滿海波, 李 強(qiáng)

(1.四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程系， 四川 攀枝花 617000； 2.攀鋼集團(tuán)西昌鋼釩有限公司 板材廠酸軋作業(yè)區(qū)， 四川 西昌 615000)

0 引 言

退火是金屬熱處理的一種重要工藝，廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)、金屬加工業(yè)。鋼材退火的目的是降低硬度、軟化鋼件，改善塑性和韌性，工藝特性非常重要。冷軋連續(xù)退火是目前全球冷軋帶鋼熱處理較為領(lǐng)先的工藝，經(jīng)該工藝處理后的帶鋼平直度高、表面光滑、板材質(zhì)量高，且退火處理時(shí)間短，加工效率高，因而應(yīng)用廣泛[1-3]。立式連續(xù)退火爐作為連退生產(chǎn)線的重要加工設(shè)備，其自動(dòng)化控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性對帶鋼的表面性能和質(zhì)量影響至關(guān)重要，也是為下游汽車制造廠提供高質(zhì)量帶鋼汽車板的有力保障。

本文在退火爐各工藝段的張力設(shè)定值計(jì)算模型研究優(yōu)化的基礎(chǔ)上，運(yùn)用S7-400PLC、S120變頻器及PCS7軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了退火爐張力閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。

1 連續(xù)退火生產(chǎn)線工藝分析

某冷軋廠的連續(xù)退火生產(chǎn)線工藝如圖1所示。該生產(chǎn)線由帶鋼入口段、清洗段、入口活套、退火爐、出口活套、平整機(jī)、出口段組成[4-5]。入口段主要功能為切除冷軋鋼卷厚度、板形存在瑕疵的首尾部分，并通過焊接機(jī)將前后兩個(gè)鋼卷進(jìn)行首尾自動(dòng)焊接。清洗段可對冷軋鋼卷表面加工殘留物進(jìn)行清除，以確保帶鋼表面清潔[6]。出口段的作用是將退火后的帶鋼進(jìn)行平整機(jī)精整，最后進(jìn)行卷取、稱重、打捆和包裝。本文重點(diǎn)討論的立式退火爐則是對帶鋼進(jìn)行“預(yù)熱段、加熱一段、加熱二段、均熱段、緩冷段、快冷段、過時(shí)效1～3段”共9個(gè)工藝段的處理。

圖1 某冷軋廠連續(xù)退火生產(chǎn)線工藝圖

2 退火爐張力控制分析及控制模型建立

2.1 退火爐張力閉環(huán)控制分析

由于帶鋼在退火爐內(nèi)進(jìn)行加熱、冷卻，因熱脹冷縮會(huì)造成厚度減薄、寬度縮減的變化。如何使帶鋼表面保持平直，厚度、寬度保持不變，以滿足高端用鋼需求，避免形成廢鋼，這對帶鋼的張力控制要求非常高。同時(shí)，良好的張力控制也是確保帶鋼在爐內(nèi)不跑偏、不刮傷、不堆鋼、不斷帶的穩(wěn)定加工保障[7]。

退火爐張力閉環(huán)控制原理如圖2所示[8-10]。為保證帶鋼張力的穩(wěn)定性和高精度，在電動(dòng)機(jī)的速度轉(zhuǎn)矩雙環(huán)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了張力閉環(huán)控制。張力計(jì)將測到的實(shí)際值反饋至張力閉環(huán)中與該段的張力設(shè)定值進(jìn)行比較，兩者的偏差經(jīng)張力調(diào)節(jié)器輸出，再與機(jī)組運(yùn)行速度主設(shè)定值進(jìn)行疊加。最后通過變頻器調(diào)節(jié)主

圖2 退火爐張力閉環(huán)控制原理圖

傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及電流，以保證張力的調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)地穩(wěn)定在設(shè)定值范圍。為防止系統(tǒng)干擾造成轉(zhuǎn)矩的突變，該閉環(huán)對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了限幅控制。

2.2 退火爐張力計(jì)算模型建立

結(jié)合某冷軋廠立式連續(xù)退火爐機(jī)組的工藝及設(shè)備特點(diǎn)，對退火爐9個(gè)工藝段的張力分別用單獨(dú)的張力計(jì)進(jìn)行測量，形成各段的張力控制閉環(huán)。為確保帶鋼的退火質(zhì)量及板型質(zhì)量，根據(jù)退火爐各工藝段帶鋼張力的實(shí)際數(shù)據(jù)分布情況，在原有張力控制基本計(jì)算模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)施在線設(shè)定優(yōu)化和控制模型優(yōu)化，建立適用于退火爐各工藝段的張力預(yù)設(shè)值計(jì)算模型。

(1)

式中:Tmi為爐內(nèi)各工藝段預(yù)設(shè)張力值(i=1，2，…，9)；Kjgn為爐內(nèi)結(jié)構(gòu)特性影響系數(shù)(n=1,2,…,7);Dg為爐內(nèi)各工藝段的爐輥直徑(mm);Kd為帶鋼設(shè)定的不同寬度(d=1,2,…,N);Hd為帶鋼設(shè)定的不同厚度;Qd為帶鋼設(shè)定的不同強(qiáng)度;Kyx為帶鋼影響系數(shù),與熱瓢曲、跑偏、板型等系數(shù)有關(guān)。

在退火爐各工藝段的張力輥控制中，需要注意張力電動(dòng)機(jī)的張力調(diào)整值不能過大，應(yīng)保持輕微調(diào)整的原則，才能保證張力大小的穩(wěn)定和張力曲線的平滑。

在張力電動(dòng)機(jī)的實(shí)際控制中，某工藝段內(nèi)所有張力輥形成的總張力值等于該工藝段內(nèi)的張力預(yù)設(shè)值減去后一工藝段內(nèi)的張力預(yù)設(shè)值。以均熱段、緩冷段這前后兩個(gè)相鄰的工藝段為例，即均熱段的張力輥總張力值=均熱段張力預(yù)設(shè)值-緩冷段的張力預(yù)設(shè)值。故爐內(nèi)各工藝段的張力輥總張力值(即該工藝段的電動(dòng)機(jī)在線張力設(shè)定值)Tactmi(i=1,2,…,9)可使用下式計(jì)算后再進(jìn)行設(shè)定。

Tactmi=

(2)

式中:Tactm1,Tactm2,…,Tactm9分別為退火爐9個(gè)工藝段(預(yù)熱段、加熱1段……過時(shí)效3段)張力電動(dòng)機(jī)的張力設(shè)定計(jì)算值。按此方法，將張力設(shè)定計(jì)算值導(dǎo)入電動(dòng)機(jī)組進(jìn)行試車運(yùn)行，帶鋼未出現(xiàn)跑偏、熱瓢曲等問題。即表明該工藝段的張力設(shè)定計(jì)算合理，繼而以此類推可計(jì)算出退火爐全部工藝段的張力設(shè)定值。

按照式(1)、(2)所列張力模型進(jìn)行計(jì)算，以帶鋼固定寬度為1.5 m，帶鋼入爐厚度在1.0～2.0 mm為例，可計(jì)算出該規(guī)格的帶鋼在退火爐各工藝段的張力電機(jī)的張力設(shè)定值，見表1。

表1 退火爐內(nèi)張力電機(jī)的張力設(shè)定計(jì)算值

表1中，對于某工藝段的張力輥，在按照上述張力計(jì)算模型計(jì)算出張力大小后(見圖2)，退火爐的張力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)會(huì)將張力轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，并通過變頻器去調(diào)節(jié)張力電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流。

在實(shí)際調(diào)試過程中，根據(jù)不同型號帶鋼的寬度、厚度需求，根據(jù)上述張力計(jì)算模型還可計(jì)算出爐內(nèi)各工藝段的張力設(shè)定范圍值，包括正常情況下的平均張力，以及最小、最大張力，以確保張力設(shè)定不超限，避免退火加工過程出現(xiàn)堆鋼、斷帶等極端故障。爐內(nèi)張力電機(jī)的張力設(shè)定范圍見表2。

表2 退火爐張力電機(jī)的張力設(shè)定范圍

3 退火爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 退火爐自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

退火爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，該網(wǎng)絡(luò)包括現(xiàn)場設(shè)備級和車間監(jiān)控級兩部分，分別由現(xiàn)場總線(PROFIBUS-DP)和工業(yè)以太網(wǎng)(Industrial Ethernet)搭建[11-13]。

現(xiàn)場設(shè)備級選用西門子S7-400PLC作為自動(dòng)化站主站(AS)，通過PROFIBUS-DP總線和光纖與遠(yuǎn)程控制柜內(nèi)的ET200M從站、S120變頻器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的張力電動(dòng)機(jī)、速度電動(dòng)機(jī)、電加熱器、風(fēng)機(jī)、張力計(jì)、高溫輻射計(jì)及其他I/O設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)控制。

車間監(jiān)控級則是通過工業(yè)以太網(wǎng)與連續(xù)退火生產(chǎn)線的其他工藝段機(jī)組設(shè)備進(jìn)行通信連接。該網(wǎng)絡(luò)層包括工程師站(ES)、數(shù)學(xué)模型機(jī)、人機(jī)界面(HMI)、現(xiàn)場操作員站(OS)。

3.2 退火爐張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

退火爐張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[14]設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示，該控制系統(tǒng)選用了西門子新一代高性能的S120變頻器，通過與主站PLC的DP通訊，接受主站發(fā)出的控制字、主給定[15]等命令，驅(qū)動(dòng)張力電動(dòng)機(jī)、速度電動(dòng)機(jī)，再經(jīng)減速器對張力輥、速度輥進(jìn)行控制。同時(shí)通過張力計(jì)和脈沖編碼器實(shí)時(shí)檢測張力與速度實(shí)際值。

在張力閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，需要在退火爐內(nèi)各工藝段安裝各自的張力計(jì)對各段的張力進(jìn)行分別測量。通常每個(gè)張力計(jì)有2個(gè)檢測張力的壓頭，安裝在每個(gè)退火爐室的出、入口處的測張輥承兩邊的支座上。張力計(jì)將測量信號接入ET200M從站的AI模塊，經(jīng)PROFIBUS-DP總線反饋至主站S7-400PLC，通過與數(shù)學(xué)模型機(jī)設(shè)定值的比較，對各段的張力分別進(jìn)行閉環(huán)控制程序運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了對張力、速度的精確控制。

3.3 基于PCS7平臺(tái)的PLC程序及人機(jī)界面設(shè)計(jì)

連續(xù)退火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了西門子DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件PCS7，運(yùn)用其下屬STEP7軟件的線協(xié)調(diào)控制器LCO(Line Coordinator)可對張力進(jìn)行精準(zhǔn)的閉環(huán)控制。通過對爐內(nèi)9個(gè)工藝段的張力設(shè)定，并使用FB1762,FB1770等9個(gè)功能塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)化編程。FB功能塊內(nèi)部的程序設(shè)計(jì)主要包括張力值大小、范圍設(shè)定(含在HMI中設(shè)定張力)、建張、消張等控制[9]。其中預(yù)熱段的張力程序設(shè)計(jì)界面局部示例如圖4(a)所示。

系統(tǒng)的人機(jī)界面(HMI)設(shè)計(jì)使用了WinCC軟件，

圖3 退火爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

其中退火爐張力控制HMI設(shè)計(jì)運(yùn)行效果如圖4(b)所示。該HMI直觀、適時(shí)地反映了退火爐機(jī)組主要設(shè)備的運(yùn)行狀況及各工藝段的張力設(shè)定值與反饋值，讓操作與監(jiān)控變得簡單、準(zhǔn)確。

(a) 預(yù)熱段張力控制PLC程序界面

(b) 退火爐張力控制HMI界面

4 退火爐張力控制測試效果分析

4.1 爐內(nèi)張力設(shè)定與反饋曲線在線監(jiān)測分析

按照退火爐張力計(jì)算模型，通過對帶鋼張力設(shè)定值的計(jì)算、設(shè)定、反饋、調(diào)節(jié)，并不斷優(yōu)化，帶鋼的張力控制取得了較好的效果。如圖5所示，通過IDA實(shí)時(shí)曲線分析軟件可對生產(chǎn)過程中爐內(nèi)各工藝段的張力進(jìn)行精確的在線測試與跟蹤記錄[9]。圖中較規(guī)則的藍(lán)色曲線為帶鋼張力設(shè)定值;有輕微波動(dòng)的紅色曲線為張力實(shí)測值?？梢?，張力計(jì)反饋的張力輥實(shí)際張力值與數(shù)學(xué)模型機(jī)設(shè)定的張力值幾乎相等，偏差非常小，嚴(yán)格控制在了設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

藍(lán)線(張力設(shè)定); 紅線(張力反饋)

圖5 退火爐爐內(nèi)張力設(shè)定與反饋曲線在線監(jiān)測

4.2 帶鋼入爐前后寬度、厚度抽樣檢測數(shù)據(jù)分析

通過測寬儀、測厚儀對隨機(jī)抽取的12組帶鋼進(jìn)行了入爐、出爐前后寬度、厚度檢測，檢測數(shù)據(jù)見表3(連退機(jī)組，時(shí)間：2019-01-18)。通過數(shù)據(jù)比較，經(jīng)過退火后的帶鋼，其寬度完全沒有發(fā)生變化，厚度也幾乎沒有減薄，說明退火爐各工藝段的張力設(shè)定合理，閉環(huán)調(diào)節(jié)效果精確，完全滿足生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求。

表3 帶鋼入爐前后寬度、厚度抽樣檢測數(shù)據(jù) mm

5 結(jié) 語

通過對連續(xù)退火爐張力控制原理的分析，建立了適用于退火爐各工藝段的張力設(shè)定值計(jì)算模型。在該數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的兩級自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)及退火爐張力閉環(huán)控制系統(tǒng)架構(gòu)。通過運(yùn)用PCS7軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，對爐內(nèi)張力控制系統(tǒng)進(jìn)行了PLC程序設(shè)計(jì)。通過PLC的結(jié)構(gòu)化編程及閉環(huán)控制運(yùn)算，將控制指令下達(dá)給S120變頻器，實(shí)現(xiàn)了張力電動(dòng)機(jī)的速度及張力的準(zhǔn)確控制。

基于退火爐張力計(jì)算模型構(gòu)建下的自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使退火爐各工藝段的張力得到了合理的控制，保證了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性與準(zhǔn)確性，保證了帶鋼入爐前后寬度、厚度尺寸的一致性，且未出現(xiàn)跑偏、刮傷、堆鋼、斷帶及熱瓢曲現(xiàn)象，退火工藝指標(biāo)完成良好，達(dá)到了生產(chǎn)設(shè)計(jì)的要求。