. О встрече с таким шедевром я и хочу поведать.

Система поддержания уровня металла в кристаллизаторе компании Vesuvius Sert (Франция) как рождественский слоёный пирог, пропитанный насквозь изысканным французским коньяком. Чем глубже ковыряешся в деталях, тем более утончённые вкусы всплывают на поверхность.

В результате 40-летнего опыта развития системы, образовался шедевральный монстр, обросший расширенными корректорами и контроллерами.

В основе своей он содержит стандартный ПИД-регулятор. И всё бы хорошо, но сам процесс разливки металла обладает большим количеством нестационарных фаз (изменение скорости вытягивания слитка, переменное ферростатическое давление в промежуточном ковше, различная текучести жидкого металла, различные октклонения от технологии и прочее). Если вы знакомы с настройкой ПИД-регулятора, то прекрасно понимаете, что любой дестабилизирующий фактор технологического процесса вызывает зуд и истерические метания у разработчиков в поисках идей как можно быстро вернуть регулятор в стационарное состояние.

Контроллер стационарного режима - SSC (Steady State Controller)

Модуль SSC, встроенный в регулятор, оптимизирует уровень металла в кристаллизаторе, когда возникают явления, медленно влияющие на поток металла из промежуточного ковша в кристаллизатор и положение мениска. Типичные явления:

• Изменение ширины кристаллизатора

• Изменение веса металла в промежуточном ковше

• Обычное отклонение уровня

• Зарастание огнеупоров

Пример работы модуля SSC при изменении ферро-статического давления (уровня металла в промежуточном ковше) во время смены сталеразливочного ковша. При включенном модуле SSC, отклонение уровня металла в кристаллизаторе корректируется положением стопора (уровень металла стабилен).

Контроллер скачкообразных отклонений – LSC (Level Surge Controller)

Модуль скачкообразных отклонений уровня автоматически активируется, когда возникают внезапные колебания, т.е. изменения процесса с резкоменяющимся характером. Типичные явления - разрушение зарастания/ увеличение потока

Модуль предназначен для значительного улучшения управления потоком во время, а также после возникновения скачка уровня. Позитивное воздействие этого модуля, по сравнению с базовым ПИД- регулятором, проявляется в следующем:

• сокращение стандартного отклонения от уставки на 30 – 40%

• сокращение времени восстановления стабильности уровня после события на 70%
  

Пример работы модуля LSC при разрушении наростов алюминатов. Скачок уровня корректируется быстрой реакцией стопора, что позволяет снизить амплитуду и длительность скачкообразного отклонения уровня.

Упреждение изменения скорости разливки – SFF (Speed Feed Forward)

Модуль SFF обеспечивает быструю реакцию на внезапные и быстрые изменения скорости вытягивания слитка. Сигнал скорости разливки непрерывно подается в контроллер и используется для оптимизации реакции во время внезапных и быстрых изменений скорости. Модуль предназначен для:

• минимизации вероятности повышения уровня металла в кристаллизаторе

• снижения риска перелива кристаллизатора

Пример работы модуля SFF при изменении скорости вытягивания слитка с 1.6 м/мин до 0.1 м/мин. Благодаря работе модуля SFF (упреждение изменения скорости разливки), уровень металла в кристаллизаторе остался стабилен (зелёный график).

Адаптация к марке стали

Выбор оптимальных параметров контроллера регулирования уровня металла в кристаллизаторе связан с таблицей групп марок стали.

Подмешиваемая вибрация стопора

Модуль контроллера подмешиваемой вибрации стопора (режим прокачки стопора) реализует
непрерывные и регулируемые колебания стопора. Небольшие постоянные управляемые вертикальные колебания стопора позволяют улучшить контроль уровня в кристаллизаторе, в следующих случаях:

• марка стали склонна к образованию зарастания (вероятность зарастания снижается)

• образование люфтов в узлах креплений (стопора к стопорному механизму, стопорного механизма к промежуточному ковшу и т.п.).

Можно связать идентификатор марки стали с данным модулем и автоматически применять его для марки стали, склонной к зарастанию или заблокировать его для марок стали, где он не должна использоваться.

На примере представлены графики работы подмешиваемой вибрации стопора. При включении подмешиваемой вибрации стопора, колебания уровня металла в кристаллизаторе существенно снижаются (зелёный график).

Коррекция выпучивания корочки слитка – BulgeSafe

Модуль BulgeSafe-M позволяет компенсировать периодические колебания одновременно с 12 различными частота в частотном диапазоне колебаний 0,05-0,50 Гц, возникающих в кристаллизаторе и под ним, таких как:

• выпучивание корочки слитка ручья между роликами

• отклонение тянущих роликов от осей приводов

• периодический перитектический эффект в кристаллизаторе

Модуль BulgeSafe позволяет в среднем на 40% сократить отклонения уровня, вызванные данными причинами (в сравнении с обычными контроллерами).

Фильтрация гидродинамических волн – WaveSafe

Усовершенствованный модуль WaveSafe представляет собой адаптационный модуль нелинейной фильтрации, обрабатывающий сигнал, полученный от датчика уровня в кристаллизаторе, и снижающий влияние волн. Модуль WaveSafe может обрабатывать до 2 частот волн. Большинство датчиков уровня в кристаллизаторе осуществляют точечное измерение уровня стали в кристаллизаторе, на результаты измерений часто влияют гидродинамические волны, которые могут являться результатом:

• отклонения потоков металла в кристаллизаторе

• гидродинамической асимметрии

Типичное улучшение в сравнении с обычным контроллером – более чем на 50%.

Разумеется настройка регулятора с таким количеством прослоек занимает пару недель, но результат, который выражается приличными суммами экономической эффективности вызывает восторг у заказчиков, а у инженеров чувство гордости за проделанную работу.