重庆钢铁厚板产线中间坯冷却装置自动控制系统的开发与应用

重庆钢铁厚板产线中间坯冷却装置自动控制系统的开发与应用

李  波，明 兵、胡家俊、宋红英

(重庆钢铁股份有限公司设备管理部  重庆   400000)

摘要中厚板轧制过程中的待温过程是实现多阶段控制轧制的重要环节。中间坯空冷待温虽然能够提高产品性能，然而会导致生产效率降低。本文概述了重庆钢铁中厚板厂利用中间坯冷却装备，采用人工加速冷却，可以有效缩短中间坯待温时间，提高中间坯冷却效率，结合适当的空冷均温，可以实现中间坯的冷却均匀；介绍了重钢中厚板厂中间坯冷却装置的布局及中间水冷自动控制系统优化整合的原理和控制冷却模式。

关键字    中厚板  中间坯  控制冷却  自动控制系统  优化整合

0． 前言

中间坯在粗轧机和精轧机间辊道待温时间过长不仅影响了生产产量，而且轧制后钢板组织的晶粒度不均，这是影响钢板性能的因素之一。为配合中厚板厂提高产量、提高钢板的组织均匀性，国内很多中厚板厂都在粗、精轧机间布置了中间坯水冷装置，以降低中间坯在辊道上的待温时间，提高钢板的组织均匀性，提升轧机的生产能力。

重庆钢铁中厚板厂中间坯冷却系统于2015年1月建成投产，在项目投产初期，由于控制系统未与粗、精轧机主控系统进行整合优化，系统在面对轧制不同种类、不同规格的钢板时，各项冷却参数达不到要求，需要大量采用手动操作，冷却后的钢板温度不均匀，同时还存在中间坯冷却工艺与轧制节奏不匹配等问题。

为此重庆钢铁中厚板厂与北京科技大学联合开发，将中间水冷模型控制系统与粗、精轧机主控进行优化整合设计，利用工业以太网TCP/IP、OPC及PROFIBUS DP等通讯协议将基础自动化系统和过程控制系统集成在统一通讯平台下，提高整个中厚板厂轧区的自动化水平，同时减少了中间水冷装置在轧制过程中的人工干预操作，提高了轧制节奏、稳定了轧制工艺，对钢板性能率指标和产量指标提升起到了关键的促进的作用。

1. 中间坯冷却装置工艺技术参数

重庆钢铁中厚板厂中间坯冷却装置基本工艺与设备参数如下：中间坯厚度40～110mm；中间坯开冷温度：950℃～1050℃；中间水冷装置布置8组冷却器，上下集管采用1对1的超密度集管布局；冷却器长度：6400mm；冷却宽度：4000mm；辊道间距800mm；第1组冷却器中心线距粗轧机中心线：30,380mm。中厚板厂中间冷却装置工艺布置见图1。

图1   中厚板厂中间冷却装置工艺布置

中间冷却装备和系统具有以下特点：利用原有轧机浊循环水的富裕资源，中间坯冷却水回水直接进入轧机车间已有的循环水系统内，投资省；提高了中压浊循环冷却水的利用效率，降低吨钢能耗；采用超密度布置小流量中压水喷射冷却，适应不同厚度中间坯均匀冷却的需要，提高了控制轧制效率；设备安全可靠，维护量小。

2. 中间水冷自动化控制系统

2.1.系统结构

重钢中厚板厂与北京科技大学协同将中间水冷自动控制系统与粗、精轧机主控系统及L3级MES系统之间优化整合在同一网络构架内、制定了统一的网络通讯规则，在轧区建立了标准的三层网络构架体系，即第一层为设备控制系统，即基础自动化系统(L1级)，包括阀门控制、现场温度、位置、冷却水流量采集等功能；第二层为过程控制系统(L2级)，负责工艺模型的设定和自学习等功能；第三层为MES系统，即制造执行系统(L3级)，负责生产计划的下达，数据显示等功能。实现了中间水冷系统与粗、精轧机主控系统及轧机模型系统之间的无缝链接。

优化整合后的中间水冷基础自动化系统能够确保生产设备按设定指令正常运行，与粗、精轧机主控系统能够进行实时通讯，将生产线检查信号实时发送到过程计算机，为模型计算、修正和学习提供数据基础；中间水冷模型系统基于工业以太网与PLC的数据通信，根据生产现场采集的数据实现物料跟踪、规程优化计算及过程工艺数据存储等任务；优化整合后中间水冷自动控制系统结构见图2。

图2   中间水冷自动控制系统结构

2.2.系统功能

中间水冷控制系统根据中间坯的钢种，中间坯厚度、检测温度以及由此钢种决定的工艺要求做出决策和控制；建立中间坯厚度、返红温度、辊道速度、高密度层流集管开启数和流量的关系模型；根据中间坯厚度、温度对冷却区上、下集管水量比例进行调整，确保中间坯上、下表面均匀冷却；辊道速度控制；根据钢板在冷却区的位置自动开启前后吹扫和侧喷机构。

过程控制级基本功能包括：(1)与一级PLC系统通讯；(2)使用OPC（OLE for Process Control）技术与人机界面HMI进行数据交互；(3)使用基于TCP/IP的通讯协议与粗、精轧过程计算机通讯；(4)中间水冷模型计算及控制策略；(5)自学习；(6)数据记录管理功能等。

2.3.工艺控制过程

1).当粗轧轧制完成后，粗轧模型系统通过网络通讯规则将中间坯厚度、钢种、规格等PDI数据发送给中间水冷模型系统；

2).钢板进入中间冷却区前，红外测温仪测温，根据粗轧发送的中间坯厚度、钢种及实测温度等信息进行控冷模型计算；

3).中间坯进入冷却区，前吹扫装置开启；

4).根据中间水冷模型计算的冷却规程，先后开启相应的冷却器，实施中间坯的控制冷却；

5).中间坯出冷却区，后吹扫装置开启，吹尽中间坯表面的残留水；

6).中间坯出冷却区后，进行返温，返温的主要目的是让中间坯内外温度均匀，防止温度不均匀造成控轧后的组织不均匀；

7).中间坯出冷却区域后，中间水冷模型系统将冷却后的钢板温度和厚度信息、钢种等钢板PDI数据发送给精轧模型系统内，为精轧模型计算提供条件。

3. 应用效果

重庆钢铁中厚板厂中间水冷系统利用工业以太网TCP/IP、OPC及PROFIBUS DP等通讯协议将粗、精轧机主控系统、中间水冷控制系统整合在统一通讯平台下，实现了中间水冷系统与粗、精轧机主控系统及轧机模型系统之间的无缝链接。自2015年9月中间水冷系统完成系统优化整合后，实现了粗轧轧制数据自动发送、水冷模型自动计算，模型自学习、冷却完毕数据自动传递等功能，减少了轧制过程中的人工干预操作，提高了轧制节奏、稳定了轧制工艺，整个计算机系统运行稳定，应用效果明显，对提升钢板性能、钢板表面质量等重要技术经济指标发挥了重要作用。

4. 结论

1).中厚板生产工艺复杂,为了提高中间水冷系统的自动化控制水平和模型控制精度，必须协调好MES系统、基础自动化、人机界面及粗、精轧机主控系统间的通讯关系。

2).系统设计采用先进的网络技术，过程计算机、人机界面和基础自动化之间基于工业以太网连接实现了一体化网络通信，结构更加合理。

3).通过在中间水冷过程计算机系统的应用实践,表明了这种系统架构设计的合理性,能够保证数据安全、快速、稳定的传递,同时这种结构的插件式配置,也容易实现功能上的扩充。

参考文献：

1. 崔风平，等. 中厚板生产与质量控制. 北京：冶金工业出版社，2008
2. 张景进 . 中厚板生产. 北京：冶金工业出版社，2005
3. 王建辉，顾树生.自动控制原理.清华大学出版社,2007,4.