西门子S7-400的热连轧层流冷却自动控制系统

摘要：为了热轧带钢顺利卷取并保持良好卷形，同时保证带钢成品性能指标，必须使带钢卷取温度控制在合理的范围，现代热连轧生产线基本上都采用层流冷却技术来进行卷取温度控制。针对莱钢1500 mm热连轧生产线，设计了一套具有国内领先技术水平的层流冷却系统。详细阐述了自动控制系统的配置、系统功能、控制模型和控制策略。系统在现场得到成功应用，结果表明，该系统结构合理、功能完善、性能稳定可靠、控制精度高。 1  引言    近年来，市场对热轧带钢的需求量越来越大，随着热连轧带钢生产线配置水平的升级，带钢质量也不断得到提高。其中，热轧带钢卷取温度是热轧生产中需要控制的最重要的几个质量指标之一，卷取温度的控制是整个热轧生产成品的最后一个环节，它是影响热轧带钢物理性能的关键因素，其控制性能的好坏直接关系到带钢能否顺利卷取及带钢的最终性能。卷取温度过低，带钢内部会有残余应力存在，使卷取困难并容易松卷。另外，由于没有足够的温度使过饱和的碳氧化合物析出，影响带钢性能。卷取温度过高产生的再结晶和缓慢冷却产生的粗晶粒组织及碳化物聚集都会使带钢的力学性能变坏。轧后层流冷却控制是保证卷取温度的一个十分有效的方法，得到了广泛应用。层流冷却的基本原理是通过控制层流冷却系统的集管开启数目、集管流量及不同的控制策略，以保证带钢出冷却区后和进入卷取机的最终温度，从而改善带钢的晶相组织和性能。莱芜钢铁集团公司为了优化产品结构、提高生产效益，并实现年产1000万t的目标，于2004年投资建造1500 mm热轧带钢生产线，并配备有先进的带钢层流冷却系统。 2  层流冷却系统基本配置    层流冷却装置型式为无惯性管式层流冷却，根据带钢厚度、钢种及轧制速度，控制开启的喷水组数和调节水量，将带钢由终轧温度冷却至所要求的卷取温度。    层流冷却系统有效冷却长度约为60 m，有效冷却宽度1450 mm。整个冷却区分15组冷却段，其中粗调9组，精调6组，上集管采用常规U型层流集管，采用微正压方式供水，下集管直喷集管，带一定喷射角，使冷却水与带钢下表面充分热交换，保证带钢上下表面均匀冷却。每组冷却段用一个冷却架与4根集管连接，使用一个液压缸。为了提高冷却效率，在上喷装置每个冷却段之间安装有一个侧喷嘴。为了事故及检修方便，液压缸可以使冷却架体联同上喷集管倾翻，使集管由水平位置扬起到传动侧上方。    阀门控制机构是在每根供水管上设置手动调节阀和气动截止阀，粗调段和精调段分别有一组集管的上下供水管设置电磁流量计，用于计量上下集管水流量，保证带钢上下表面冷却均匀。手动调节阀用于设备检修，兼作流量手动调整。气动截止阀用于上下集管冷却水的及时开闭。侧喷所需的中压水路系统采用中压总管供水，在各喷嘴供水支路上采用手动调节阀调节水量和气动截止阀控制侧喷机构的开闭。冷却过程中上下集管的控制均是通过计算机自动控制完成，同时也可以人工手动干预开闭。    要达到控制卷取温度的目的，在冷却线上布置了相应的检测仪表，包括热金属检测器、激光检测器、高温计等来实现跟踪带钢、温度实测及模型修正功能。在供水总管上设置有水温与水压测量仪表，高位水箱上设置液位计，可以反馈冷却水的信息，为控冷模型提供数据。    系统基本技术参数为：带钢速度4.0～12.6m/s，带钢终轧温度950～850℃，带钢卷取温度550～650℃，冷却水量5400 m³/h（上下集管各2 700m³/h），侧喷水水压0.8～1.0 MPa，侧喷压缩空气压力0.5～0.7MPa。层流冷却系统示意图如图1所示。

3  自动控制系统 3.1  控制系统选择与结构配置    根据现场实际情况，结合以往工程实践经验，综合考虑了层流冷却系统控制要求、精轧机组控制系统配置和卷取机控制系统配置（西门子TDC＋PLC系统），并保证整个控制系统的先进性、可靠性和合理性，决定选用西门子公司的高端PLC系列中的S7－400控制系统。计算机控制系统采用开放式结构，有利于系统今后的扩充和升级。层流冷却自动控制系统结构如图2所示。

   控制系统分为3级，即过程控制L₂级、基础自动化L₁级和现场设备L₀级。    过程控制L₂级系统主要任务是对整个冷却过程进行跟踪和控制，进行各种控制数学模型及参数的计算与设定。在设定计算完成后，设定值被立即传递给L₁，传递下去的设定数据由L₁管理，具体执行控制的时序由L₁控制。该级通过光纤以太网与基础自动化L₁级PLC以及现场生产控制计算机系统进行通讯。    基础自动化L_l级包括PLC控制器及其远程I/O、操作台及相应的应用程序，负责在冷却过程中根据L²设定值和带钢位置对相关阀门的开闭动作时序进行控制，并为L₂提供各测量值和检测信号。基础自动化级系统之间通过ProfiBus_DP网及直接硬件进行通讯。ProfiBus是一种用于具有有限数量站点的单元级和现场级子网，它是与制造商无关的开放式通讯系统，ProfiBus_DP（分散的外围设备）协议适用于分散的外围设备（如ET200M）的连接，具有快速的响应时间。    现场设备级主要包括所有传动辊道、集管开闭控制用的气动阀、控制所对应的液压系统及执行机构，以及热金属检测器、流量计、高温计等检测仪表。 3.2  系统功能    带钢层流冷却控制系统应具有以下功能。    1）根据带钢的组织性能要求，选择所需的冷却曲线和带钢温度分布曲线，并根据钢种、带钢的厚度、精轧出口的带钢温度和带钢出口速度等参数进行冷却系统的预设定。    2）根据实测的各段的带钢速度、带钢厚度和温度进行动态调整控制和补偿（如前馈控制和反馈控制）。    3）准确预报带钢在规定的不同冷却区域上的温降及平均冷却速度。    4）根据实测的带钢终轧温度、带钢速度、带钢厚度、卷取温度以及水温等参数，对预设定的模型参数进行自学习。    5）冷却数据采集、数据分类归档、报表打印等。    6）手动操作方式、半自动操作方式和自动操作方式自由选择。    7）功能完善、界面友好的人机界面HMI功能，包括监控HMI、设定HMI、测试HMI等。层流冷却系统主监控HMI画面如图3所示。

3.3  数学模型    层流冷却数学模型直接影响到卷取温度的控制精度，主要包括空气冷却模型和喷水冷却模型两部分。通常带钢从精轧机末机架出口到卷取机入口的冷却过程如图4所示。

   图4中，T_f为终轧温度，T_c为卷取温度，对于T_f和T_c的温度范围是由所生产带钢的钢种和规格来确定。而数学模型的主要任务就是根据所轧带钢的钢种和规格要求，确定打开第一组集管的位置（即A点）、所需打开的冷却集管的组数以及相应的冷却集管开启与关闭的组合（即确定B点），后者可由带钢冷却策略来确定。    如上所述，在带钢轧后冷却过程中，带钢经历了空冷、水冷、然后再空冷等热交换过程，因此带钢轧后控冷过程中应包括如下数学模型：1）带钢空冷过程中的温度场计算模型（空冷温降模型）；2）带钢水冷过程中的温度场计算模型（水冷温降模型）；3）热交换系数数学模型；4）热传导系数数学模型；5）与热交换过程相关的物理参数数学模型（如钢的比热等）；6）带钢的冷却速度计算模型；7）卷取温度前馈控制数学模型；8）卷取温度反馈控制数学模型；9）模型参数自学习模型。 3.4  控制策略    根据所轧带钢的钢种和带钢厚度的不同，所采用的轧后控冷的策略也是不同的，概括如下。 3.4.1  冷却策略    1）对于要求控制形变奥氏体的组织状态、阻止奥氏体晶粒长大、固化因形变而引起的位错或降低相变温度的钢种，采用前部冷却策略，即先打开前精调区和冷却区前部的冷却集管，用后精调区对卷取温度进行微调控制。    2）对于主要控制室温组织相变过程、控制铁素体的长大及轧制后二相粒子析出的钢种，采用后部冷却策略，即采用先打开冷却区后部分集管进行冷却，用后精调区对卷取温度进行微调控制；或采用先打开冷却区后部分的集管和后微调区的集管进行冷却，用前精调区对卷取温度进行微调控制。    3）对于某些对高冷却速度敏感的钢种（尤其是在较厚规格时），可以采用在冷却区的前部分（或全部）以一定的间隔开启冷却集管，用后精调区对卷取温度进行微调控制。 3.4.2  带钢冷却过程的预设定    根据精轧机组计算机给出的带钢材质、带钢厚度、带钢速度、终轧温度、卷取温度及带钢组织性能级别，层流冷却过程计算机将选择带钢的冷却策略，确定带钢的开冷温度、各冷却段中的平均冷却速度和卷取温度，计算所需开启冷却集管的组数（冷却区长度），并根据所确定的冷却策略选定冷却模式，然后将上述结果传送给控冷区域的Ll级计算机进行预设定控制。 3.4.3  带钢冷却过程前馈控制    由于精轧末机架F₆与层流冷却系统第一组集管之间的距离为10m左右，当带钢出F₆后，层流冷却系统将根据所测到的F₆出口速度、终轧温度、冷却水温以及钢板的厚度，通过数学模型计算。决定集管喷嘴开启和关闭的位置、数量及组态。并连续检测F₆出口速度、温度、厚度、冷却水温的变化（周期约为100 ms），从而不断地通过改变冷却集管的开启和关闭的数量，来预先进行卷取温度控制。 3.4.4  带钢冷却过程反馈控制    反馈控制主要用来修正卷取目标温度与实