3 500 mm 爐卷出鋼過程自動化控制的研究與應用

王艷輝

（山信軟件股份有限公司日照自動化分公司，山東 濟南 250101）

目前鋼鐵行業面臨全球產能過剩、原材料價格波動、經濟危機、貿易沖突與關稅等嚴峻形勢，也面臨多樣化小型訂單，企業需要提前預判的挑戰。鋼鐵企業需要做好經濟成本、原料成本的管理，才能應對市場上的挑戰。而讓鋼鐵企業實現自動化生產是降低企業成本的重要方法之一。

我國鋼鐵行業的發展戰略是增加高附加值、高技術含量合金鋼材的品種和數量，發展有特色、有市場的精品特殊鋼材[1-2]。加熱爐是軋鋼工業必備的熱處理設備，軋機更是產線的核心，加熱爐出鋼過程自動化是工業生產過程中非常重要的過程控制。隨著工業自動化技術的不斷進步，軋鋼過程自動化程度也在逐步提高。

山東鋼鐵集團日照精品基地中厚板廠爐卷生產線是熱軋生產線的一種，為單機架布置型式，即僅配有1 架帶附屬立輥的四輥可逆式爐卷軋機，集成了第五代卷取爐、預矯直機、超快冷等先進技術，達到國際先進水平。該生產線生產出來的產品定位高端，廣泛應用在造船、工程機械、鍋爐容器、石油天然氣管道、橋梁、高層建筑等領域，具有較強的市場競爭力。

1 自動出鋼系統介紹

1.1 傳統出鋼工藝與自動出鋼的區別

傳統出鋼工藝的固有缺陷：出鋼操作環境存在高溫、粉塵、灼燙風險；不同的操作人員之間操作水平差異性較大，出鋼操作不穩定；人工操作失誤往往會帶來質量、安全事故；崗位勞動強度大；出鋼操作智能化控制水平低。

自動出鋼的控制理念：能夠對設備運行狀態進行實時監控，發生異常情況時可及時作出反饋，保障自動出鋼始終能夠在安全環境下運行；將出鋼操作回歸成PLC 程式，保證出鋼操作的穩定與高效，滿足不同爐況、不同鋼種、不同工藝對出鋼序列的要求；通過視頻監控系統對出鋼狀態進行監控，并利用圖像識別技術對出鋼過程中的干擾進行甄別，并對自動出鋼程式做出優化；自動出鋼可達到設計目的，指導生產創造效益。

與傳統的中厚板產線相比，爐卷3 500 mm 產線擁有平軋和卷軋兩種模式，而出鋼系統的自動化為提升卷軋比做出了重大貢獻。

1.2 自動化控制系統構成

自動化控制系統主要是由Level 3（生產計劃管理系統）、Level 2（過程控制系統）、Level 1（基礎自動化控制系統）和Level 0（現場）構成，各系統之間的關系如圖1、圖2 所示。

圖1 爐卷自動化控制系統

圖2 自動化控制層級

1.3 軋機二級系統

爐卷軋機采用強大的自動化系統——X-PactR系統，包括：3 級系統、2 級系統、1 級控制系統和0 級基礎自動化系統。2 級系統包含各類數學模型和工藝參數表，在PDI 原始數據基礎上，2 級系統產生1級控制系統所需的設定值，根據時間和產品要求適時傳送給1 級控制系統，從而使產品達到最佳冶金性能和幾何特性。從1 級控制系統返回的實際測量值用于過程模型的自適應，以及生產日志記錄。另外2 級系統還負責將生產結果傳回3 級系統。

1.4 加熱爐二級系統

該系統致力于高效節能環保、低氧化燒損燃燒技術的開發和應用，爐卷3 500 mm 產線加熱設備采用的是雙蓄熱式加熱爐[3-4]，如圖3 所示。該加熱爐的燃燒技術采用模擬計算技術，配備L1+L2模式，物料跟蹤可靠穩定，溫度控制精準。加熱爐二級系統包括爐區的生產管理和對鋼坯的優化控制，通過熱工數學模型反映鋼坯在爐內的加熱狀況，實時計算板坯加熱時在爐溫度分布，并根據當前的加熱狀況控制加熱方式，使板坯出爐時獲得理想的溫度值，同時通過延遲、待軋策略的實現，平穩地控制待軋過程中爐溫，提高板坯的加熱質量，節約能源。系統具備以下特點：適應性廣，可以根據不同的爐型進行模型計算；控制精度高，鋼坯出爐溫度均勻；節約能源，采用多種策略，適應不同的生產狀態，降低能耗；提高金屬收得率，根據加熱狀況，采用不同的控制方式，減少鋼坯脫碳和氧化；擴充性好，便于與其他系統結合使用，實現工廠的全自動化。

圖3 爐卷3 500 mm 產線加熱爐實物圖

爐卷3 500 mm 產線生產過程中，加熱爐通過原料廠冷坯上料或者通過連鑄輥道將熱坯直接送至加熱爐上料輥道，之后經預熱段、一加熱階段、二加熱階段、均熱段4 個控制段加熱后，板坯溫度達到工藝要求，加熱爐二級系統開始處理出鋼數據，啟動出鋼過程。

2 硬件網絡系統連接

硬件網絡連接是系統之間互相通信的重要橋梁，是整個系統的運行平臺。生產過程中，由于加熱爐二級過程控制系統與軋機二級過程控制系統緊密結合，所以將加熱爐二級服務器和軋機二級服務器都放在軋機PLC 室，便于日常的點檢和維護。加熱爐二級系統與軋機二級系統網絡連接圖如圖4 所示。

圖4 加熱爐二級系統與軋機二級系統網絡連接圖

該系統以加熱爐過程控制為中心，與軋機二級的連接通過交換機實現，加熱爐二級系統與加熱爐一級基礎自動化的連接和它與加熱爐操作臺HMI畫面終端的連接都是通過千兆光纖連接的，以確保通信數據準確又迅速傳遞。

3 出鋼運行過程

生產計劃管理系統（MES）將生產計劃和板坯的PDI 數據組織好后，經由數據庫發送給加熱爐二級系統（WB2）。在加熱爐數據庫中存在表F_DISCHARGE_SEQ，該表為加熱爐二級系統根據生產計劃所排的出鋼序列，加熱爐二級系統每10 s 給軋機二級系統發送一次關于此出鋼序列的報文。軋機二級系統收到報文后,將數據顯示到軋機HMI 畫面上，HMI 畫面發送事件至軋機二級系統的Procon TEL大數據平臺，Procon TEL 大數據平臺會將據此觸發“出鋼請求”的報文發送至加熱爐二級系統，加熱爐二級系統收到“要鋼請求”的報文后會第一時間向Procon TEL 大數據平臺發送“收到要鋼指令正在出鋼”的報文，并通過OPC 協議寫入對應的DB 塊里，然后向加熱爐一級系統（Fur-L1）發送“出鋼”指令，加熱爐一級系統判斷開始后，給加熱爐二級系統發送“出鋼開始”的請求，出鋼條件不滿足時，該指令會執行等待，直到滿足條件為止，滿足條件之后加熱爐啟動出鋼，出鋼機開始動作。

出鋼條件如下：急停和電源鎖正常；進退變頻器、電機正常，升降液壓正常；輥道允許出鋼；出鋼機動作；步進梁允許出鋼機動作；坯料寬度參數正常；坯料位置允許出鋼；出鋼機在后下位；爐門狀態正常。

加熱爐二級系統讀取到PLC 出鋼啟動信號后，會給Procon TEL 大數據平臺發送“Status=4”（條件滿足開始動作）的報文，出鋼程序執行完成之后，加熱爐二級系統讀取到“PLC 出鋼完成”信息，然后加熱爐二級系統給Procon TEL 大數據平臺發送“Status=5”（出鋼完成）的報文。各進程之間通訊連接流程圖如圖5 所示。

圖5 各進程之間通訊連接流程圖

4 結語

經對山東鋼鐵集團日照精品基地中厚板廠爐卷3 500 mm 產線加熱爐自動出鋼系統進行分析和研究，發現加熱爐一級系統與加熱爐二級系統、軋機二級系統與加熱爐二級系統之間通信的重要性，進一步得出出鋼過程自動化可大大提高出鋼效率的結論，同時也避免了操作工手動干預出鋼的種種弊端，為高效節能環保、低氧化燒損燃燒技術的開發和應用奠定了基礎。