李洪彬王 盈/.天津市博技機電高科技有限公司.天津市北洋天澤智能機器人科技有限公司

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淺談自動化控制在穿水工藝中的應(yīng)用

李洪彬1王 盈2/1.天津市博技機電高科技有限公司2.天津市北洋天澤智能機器人科技有限公司

【摘 要】隨著時代的進步和科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備逐步被現(xiàn)代化的生產(chǎn)設(shè)備所取代。自動化設(shè)備將成為生產(chǎn)型企業(yè)的主導(dǎo)，自動化的生產(chǎn)工藝也將逐步被推廣。

【關(guān)鍵詞】穿水；自動化；恒壓控制；棒材軋制

引言

隨著近幾年迅速崛起的房地產(chǎn)行業(yè)，螺紋鋼在建筑行業(yè)的需求量大量增加，各地的小型鋼廠猶如雨后春筍。然而傳統(tǒng)的熱軋工藝為了滿足特定的材料力學(xué)性能要求，都要加入一些特殊的合金元素，靠化學(xué)方法來滿足最終力學(xué)的性能要求，這不僅僅使鋼坯生產(chǎn)過程復(fù)雜化，而且還會因為添加合金使得碳當(dāng)量增加，從而影響到材料的焊接性能。這就使得傳統(tǒng)的熱軋工藝有了一定的劣勢。近些年，通過對穿水工藝的研究和反復(fù)實踐，軋鋼加入穿水工藝不僅僅可以提高鋼筋的力學(xué)性能，降低成本，而且能夠改善產(chǎn)品的表面質(zhì)量，消除氧化氣泡，同時能夠減少彎頭的數(shù)量，提高產(chǎn)品合格率，因此穿水工藝在軋鋼行業(yè)大步推進。但是傳統(tǒng)的穿水設(shè)備由于沒有智能的檢測器件，迅速的壓力調(diào)節(jié)和精準的溫度控制，完全靠人工調(diào)節(jié)控制，導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性很差。管理者為了降低更多的成本，獲取更大的利潤，提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，穿水設(shè)備的自動化控制已成必然趨勢。

1.穿水工藝要求

為了實現(xiàn)穿水設(shè)備的自動化，首先要簡單了解一下穿水的工藝要求。以φ 12螺紋鋼的軋制過程為例。

1.1原料成分要求

要求轉(zhuǎn)爐煉鋼成分基本均勻、純凈度、偏析度符合國際標準。原料牌號：HRB335

目標牌號：HRB400

原料各化學(xué)成分要求如下：

C(%)0.20～0.25,

SI(%)0.4～0.8,

Mn(%)1.2～1.6,

S、P(%)<0.04,

Ceq(%)>0.42,

1.2各點溫度控制要求

加熱爐出鋼溫度：1100℃±30℃

粗軋溫度：1100℃±20℃

精軋溫度：1050℃±30℃

穿水入口溫度：1050℃±30℃

穿水出口溫度：420℃±30℃

冷穿回火溫度：650℃±30℃

1.3冷卻水及反吹氣參數(shù)的控制要求

冷卻水溫度要求：<40℃

冷卻水總流量要求：900m3/h

冷卻水壓力要求：（到穿水壓力、壓力穩(wěn)定）不小于1.0MPa

供氣要求：供氣點到穿水旁，每處供氣壓力大于0.5MPa

壓縮空氣的總最大耗量：小于7m3/h，壓力范圍0.4～0.6MPa

1.4鋼材速度

穿水入口速度：14m/s

穿水時間：0.9s

1.5軋制過程中工藝要求

依據(jù)工藝技術(shù)參數(shù)的要求，確保泵組、供氣的正常使用。

依據(jù)工藝技術(shù)參數(shù)的要求，確保軋線各節(jié)點溫度在工藝要求范圍內(nèi)調(diào)節(jié)粗、中、精軋制的推拉關(guān)系，確保粗、中微張力狀態(tài)，精軋無張力狀態(tài)。

1.6成品力學(xué)性能檢測實驗

取20支樣品，其中10支應(yīng)馬上檢驗，另外10支過三個月時效后進行檢驗。

依據(jù)GB1499.2-2007標準中HRB400的力學(xué)性能和工藝性能要求進行檢測：軋后屈服強度Rel≥460MPa;抗拉強度Rm≥570 MPa;延伸率A≥17%視為合格。三個月時效后，力學(xué)性能應(yīng)高于國際：屈服強度Rel≥435MPa;抗拉強度Rm≥560 MPa;延伸率A≥17%視為合格。

2.穿水系統(tǒng)的構(gòu)成

根據(jù)穿水工藝的要求，首先總結(jié)一下穿水系統(tǒng)設(shè)備由哪些組成：

2.1供水系統(tǒng)

穿水的供水系統(tǒng)一般是獨立于軋機水處理站以外的冷卻水處理系統(tǒng)，有自己的高壓水泵，水箱，冷卻器，水池，供水泵，自成一套系統(tǒng)。

2.2冷卻水箱

冷卻水箱裝置由內(nèi)部冷卻器、箱體、橫移小車及替換輥道組成。小斷面的棒材一般采用套管冷卻器，根據(jù)棒材的規(guī)格，一般安裝2-4段。水箱一般采用蓋板密封。替換輥道是根據(jù)生產(chǎn)需要配置的，當(dāng)不使用穿水時，通過小車橫移將冷卻器移離軋制線。

2.3控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)分為手動控制系統(tǒng)，半自動控制系統(tǒng)，全自動控制系統(tǒng)。

手動系統(tǒng)中無智能檢測器件，完全靠人工憑經(jīng)驗控制閥門的開度，來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力。產(chǎn)品的穩(wěn)定性較差。

半自動系統(tǒng)中有大部分的智能檢測器件，根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)閥門的開度，水泵的轉(zhuǎn)速，但壓力的設(shè)定，溫度的監(jiān)控，由人工通過上位機的人機界面進行干預(yù)。系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高，產(chǎn)品的穩(wěn)定性也較高。

全自動控制系統(tǒng)中，全部由智能檢測器件檢測，根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)閥門的開度，水泵的轉(zhuǎn)速，控制穿水的壓力，沒有人工的干預(yù)。由于沒有人工干預(yù)，系統(tǒng)運行過程中的不確定因素很多，系統(tǒng)的穩(wěn)定性反而不高，一般不采用。

綜上穿水工藝的要求，為了實現(xiàn)穿水設(shè)備的自動化，自動化系統(tǒng)應(yīng)滿足以下數(shù)據(jù)的采集：

2.3.1穿水各節(jié)點的鋼的溫度要實時采集。

2.3.2穿水水的溫度要實時采集。

2.3.3穿水的水流流量要實時采集。

2.3.4穿水的總管壓力要實時采集。

2.3.5穿水的分管壓力要實時采集。

3.自動控制系統(tǒng)的組成

穿水自動控制系統(tǒng)一般由檢測儀表，執(zhí)行機構(gòu)及PLC組成，為一閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3.1檢測原件包括：電磁流量計，測量總管的流量；熱電阻，測量水的溫度；壓力傳感器，測量總管及分管的壓力；紅外溫度測量儀，測量鋼的溫度。

3.2執(zhí)行機構(gòu)包括：電動調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)閥門的開度；泄壓閥，壓力過高時自動打開；氣動開閉閥，自動控制閥門的開關(guān)。

3.3PLC系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

3.3.1CPU315PN/DP(6ES7 315-2EH14-0AB0)整個系統(tǒng)的大腦，負責(zé)通訊，運算，控制整個系統(tǒng)。

3.3.2DI32(6ES7 321-1BL00-0AA0)采集系統(tǒng)中開工量輸入點。

3.3.3DO32(6ES7 322-1BHL00-0AA0)開關(guān)量輸出，控制執(zhí)行機構(gòu)動作。

3.3.4AI8(6ES7 331-7KF02-0AB0)采集系統(tǒng)中的模擬量信號。

3.3.5AO2(6ES7 332-5HB01-0AB0)控制電動調(diào)節(jié)閥的開度。

3.3.6變頻器（ATV61FHC22N4Z）配PROFIBUS通訊板。

3.3.7上位機（研華工控機）利用WINCC7.0組態(tài)軟件組態(tài)人機界面。

4.自動控制系統(tǒng)的配置及功能

4.1系統(tǒng)的配置

系統(tǒng)選用的是西門子公司S7-300系列的PLC,其中DI,DO,AI,AO與PLC為一系列產(chǎn)品，不需要做過多的配置，直接連在一個機架上即可。主要是PLC與施耐德ATV61變頻器進行硬件的連接及組態(tài)，建立PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。將變頻器通過PROFIBUS通訊模板連接到S7-300 PLC的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中，采用了STEP7中的特殊功能塊SFC14“DPRD-DAT”讀取DP從站的連續(xù)數(shù)據(jù)，采用SFC15“DPWR-DAT”向DP從站寫連續(xù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了變頻器與S7-300的網(wǎng)絡(luò)通訊，從而實現(xiàn)PLC可以通過總線控制變頻的啟停、速度給定和監(jiān)控變頻器的狀態(tài)。

利用S7-300上的以太網(wǎng)接口，通過RJ-45，超5類網(wǎng)線連接到上位機的以太網(wǎng)接口上，將PLC的IP地址和上位機的IP地址設(shè)置在同一網(wǎng)段，從而實現(xiàn)PLC與上位機的以太網(wǎng)通訊?？梢栽谏衔粰C上組態(tài)人機界面，監(jiān)控溫度，設(shè)定壓力等。

4.2系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)

穿水系統(tǒng)要求供水壓力穩(wěn)定，調(diào)節(jié)迅速。

根據(jù)穿水供水的工藝要求，保證供水系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，采用變頻調(diào)速裝置，實現(xiàn)壓力閉環(huán)控制，能夠滿足其恒壓要求。對于泵類負載采用以壓力為參量的雙閉環(huán)串級調(diào)速控制系統(tǒng)，以速度為內(nèi)環(huán)，壓力為外環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)。為了使被控壓力維持在設(shè)定壓力，當(dāng)壓力降低不能滿足要求時，反饋信號(壓力)減少，控制系統(tǒng)自動控制，使電機增速，使供水管道水流產(chǎn)生加速度，進步水壓，以維持輸水管道要求的供水壓力。當(dāng)一臺水泵不能達到設(shè)定的壓力要求時，另外一臺水泵自動投入運行，進行變頻調(diào)速，第一臺水泵切換到工頻40Hz運行。

程序由STEP7 V5.5編輯，PID控制塊為FB41。調(diào)用FB41需要背景數(shù)據(jù)塊，假設(shè)為DB100。

其主要管腳為：

MAN_ON BOOL TRUE MANUAL VALUE ON如果設(shè)置輸入"啟用手動值"，將中斷控制回路。手動值作為操作值進行設(shè)置。

PV PE R _ ON BOOL F AL SE PR OCE SS V AR IABL E PERIPHERAL ON如果從I/O讀取過程變量，必須將輸入PV_PER連接到I/O，且必須設(shè)置輸入"啟用過程變量外設(shè)"。一般置0。

P_SEL BOOL TRUE PROPORTIONAL ACTION ON可以在PID算法中單獨激活或取消激活PID操作。如果設(shè)置輸入"啟用比例作用"，將啟用P操作。一般置1。

I_SEL BOOL TRUE INTEGRAL ACTION ON可以在PID算法中單獨激活或取消激活PID操作。如果設(shè)置輸入"啟用積分作用"，將啟用I操作。 DEADB_W REAL >= 0.0 (%)或物理值1) 0.0 DEAD BAND WIDTH將死區(qū)應(yīng)用于出錯。"死區(qū)帶寬"輸入決定死區(qū)的大小。一般設(shè)0.05。

LMN_PER WORD W#16#0000 MANIPULATED VALUE PERIPHERAL將I/O格式的操作值連接到"操作值外設(shè)"輸出的控制器。設(shè)給變頻器速度的地址。

程序編寫好以后，在OB1中調(diào)用，啟動系統(tǒng)，根據(jù)上位機上設(shè)定的壓力值和系統(tǒng)反饋的壓力值作為系統(tǒng)的給定值和反饋值，調(diào)節(jié)系統(tǒng)比例系數(shù)和積分時間，直到系統(tǒng)快速穩(wěn)定的達到設(shè)定的壓力值。經(jīng)過一段的時間的調(diào)試后得出P=0.004,I=0.25,系統(tǒng)穩(wěn)定。

5.結(jié)束語

由于穿水設(shè)備的大量安裝調(diào)試，以前舊的控制工藝，逐漸暴露出它的很多缺點和不足。這套穿水控制系統(tǒng)具有反應(yīng)快速，穩(wěn)定，可靠，調(diào)節(jié)精度高，人工成本底，維護簡單，系統(tǒng)配置增減靈活，性價比高等優(yōu)點，必將逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的穿水控制系統(tǒng)。

參考文獻：

[1]《棒材生產(chǎn)線及穿水冷卻系統(tǒng)》程知松，余偉，劉濤等北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心

[2]《HRB335螺紋鋼筋穿水冷卻金相組織分析》 物理測試[J]2008，26（2）：23-25