裴紅平,郭強(qiáng),張飛,項(xiàng)曉菲,宗勝悅,申屠南凱,韓紅鋼

(1.北京科技大學(xué) 高效軋制國(guó)家工程研究中心,北京 100083;2.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司 熱軋總廠,湖北 武漢 430083)

武鋼一熱軋改造后粗軋區(qū)控制系統(tǒng)

裴紅平1,郭強(qiáng)1,張飛1,項(xiàng)曉菲1,宗勝悅1,申屠南凱1,韓紅鋼2

(1.北京科技大學(xué) 高效軋制國(guó)家工程研究中心,北京 100083;2.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司 熱軋總廠,湖北 武漢 430083)

武鋼一熱軋的工藝布置方案為目前國(guó)內(nèi)少有的3/4連軋方式,這種布置方案不僅使得軋線上粗軋區(qū)的長(zhǎng)度大大超出半連軋布置方案,而且對(duì)粗軋區(qū)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)也提出了更多的要求,除了需具備一般熱軋廠單機(jī)架粗軋機(jī)的所有功能之外,還必須具備連軋的功能。根據(jù)該廠的具體情況,設(shè)計(jì)了粗軋區(qū)控制系統(tǒng)。運(yùn)行結(jié)果證明,控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作方便快捷,很好地滿足了用戶的需求。

粗軋;熱連軋;控制系統(tǒng);軟保護(hù)措施;微張力控制

1 引言

武鋼一熱軋(1 700 mm熱軋廠)于1978年投入運(yùn)行,該廠先后進(jìn)行過多次改造升級(jí),其中規(guī)模最大的一次是在2009年4月份由國(guó)內(nèi)自主完成的,這次改造的內(nèi)容包括新建全線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、替換大部分傳動(dòng)裝置以及改造部分機(jī)械設(shè)備。

2 粗軋區(qū)主要設(shè)備及儀表布置

武鋼一熱軋粗軋區(qū)改造后的工藝布置方案仍然采用改造前的模式,4個(gè)粗軋機(jī)和4個(gè)立輥,其布置圖如圖1所示。板坯從爐區(qū)運(yùn)來(lái)后,先經(jīng)過大立輥VSB擠壓破鱗,然后由二輥軋機(jī)R1軋制一個(gè)道次,之后經(jīng)過帶立輥軋機(jī)的4輥軋機(jī) R2軋制3～7個(gè)道次后,運(yùn)往 R3,R4進(jìn)行連軋,最后將軋后的中間坯經(jīng)E輥道送往精軋。

此次改造,設(shè)備方面,新增E2 AWC液壓缸和R2 AGC液壓缸,將R2前、后的電動(dòng)側(cè)導(dǎo)板改為伺服閥控制的液壓側(cè)導(dǎo)板,將原來(lái)直流傳動(dòng)的D輥道的大部分改為由西門子6SE70控制的交流傳動(dòng)系統(tǒng),將R2主傳動(dòng)的控制系統(tǒng)改為由改造前的4個(gè)精軋機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組合;儀表方面,熱金屬檢測(cè)器HMD還遵循了原來(lái)的布置方案,即每組輥道的末端以及每個(gè)平輥軋機(jī)后設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn),高溫計(jì)PHT和測(cè)寬儀原來(lái)都只有R4軋機(jī)后一個(gè)檢測(cè)點(diǎn),改造后高溫計(jì)新增2個(gè)檢測(cè)點(diǎn),分別設(shè)置在R2入口和出口,測(cè)寬儀新增一個(gè),位于R2出口處。其詳細(xì)布置如圖1所示。

圖1 粗軋區(qū)設(shè)備及儀表布置Fig.1 Devices and instruments of rough mill region

3 控制系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

針對(duì)粗軋區(qū)的設(shè)備狀況以及工藝要求,粗軋區(qū)的控制系統(tǒng)配置如下。

1)設(shè)置2臺(tái)過程控制服務(wù)器,互為備用,作為L(zhǎng)2級(jí),完成粗軋區(qū)的設(shè)定任務(wù)。粗軋?jiān)O(shè)定包括初次設(shè)定和R3-R4再設(shè)定,初次設(shè)定是指當(dāng)板坯從加熱爐抽出,到達(dá)C1輥道時(shí),L2根據(jù)來(lái)料計(jì)劃由模型計(jì)算出它在粗軋區(qū)軋制時(shí)粗軋區(qū)各設(shè)備的軋制參數(shù),包括各機(jī)架的輥縫位置、側(cè)導(dǎo)板的開度大小、軋機(jī)在軋制各階段(咬鋼、軋制和拋鋼)的速度、除磷水的開閉狀態(tài)等,計(jì)算完畢后下發(fā)給粗軋L1系統(tǒng);R3-R4再設(shè)定是指當(dāng)R2軋末道次時(shí),L2根據(jù)L1采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重新計(jì)算一次R3和R4的軋制參數(shù),在R2軋末道次的過程中發(fā)送給L1系統(tǒng)。

2)設(shè)置1臺(tái)HMI服務(wù)器和4臺(tái)HMI客戶端,客戶端通過加載服務(wù)器的數(shù)據(jù)包來(lái)調(diào)用服務(wù)器上的畫面?？蛻舳酥糜诓僮髋_(tái),供操作人員監(jiān)控和操作,服務(wù)器放置于粗軋的值班室,供電氣人員維護(hù)使用。

3)設(shè)置3臺(tái)Siemens高性能控制器TDC作為L(zhǎng)1控制器,并且設(shè)置1臺(tái)GDM(global data memory),實(shí)現(xiàn)3臺(tái)控制器之間的數(shù)據(jù)快速交換。3臺(tái)控制器配合完成E1～E4 4個(gè)立輥軋機(jī)、R1～R4 4個(gè)平輥軋機(jī)以及各軋機(jī)相關(guān)設(shè)備的控制。

4)設(shè)置1臺(tái)過程數(shù)據(jù)記錄儀,實(shí)時(shí)讀取3臺(tái)TDC中的重要數(shù)據(jù),并將其記錄存檔,方便故障時(shí)查找問題原因。

5)設(shè)置若干ET200S(M)站,收集現(xiàn)場(chǎng)的IO數(shù)據(jù),通過Profibus-DP將其傳送到相應(yīng)的TDC,控制上所需的快速信號(hào)則直接接入TDC的SM500信號(hào)模板。

詳細(xì)的配置及網(wǎng)絡(luò)圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Configuration and network framework of the sy stem

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 人機(jī)交互界面

該廠的人機(jī)交互界面(HMI)統(tǒng)一采用西門子的WinCC(windows control center)V6.0,它集成了SCADA、組態(tài)、腳本語(yǔ)言和OPC等先進(jìn)技術(shù),為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能,用戶在其友好的界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理,可形成所需的操作畫面、監(jiān)控畫面、控制畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線和打印報(bào)表等[1]。

基于WinCC平臺(tái)設(shè)計(jì)的粗軋區(qū)HMI系統(tǒng)由主畫面、連鎖邏輯、零調(diào)標(biāo)定、趨勢(shì)曲線和二級(jí)設(shè)定5個(gè)主要部分組成,其中主畫面包括區(qū)域信息、傳動(dòng)監(jiān)控、參數(shù)修改、TDC電源監(jiān)控、輔助盤電源監(jiān)控、AWC和AGC 7個(gè)分畫面,且主畫面按鈕設(shè)有下拉菜單,包括粗軋控制、鋼板吊銷、HMD測(cè)試3個(gè)彈出窗口;邏輯連鎖下又分為啟車連鎖、供電連鎖、換輥極限3個(gè)分畫面;零調(diào)標(biāo)定中分為零調(diào)、標(biāo)定和測(cè)試3個(gè)分畫面;趨勢(shì)曲線中包含R1,R2,R3,R4,PH T(高溫計(jì)),Width(寬度),R3-R4,AWC 8個(gè)分畫面;二級(jí)設(shè)定主畫面下包含粗軋模型、換崗交接班、軋輥數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、軋輥數(shù)據(jù)修改、班組統(tǒng)計(jì)等。另外,每幅畫面上端的信息都是一樣的:左邊,顯示該系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位的標(biāo)志及名稱以及當(dāng)前畫面的名稱;中間頂端顯示本區(qū)的最近一個(gè)報(bào)警記錄,報(bào)警記錄的下面是畫面的主按鈕區(qū),共有6個(gè),通過點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕可以切換到相應(yīng)的畫面;右邊依次為報(bào)警記錄、系統(tǒng)登錄用戶切換、快速控制選擇切換、重起計(jì)算機(jī)快捷鍵以及該系統(tǒng)當(dāng)前的登錄用戶、計(jì)算機(jī)名和系統(tǒng)時(shí)間顯示等,操作工通過畫面,再配合操作臺(tái)的薄膜鍵盤,可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)軋制過程的監(jiān)控和干預(yù)。

4.2 控制系統(tǒng)主要功能

改造后該廠控制程序的編寫平臺(tái)使用西門子的SIMATIC Step7 V5.4以及 SIMATIC D7-SYS V6.2,由于該廠的特殊布局,粗軋區(qū)控制系統(tǒng)必須同時(shí)具備可逆軋制和連軋的功能,另外為了使得鋼在粗軋區(qū)快速、平穩(wěn)、安全地軋制,針對(duì)該廠的具體情況,在控制上還采取了一系列的軟保護(hù)措施,包括碰撞保護(hù)、跑道次保護(hù)等,下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

4.2.1 R2可逆軋制

4個(gè)粗軋機(jī)中R2為可逆軋機(jī),可逆軋制過程中要求低速咬鋼、高速軋制和低速拋鋼,要完成這個(gè)任務(wù),必須計(jì)算出從咬鋼開始經(jīng)過多長(zhǎng)時(shí)間后開始減速能使得鋼正好以設(shè)定的拋鋼速度離開軋機(jī)。另外,還要求軋機(jī)正反軋制的切換時(shí)間盡量短暫,盡可能減小溫降。所以要求道次間的拋鋼距離控制在合適的位置。R1到R3之間的D輥道中D3～D10配合R2完成正反兩個(gè)方向的軋制。

4.2.2 R2雪橇及負(fù)荷平衡控制

R2軋機(jī)的主傳動(dòng)為上、下輥單獨(dú)傳動(dòng),具備雪橇控制和負(fù)荷平衡控制的功能,雪橇控制功能調(diào)節(jié)鋼的翹頭或叩頭,負(fù)荷平衡功能調(diào)節(jié)上下輥的負(fù)荷,保護(hù)主電機(jī)[2-4]。這兩個(gè)功能分段作用在粗軋每一道次的軋制過程中,雪橇控制在帶鋼頭部起作用,負(fù)荷平衡控制在雪橇控制之后起作用。

4.2.3 R3-R4微張力控制

該廠粗軋區(qū)R3與R4間的距離為9.8 m,當(dāng)R3與R4均投入使用時(shí),R2軋機(jī)軋完3～7個(gè)道次后的中間坯通過R3與R4時(shí),兩者之間必然形成連軋關(guān)系。由于 R4為交流同步機(jī),速度不可控,所以R3-R4間微張力控制是指調(diào)節(jié)R3主機(jī)的速度,使得R3與R4間既不堆鋼也不拉鋼,使鋼平穩(wěn)、安全地完成在R3-R4之間的軋制[5-6]。

微張力控制采用“頭部力臂記憶(軋制力軋制力矩比記憶)法”,通過微調(diào)R3的速度來(lái)保持兩者間的張力。計(jì)算如下:

式中:M為軋制力矩;P為軋制力;L為軋制力力臂;R為軋輥半徑;TB,TF為后張力和前張力。

由此可得,軋制力與軋制力矩比:

在R3咬鋼后R4咬鋼前,TB=TF=0,此時(shí)M0/P0=2L,當(dāng)R4咬鋼后,R3與R4間產(chǎn)生張力及R3的前張力,后張力仍然為0,此時(shí),軋制力與軋制力矩比為

式中:下標(biāo) k為采樣次數(shù)。

所以,R4咬鋼后,R3前張力為

設(shè)定前張力為TAim,則張力偏差為T=TF-TAim,通過T的變化來(lái)調(diào)節(jié)R3的速度,從而達(dá)到R3與R4之間的微張力控制。

4.2.4 碰撞保護(hù)

為了使得在粗軋區(qū)內(nèi)的2塊或3塊鋼在軋制時(shí)互不干擾,粗軋程序具有碰撞檢測(cè)功能,包括VSB-R1區(qū)與R2區(qū)之間、R2區(qū)與R3-R4區(qū)之間以及R3-R4區(qū)與精軋區(qū)之間3處碰撞檢測(cè),當(dāng)檢測(cè)會(huì)出現(xiàn)碰撞時(shí),粗軋區(qū)相應(yīng)的輥道會(huì)自動(dòng)停轉(zhuǎn),禁止前一區(qū)域的鋼進(jìn)入下一區(qū)域。出現(xiàn)這種情況后,由操作工自己決定如何處理。

4.2.5 道次保護(hù)

為了防止鋼在R2區(qū)還沒有完成設(shè)定道次的軋制時(shí)就被送到R3進(jìn)行軋制,設(shè)置了道次保護(hù)措施,當(dāng)R2區(qū)當(dāng)前道次不是首道次(已完成設(shè)定道次的軋制)時(shí),如果鋼到達(dá)熱金屬檢測(cè)器HMD44,則強(qiáng)行將鋼停在輥道上,同時(shí),蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警,提醒操作工。

4.2.6 APC未到位提醒

當(dāng)板坯進(jìn)入粗軋區(qū)各個(gè)區(qū)域前,程序會(huì)自動(dòng)檢測(cè)相關(guān)的各個(gè)APC回路的反饋值與二級(jí)的設(shè)定值的偏差是否在允許的范圍內(nèi)[7],如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)回路的偏差太大,則用蜂鳴器提醒操作人員,同時(shí)在報(bào)警中會(huì)顯示是哪個(gè)偏差太大,這種情況下,操作人員可以選擇人工調(diào)整反饋值至設(shè)定值附近也可以選擇忽略此偏差,直接強(qiáng)制鋼坯進(jìn)入。

5 結(jié)論

此次改造取得了預(yù)期的效果,首先,改造前,在軋鋼過程中,操作工時(shí)刻控制設(shè)備的運(yùn)行,手動(dòng)加腳踩,工作強(qiáng)度大,精神高度緊張;改造后,由于采用自動(dòng)方式軋制且報(bào)警系統(tǒng)比較完善,操作工只需在特殊情況下干預(yù)軋制過程,大大減小了工作強(qiáng)度。其次,故障時(shí)間大大減小,由于采用自動(dòng)軋制,保護(hù)措施完善,故障率大大降低。

[1] 蘇昆哲.深入淺出西門子Wincc V6[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[2] 曾慶亮,趙濟(jì)秀,馬建忠,等.雪橇控制和負(fù)荷平衡特性在中板軋機(jī)上的實(shí)現(xiàn)[J].軋鋼,2001,18(4):53-54.

[3] 張清東,孫林,陳先霖,等.2800四輥軋機(jī)板形控制功能完善及雪橇板控制功能優(yōu)化[J].冶金設(shè)備,2005,149(1):10-13.

[4] 李曉燕,范少全,李美霞,等.SIM ADYN D控制系統(tǒng)在中板軋機(jī)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng),2007,37(7):62-64.

[5] 劉斌.粗軋機(jī)連軋微張力控制優(yōu)化[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化,2005(12):85-87.

[6] 穆學(xué)仁,張敬民.連軋生產(chǎn)中粗中軋機(jī)組的微張力控制[J].軋鋼,1999(2):24-26.

[7] 鄧健,郭甜.APC在熱連軋粗軋自動(dòng)壓下中的應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2009(10):130-131.

修改稿日期:2010-09-01

Rough Mill Control System for the Renovated No.1 Hot Strip Steel Mill in WISCO

PEI Hong-ping1,GUO Qiang1,ZHANG Fei1,XIANG Xiao-fei1,ZONG Sheng-yue1,SHENT U Nan-kai1,HAN Hong-gang2

(1.National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.Hot Strip Steel Mill in Wuhan Iron and Steel(Group)Corporation,Wuhan 430083,Hubei,China)

The processing set-up of the No.1 hot strip steel mill in WISCO is 3/4 tandem rolling which is rarely used in China,it not only makes the length of rough mill much longer than that of the 1/2 tandem rolling mill,but also makes the automatic control system for rough mill more complex,it needs the control system to have both the functions for reversible rolling and the functions for continuous rolling.Based on the actualconditions of the mill,rough mill automatic control system was designed.The practices proves that the control system is steady,reliable and easy for operation,and it can satisfy the requirement of the user.

rough mill;hot strip steel mill;control system;soft protective measures;micro-tension control

TP273

A

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2009AA04Z163)

裴紅平(1979―),女,碩士,工程師,Email:peihongping@163.com

2010-04-14