冷軋退火爐張力計算模型研究與控制系統(tǒng)設計

滿海波, 李 強

(1.四川機電職業(yè)技術學院 電子電氣工程系， 四川 攀枝花 617000； 2.攀鋼集團西昌鋼釩有限公司 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先的工藝，經該工藝處理后的帶鋼平直度高、表面光滑、板材質量高，且退火處理時間短，加工效率高，因而應用廣泛[1-3]。立式連續(xù)退火爐作為連退生產線的重要加工設備，其自動化控制系統(tǒng)的準確性與穩(wěn)定性對帶鋼的表面性能和質量影響至關重要，也是為下游汽車制造廠提供高質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定值計算模型研究優(yōu)化的基礎上，運用S7-400PLC、S120變頻器及PCS7軟件平臺，設計了基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網的自動化網絡，構建了退火爐張力閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保了機組運行的穩(wěn)定性與可靠性。

1 連續(xù)退火生產線工藝分析

某冷軋廠的連續(xù)退火生產線工藝如圖1所示。該生產線由帶鋼入口段、清洗段、入口活套、退火爐、出口活套、平整機、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，并通過焊接機將前后兩個鋼卷進行首尾自動焊接。清洗段可對冷軋鋼卷表面加工殘留物進行清除，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行平整機精整，最后進行卷取、稱重、打捆和包裝。本文重點討論的立式退火爐則是對帶鋼進行“預熱段、加熱一段、加熱二段、均熱段、緩冷段、快冷段、過時效1～3段”共9個工藝段的處理。

圖1 某冷軋廠連續(xù)退火生產線工藝圖

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進行加熱、冷卻，因熱脹冷縮會造成厚度減薄、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，良好的張力控制也是確保帶鋼在爐內不跑偏、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，在電動機的速度轉矩雙環(huán)控制系統(tǒng)基礎上，增加了張力閉環(huán)控制。張力計將測到的實際值反饋至張力閉環(huán)中與該段的張力設定值進行比較，兩者的偏差經張力調節(jié)器輸出，再與機組運行速度主設定值進行疊加。最后通過變頻器調節(jié)主

圖2 退火爐張力閉環(huán)控制原理圖

傳動電動機的轉速及電流，以保證張力的調節(jié)動態(tài)地穩(wěn)定在設定值范圍。為防止系統(tǒng)干擾造成轉矩的突變，該閉環(huán)對電動機的轉矩進行了限幅控制。

2.2 退火爐張力計算模型建立

結合某冷軋廠立式連續(xù)退火爐機組的工藝及設備特點，對退火爐9個工藝段的張力分別用單獨的張力計進行測量，形成各段的張力控制閉環(huán)。為確保帶鋼的退火質量及板型質量，根據(jù)退火爐各工藝段帶鋼張力的實際數(shù)據(jù)分布情況，在原有張力控制基本計算模型基礎上，進一步實施在線設定優(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設值計算模型。

(1)

式中:Tmi為爐內各工藝段預設張力值(i=1，2，…，9)；Kjgn為爐內結構特性影響系數(shù)(n=1,2,…,7);Dg為爐內各工藝段的爐輥直徑(mm);Kd為帶鋼設定的不同寬度(d=1,2,…,N);Hd為帶鋼設定的不同厚度;Qd為帶鋼設定的不同強度;Kyx為帶鋼影響系數(shù),與熱瓢曲、跑偏、板型等系數(shù)有關。

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

在張力電動機的實際控制中，某工藝段內所有張力輥形成的總張力值等于該工藝段內的張力預設值減去后一工藝段內的張力預設值。以均熱段、緩冷段這前后兩個相鄰的工藝段為例，即均熱段的張力輥總張力值=均熱段張力預設值-緩冷段的張力預設值。故爐內各工藝段的張力輥總張力值(即該工藝段的電動機在線張力設定值)Tactmi(i=1,2,…,9)可使用下式計算后再進行設定。

Tactmi=

(2)

式中:Tactm1,Tactm2,…,Tactm9分別為退火爐9個工藝段(預熱段、加熱1段……過時效3段)張力電動機的張力設定計算值。按此方法，將張力設定計算值導入電動機組進行試車運行，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定計算合理，繼而以此類推可計算出退火爐全部工藝段的張力設定值。

按照式(1)、(2)所列張力模型進行計算，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，可計算出該規(guī)格的帶鋼在退火爐各工藝段的張力電機的張力設定值，見表1。

表1 退火爐內張力電機的張力設定計算值

表1中，對于某工藝段的張力輥，在按照上述張力計算模型計算出張力大小后(見圖2)，退火爐的張力調節(jié)控制系統(tǒng)會將張力轉換為電動機的轉矩，并通過變頻器去調節(jié)張力電動機的轉矩電流。

在實際調試過程中，根據(jù)不同型號帶鋼的寬度、厚度需求，根據(jù)上述張力計算模型還可計算出爐內各工藝段的張力設定范圍值，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。爐內張力電機的張力設定范圍見表2。

表2 退火爐張力電機的張力設定范圍

3 退火爐自動化控制系統(tǒng)設計

3.1 退火爐自動化網絡結構設計

退火爐自動化控制系統(tǒng)結構設計如圖3所示，該網絡包括現(xiàn)場設備級和車間監(jiān)控級兩部分，分別由現(xiàn)場總線(PROFIBUS-DP)和工業(yè)以太網(Industrial Ethernet)搭建[11-13]。

現(xiàn)場設備級選用西門子S7-400PLC作為自動化站主站(AS)，通過PROFIBUS-DP總線和光纖與遠程控制柜內的ET200M從站、S120變頻器進行通信，實現(xiàn)對現(xiàn)場的張力電動機、速度電動機、電加熱器、風機、張力計、高溫輻射計及其他I/O設備的聯(lián)網控制。

車間監(jiān)控級則是通過工業(yè)以太網與連續(xù)退火生產線的其他工藝段機組設備進行通信連接。該網絡層包括工程師站(ES)、數(shù)學模型機、人機界面(HMI)、現(xiàn)場操作員站(OS)。

3.2 退火爐張力控制系統(tǒng)結構設計

退火爐張力控制系統(tǒng)結構[14]設計示意圖如圖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，驅動張力電動機、速度電動機，再經減速器對張力輥、速度輥進行控制。同時通過張力計和脈沖編碼器實時檢測張力與速度實際值。

在張力閉環(huán)控制系統(tǒng)的構建過程中，需要在退火爐內各工藝段安裝各自的張力計對各段的張力進行分別測量。通常每個張力計有2個檢測張力的壓頭，安裝在每個退火爐室的出、入口處的測張輥承兩邊的支座上。張力計將測量信號接入ET200M從站的AI模塊，經PROFIBUS-DP總線反饋至主站S7-400PLC，通過與數(shù)學模型機設定值的比較，對各段的張力分別進行閉環(huán)控制程序運算，實現(xiàn)了對張力、速度的精確控制。

3.3 基于PCS7平臺的PLC程序及人機界面設計

連續(xù)退火控制系統(tǒng)設計采用了西門子DCS系統(tǒng)設計軟件PCS7，運用其下屬STEP7軟件的線協(xié)調控制器LCO(Line Coordinator)可對張力進行精準的閉環(huán)控制。通過對爐內9個工藝段的張力設定，并使用FB1762,FB1770等9個功能塊進行結構化編程。FB功能塊內部的程序設計主要包括張力值大小、范圍設定(含在HMI中設定張力)、建張、消張等控制[9]。其中預熱段的張力程序設計界面局部示例如圖4(a)所示。

系統(tǒng)的人機界面(HMI)設計使用了WinCC軟件，

圖3 退火爐自動化控制系統(tǒng)結構設計示意圖

其中退火爐張力控制HMI設計運行效果如圖4(b)所示。該HMI直觀、適時地反映了退火爐機組主要設備的運行狀況及各工藝段的張力設定值與反饋值，讓操作與監(jiān)控變得簡單、準確。

(a) 預熱段張力控制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 爐內張力設定與反饋曲線在線監(jiān)測分析

按照退火爐張力計算模型，通過對帶鋼張力設定值的計算、設定、反饋、調節(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實時曲線分析軟件可對生產過程中爐內各工藝段的張力進行精確的在線測試與跟蹤記錄[9]。圖中較規(guī)則的藍色曲線為帶鋼張力設定值;有輕微波動的紅色曲線為張力實測值。可見，張力計反饋的張力輥實際張力值與數(shù)學模型機設定的張力值幾乎相等，偏差非常小，嚴格控制在了設計范圍之內。

藍線(張力設定); 紅線(張力反饋)

圖5 退火爐爐內張力設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、測厚儀對隨機抽取的12組帶鋼進行了入爐、出爐前后寬度、厚度檢測，檢測數(shù)據(jù)見表3(連退機組，時間：2019-01-18)。通過數(shù)據(jù)比較，經過退火后的帶鋼，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定合理，閉環(huán)調節(jié)效果精確，完全滿足生產設計要求。

表3 帶鋼入爐前后寬度、厚度抽樣檢測數(shù)據(jù) mm

5 結 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定值計算模型。在該數(shù)學模型的基礎上，設計了基于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網的兩級自動化網絡及退火爐張力閉環(huán)控制系統(tǒng)架構。通過運用PCS7軟件設計平臺，對爐內張力控制系統(tǒng)進行了PLC程序設計。通過PLC的結構化編程及閉環(huán)控制運算，將控制指令下達給S120變頻器，實現(xiàn)了張力電動機的速度及張力的準確控制。

基于退火爐張力計算模型構建下的自動化控制系統(tǒng)設計，使退火爐各工藝段的張力得到了合理的控制，保證了機組運行的穩(wěn)定性、可靠性與準確性，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，退火工藝指標完成良好，達到了生產設計的要求。