连铸中间包同步控制方案

1.1 概述

中间包是连铸成套设备中用到的一个耐火材料容器，首先接受从钢包注入的钢水，然后再由中间包水口分配到一个或多个结晶器中。中间包作为连续铸钢的重要设备，是提高钢产量和质量的重要一环。无论是对于连铸操作的顺利进行，还是对于钢液品质的影响，中间包的作用都是不可忽视的。由于生产操作要求，中间包必须具有升降功能，所以中间包坐落在中间包车上，靠安装在中间包车上的四个液压缸升降。当然中间包的升降还有电机控制方式，因其结构复杂、难维修，现在已被逐步淘汰。由于液压控制方便,结构简单紧凑，所以现在大部分中间包升降都采用液压控制。然而中间包的负载不均衡性、液压元件使用寿命及泄漏等题，中间包升降控制同步精度往往不能满足生产要求，这对浇钢过程中浸入式水口的对中极为不利，严重时还可能产生漏钢。因此进行新的同步控制系统的研究已经非常必要。

国内许多钢厂采用的液压技术同步的方法主要分为同步马达和节流同步两种，但这两种开环同步控制不能消除由于干扰和元件精度等造成的同步误差，甚至还存在误差累积的问题，且同步问题解决的并不理想。伺服阀应用在这一领域中有很大的缺陷，电液伺服阀结构复杂，造价高且抗污染能力差，不适宜于在环境恶劣的连铸生产中。既考虑同步的因素，又考虑实际情况的影响，在这样的条件下用电液比例阀就可以得到比较满意的结果。

关于多缸同步电液比例伺服控制，1994年HOGAN等通过非对称负载多缸同步控制问题的研究认为，若想获得满意的同步控制效果，一阀控制一缸的控制模式是必要的，但他们并未给出较好的同步控制策略。

本论文参考了国内外的大量研究文献资料，结合现场实际情况拟定了带补油装置的开环电液比例同步控制方案，采用四个比例方向阀控制四个液压缸的同步升降，本文对传统的连铸中包液压提升系统中出现的问题给出了很好的解决策略，特别是以下三个方面：word/media/image1.gif如何能单独控制油缸保证四个油缸同步；word/media/image2.gif油缸产生不同步后如何能单独调整该油缸；word/media/image3.gif现有油缸产生泄漏后是否能当前位置保持。本文应用了压差补偿式比例方向阀，能够对流量实现比较精确的控制，保证了同步精度，当液压缸运动到底部时，通过位置传感器控制，是没回到底部的液压缸放油回到底部，消除了累积误差，保证液压缸不会长时间运行后发生倾斜。这种控制虽相比于电液比例闭环控制响应速度较慢，但也能取得较高的同步控制精度，同时成本有大幅度下降，维护起来更方便经济，十分适合现阶段连铸生产，因此有较高的研究意义和实际应用价值。

1.2同步控制回路

同步控制回路是实现多个执行元件以相同的位移或相等的速度运动的液压回路。随着液压技术在工程领域中应用日益扩大，大型设备负载能力增加或因布局的关系，需要多个执行元件同时驱动一个工作部件，同步运动就显得更为突出。衡量同步运动的优劣的指标是同步精度，其位移的绝对误差Δ或相对误差δ来表示，以两个同步液压缸为例，若两个液压缸运动到端点时分别为SA和SB，则其绝对误差

Δ=|SA－SB|

相对误差

δ=×100%

由于负载不均衡、摩擦力不等、液压缸泄漏量不同、空气的混入和制造误差等因素都会影响同步精度。用刚性的构件、齿轮齿条副或连杆机构可使两液压缸活塞杆建立刚性的运动联系，实现位移的同步，同步的精度取决于机构的刚度。如果两液压缸负载差别较大，会因偏载造成活塞和活塞杆卡死现象，因此，尚需要用液压方法来保证其同步。

1.2.1流量同步回路

流量同步回路是通过流量控制阀控制进入或流出两液压缸的流量，使液压缸活塞运动速度相等，实现速度同步。

图1为液压缸单侧回油节流同步回路。在各液压缸的回油路上装上单向节流阀，调节节流阀的流量达到近似的速度同步。节流阀同步回路液压系统非常简单、成本低，可以调速和实现多液压缸的同步，但同步精度受油温和负载的影响较大，仅达5%，且系统效率低，不宜用于偏载或负载变化频繁的场合，、。为改善其同步精度可采用温度补偿的调速阀来代替节流阀。图2为采用调

速阀和流向整流板使液压缸双向均能进行节流控制的同步回路。如果一个液压缸的回路中采用比例调速阀，两液压缸运动过程中通过检测元件随时检测唯一误差，调解比例调速阀的流量和另一液压缸调速阀的流量相等，同步精度还可提高。

用分流集流阀来实现速度同步，其液压系统简单经济，纠偏能力大，同步精度约为1%～3%。图3为采用分流集流阀的同步回路。活塞上升是分流集流阀起分流作用，活塞下降是起集流作用，即使两液压缸承受不同负载仍能以相等的流量分流或集流，实现速度同步。回路中液控单向阀是防止活塞停止时因两液压缸负载不同而通过分流集流阀内节流孔窜油。图4为用比例分流集流阀实现的三缸同步。第一级分流集流阀为比例分流激流阀，比例为2:1，第二级为等量分流集流阀。因为分流精度取决于分流集流阀的压降，所以分流激流阀的流量范围较窄。当流量低于阀的公称流量过多时，阀的压降与流量成平方倍地下降，分流精度就显著降低，这是在选择分流集流阀时必须注意的问题。分流集流阀上的压降一般为0.8～1.2MPa，因此它不宜用于低压系统。

1.2.2容积同步回路

容积同步是指将两相等容积的油液分配到尺寸相同的两液压缸，实习两液压缸位移同步。这种回路可允许较大的偏载，偏载造成的压差不影响流量的改变，只影响油液微量的压缩和泄漏，同步精度较高，系统效率也较高。

图5为带补油装置的串联缸同步回路。若把两个液压缸串联起来，并且两串联油腔的活塞有效面积相等，便可实现两液压缸的同步。但是两串联油腔的泄漏会使活塞产生位移误差，长期运行误差会不断积累起来，应采取措施使一个液压缸达到行程端点后，向串联油腔a点补油或由此排油，消除误差。其工作原理是在两液压缸活塞同时下降时，如果液压缸1活塞先到达端点，触动行程开关1S，使电磁换向阀4的电磁铁3Y通电，压力油经换向阀4和液控单向阀3进入液压缸2上腔，使液压缸2活塞继续下降到端点；如果液压缸2活塞先到达端点，触动行程开关使4Y通电，压力油接通液控单向阀3的控制油路，液压缸1下腔的油液经液控单向阀3和换向阀4回油箱，使液压缸1活塞亦下降到端点，从而消除积累误差。

图6是同步缸的同步回路。同步缸1是一个由两尺寸相同的缸体和两个活塞同一个活塞杆的液压缸，活塞向左或向右运动时输出或接受两个相同容积的油液，起着配流的作用。同步缸1的两活塞上装有双作用单向阀2，它可以在行程端点消除两液压缸同步误差当同步缸活塞向右运动到达右端点时，顶开右侧单向阀若某个液压缸没有达到行程端点，压力油便可通过顶开的单向阀直接进入其上腔，使活塞继续下降到端点。同步缸可隔成多段，实现多液压缸的同步，但需要特制的同步缸，其体积和长度均很大。

和同步缸一样，用两个同轴等排量液压马达作配油环节，输出相同流量的油液来实现液

压缸的同步。图7为同步液压马达的同步回路。由四个单向阀和一个溢流阀组成的交叉溢流补油回路，可以在液压缸行程端点消除同步误差。容积同步回路的同步精度比流量同步回路的高，它排除了流量控制阀压差对流量影响的因素，其同步精度主要取决于元件的制造精度、泄漏和两液压缸偏载等因素，如同步液压马达回路中，选用容积效率稳定的柱塞液压马达，可获得相当高的同步精度。伴随同步精度的提高，也带来了系统复杂程度和造价的提高，在选择同步方式时应予以综合考虑。

1.2.3 伺服同步回路

采用伺服阀的同步回路，可随时调节进入液压缸的流量，实现精确的位置同步，同步精度可达0.2mm，但系统复杂程度和造价更高。图8举了三个用伺服同步的例子。图8a是采用电液伺服阀的同步回路，图8b是采用等量分流集流的电液伺服同步阀的同步回路。在电液伺服阀同步回路中，设有活塞位置的检测元件和将检测信号进行比较。当两活塞位置出现不同步时，检测装置发出信号，经放大后反馈到电液伺服阀，使之随时调节流量达到两活塞同步运行。这两个回路中电液伺服阀需通过系统的全流量，伺服阀的容量大，价格昂贵。图8c是用伺服阀放油的同步回路。回路中分流集流阀进行粗略的同步控制，再通过张紧在滑轮组上的钢带推动差动变压器检查同步误差，经伺服放大器控制伺服阀只要放掉很小流量即可纠正分流误差，故可采用小容量的伺服阀。回路可靠性高，在电液伺服系统出故障时，仍能粗略地同步工作。回路中电液伺服阀可用比例换向阀代替，甚至可

用直流电磁换向阀代替，但精度比采用电液伺服阀的低。

1.3 冶金行业中液压同步控制系统

工业或者军工设备上有很多场合要求两个或多个液压缸同步动作,就产生了液压系统同步问题的要求,特别是冶金工业,由于其高负荷、高危险的生产条件和生产环境,对于液压同步技术使用的情况更为频繁和复杂,一般在设计和工程论证过程中,可

图9　调试阀同步控制 图10分流集流阀同步控制

以根据工况要求和投资成本选择使用各种不同的液压同步控制方式。

1.3.1 多个普通节流阀或者调速阀同时使用

控制多个油缸同步动作,多使用在同步要求不是很高或者同步功能可以通过机械结构进行缓冲的场合,特点是控制简单,维护方便,投资成本低。比如某厂的板坯翻转台就使用这种控制方案,这个板坯翻转台布置在生产线之外,用于对下线板坯进行翻转检查和处理,由于其用于线外设备,且对同步要求不是很高,达到基本同步即可满足工艺参数。因此该厂选择了这种简单的同步控制方案如图9 所示(油缸下4 个调速阀) 。这种同步控制方式成本低,基本不需要电气参与同步控制,使得调试和维护工作非常简单,达到了既满足工艺动作要求,又满足投资成本控制的要求。

1.3.2 分流集流阀

分流集流阀又称速度同步阀,是分流阀、集流阀、单向分流阀、单向集流阀的总称。它们在液压系统中,可使同一系统中的2～4 个相同的执行元件,无论负载大小如何,均能达到速度同步的运行目的。自调式分流集流阀是在分流集流阀基础上,增加了流量、压力自调节能力,使得该阀可以适应大流量、压力变化范围和大偏载工作条件。如某钢厂包盖提升机构液压控制如图10所示,此系统仅仅将包盖从低位提升到高位,没有与其他设备的精确定位要求,因此对同步精度没有很高的要求,考虑到免维护和免调节,该厂选择了此种简单的同步控制模式,实践证明这个选择是可行的。

1.3.3 同步马达

某炼钢厂转炉裙罩提升控制,转炉裙罩是一个非常庞大的结构件,加上 图11 同步马达控制

内冷介质,重达数百吨;而且与其他设备还有相对位置配合要求,因此对其运动的同步有比较高的要求;特别是对系统可靠性要求更高,决不容许发生差错,一旦控制功能发生故障,将会引起严重的后果和巨大经济损失。为了满足以上的功能要求,该厂在此系统设计过程中进行了充分的调查和技术论证。首先,为了达到高可靠性,优先选择机械模式的同步控制方案,因为机械机构在现代技术中是比较可靠和很少发生意外的方案,因此比例伺服阀加位置传感器的同步控制方法在这里不合适;其次,由于此设备运动过程中与其他设备还有配合要求,因此同步要求比较高,所以普通的分流集流阀在这里精度达不到要求。为了满足上述的工艺动作要求,使用同步马达在这里比较合适。因此该厂最后确定使用如图11的同步马达控制方式。经过近3个月的运行证明:使用精度合适的同步马达可以满足设备的同步控制要求,同时机械同步确保了设备的可靠性,保证生产线能够顺利运行,避免生产事故和不必要的经济损失。

1.3.4 同步马达配合普通小型换向阀

对同步要求较高的时候,而又不愿意增加投资成本,就可以采用另外一种简单可靠的同步控制系统,它的原理是正常情况下使用同步马 图12 同步马达配合补偿阀控制

达保持同步,在油缸的位置传感器检查的同步误差超过设计值的时候,打开小型补偿阀对油缸进行微量的调整,使油缸回到同步状态中。如某生产线使用的同步顶升系统。此系统顶升力量近

百吨,顶升的目标是液态钢水,且每动作一次就要求保持位置达40分钟,如此长的保 图13　比例伺服阀配合位置传感器控制

压时间,难免两个油缸的位置产生偏差,一般的传统控制方式采用两个比例阀单独控制两个带位置传感器的油缸,保压过程中产生不同步时,系统采取控制相对应的比例阀来调整油缸的方式,但是这种方式成本较高,特别是无法避免软件故障带来的两个油缸倾斜,严重时液态钢水溢出损坏其他设备,甚至带来人身伤亡及其他经济损失,为了达到高可靠性,又能够控制设备投资成本,改成如图12 所示的系统后,不仅降低了成本,同时完全实现了原同步控制的要求,且系统的可靠性得以提高。

1.3.5 伺服阀配合液压缸位置传感器

这种控制方式特点是同步精度非常高,能够时刻保持同步,而且频响可以达到较高的水平;但投资成本非常高并且控制方式比较复杂。除非设备要求较高的状态,不推荐使用。如图13所示某生产线使用的同步振动系统。此系统对应的两个油缸要求完全同步,且两个油缸间基本没有机械刚度,同时,两个油缸作高速高频往复运动,工艺要求每时每刻两个油缸均保持相同的状态。对这类要求非常苛刻的同步控制,只有采用图13的控制方式来实现。

1.4 采用电液比例技术的意义

目前国内的液压同步控制系统非常之多，液压同步控制系统的实现阀类元件可分为：常规阀、电液伺服阀、电液比例阀。常规液压阀系统价格低但精度差，多为开环控制；电液伺服阀采用闭环控制，系统的同步控制精度高但价格昂贵；电液比例阀系统的同步控制精度略低于伺服阀系统，但价格比伺服系统低，有极佳的性能价格比。电液比例阀同步控制是目前的研究热点问题之一，因此将电液比例技术的同步控制应用于连铸中包提升液压系统的设计有较大的理论及应用价值。

1.4.1 电液比例技术的发展概况

现代电液控制技术的发展追溯到二次大战时期。由于军事需要，对武器和飞机的自动控制系统的研究取得了很大的进步。战争后期，喷气技术取得突破性进展。由于喷气式飞行器速度很高，因此对控制系统的快速性、动态精度和功率质量比都提出了更高的要求。工程需要是现代电液控制技术发展的推动力。1940年底在飞机上首先出现了电液伺服系统，其滑阀由伺服电动机拖动，惯量很大，限制了系统的动态特性。19世纪50年代初出现了高速响应的永磁式力矩马达。50年代后期又出现了以喷嘴挡板阀作为先导级的电液伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应最快、控制精度最高的伺服系统。60年代各种结构的伺服阀相继问世，电液伺服阀技术已日臻成熟。印年代后期人们对工艺过程控制提出了更高的要求。现代电子技术特别是微电子集成技术和计算机技术的发展，为工程控制系统提供了充分而且廉价的现代电子装置，各类民用1I=程对电液控制技术的需求更加迫切和广泛。传统的电液伺服阀对流体介质的清清度要求十分苛刻，制造成本和维修费用较高，系统能耗也较大，难以为各工业用户所接受，而传统的开关控制又不能满足高品质控制系统的要求。因此，人们希望开发出一种可靠、廉价、控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的电液控制技术。

(1)从1967年瑞士布林格尔公司生产KL比例复合阀起，到20世纪70年代初日本油研公司申请了压力和流量比例阀二项专利为止，是比例阀的诞生时期。这一阶段的比例阀，仅是将比例型的电-机械转换器(如比例电磁铁)用于工业液压阀，以代替开关电磁铁或调节手柄，阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，大多不含受控反馈闭环，其工作频宽仅在1-5 Hz之间，稳态滞环在4％-7％之间，多用于开环控制。

(2)1975～1980年间，比例技术的发展进入了第二阶段。采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟，比例元件的工作频宽已达5～15 Hz，稳态滞环也减小到3％左右。其应用领域日渐扩大，开环闭环均可适用。

(3)20世纪80年代以来，比例技术的发展进入了第三阶段。比例元件的设计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移内反馈及电校正等手段。在80年代末、90年代初，随着电子技术的高速发展，比例技术出现了质的飞跃。除了因制造成本所限，比例阀在中位仍保留死区以外，它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀无异。另一项重大进展是，比例技术开始和插装阀相结合，形成了80年代电液比例插装技术。同时，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了电液一体化的比例元件，电液比例技术逐步形成了80年代的集成化趋势。同时电液比例容积元件，各类比例控制泵和执行元件也相继出现。

因此，从电液比例技术的发展过程可以看出，电液比例技术发展到目前阶段，已经能用伺服比例阀替代传统的伺服阀，用于大多数的工业控制中。由于伺服比例阀在使用时对油液清洁度的要求只需NAS 7～9级，而价格又远低于相同参数的伺服阀，使其进入市场的竞争能力很强。从而采用新的伺服比例阀替代喷嘴挡板阀在工业领域是理所当然的事情，这将给用户带来明显的经济效益。

1.4.2 电液比例控制系统的特点

在电液比例控制系统中，主控元件可以有无限种状态，分别对应于受控对象的无限种运动。电液比例控制系统的关键是电液比例阀，它与伺服阀、传统液压阀。早期比例阀的特性比较如下表所示。

电液比例控制系统是电子-液压-机械放大转换系统。从控制特性看，更接近于伺服控制系统；从经济可靠性看，更接近开关控制系统。其特点为：

（1）能实现快速平稳的开环控制，特别是大惯量控制，如液压电梯；也能实现精准

的闭环控制，获得精密的工件或完成精细的工作要求，如汽轮机进气阀位置比例控制；还可以实现高精度的同步控制，其控制精度可达0.02mm。

（2）兼备了电器和电子技术的快速性。灵活性和液压技术输出功率达的双重优点，控制性能好，传动能力大。

（3）可明显的简化液压系统，实现复杂程序控制，降低费用，改善控制过程品质，提高可靠性，缩短工作循环时间。对一些较复杂的工作循环，要求在工作过程中不断改变压力或速度，采用电液比例控制技术不仅能大大简化系统结构，而且可以提高系统性能。

（4）比例放大器中有斜坡信号发生器，以设定阶跃作为信号输入，使斜坡信号发生器产生一个缓慢上升的或下降的信号，输出信号的变化速率通过电位调节器调节，以实现被控系统工作压力、速度、加速度等的无冲击缓冲过度，避免大的震动和冲击，对位置系统来说可以准确定位。

（5）能实现按比例控制液流的方向、流量和压力，还可以连续比例地实现流量、压力与方向三者之间的多种复合控制功能。

（6）可以改善主机的设计柔性，实现多通道并行控制，例如：工程工程机械中的多路阀通常必须集中设置，因而不得不使执行元件的连接管路延长，这就不可避免地增加了系统的复杂性和管路损失，对系统的动态特性不利，但若采用电液比例控制阀代替多路阀，则可将阀布置在最合适的位置，克服上述缺点。

（7）便于计算机控制，便于建立故障诊断专家系统，容易实现系统智能化。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/fd732a53ad02de80d4d84038.html