棒材生產(chǎn)線自動化控制應(yīng)用分析

劉 鵬 陳煥良 馬良榮

（浙江中控自動化儀表有限公司）

鋼鐵廠是國民經(jīng)濟(jì)的支柱行業(yè)，而棒材是建筑行業(yè)的必要材料之一，棒材的需求量隨著建筑行業(yè)的不斷擴(kuò)張而迅速增長，傳統(tǒng)的棒材生產(chǎn)線已經(jīng)無法滿足與日俱增的需求量。 引進(jìn)棒材全自動化生產(chǎn)，能大幅提高生產(chǎn)效率，將原來每秒數(shù)米的生產(chǎn)速度提高到每秒40 余米［1］。 另外，自動化控制還極大地提高了人身與設(shè)備的安全性。 當(dāng)前全自動化生產(chǎn)在棒材生產(chǎn)線中已經(jīng)是不可或缺的角色， 自動化控制技術(shù)是整個生產(chǎn)線的核心。

1 棒材自動化控制的整體布局

棒材生產(chǎn)線可分為3 個相對獨立的控制區(qū)域——加熱爐燃燒區(qū)域、 軋線區(qū)域和精整區(qū)域。將該3 個區(qū)域分別由3 個性能強(qiáng)、 穩(wěn)定性好的PLC 來控制，各區(qū)域PLC 間的少量通信數(shù)據(jù)通過可靠的通信方式與協(xié)議進(jìn)行。

由于各區(qū)域點位多、空間跨度大，每個區(qū)域都采用現(xiàn)場總線的通信采集方式，PLC 中的CPU作為主站，通過現(xiàn)場總線的方式與現(xiàn)場分布式IO進(jìn)行通信，這樣不僅能保證信號的可靠性，還能大幅降低大量電纜連接帶來的故障率。 各上位機(jī)HMI 通過工業(yè)以太網(wǎng)的通信方式將所有PLC 的監(jiān)控與操作整合到一起進(jìn)行集中管理，這樣就構(gòu)成了棒材生產(chǎn)車間整個自動化控制系統(tǒng)。

2 蓄熱式加熱爐控制

蓄熱式加熱爐主要分為預(yù)熱區(qū)、加熱區(qū)和均熱區(qū)。3 個區(qū)通過換向閥、煤氣調(diào)節(jié)閥和空氣調(diào)節(jié)閥對各區(qū)域燃燒溫度進(jìn)行控制，最終將鋼坯溫度加熱到軋線所需的工藝溫度。 其控制主要有換向器控制和爐膛溫度、壓力控制。

2.1 換向器控制

換向器控制是加熱爐燃燒控制的核心。 為了保證加熱爐燃燒均勻，PLC 通過定時自動換向進(jìn)行控制。 換向時，控制系統(tǒng)將加熱爐一邊的鼓風(fēng)切斷閥與煤氣切斷閥切斷，延時數(shù)秒后（該時間可設(shè)定）打開煙氣抽風(fēng)切斷閥。 與此同時，加熱爐另一邊關(guān)閉抽風(fēng)切斷閥，延時數(shù)秒后打開鼓風(fēng)切斷閥與煤氣切斷閥。 通過以上控制步驟即可實現(xiàn)加熱爐的換向。

2.2 爐膛溫度、壓力控制

爐膛溫度的大小取決于煤氣調(diào)節(jié)閥與鼓風(fēng)調(diào)節(jié)閥的開度。 爐膛壓力的大小取決于煙氣抽風(fēng)調(diào)節(jié)閥的開度。 爐膛溫度、壓力的控制可以設(shè)置手動控制與自動控制。 自動控制可以通過設(shè)定溫度值與壓力值來實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的自動調(diào)節(jié)，關(guān)鍵參數(shù)需要設(shè)置合理才能平穩(wěn)實現(xiàn)自動控制。

3 主軋線控制

主軋線的作用就是將加熱爐加熱到工藝所需溫度的鋼坯送入軋機(jī)進(jìn)行連軋。 鋼坯經(jīng)過粗軋、中軋與精軋后，變成帶螺紋的棒材。 棒材再經(jīng)過倍尺飛剪的剪切后，隨軋制線前進(jìn)的慣性進(jìn)入精整區(qū)域。

3.1 速度級聯(lián)控制

在棒材連軋過程中， 為了確保軋制質(zhì)量，軋制中末機(jī)架需要保持工藝速度不變，該機(jī)架的速度就作為整個軋線的參考速度。 上游機(jī)架的速度根據(jù)金屬秒流量相等的原理， 自動按比例設(shè)定。在軋制過程中， 根據(jù)活套閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)量、操作工的手動干預(yù)調(diào)節(jié)量，依次逐級對其上游機(jī)架的速度做增減調(diào)整，從而實現(xiàn)級聯(lián)控制［2］。速度級聯(lián)控制是棒材生產(chǎn)線自動化控制的基本思路。

3.2 活套閉環(huán)控制

在棒材軋制過程中，為了避免多種原因引起的拋鋼、拉鋼與堆鋼。 在中軋區(qū)與精軋區(qū)兩個相鄰機(jī)架之間設(shè)置了活套裝置。 活套附近安裝了活套掃描儀，用于檢測活套的起套高度。 活套的閉環(huán)控制是連軋自動控制中的關(guān)鍵技術(shù)之一。 活套控制以活套高度為控制目標(biāo)，當(dāng)活套套高超過設(shè)定值時，就以級聯(lián)方式逐級適當(dāng)降低上游機(jī)架的速度。 反之，當(dāng)活套套高低于設(shè)定值時，就以級聯(lián)方式逐級適當(dāng)提高上游機(jī)架的速度。

通過活套閉環(huán)控制能夠?qū)崿F(xiàn)軋線的無張力控制與微張力控制，滿足軋鋼生產(chǎn)的工藝要求。

3.3 起落套控制

活套的起落時間直接影響能否正常軋鋼。 如果活套起套過早，坯料未咬入下游機(jī)架，就會出現(xiàn)拋鋼現(xiàn)象而造成堵鋼與堆鋼事故。 如果起套過晚，就會增加拉鋼的風(fēng)險。 鋼坯快過完時就需要落套，如果落套過早會增加拉鋼的風(fēng)險，如果落套過晚將會產(chǎn)生甩鋼現(xiàn)象，影響生產(chǎn)。

當(dāng)上游機(jī)架剛咬入時，PLC 檢測到有載電流就立即起套。當(dāng)PLC 檢測到上游機(jī)架電流為空載時就立即提前落套。 這樣才能實現(xiàn)軋制線的有序過鋼，最大限度發(fā)揮活套的作用。

3.4 沖擊補(bǔ)償控制

軋機(jī)在剛咬入鋼坯時，其主傳動會受到大負(fù)荷的沖擊，而引起一定速降。 該速降會短時破壞機(jī)架間金屬秒流量的相等，從而產(chǎn)生較大的活套高度，甚至導(dǎo)致堆鋼事故。 如果在軋機(jī)空載時，給軋機(jī)速度一定的附加補(bǔ)償量，等軋機(jī)咬鋼后再撤消補(bǔ)償量， 這就大幅降低了咬鋼時的沖擊影響，使整個軋制過程變得平穩(wěn)。

3.5 飛剪控制

軋線上一般會配置3 臺飛剪，1#飛剪安裝在粗軋之后，用于對頭部不規(guī)則的鋼坯進(jìn)行切頭；2#飛剪安裝在中軋之后， 用于對坯料進(jìn)行切頭、切尾；3#飛剪安裝在精軋與穿水線之后， 是棒材的倍尺剪。

飛剪控制是軋線控制的難點，難度主要在于飛剪的位置控制與速度控制。 軋線過鋼時其速度極快，剪刃在剪切過程中，必須保證在360°內(nèi)迅速完成剪切。 在剪切完成后，剪刃以最小的震蕩幅度回到初始角度，等待下次剪切。 如果飛剪在剪切完成之后，震蕩幅度過大就會影響軋線正常的高速過鋼，造成阻鋼與堆鋼。 在剪刃角度達(dá)到剪切的一刻，其線速度必須與上游相鄰機(jī)架的軋機(jī)速度相同，這樣才能實現(xiàn)無擾動剪切［3］。

飛剪的剪切控制系統(tǒng)是獨立于PLC 的運(yùn)算能力極強(qiáng)的傳動控制系統(tǒng)，這樣才能保證飛剪動作的快速性與準(zhǔn)確性。 PLC 系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信的方式來命令飛剪工作，飛剪的狀態(tài)同樣通過通信反饋給PLC 系統(tǒng)。

3.6 保護(hù)聯(lián)鎖

為了保護(hù)設(shè)備安全，軋線區(qū)域設(shè)置了多項聯(lián)鎖保護(hù)程序。 為了避免軋機(jī)減速箱失去潤滑而燒毀，在每臺減速箱的進(jìn)油管道上安裝了潤滑油流量開關(guān)。 一旦流量低于設(shè)定值，軋機(jī)就立即停止運(yùn)行。 另外軋機(jī)電機(jī)溫度也做了聯(lián)鎖程序，當(dāng)軋機(jī)電機(jī)軸承溫度或繞組溫度，5 組溫度檢測中有2 組超過設(shè)定值時， 等到當(dāng)前軋制的鋼坯軋完之后，整個軋線就會停機(jī)，用于保護(hù)主電機(jī)的安全。

4 精整區(qū)控制

精整區(qū)的主要作用是將軋線上倍尺剪送來的棒材，經(jīng)過裙板的動作再送至冷床。 棒材經(jīng)過冷床的冷卻、對齊后，再將一定根數(shù)的棒材送至擺剪進(jìn)行定尺剪切。 剪切之后將棒材成捆送到打捆機(jī)處進(jìn)行打包， 然后將打包后的棒材進(jìn)行稱重。稱重后，最終將棒材送至A、B 床，等待磁盤吊來堆垛［4］。 該區(qū)域主要控制難點如下：

a. 棒材長度測量控制。 在定尺剪切、打捆機(jī)打捆時都需要測量棒材的長度。 棒材長度的測量需要在測量點安裝光柵，當(dāng)棒材隨著運(yùn)輸軌道前進(jìn)經(jīng)過光柵時，在輥道同軸位置上安裝的增量編碼器就會記錄其旋轉(zhuǎn)角度。 旋轉(zhuǎn)角度與輥道輥徑經(jīng)過計算后就能得出棒材前進(jìn)的距離。 這樣通過光柵與增量編碼器記錄長度的方法，可以單方向不間斷地測量長度，正好符合生產(chǎn)工藝的要求。

b. 擺剪控制。 擺剪屬于定尺剪，用于將冷床上的一定根數(shù)的棒材剪切成訂單所需的長度。 棒材在剪切過程中是連續(xù)前進(jìn)的，因此在剪切時需要考慮到不能對前進(jìn)中的棒材產(chǎn)生影響。 擺剪是通過擺動的方式，將剪刀擺動起來，其擺動的線速度與磁性輥道上棒材的前進(jìn)速度相等，擺動的過程中剪刃也會隨著擺動的角度而逐步閉合，直到擺動到最高點時，剪刃正好完全閉合，完成一次剪切。 剪切完畢后剪刃隨著傳動的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)而逐步收回，同時擺動位置也回到零位，等待下一次剪切。 擺剪的控制需要將擺動傳動與剪刃傳動分開控制，另外需要安裝兩個增量編碼器分別用于檢測擺動角度與剪刃角度，這兩個角度用來實現(xiàn)擺動與剪刃在剪切時的角度配合。

5 上位機(jī)HMI 功能

人機(jī)界面在棒材生產(chǎn)線起到至關(guān)重要的作用，棒材生產(chǎn)線各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定及工作模式選擇等都需要在上位機(jī)HMI 上操作。加熱爐控制需要對燃燒系統(tǒng)的溫控參數(shù)、換向參數(shù)等進(jìn)行設(shè)定；軋線控制需要有保存軋制表與調(diào)用軋制表等功能； 精整區(qū)域需要對定尺長度、棒材計數(shù)值及打捆道數(shù)等進(jìn)行設(shè)定。 除此之外，上位機(jī)HMI 還需要有報警記錄、曲線查詢及報表查詢等功能。

6 結(jié)束語

隨著生產(chǎn)的需要，棒材生產(chǎn)線需要引進(jìn)更為先進(jìn)的自動化技術(shù)，用于代替目前生產(chǎn)線上較為危險和勞動量較大的崗位，例如：軋線換孔型的工作、冷床整理亂鋼的工作及三鍛鏈數(shù)鋼與拖鋼的工作等。 這類工作將來完全可以依靠特種自動化設(shè)備或工業(yè)機(jī)器人來完成。 未來棒材生產(chǎn)線在自動化技術(shù)不斷進(jìn)步的情況下，將會變得更為安全、效率、節(jié)能。