兩級(jí)控制在天鐵中厚板控冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

段國(guó)蓮（天天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司煉鋼廠，河北涉縣056404）

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兩級(jí)控制在天鐵中厚板控冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

段國(guó)蓮
（天天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司煉鋼廠，河北涉縣056404）

［摘要］介紹了天鐵中厚板基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)和生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的構(gòu)成、功能配置、數(shù)據(jù)通訊、控制原理及控制模式。將兩級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用于天鐵中厚板控制冷卻系統(tǒng)，通過(guò)一級(jí)、二級(jí)控制系統(tǒng)的無(wú)縫連接及控冷工藝，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源共享，控冷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。

［關(guān)鍵詞］兩級(jí)控制；數(shù)據(jù)通訊；控制模式；設(shè)定；控冷

1　引言

天鐵中厚板工程設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為每年50萬(wàn)t，由于該中厚板生產(chǎn)線工藝要求高，規(guī)格品種多，生產(chǎn)節(jié)奏較快，對(duì)自動(dòng)化程度要求較高，因此需要穩(wěn)定高效的控制系統(tǒng)達(dá)到精細(xì)的生產(chǎn)過(guò)程控制?？刂评鋮s是熱軋鋼板余熱后熱處理技術(shù)，通過(guò)控制熱軋鋼材軋后冷卻條件來(lái)控制奧氏組織狀態(tài)、相變條件、碳化物的析出行為以及相變后鋼的組織和性能，控制冷卻能產(chǎn)生更大的強(qiáng)韌化效果，有更好的實(shí)際生產(chǎn)效果。

2　中厚板控冷兩級(jí)控制系統(tǒng)原理

天鐵中厚板兩級(jí)控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)（即一級(jí)，簡(jiǎn)稱L1）和生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)（即二級(jí)，簡(jiǎn)稱L2）組成，中厚板二級(jí)系統(tǒng)含有必要的生產(chǎn)管理系統(tǒng)（即三級(jí)，簡(jiǎn)稱L3）的部分功能，二者無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享，對(duì)進(jìn)入生產(chǎn)線的不同鋼坯，采用與其相應(yīng)的控制方式。完善的兩級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人力成本，實(shí)現(xiàn)高效管理都大有裨益?？乩渥詣?dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1一級(jí)系統(tǒng)構(gòu)成

主要采用西門(mén)子S7-400系列PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水系統(tǒng)的自動(dòng)控制，操作站的組態(tài)軟件采用西門(mén)子的WinCC，它們之間的通訊采用PROFIBUS網(wǎng)，該系統(tǒng)與上級(jí)通訊采用的是工業(yè)以太網(wǎng)。本系統(tǒng)的傳動(dòng)部分采用施耐德的交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)?？乩渥詣?dòng)化一級(jí)系統(tǒng)配置如圖2所示。

2.1.1中厚板控冷PLC系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)以一臺(tái)PLC為主站，多臺(tái)同型PLC為從站，構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò)。其優(yōu)點(diǎn)是：有用戶編程時(shí)，不必知道通信協(xié)議，只要按說(shuō)明書(shū)編寫(xiě)格式即可。

由于控制冷卻系統(tǒng)對(duì)冷卻的精度要求高，所以選擇西門(mén)子的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。在本系統(tǒng)中，需要采集大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如壓力、溫度、液位等過(guò)程信號(hào)，控制各類閥門(mén)的開(kāi)閉等。為了提高系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)的方便性，每臺(tái)泵組設(shè)有一個(gè)I/O站，系統(tǒng)公共部分設(shè)置一個(gè)I/O站，這些數(shù)據(jù)通過(guò)PROFIBUS-DP和CPU進(jìn)行交換，進(jìn)行比較精確的數(shù)據(jù)計(jì)算和傳輸，以達(dá)到更佳的控制效果，大大節(jié)約了能源，也延長(zhǎng)了除鱗系統(tǒng)的使用壽命。

圖1　控冷自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖

圖2　控冷自動(dòng)化一級(jí)系統(tǒng)配置圖

2.1.2中厚板控冷WinCC系統(tǒng)介紹

人機(jī)接口模塊中真正需要設(shè)計(jì)的是顯示畫(huà)面，并對(duì)組成畫(huà)面的各控件進(jìn)行編輯。工控機(jī)系統(tǒng)提供的顯示畫(huà)面類型與控制對(duì)象的工藝需求和用戶的習(xí)慣要求的因素有關(guān)。通過(guò)各種畫(huà)面，操作人員可以清楚地了解現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，也可以指導(dǎo)控制操作的工況曲線。本設(shè)計(jì)的畫(huà)面主要有：總貌顯示畫(huà)面、控制冷卻控制畫(huà)面、泵運(yùn)行顯示畫(huà)面、蓄能站顯示畫(huà)面、液壓潤(rùn)滑站畫(huà)面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫(huà)面、歷史趨勢(shì)畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面、回路控制畫(huà)面和操作紀(jì)錄畫(huà)面等。

2.2中厚板控冷二級(jí)系統(tǒng)構(gòu)成

2.2.1基本原理

控冷二級(jí)控制系統(tǒng)是天鐵中厚板自動(dòng)化系統(tǒng)的重要一部分。其主要功能：接收三級(jí)系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)，按生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行生產(chǎn)；完成鋼板在出軋機(jī)到進(jìn)矯直機(jī)間生產(chǎn)線上的信息跟蹤和監(jiān)控；根據(jù)一級(jí)PLC傳遞的鋼板數(shù)據(jù)，進(jìn)行此鋼板的模型計(jì)算和設(shè)定控制，實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)功能。

2.2.2硬件構(gòu)成

中厚板二級(jí)控制級(jí)系統(tǒng)的硬件由3臺(tái)服務(wù)器、10臺(tái)操作站、2臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、2臺(tái)工程師站構(gòu)成。中板局域網(wǎng)由加熱爐、軋機(jī)、精整三點(diǎn)組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，L2服務(wù)器通過(guò)千兆交換機(jī)與環(huán)形網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速互換。

2.2.3軟件構(gòu)成

在系統(tǒng)軟件方面，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器使用Oracle 11g數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、應(yīng)用服務(wù)器端使用Windows Server 2008網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、各服務(wù)器安裝Visual Studio 2008軟件及武漢威仕軟件套件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Windows Vista操作系統(tǒng)作為現(xiàn)場(chǎng)工作站系統(tǒng)使用。Symantec Endpoint Protection防毒殺毒軟件構(gòu)成二級(jí)系統(tǒng)病毒防護(hù)網(wǎng)絡(luò)。

2.2.4通訊配置

通訊配置包含：一級(jí)系統(tǒng)控冷PLC同二級(jí)應(yīng)用服務(wù)器之間的報(bào)文通訊接口；二級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器同二級(jí)應(yīng)用服務(wù)器之間的通訊接口。TCP/IP協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)連接，二進(jìn)制格式的報(bào)文格式保證網(wǎng)絡(luò)流安全快捷?？乩銹LC將所有的基礎(chǔ)自動(dòng)化數(shù)據(jù)以報(bào)文格式傳遞給過(guò)程服務(wù)器控制系統(tǒng)中。二級(jí)過(guò)程控制服務(wù)器經(jīng)過(guò)計(jì)算生成生產(chǎn)設(shè)定數(shù)據(jù)報(bào)文，再以二進(jìn)制格式傳遞給一級(jí)PLC系統(tǒng)。一級(jí)PLC系統(tǒng)傳遞的報(bào)文需要分解成信號(hào)報(bào)文和數(shù)值報(bào)文，一級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)將報(bào)文通過(guò)的核心程序進(jìn)行處理，然后二級(jí)系統(tǒng)將含有數(shù)值的報(bào)文傳遞給PLC時(shí)也要進(jìn)行格式處理，保證解開(kāi)時(shí)無(wú)誤。

3　控制冷卻工藝原理及系統(tǒng)組成

3.1控制冷卻工藝原理

中厚板的控制冷卻是通過(guò)控制熱軋鋼材軋后冷卻條件來(lái)控制奧氏組織狀態(tài)、相變條件、碳化物的析出行為以及相變后鋼的組織和性能。冷卻控制比直接由等軸晶奧氏體加熱加速冷卻可以產(chǎn)生更大的增韌效果，在實(shí)際成產(chǎn)中取得較好的效果，并進(jìn)一步細(xì)化鐵素體和珠光體分布均勻?？焖倮鋮s能夠增加鋼板的強(qiáng)度，而不損壞其韌性。

3.2供水系統(tǒng)

供水系統(tǒng)包括車間外高位水箱及配套的水泵、過(guò)濾器。冷卻水由高位水箱供應(yīng)。高位水箱設(shè)置在廠房外，保證出水穩(wěn)壓、穩(wěn)流、穩(wěn)量。

3.3流量控制裝置

每組上集管和每?jī)山M下集管都裝有流量調(diào)節(jié)蝶閥，電磁流量計(jì)和手動(dòng)蝶閥。手動(dòng)蝶閥用于設(shè)備維修或設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)人工關(guān)斷各組冷卻單元的供水管路，平時(shí)為常開(kāi)狀態(tài)。流量調(diào)節(jié)蝶閥是冷卻系統(tǒng)中改變上下集管冷卻水流量的核心裝置。

3.4側(cè)噴裝置

四側(cè)噴霧裝置設(shè)置在冷卻區(qū)內(nèi)，分別控制頭部1組、尾部1組、2組的控制冷卻系統(tǒng)。側(cè)噴可以橫向向鋼板表面噴水，打破鋼板表面的蒸汽膜，提高冷卻水的冷卻能力。

3.5壓縮空氣吹掃裝置

在控冷區(qū)的出口處安裝壓縮空氣吹掃，避免殘留的水不均勻冷卻鋼板表面，保證出口溫度測(cè)量?jī)x和熱金屬檢測(cè)器的精度，同時(shí)避免鋼板表面的殘留水帶至矯直機(jī)。

4　兩級(jí)控制系統(tǒng)在控冷中的應(yīng)用

4.1二級(jí)功能實(shí)現(xiàn)原理

在天鐵中厚板生產(chǎn)中，二級(jí)的角色是管理、協(xié)調(diào)和控制功能。首先二級(jí)系統(tǒng)接受三級(jí)下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃后，生產(chǎn)管理人員根據(jù)信息進(jìn)行排產(chǎn)，對(duì)進(jìn)入生產(chǎn)線的鋼坯安排軋制批次號(hào)、操作站信息錄入，各個(gè)工藝環(huán)節(jié)精確跟蹤，如鋼號(hào)、規(guī)格、鋼種，及經(jīng)過(guò)各工藝環(huán)節(jié)的時(shí)間、溫度、是否有異常等。在進(jìn)入控冷區(qū)前將數(shù)據(jù)信息傳遞給應(yīng)用服務(wù)器，數(shù)學(xué)模型計(jì)算出控冷規(guī)程，將設(shè)定值信息下發(fā)給一級(jí)PLC及測(cè)厚系統(tǒng)。另外不斷接收一級(jí)上傳的信息，交匯處理后發(fā)布在各二級(jí)操作站畫(huà)面供工藝及管理人員實(shí)時(shí)了解信息。

4.2一級(jí)功能實(shí)現(xiàn)原理

在天鐵中厚板生產(chǎn)中，一級(jí)的角色是具體執(zhí)行者，根據(jù)不同的鋼板執(zhí)行不同的規(guī)程、采取不同的控制方式，一級(jí)直接控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行，對(duì)安全生產(chǎn)起到關(guān)鍵作用。在控冷環(huán)節(jié)根據(jù)二級(jí)或操作員下發(fā)指令進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度、各集管開(kāi)啟順序等，將各監(jiān)測(cè)儀表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如開(kāi)冷溫度、返紅溫度、各集管水流量、鋼板位置等信息傳遞給二級(jí)，進(jìn)行規(guī)程計(jì)算和自學(xué)習(xí)。

4.3控制冷卻系統(tǒng)的控制方式

根據(jù)軋機(jī)PLC發(fā)送的最后道次軋制信號(hào)，二級(jí)服務(wù)器發(fā)送的鋼板跟蹤數(shù)據(jù)，如規(guī)格、品種、終軋溫度等信息，結(jié)合位置傳感器的位置檢測(cè)和測(cè)量溫度結(jié)果，由二級(jí)服務(wù)器模型計(jì)算或人工確定冷卻工藝參數(shù)。依據(jù)跟蹤信號(hào)各組集管和側(cè)噴按順序逐次開(kāi)啟。鋼板尾部離開(kāi)各組集管和側(cè)噴時(shí)，依次關(guān)閉各組集管以及側(cè)噴裝置。鋼板頭部即將出控冷區(qū)時(shí)，壓縮空氣吹掃裝置開(kāi)啟，吹干凈鋼板表面冷卻水，有利于出口測(cè)溫儀的測(cè)量精度和熱金屬檢測(cè)器的可靠工作，同時(shí)避免鋼板表面的殘留水帶至矯直機(jī)。在進(jìn)矯直前測(cè)量冷卻后溫度和返紅溫度后，完成鋼板矯直。控冷PLC將測(cè)量數(shù)據(jù)傳給二級(jí)服務(wù)器，并準(zhǔn)備下一塊鋼板的冷卻，軋后冷卻工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3　軋后冷卻工藝流程

4.4控制冷卻系統(tǒng)控制模式

4.4.1全自動(dòng)模式

在現(xiàn)場(chǎng)各儀表正常運(yùn)行情況下，控冷PLC將數(shù)據(jù)傳遞給過(guò)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鋼板的精確跟蹤，過(guò)程服務(wù)器將形成的跟蹤數(shù)據(jù)如鋼板號(hào)、規(guī)格、鋼中信息通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，得到此鋼板的控冷規(guī)程設(shè)定值。然后，將這些設(shè)定值傳給控冷PLC，對(duì)閥門(mén)進(jìn)行開(kāi)關(guān)或調(diào)節(jié)；控冷結(jié)束記錄本塊鋼板的控冷工藝參數(shù)，并記錄有效規(guī)程可供半自動(dòng)和手動(dòng)操作時(shí)人工調(diào)用；同時(shí)，二級(jí)系統(tǒng)服務(wù)器根據(jù)PLC傳來(lái)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，如終軋溫度、控冷后溫度、規(guī)格，調(diào)用數(shù)學(xué)模型自學(xué)習(xí)計(jì)算，將結(jié)果與下一塊鋼板信息結(jié)合，得出下一塊鋼板的控冷設(shè)定值。

4.4.2半自動(dòng)模式

操作員可以調(diào)用計(jì)算機(jī)已經(jīng)存儲(chǔ)的控冷規(guī)程或者由操作員將冷卻制度和規(guī)程通過(guò)WINCC設(shè)定，一級(jí)PLC根據(jù)設(shè)定的參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)在線鋼板控冷過(guò)程的控制。在半自動(dòng)方式下，各級(jí)管的時(shí)序控制是由PLC自動(dòng)控制執(zhí)行的，過(guò)程服務(wù)器參與控制。

半自動(dòng)模式多在測(cè)溫儀表故障或控冷過(guò)程計(jì)算機(jī)模型計(jì)算出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)采用。

4.4.3手動(dòng)模式

由崗位人員按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行鋼板、鋼級(jí)、終軋溫度、回溫要求，人工設(shè)定各集管水量、集管開(kāi)啟組數(shù)，并根據(jù)該位置的板開(kāi)閉套管和輥速控制。手動(dòng)模式不需要PDI數(shù)據(jù)。

4.5控制冷卻系統(tǒng)功能

實(shí)現(xiàn)控制冷卻過(guò)程的自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，并留有與軋機(jī)過(guò)程機(jī)的通用接口；每組噴射裝置的上、下水量，水壓，水溫，輥道速度及冷卻前后鋼板溫度可在控制冷卻操作臺(tái)WINCC上顯示出來(lái)；整個(gè)控制冷卻水冷卻系統(tǒng)形成一個(gè)閉路循環(huán)系統(tǒng)；每組上集管和每?jī)山M下集管水量可以自動(dòng)調(diào)節(jié)和單獨(dú)開(kāi)閉，水的比例可以單獨(dú)調(diào)整，以確保表面上均勻的冷卻。二級(jí)系統(tǒng)根據(jù)鋼板跟蹤數(shù)據(jù)，如鋼種、規(guī)格、終軋溫度、返紅溫度控制冷卻速度、所需水流量的要求實(shí)現(xiàn)控冷規(guī)程的自計(jì)算，通過(guò)調(diào)節(jié)水流量，保證了鋼板達(dá)到目標(biāo)溫度和均勻的溫度分布；控冷輥道速度與FM /HL等前后工藝進(jìn)行匹配，進(jìn)行速度設(shè)定和反饋。

5　結(jié)束語(yǔ)

天鐵中厚板控冷系統(tǒng)由一級(jí)、二級(jí)控制系統(tǒng)無(wú)縫銜接，實(shí)現(xiàn)了控制冷卻系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化；實(shí)現(xiàn)了物流、數(shù)據(jù)流的統(tǒng)一和暢通，更便于合理組織生產(chǎn)與優(yōu)化管理。

參考文獻(xiàn)

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Application of Two Level Control to Cooling Control System of Tiantie Heavy and Medium Plate Mill

DUAN Guo-lian
（Steel-making Plant，Tianjin Tiantie Metallurgy Group Co.，Ltd.，She County，Heibei Province，China 056404）

AbstractThe paper introduces the constitution，configuration，data communication，control principle and control mode of basic automatic control system and process control system at Heavy and Medium Plate Mill of Tiantie Group. Two level control system was applied to the cooling control system of Tiantie Heavy and Medium Plate Mill. Level I and level II systems were connected seamlessly and cooling control process was adopted. Data resource sharing，real time control over cooling control system and production process automation were achieved.

Key wordstwo level control；data communication；control mode；setting；cooling control

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2016.03.013

收稿日期：2016- 02- 10修回日期：2016- 02- 25

作者簡(jiǎn)介：段國(guó)蓮（1981—），女，主要從事自動(dòng)化控制工作。