冷軋帶鋼表面清洗自適應閉環(huán)控制的研究與開發(fā)

葛 祥，賈 建，王浩晴，張 坤

(馬鋼（合肥）板材有限責任公司，安徽合肥 230011)

引言

為防止爐輥結(jié)瘤，冷軋產(chǎn)品在退火、涂鍍等工序前需人工通過控制刷洗電流、電解電流系數(shù)、電導率等參數(shù)對帶鋼表面進行清洗，并間歇性停機測量帶鋼清洗后的反射率以驗證清洗效果，再對工藝參數(shù)修正。為實現(xiàn)帶鋼表面清洗的自動閉環(huán)控制，減少人工干預，提高機組生產(chǎn)節(jié)奏，在清洗段出入口各增加一臺反射率測量裝置，實現(xiàn)根據(jù)清洗段入口帶鋼表面監(jiān)測的反射率值對刷洗電流、電解電流系數(shù)、電導率等工藝參數(shù)進行自動匹配。清洗段出口帶鋼反射率測量裝置用于驗證清洗效果，并對工藝參數(shù)進行及時修正。

1 清洗設備的簡介

目前清洗工藝常采用化學清洗、物理清洗、電解清洗、熱水漂洗及邊部吹掃烘干等方式相結(jié)合，如圖1所示。通過各設備工藝參數(shù)的相互配合以達到帶鋼表面徹底清洗的目的。

圖1 清洗設備布置圖

1.1 刷洗

刷洗設備主要由支撐輥、刷輥、升降機、驅(qū)動組成，如圖2 所示。刷輥和帶鋼表面的接觸壓力可以通過一臺恒速齒輪馬達驅(qū)動的螺旋升降機來調(diào)整，并在升降機調(diào)整范圍內(nèi)增加一套雙向旋轉(zhuǎn)極限開關(guān)以保護調(diào)整電機的同時反饋刷輥刷毛的磨損程度。操作人員在操作畫面（以下簡稱HMI 畫面）上輸入刷輥電流設定值來優(yōu)化清洗效果。

圖2 下置式刷輥

1.2 電解清洗

電解清洗裝置由整流器及電極板及電解液構(gòu)成，其工作原理如圖3所示，利用電解過程中產(chǎn)生的氫、氧氣體清理帶鋼表面微細溝槽和凹穴中殘留的油和灰塵。主線PLC 根據(jù)帶鋼寬度及機組速度計算出電流設定值發(fā)送給電解整流器，電解整流器向電解槽內(nèi)提供直流電。操作人員在HMI 上輸入電解電流系數(shù)來優(yōu)化清洗效果。

圖3 電解清洗的工作原理

2 清洗控制的優(yōu)化

在原設計的基礎(chǔ)上進行功能優(yōu)化，通過新增兩臺反射率測量裝置及PLC 控制系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)了帶鋼表面清洗自適應控制。并針對生產(chǎn)期間刷洗電流精度不夠、電解槽發(fā)生爆鳴及帶鋼邊部殘留水漬等問題，進行了改造與優(yōu)化。

2.1 反射率測量裝置

新增兩臺反射率測量裝置，分別安裝于挖邊剪和干燥風箱后，反射率測量裝置由成像系統(tǒng)、機械裝置、運算處理系統(tǒng)等組成。成像系統(tǒng)是模塊的核心，由工業(yè)相機和反射光源組成。機械裝置由檢測橋架、調(diào)整機構(gòu)以及相機保護箱等組成，主要起到支撐、防護、穩(wěn)定和調(diào)整作用。運算處理單元由專用圖像處理板卡組成，實現(xiàn)對反射率數(shù)值進行處理。

2.2 PLC控制系統(tǒng)開發(fā)

為實現(xiàn)帶鋼清洗工藝的自動閉環(huán)控制，針對新增的兩臺反射率測量裝置的數(shù)據(jù)處理，自主開發(fā)并完善了PLC 控制程序，如圖4 所示。反射率測量裝置通過Profibus-DP 網(wǎng)絡將在線反射率監(jiān)測值傳送給主線PLC，主線PLC 再將1#反射率測量裝置監(jiān)測值進行層級劃分，根據(jù)不同層級的反射率值自行對刷洗電流、電解電流系數(shù)、堿液濃度等工藝參數(shù)值進行設定。主線PLC 再根據(jù)2#反射率測量裝置反饋值判斷清洗效果，當2#反射率值高于94%時，刷洗電流、電解電流系數(shù)、堿液濃度等工藝參數(shù)不予調(diào)整；當2#反射率值低于94%且超過2 s 時，主線PLC將對刷洗電流、電解電流系數(shù)、堿液濃度等工藝參數(shù)進行相應校正，以優(yōu)化清洗效果；當2#反射率值低于80%且超過3 s 時，清洗段HMI 畫面報警設備停機，隨后進入人工干預模式，以保證清洗效果。鑒于對調(diào)整設備的保護并結(jié)合實際清洗效果，通過多次實踐摸索，將反射率測量值劃分為15 個層級，將2#反射率裝置校正幅度設定為5%。

圖4 PLC程序編寫與設計（局部圖）

2.3 刷洗電流精度優(yōu)化

出于對調(diào)整電機的保護，在PLC 程序內(nèi)設置了刷洗電流1A的調(diào)整“死區(qū)間”，導致刷洗電流精度不夠，影響清洗質(zhì)量。通過在HMI 畫面上增加調(diào)整按鈕，操作人員根據(jù)刷洗電流實際值與設定值之間偏差值，按HM畫面上“＋”、“－”來微調(diào)刷洗電流值。

2.4 電解槽爆鳴優(yōu)化

當電解整流器輸出值超過額定值75%以上時，排氫風機原設計由于風量小，無法及時排出電解時產(chǎn)生的H2和O2，導致電解槽內(nèi)產(chǎn)生間斷性異響，因此將排氫風機由恒速電機改成變頻控制并對其進行擴容。此外電極板原設計為不銹鋼材質(zhì)，耐電流能力有限，易燒紅異響，因此將其更換為銅質(zhì)板后，徹底解決了電解槽爆鳴問題。

2.5 邊部殘留水漬

邊部吹掃裝置原設計為噴嘴位置固定不可移動，無法實現(xiàn)根據(jù)帶鋼規(guī)格的變化自動尋邊吹掃，導致帶鋼邊部帶出的殘油、殘堿進入爐區(qū)，影響帶鋼質(zhì)量。因此通過對邊部吹掃裝置增設噴嘴連接蝸桿、驅(qū)動電機及帶鋼邊部檢測光柵，編寫PLC 控制程序并優(yōu)化HMI 畫面，實現(xiàn)了邊部吹掃裝置的實時調(diào)整功能。

3 清洗效果

通過對清洗設備的功能優(yōu)化，在不斷地完善清洗自適應控制數(shù)據(jù)模型后，最終實現(xiàn)了清洗的自動閉環(huán)控制。通過對2019 年度清洗設備功能優(yōu)化前后不同鋼種反射率值的數(shù)據(jù)記錄對比來看,帶鋼清洗效果改善顯著，如表1所示。

表1 2019年度功能優(yōu)化前后帶鋼清洗前后反射率對比表

4 結(jié)語

國內(nèi)冷軋清洗機組普遍采用的是人工控制刷洗電流、電解電流系數(shù)、堿液濃度等工藝參數(shù)以達到清洗效果，馬鋼（合肥）板材公司就提高連退機組帶鋼表面清洗質(zhì)量而自主開發(fā)的這套清洗自動閉環(huán)控制系統(tǒng)，并對清洗工藝進行了一系列優(yōu)化，在解決了帶鋼表面清洗控制難的同時也保障了清洗質(zhì)量的穩(wěn)定性。隨著后期PLC 控制系統(tǒng)的不斷完善，帶鋼清洗效果將得到進一步提高。