兩級控制在天鐵中厚板控冷系統(tǒng)中的應用

段國蓮（天天津天鐵冶金集團有限公司煉鋼廠，河北涉縣056404）

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兩級控制在天鐵中厚板控冷系統(tǒng)中的應用

段國蓮
（天天津天鐵冶金集團有限公司煉鋼廠，河北涉縣056404）

［摘要］介紹了天鐵中厚板基礎自動化控制系統(tǒng)和生產過程控制系統(tǒng)的構成、功能配置、數據通訊、控制原理及控制模式。將兩級控制系統(tǒng)應用于天鐵中厚板控制冷卻系統(tǒng)，通過一級、二級控制系統(tǒng)的無縫連接及控冷工藝，實現(xiàn)了數據資源共享，控冷系統(tǒng)的實時控制和生產過程自動化。

［關鍵詞］兩級控制；數據通訊；控制模式；設定；控冷

1　引言

天鐵中厚板工程設計生產規(guī)模為每年50萬t，由于該中厚板生產線工藝要求高，規(guī)格品種多，生產節(jié)奏較快，對自動化程度要求較高，因此需要穩(wěn)定高效的控制系統(tǒng)達到精細的生產過程控制。控制冷卻是熱軋鋼板余熱后熱處理技術，通過控制熱軋鋼材軋后冷卻條件來控制奧氏組織狀態(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，控制冷卻能產生更大的強韌化效果，有更好的實際生產效果。

2　中厚板控冷兩級控制系統(tǒng)原理

天鐵中厚板兩級控制系統(tǒng)由基礎自動化控制系統(tǒng)（即一級，簡稱L1）和生產過程控制系統(tǒng)（即二級，簡稱L2）組成，中厚板二級系統(tǒng)含有必要的生產管理系統(tǒng)（即三級，簡稱L3）的部分功能，二者無縫連接，實現(xiàn)數據資源共享，對進入生產線的不同鋼坯，采用與其相應的控制方式。完善的兩級控制系統(tǒng)對保證產品質量、產量和降低工人勞動強度，節(jié)省人力成本，實現(xiàn)高效管理都大有裨益。控冷自動化系統(tǒng)結構如圖1所示。

2.1一級系統(tǒng)構成

主要采用西門子S7-400系列PLC來實現(xiàn)對冷卻水系統(tǒng)的自動控制，操作站的組態(tài)軟件采用西門子的WinCC，它們之間的通訊采用PROFIBUS網，該系統(tǒng)與上級通訊采用的是工業(yè)以太網。本系統(tǒng)的傳動部分采用施耐德的交-直-交變頻調速系統(tǒng)。控冷自動化一級系統(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PLC為主站，多臺同型PLC為從站，構成PLC網絡。其優(yōu)點是：有用戶編程時，不必知道通信協(xié)議，只要按說明書編寫格式即可。

由于控制冷卻系統(tǒng)對冷卻的精度要求高，所以選擇西門子的PROFIBUS-DP網絡。在本系統(tǒng)中，需要采集大量的現(xiàn)場數據，如壓力、溫度、液位等過程信號，控制各類閥門的開閉等。為了提高系統(tǒng)的可靠性和維護的方便性，每臺泵組設有一個I/O站，系統(tǒng)公共部分設置一個I/O站，這些數據通過PROFIBUS-DP和CPU進行交換，進行比較精確的數據計算和傳輸，以達到更佳的控制效果，大大節(jié)約了能源，也延長了除鱗系統(tǒng)的使用壽命。

圖1　控冷自動化系統(tǒng)結構總圖

圖2　控冷自動化一級系統(tǒng)配置圖

2.1.2中厚板控冷WinCC系統(tǒng)介紹

人機接口模塊中真正需要設計的是顯示畫面，并對組成畫面的各控件進行編輯。工控機系統(tǒng)提供的顯示畫面類型與控制對象的工藝需求和用戶的習慣要求的因素有關。通過各種畫面，操作人員可以清楚地了解現(xiàn)場的運行狀態(tài)，也可以指導控制操作的工況曲線。本設計的畫面主要有：總貌顯示畫面、控制冷卻控制畫面、泵運行顯示畫面、蓄能站顯示畫面、液壓潤滑站畫面、實時趨勢畫面、歷史趨勢畫面、報警畫面、回路控制畫面和操作紀錄畫面等。

2.2中厚板控冷二級系統(tǒng)構成

2.2.1基本原理

控冷二級控制系統(tǒng)是天鐵中厚板自動化系統(tǒng)的重要一部分。其主要功能：接收三級系統(tǒng)管理數據，按生產計劃進行生產；完成鋼板在出軋機到進矯直機間生產線上的信息跟蹤和監(jiān)控；根據一級PLC傳遞的鋼板數據，進行此鋼板的模型計算和設定控制，實現(xiàn)自學習功能。

2.2.2硬件構成

中厚板二級控制級系統(tǒng)的硬件由3臺服務器、10臺操作站、2臺網絡交換機、2臺工程師站構成。中板局域網由加熱爐、軋機、精整三點組成環(huán)形網絡，L2服務器通過千兆交換機與環(huán)形網絡相連，實現(xiàn)數據高速互換。

2.2.3軟件構成

在系統(tǒng)軟件方面，數據庫服務器使用Oracle 11g數據庫管理系統(tǒng)、應用服務器端使用Windows Server 2008網絡操作系統(tǒng)、各服務器安裝Visual Studio 2008軟件及武漢威仕軟件套件作為開發(fā)平臺，Windows Vista操作系統(tǒng)作為現(xiàn)場工作站系統(tǒng)使用。Symantec Endpoint Protection防毒殺毒軟件構成二級系統(tǒng)病毒防護網絡。

2.2.4通訊配置

通訊配置包含：一級系統(tǒng)控冷PLC同二級應用服務器之間的報文通訊接口；二級數據庫服務器同二級應用服務器之間的通訊接口。TCP/IP協(xié)議作為網絡通訊協(xié)議實現(xiàn)連接，二進制格式的報文格式保證網絡流安全快捷。控冷PLC將所有的基礎自動化數據以報文格式傳遞給過程服務器控制系統(tǒng)中。二級過程控制服務器經過計算生成生產設定數據報文，再以二進制格式傳遞給一級PLC系統(tǒng)。一級PLC系統(tǒng)傳遞的報文需要分解成信號報文和數值報文，一級過程控制系統(tǒng)將報文通過的核心程序進行處理，然后二級系統(tǒng)將含有數值的報文傳遞給PLC時也要進行格式處理，保證解開時無誤。

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控制熱軋鋼材軋后冷卻條件來控制奧氏組織狀態(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生更大的增韌效果，在實際成產中取得較好的效果，并進一步細化鐵素體和珠光體分布均勻。快速冷卻能夠增加鋼板的強度，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、過濾器。冷卻水由高位水箱供應。高位水箱設置在廠房外，保證出水穩(wěn)壓、穩(wěn)流、穩(wěn)量。

3.3流量控制裝置

每組上集管和每兩組下集管都裝有流量調節(jié)蝶閥，電磁流量計和手動蝶閥。手動蝶閥用于設備維修或設備出現(xiàn)故障時人工關斷各組冷卻單元的供水管路，平時為常開狀態(tài)。流量調節(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側噴裝置

四側噴霧裝置設置在冷卻區(qū)內，分別控制頭部1組、尾部1組、2組的控制冷卻系統(tǒng)。側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，保證出口溫度測量儀和熱金屬檢測器的精度，同時避免鋼板表面的殘留水帶至矯直機。

4　兩級控制系統(tǒng)在控冷中的應用

4.1二級功能實現(xiàn)原理

在天鐵中厚板生產中，二級的角色是管理、協(xié)調和控制功能。首先二級系統(tǒng)接受三級下達的生產計劃后，生產管理人員根據信息進行排產，對進入生產線的鋼坯安排軋制批次號、操作站信息錄入，各個工藝環(huán)節(jié)精確跟蹤，如鋼號、規(guī)格、鋼種，及經過各工藝環(huán)節(jié)的時間、溫度、是否有異常等。在進入控冷區(qū)前將數據信息傳遞給應用服務器，數學模型計算出控冷規(guī)程，將設定值信息下發(fā)給一級PLC及測厚系統(tǒng)。另外不斷接收一級上傳的信息，交匯處理后發(fā)布在各二級操作站畫面供工藝及管理人員實時了解信息。

4.2一級功能實現(xiàn)原理

在天鐵中厚板生產中，一級的角色是具體執(zhí)行者，根據不同的鋼板執(zhí)行不同的規(guī)程、采取不同的控制方式，一級直接控制現(xiàn)場設備運行，對安全生產起到關鍵作用。在控冷環(huán)節(jié)根據二級或操作員下發(fā)指令進行PID調節(jié)，控制調節(jié)閥開度、各集管開啟順序等，將各監(jiān)測儀表實時數據，如開冷溫度、返紅溫度、各集管水流量、鋼板位置等信息傳遞給二級，進行規(guī)程計算和自學習。

4.3控制冷卻系統(tǒng)的控制方式

根據軋機PLC發(fā)送的最后道次軋制信號，二級服務器發(fā)送的鋼板跟蹤數據，如規(guī)格、品種、終軋溫度等信息，結合位置傳感器的位置檢測和測量溫度結果，由二級服務器模型計算或人工確定冷卻工藝參數。依據跟蹤信號各組集管和側噴按順序逐次開啟。鋼板尾部離開各組集管和側噴時，依次關閉各組集管以及側噴裝置。鋼板頭部即將出控冷區(qū)時，壓縮空氣吹掃裝置開啟，吹干凈鋼板表面冷卻水，有利于出口測溫儀的測量精度和熱金屬檢測器的可靠工作，同時避免鋼板表面的殘留水帶至矯直機。在進矯直前測量冷卻后溫度和返紅溫度后，完成鋼板矯直。控冷PLC將測量數據傳給二級服務器，并準備下一塊鋼板的冷卻，軋后冷卻工藝流程見圖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全自動模式

在現(xiàn)場各儀表正常運行情況下，控冷PLC將數據傳遞給過程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)鋼板的精確跟蹤，過程服務器將形成的跟蹤數據如鋼板號、規(guī)格、鋼中信息通過數學模型進行計算，得到此鋼板的控冷規(guī)程設定值。然后，將這些設定值傳給控冷PLC，對閥門進行開關或調節(jié)；控冷結束記錄本塊鋼板的控冷工藝參數，并記錄有效規(guī)程可供半自動和手動操作時人工調用；同時，二級系統(tǒng)服務器根據PLC傳來的實際測量結果，如終軋溫度、控冷后溫度、規(guī)格，調用數學模型自學習計算，將結果與下一塊鋼板信息結合，得出下一塊鋼板的控冷設定值。

4.4.2半自動模式

操作員可以調用計算機已經存儲的控冷規(guī)程或者由操作員將冷卻制度和規(guī)程通過WINCC設定，一級PLC根據設定的參數實現(xiàn)對在線鋼板控冷過程的控制。在半自動方式下，各級管的時序控制是由PLC自動控制執(zhí)行的，過程服務器參與控制。

半自動模式多在測溫儀表故障或控冷過程計算機模型計算出現(xiàn)問題時采用。

4.4.3手動模式

由崗位人員按標準規(guī)范進行鋼板、鋼級、終軋溫度、回溫要求，人工設定各集管水量、集管開啟組數，并根據該位置的板開閉套管和輥速控制。手動模式不需要PDI數據。

4.5控制冷卻系統(tǒng)功能

實現(xiàn)控制冷卻過程的自動控制和手動控制，并留有與軋機過程機的通用接口；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WINCC上顯示出來；整個控制冷卻水冷卻系統(tǒng)形成一個閉路循環(huán)系統(tǒng)；每組上集管和每兩組下集管水量可以自動調節(jié)和單獨開閉，水的比例可以單獨調整，以確保表面上均勻的冷卻。二級系統(tǒng)根據鋼板跟蹤數據，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現(xiàn)控冷規(guī)程的自計算，通過調節(jié)水流量，保證了鋼板達到目標溫度和均勻的溫度分布；控冷輥道速度與FM /HL等前后工藝進行匹配，進行速度設定和反饋。

5　結束語

天鐵中厚板控冷系統(tǒng)由一級、二級控制系統(tǒng)無縫銜接，實現(xiàn)了控制冷卻系統(tǒng)的實時控制和生產過程自動化；實現(xiàn)了物流、數據流的統(tǒng)一和暢通，更便于合理組織生產與優(yōu)化管理。

參考文獻

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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

作者簡介：段國蓮（1981—），女，主要從事自動化控制工作。