寬厚板加速冷卻自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

呂霞，劉疆 ，趙亮

（山東省萊鋼集團(tuán)自動(dòng)化部， 271104）

0 引言

控制冷卻是當(dāng)今寬厚板生產(chǎn)提高產(chǎn)品質(zhì)量、開發(fā)高附加值產(chǎn)品最關(guān)鍵的工藝技術(shù),通過計(jì)算機(jī)控制，對(duì)軋后鋼板在線進(jìn)行加速冷卻，以控制鋼鐵材料在冷卻過程中的相變過程，使鋼板獲得高的強(qiáng)度和良好的韌性。加速冷卻的基本原理是通過控制冷卻系統(tǒng)的集管流量、水閥開度及不同的控制策略 ,使鋼板具有優(yōu)良的性能，提高產(chǎn)品的綜合質(zhì)量。

1 加速冷卻系統(tǒng)基本配置

Mulpic（Multiple Purpose Interrupt Cooling 多功能間歇式冷卻系統(tǒng)）位于精軋機(jī)之后，熱矯直機(jī)之前，根據(jù)鋼板厚度 、鋼種及軋制速度 ,控制開啟的噴水組數(shù)和調(diào)節(jié)水量 ,將鋼板由終軋溫度冷卻至所要求的溫度 。全長(zhǎng)24 m，分ABCD等4個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)長(zhǎng)6 m，各區(qū)域獨(dú)立噴水。

Mulpic上下各6個(gè)集管（噴頭），一米一個(gè)，每個(gè)頭上的噴孔達(dá)600多個(gè)。A區(qū)每個(gè)噴頭單獨(dú)控制；BCD區(qū)所有上部、下部噴頭共同控制。A區(qū)單獨(dú)一根供水管，BCD區(qū)共用一根供水管。每個(gè)區(qū)的上部噴頭可調(diào)整高度，最大行程1200mm，可調(diào)整范圍300～1000mm，有極限位置保護(hù)；通過調(diào)整上集管高度，可以實(shí)現(xiàn)最好的可能冷卻速率，同時(shí)使板坯翹曲引起的受損危險(xiǎn)頻率最低。冷卻過程中上下集管的控制均是通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制完成 ,同時(shí)也可以人工手動(dòng)干預(yù)開閉。

為達(dá)到控制終冷溫度的目的 ,在冷卻線上布置了相應(yīng)的檢測(cè)儀表 ,包括熱金屬檢測(cè)器、冷金屬檢測(cè)器、激光測(cè)速儀、高溫計(jì)等來實(shí)現(xiàn)鋼板跟蹤、溫度實(shí)測(cè)及模型修正功能 。Mulpic冷卻系統(tǒng)示意圖如圖 1 所示。

圖1 Mulpic冷卻系統(tǒng)示意圖

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)配置

采用西門子公司的高端 PLC 系列中的 S7-400 控制系統(tǒng)，保證整個(gè)控制系統(tǒng)的先進(jìn)性 、可靠性和合理性。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用開放式結(jié)構(gòu) ,有利于系統(tǒng)今后的擴(kuò)充和升級(jí) 。Mulpic冷卻系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示 。

圖2 Mulpic冷卻系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

冷卻控制系統(tǒng)由二級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，它包括基礎(chǔ)自動(dòng)化L1級(jí)和過程自動(dòng)化L2級(jí)。

基礎(chǔ)自動(dòng)化L1級(jí)控制系統(tǒng)為一套Simatic 400控制器下掛ET200S遠(yuǎn)程站構(gòu)成，系統(tǒng)通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)，系統(tǒng)操作畫面為WinCC。主要負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。并在冷卻過程中根據(jù)L2設(shè)定值和鋼板位置對(duì)相關(guān)閥門的開關(guān)動(dòng)作時(shí)序進(jìn)行控制 ,且為L(zhǎng)2提供各測(cè)量值和檢測(cè)信號(hào)。

過程自動(dòng)化L2級(jí)控制系統(tǒng)為一套單獨(dú)的二級(jí)服務(wù)器系統(tǒng)，主要任務(wù)是進(jìn)行Mulpic控制系統(tǒng)的模型過程控制及參數(shù)（冷卻方式、閥門開閉的數(shù)量和分布）的計(jì)算與設(shè)定，并實(shí)現(xiàn)軋制工藝的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通訊等功能。

不過，我卻以為，對(duì)于專家的這些意見，我們大可不必當(dāng)真。因?yàn)閺木植縼碚f，也許他們說的都沒錯(cuò)；但具體到每一個(gè)人的身上，卻未必是“放之四海而皆準(zhǔn)”的真理。這里的關(guān)健，我看還是要因人而異，大可不必用同一尺度去衡量。

2.2 系統(tǒng)功能

為了達(dá)到軋后對(duì)不同鋼板加速冷卻的工藝效果，Mulpic加速冷卻控制系統(tǒng)具有以下功能：

1) 手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制和自動(dòng)控制選擇 。

2) 完整的人機(jī)界面（HMI），使操作人員了解現(xiàn)場(chǎng)的過程數(shù)據(jù)，對(duì)異常情況進(jìn)行及時(shí)干預(yù)。

3) 準(zhǔn)確檢測(cè)鋼板在規(guī)定的不同冷卻區(qū)域中的溫度。

4) 根據(jù)鋼板的鋼種、厚度、終軋溫度和鋼板出口速度等參數(shù)進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的預(yù)設(shè)定。

5) 根據(jù)實(shí)測(cè)的鋼板速度、厚度和溫度進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償(如前饋控制)。

6) 根據(jù)實(shí)測(cè)的鋼板終軋溫度、速度、厚度及終冷溫度等參數(shù) ,對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)。Mulpic冷卻系統(tǒng)操作畫面如圖 3 所示 。

圖3 Mulpic冷卻系統(tǒng)操作畫面

2.3 控冷模型

冷卻數(shù)學(xué)模型直接影響到鋼板終冷溫度的控制精度 ,而數(shù)學(xué)模型的主要任務(wù)就是根據(jù)所軋鋼板的鋼種和規(guī)格要求 ,確定所需打開的水閥的開度。鋼板軋后控冷過程中應(yīng)包括如下數(shù)學(xué)模型 : 1)鋼板熱模型：用于建立冷卻溫度場(chǎng)模型，模擬冷卻過程中各階段鋼板中心線的溫度變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻溫度的精確控制。采用有限差分計(jì)算法，依據(jù)各階段的高溫計(jì)實(shí)測(cè)值和傳熱系數(shù)等，進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬計(jì)算，為水量計(jì)算及前饋控制等計(jì)算，提供有效參數(shù)。2)傳熱模型：用于確定冷卻階段的傳熱系數(shù)（空冷階段傳熱系數(shù)、水冷階段的傳熱系數(shù)）。3) 速度模型：鋼板縱向溫度呈線性降低，采用加速冷卻的方式補(bǔ)償從頭到尾的溫降，保證鋼板長(zhǎng)度方向上冷卻的均勻性。4)流量模型：用于計(jì)算鋼板冷卻的需水量，包括總需水量及各分段的可變需水量。5）流量補(bǔ)償模型；6)前饋控制；7)自適應(yīng)模型：為使流量模型及時(shí)進(jìn)行自身修正，采用了自學(xué)習(xí)修正方法，在線實(shí)時(shí)修正Mulpic的水量系數(shù)。

2.4 控冷策略

根據(jù)鋼板鋼種、厚度、冷卻速度和終冷溫度等，通過預(yù)設(shè)定的二級(jí)控冷模型，計(jì)算出鋼板通過冷卻裝置的速度、冷卻水流量等冷卻調(diào)整參數(shù)，傳遞到一級(jí)控制水閥開度，對(duì)鋼板進(jìn)行加速冷卻的實(shí)時(shí)控制。

1)加速冷卻（ACC）:鋼板通過冷卻設(shè)備，達(dá)到需要的終冷溫度。

2)直接淬火（DQ）:利用鋼板軋制之后的余熱，在軋制線上對(duì)鋼板進(jìn)行淬火，降低鋼材的碳含量，是高強(qiáng)度鋼板和厚規(guī)格鋼板的一種重要生產(chǎn)工藝。

3)擺動(dòng)冷卻（Oscillation Cooling）:當(dāng)鋼板比較厚時(shí)，若一次通過達(dá)不到需要的終冷溫度，就需反復(fù)幾次通過冷卻設(shè)備進(jìn)行冷卻，直到達(dá)到需要的終冷溫度為止。

2.4.2 分段跟蹤

在精軋機(jī)出口對(duì)鋼板從頭到尾進(jìn)行分段，鋼板分段長(zhǎng)度為1m。實(shí)時(shí)跟蹤每段鋼板在冷卻區(qū)中的位置及其經(jīng)過冷卻區(qū)的情況，包括其經(jīng)過各集管時(shí)的運(yùn)行速度和冷卻水量，并根據(jù)設(shè)定要求的目標(biāo)溫度和冷卻速率，啟動(dòng)動(dòng)態(tài)設(shè)定計(jì)算(即前饋控制功能)，以提高冷卻的精度。

2.4.3 幾何設(shè)定

幾何設(shè)定計(jì)算包括：1）頂部框架高度;2）集管的開/閉數(shù)目;3）水冠閥的開度;4）邊部遮擋設(shè)定點(diǎn);5）頭尾遮擋設(shè)定點(diǎn)。當(dāng)鋼板出加熱爐后進(jìn)行首次幾何設(shè)定計(jì)算，此時(shí)根據(jù)鋼板PDI（來自三級(jí)MES）進(jìn)行確定。在精軋機(jī)最后一道次執(zhí)行幾何設(shè)定再計(jì)算，根據(jù)鋼板PDI和軋機(jī)溫度實(shí)測(cè)值（終軋溫度）來執(zhí)行水流量設(shè)定計(jì)算，然后將上述結(jié)果傳送給Mulpic的一級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)設(shè)定控制。幾何設(shè)定模塊先采用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)溫度模型預(yù)估計(jì)出粗略的集管開啟數(shù)量，作為迭代計(jì)算的初始集管組態(tài)。

2.4.4 前饋控制

在Mulpic入口高溫計(jì)處，根據(jù)測(cè)厚儀及入口高溫計(jì)的實(shí)測(cè)值，對(duì)各分段的部分冷卻參數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算并重新設(shè)定集管流量、設(shè)定閥位、設(shè)定首尾遮蔽、設(shè)定邊緣遮蔽、設(shè)定上/下水比，來預(yù)先進(jìn)行鋼板溫度控制。

2.4.5 頭尾控制策略

鋼板終軋后縱向溫度呈階梯分布，冷卻過程中為控制鋼板的縱向溫度均勻性，減少頭部和尾部的冷卻量避免過冷，對(duì)鋼板采用頭尾遮蔽控制。頭尾遮蔽只在A區(qū)，當(dāng)鋼板的頭部和尾部通過A區(qū)時(shí)對(duì)鋼板頭尾溫度進(jìn)行控制。

2.4.6 邊部控制策略

為防止冷卻過程中邊緣過冷，實(shí)現(xiàn)鋼板橫向溫度的均勻性控制，在鋼板冷卻過程中采用邊部遮蔽。PLC依據(jù)來自二級(jí)的設(shè)定值控制邊部遮蔽位置調(diào)整裝置。

鋼板邊緣遮蔽位置，由以下方程來確定：

Z:邊部遮蔽位置；H:鋼板厚度；W:鋼板寬度；Q:上表面水流密度；A0- A3:模型參數(shù)（通過實(shí)驗(yàn)確定）。

2.4.7 自適應(yīng)控制

自適應(yīng)計(jì)算分為短期適應(yīng)和長(zhǎng)期適應(yīng)。短期適應(yīng)：對(duì)相同材質(zhì)的后續(xù)鋼板的過程變化進(jìn)行補(bǔ)償,以提高預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的一致性，提高冷卻精度。長(zhǎng)期適應(yīng)：長(zhǎng)期適應(yīng)的目的是用來消除模型預(yù)測(cè)誤差，基于適應(yīng)算法的原理，由于時(shí)間和環(huán)境的變化，鋼板的水量系數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。

自適應(yīng)控制是在鋼板尾部最后一段離開冷卻區(qū)出口高溫計(jì)時(shí)被跟蹤模塊啟動(dòng)，以鋼板自適應(yīng)系數(shù)作為本塊鋼板的實(shí)測(cè)自適應(yīng)值，按照指數(shù)平滑法計(jì)算下一塊鋼板預(yù)設(shè)定時(shí)所使用的模型自適應(yīng)系數(shù)。

3 測(cè)試結(jié)果

Mulpic投入生產(chǎn)以來，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)和檢測(cè),冷卻精度偏差不大于0.5%，溫度控制精度在±20℃以內(nèi)的鋼板達(dá)到98.7%以上，同板溫差控制在25℃以內(nèi)，達(dá)到冷卻的均勻性，能夠滿足預(yù)期設(shè)計(jì)的需要。Mulpic冷卻測(cè)試如圖 4所示。

圖4 Mulpic冷卻測(cè)試圖

4 結(jié)束語

Mulpic冷卻自動(dòng)控制系統(tǒng)采用了高精度的數(shù)學(xué)模型和先進(jìn)的控制策略,性能穩(wěn)定可靠，控制精度高。通過應(yīng)用軋后控冷系統(tǒng)，改善鋼板的力學(xué)性能和焊接性能。

[1]李黎明,黨軍,唐運(yùn)章,余偉.層流冷卻對(duì)于板型的影響研究[J].甘肅冶金,2010,32(05):7-9.

[2]信曉兵,潘景申,李揚(yáng),殷向光.唐鋼1700 mm帶鋼生產(chǎn)線層流冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用[J].河北冶金,2010,03:36-38 .

[3]姬帥,華建社,劉明華,趙小龍.中厚板軋后控冷溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的研究[J].鋼鐵研究,2010,38(03):54-56.

[4]趙志軍,王丙全.層流冷卻系統(tǒng)在3500mm中厚板生產(chǎn)線上的應(yīng)用[J].金屬世界,2010（02）47-49.

[5]蔡曉輝,張中平,李成花.攀鋼熱軋廠層流冷卻控制系統(tǒng)[J].軋鋼,2009,26(06):53-55.

[6]彌春霞,單傳東.熱連軋層流冷卻智能模型的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].電氣傳動(dòng),2009,39(09):71-73.

[7]王笑波,王仲初,柴天佑.中厚板軋后控制冷卻技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀[J].軋鋼,2006, 17(03):44-47.

[8]吳德強(qiáng),胡昌宗,黃波.熱軋帶鋼層流冷卻系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用[J].軋鋼,2005,22(05):29-30.

[9]彭良貴,余廣夫,李國(guó)強(qiáng),等.熱軋帶鋼層流冷卻計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[J].鋼鐵,2005,40(11):46-48.