带钢热连轧卷取温度控制系统.docx
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带钢热连轧卷取温度控制系统
1国内外带钢热连轧卷取温度控制系统的发展现状及意义
1.1带钢热连轧的国内外发展状况
1.1.1国外发展状况
从1924年阿斯兰1470 mm和1926年巴特勒1070 mm带钢热连轧机计算起，带钢热连轧机已经有八十多年的发展历史了。
它具有综合技术性强、生产效率高、经济效益大、发展迅速、自动化程度高、新技术应用广泛等特点。
可以作为衡量国家工业发展水平的一个重要标志。
现在，我国已经具备设计和制造带钢热连轧机的能力了。
带钢热连轧卷取温度控制系统也有将近五十年的发展历史了。
1958年以前，实现了模拟AGC（自动厚度控制）；1960年以前，实现了轧机调速、压下、活套控制的电动自动化；1962年，美国在麦克劳斯（Mclouth）钢铁公司1525 mm热轧机上实现了计算机控制；1964年，日本在新日铁堺厂1420 mm热轧上实现了计算机控制；1971年11月日本新日铁大分厂2235 mm热轧计算机控制系统投入运行，该热轧计算机控制系统作为当时的设计典范。
1980年以后，带钢热连轧计算机控制系统发展得更加迅速，趋向成熟。
图1.1鞍钢2150钢厂带钢热连轧2150mm层流冷却生产现场图片
80年代末期开始，国外许多热轧带钢厂对现有冷却设备进行改造，目的是提高冷却能力及温度控制精度。
为了提高温度控制精度，避免因控制阀门开闭引起的冷却水量波动，造成温度控制精度波动，国外热轧带钢厂的冷却设备均设置高位水箱，有些工厂具有水箱液面高度恒定控制技术。
为了提高带钢宽度方向上水量分布的均匀性和提高下部冷却能力，对喷水装置进行了改造。
为了提高卷取温度的控制精度，每个控制阀门所控制的水量减少，即控制单元呈细分化趋势。
日本众多热轧带钢厂在层流冷却段内设置测温仪表，检测带钢中间温度，为控制模型实现前馈控制功能及提高设定计算精度服务。
有些工厂在冷却段中间设置带钢相变过程检测仪，为模型计算带钢相变热服务。
微合金高强度钢板的开发，对卷取温度控制精度提出了更高的要求。
国外许多热轧带钢厂对现有的过程机控制系统进行改造，有些工厂单独设置一台过程机来控制卷取温度，以提高模型计算速度、缩短再设定计算周期，提高控制精度。
随着冷却设备的更新、改造，控制模型功能的扩展及模型的进一步理论化，国外众多热轧带钢厂的卷取温度控制精度日益提高，带钢全长卷取温度±20℃的命中率大于94％，控制技术的优化满足了新钢种开发的需要，使热轧带钢的使用领域进一步扩大。
1.1.2国内发展状况
1978年12月投产的武汉钢铁（集团）公司的1700mm热连轧机控制系统是我国引进的第一套带钢热连轧计算机控制系统。
这个系统基本是按照日本新日铁大分厂的模式设计的。
1993年11月，在武汉钢铁（集团）公司、重庆钢铁设计研究院、北京科技大学的共同合作下，完成了武汉钢铁（集团）公司1700 mm热连轧机计算机系统的更新改造工程。
在国内首次采用“硬件引进，软件立足国内”的方针，新系统在不停产的情况下顺利投入使用，并获得了比原有系统更好的控制效果。
该系统已正常运行至今，产品的控制精度得到提高，该项目获得了冶金部科技进步特等奖，获得了国家科技进步一等奖。
随后，在1995年5月，武汉钢铁（集团）公司、北京科技大学、冶金自动化研究院、北京钢铁设计研究院等单位又共同完成了太原钢铁（集团）公司1549mm热连轧机控制系统的建立和开发。
这两个项目的实施，标志着我国已经有能力依靠自己的力量设计和开发像热连轧这样过程控制系统。
为了提高冷却效果，曾提出过各种冷却方式。
实验表明，低压大水量的冷却系统的冷却效果比较好。
20世纪60年代以来，所建的热轧带钢轧机，绝大部分都采用低压大水量的层流冷却。
图1.1为卷取温度控制系统结构图。
图1.2卷取温度控制系统结构图
在输出辊道的上部为分组封闭式冷却水箱，装有一定数量的虹吸管，下部则为带压力的喷嘴式冷却系统。
层流冷却几乎使钢板泡在水中，并且通过辊道两侧装置的侧喷嘴不断地吹动钢板表面的水按一定方向流动，使得带钢表面上的水不断的更新，大大提高了冷却效率（比喷水式提高了30%～40%）。
卷取温度控制的目的，就是通过层流冷却水段长度的动态调节，将不同情况（温度、厚度、速度）的带钢从比较高的终轧温度迅速冷却到所要求的卷取温度，使带钢获得良好的组织性能和力学性能。
1.2课题意义及背景
1.2.1课题背景
热轧带钢一部分是以钢卷状态提供给冷轧带钢的生产作为原料，其余则是以横切钢板或钢卷状态，提供给机械制造、建筑、造船工业、汽车制造业、压力容器、输油气管道、冷弯型钢等行业使用。
由于产品用途的差异，对热轧带钢机械性能的要求也不同。
带钢轧后冷却过程是调整产品性能的重要手段，其中卷取温度控制是影响成品带钢性能的关键工艺参数之一。
卷取温度控制的目的，就是通过层流冷却段长度的动态调节，将不同工况（温度、厚度、速度）的带钢从比较高的终轧温度迅速冷却到所要求的卷取温度，使带钢获得良好的组织性能和力学性能。
控制带钢最终的卷取温度和冷却过程中的降温速度是卷取温度控制的主要内容。
热轧带钢的实际卷取温度是否能控制在要求的范围内，主要取决于带钢冷却系统的控制精度。
当实际卷取温度超出要求的范围，钢卷的组织性能会变差，所以卷取温度控制系统必须能够满足多品种带来的多种冷却模式及控制要求的需要。
1.2.2课题意义
近年来，我国带钢热连轧机的产能和技术水平取得了迅猛的发展，宽带钢热连轧技术的发展为我国钢铁行业的发展带来了新的活力，为经济发展做出了重要贡献。
由于带钢热连轧生产的高效率，高经济性，因而在轧钢生产中发展的最为迅速，而且也是各种新技术应用最为广泛的一个新领域。
在带钢热连轧中，卷取温度和终轧温度一样，对成品带钢的全相组织影响很大。
是决定成品带钢加工性能、力学性能、物理性能的主要工艺参数。
因此，卷取温度控制精度的提高具有十分重要的意义，它能给企业带来巨大的经济效益。
板带轧后的卷取温度控制是在精轧机与卷取机之间增加一段冷却装置，将板带从终轧后的温度冷却到相变后的卷取温度。
这一加工技术是60年代初形成的，旨在提高钢板机械强度的新工艺技术，并首先在带钢生产中得到了实现。
它不但能大大缩短板带的冷却时间，大幅度提高产量，而且更重要的是它能够通过控制冷却速度，改变钢的金属组织结构，在不降低韧性的情况下，提高钢材的强度，同时减少板带的不平整度和残余应力，从而明显地提高钢材的质量，为生产厂家带来显著的经济效益。
带钢精轧温度一般约为800～900℃，而高取向硅钢的终轧温度为980℃。
通常，带钢在100m左右的输出辊道上运行时间为5～15秒。
为了在这么短的时间内使带钢温度降低200～350℃，仅靠带钢在输出辊道上的辐射散热和向辊道传热等自然冷却是不可能的。
因而在输出辊道的很长一段距离上，需要设置高效的冷却装置，对带钢上下表面进行强制冷却，并对水量进行准确控制，可以满足卷取温度的要求。
目标卷取温度随钢种的不同而变化，即使同一种钢种，合金元素的含量不同，卷取温度也应作相应的改变。
过高的卷取温度，将会因卷取后的再结晶和缓慢冷却而产生粗晶组织及碳化物的积聚，导致力学性能变坏以及产生坚硬的氧化铁皮，使酸洗困难。
过低的卷取温度，一方面使卷取困难且有残余应力存在，容易松卷，影响成品带卷的质量；另一方面，卷取后没有足够的温度使过饱和的碳氢（氮）化合物析出，影响钢材性能。
影响卷取温度的因素多而复杂，难以从在线控制数学模型中全部计算和精确描述。
目前，在对层流冷却控制系统的研究中，应用了预测控制和自适应调节器的基本思想，但并没有应用任何很具体的理论研究成果。
其原因是预测控制和自适应控制中现有的一些比较成熟的算法，均要求比较严格的条件。
以提高卷取温度控制精度，是一个有现实意义的课题。
1.3控制冷却简介
控制冷却是利用钢板热轧后的余热，进行在线控制冷却，在保证板材要求的板形尺寸规格的同时，可控制和提高板材的综合力学性能。
目前在生产中所采用的控制冷却方式主要有三种：
气水混合冷却，幕状层流冷却和柱状层流冷却。
当控制冷却中使用的冷却介质为气水时为气水混合冷却。
当以水为冷却介质时依据其冲击钢板的流态方式不同，可分为两大类：
一类是层流冷却，另一类是紊流冷却。
由于层流水冲击钢板后围绕冲击区形成层流扩展区，冷却水飞溅少，冷却能力高，与非层流冷却相比，可节省水30%。
所以，现代生产线上都采用层流控制冷却方式，层流又分为柱状层流和幕状层流。
柱状层流又分为直管式和U型管式两种。
一个喷头上可设一排、两排、四排或更多的喷嘴。
喷嘴数量的增加使柱状层流的冷却能力得到提高，也可改善钢板的冷却均匀程度。
实践证明，层流冷却的冷却效果比较好。
幕状层流冷却方式是从喷嘴喷出一种幕墙式水流，水流在钢板表面上形成一细条冲击区，冲击区前后为层流扩展区。
冷却介质与钢板间的热交换主要发生在冲击区和层流扩展区。
目前世界上绝大多数带钢热连轧的卷取温度控制采用的都是层流冷却（LaminarCooling）方式，即采用循环使用的低压大水量的冷却系统。
层流冷却的基本原理是以大量的虹吸管从水箱中吸出冷却水，在无压力情况下流向带钢。
其特点是冷却水以流股状与带钢表面平稳接触，冷却水不反溅，紧贴在带钢表面上平稳地向四周流动，扩大了冷却水与带钢的有效接触面积。
层流冷却几乎使钢板泡在水中，并通过辊道两侧装设的侧喷嘴不断的将钢板表面的水汽层吹开，使钢板表面的水按一定方向流动，新的冷却水流不断接触钢板，大大提高了冷却效率。
层流冷却的工作原理是使带钢表面覆盖一层处于层流状态下流动的最佳厚度的水，利用热交换原理使带钢冷却至卷取温度，所使用的具体方法是使大流量的低压水平稳地贴附于带钢上表面，形成薄薄的一层水膜。
且随着带钢的前进，由侧向喷出的中压水吹动水膜，使冷却水不断更新，从而带走大量的热，达到冷却的目的。
层流冷却的基本控制思想：
控制计算机将整个生产范围内的带钢按厚度、目标卷取温度（一般相差10℃为同一级）、带钢材质的冷却特性、冷却要求等分很多级别，将冷却速度相近的钢归类，进行分等级控制，对不同的级别使用不同的策略数据和模型数据。
层流冷却过程的控制主要分为四个部分，见表1.1。
表1.1层流冷却过程控制
名称
时间（位置）
任务描述
预计算
板坯粗轧机
准备数据
前馈控制
每段至入口测温点
计算微调区开启阀门数
反馈控制
每段至出口测温点
计算精调区增减阀门数
自适应
每段至出口测温点
计算模型修正系数
1）冷却策略
因为预设定模型只有一个方程，故不能得到唯一解。
用它来完成喷头个数的设定，必须对其它相关量（如上、下起始阀门，临界温度，最大冷却能力等）进行计算，才可通过预设定模型确定喷水长度。
2）预设定模型
根据精轧机提供的带钢信息，应用预设定模型对各控制量进行预计算，将计算后得到的控制量设定值送基础自动化系统执行，这样可以有效地消除整个控冷系统动作滞后的影响。
预设定模型每隔一段时间启动一次，重新计算各控制量后送基础自动化系统（下位机）执行，即相当于将带钢沿长度方向分段控制，以消除带钢长度方向的温度、厚度及速度的波动。
3）前馈补偿模型
带钢进入层流冷却前的实际温度、带钢速度和厚度与预估值（带钢离开精轧机时的速度、厚度和温度）存在偏差，该偏差由前馈补偿模型予以消除。
预计算模型与此前馈补偿模型相当于一个完整的前馈控制器。
4）反馈控制模型
反馈控制是通过比较实测的卷取温度和目标卷取温度来调整精调区集管的开或关，使得实测的卷取温度在目标卷取温度附近振荡趋近，保证同板温差处于目标范围内。
5）模型参数自适应
一段带钢冷却结束后，利用卷取温度点的信息对计算模型（包括前馈模型）进行自适应参数修正，修正后的模型用于下一段（短时自适应）或下一次带钢（长时自适应）的控制。
参数自适应模型实现了整个带钢层流冷却过程的闭环控制。
控制方案结构图见图1.3。
图1.3卷取温度控制方案结构图
1.4本章小结
本章主要介绍了以下几点：
1带钢热连轧卷取温度的国内外背景意义及其发展趋势。
2卷取温度控制精度的要求。
3影响卷取温度的因素以及解决的途径。
4控制冷却工艺
2.PLC系统构成、网络通讯
2.1PLC的工作原理
2.1.1PLC的等效工作电路
PLC是一种微机控制系统，其工作原理也与微机相同，但在应用时，可不必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等组成的装置，从而把PLC等效成输入、输出或内部控制电路三部分。
1）输入部分
这部分的作用是接受被控设备的信息或操作命令等外部输入信息。
输入接线端是PLC与外部的开关、按钮、传感器转换信号等连接的端口。
2）内部控制电路
这部分的作用是运算和处理由输入部分得到的信息，并判断应产生哪些输出。
内部控制电路实际上也就是用户根据控制要求编制的程序。
3）输出部分
这部分的作用是驱动外部负载。
在PLC内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器，它也有无限多软件实现的动合、动断触点，可在PLC内部控制电路中使用；但对应每一个输出端只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载。
2.1.2输入部分
这部分的作用是接受被控设备的信息或操作命令等外部输入信息。
输入接线端是PLC与外部的开关、按钮、传感器等输入设备连接的端口。
每个端子可等效为一个内部继电器线圈，线圈号（输入触点号）。
这个线圈由接到的输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由PLC的电源部件提供（如直流24V），也可由独立的交流电源（如交流110V）供给。
每个输入继电器可以有无穷多个内部的触点（常开、常闭形式均可），供设计PLC的内部控制电路（即编制PLC控制程序）时使用。
2.1.3内部控制电路
这部分的作用是运算和处理由输入部分得到的信息，判断应该产生哪些输出。
内部控制电路实际上也就是用户根据控制要求编制的程序。
PLC程序一般用梯形图形式表示。
而梯形图是从继电器控制的电气原理图演变而来的，PLC程序中的常开触点、常闭触点、线圈等概念均与继电器控制电路相同。
2.1.4输出部分
这部分的作用是驱动外部负载。
在PLC内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器（有继电器、双向硅、晶体管三种形式），它也有无限多软件实现的常开、常闭触点，可在PLC内部控制电路中使用；但对应每一个输出端只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载。
外部负载的驱动电源接在输出公共端（COM）上。
总之，在使用PLC时，可以把输入端等效为一个继电器线圈，其相应的继电器触点（常开或常闭）可在内部控制电路中使用，而输出端可以等效为内部输出继电器的一个常开触点，驱动外部设备。
2.1.5PLC的工作过程
PLC一般采用循环扫描方式工作。
当PLC加电后，首先进行初始化处理，包括检查I/O及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查I/O单元的连接等。
开始运行之后，串行地执行存储器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段：
1）公共处理阶段；
2）执行外围设备命令阶段；
3）程序执行阶段；
4）输入、输出更新阶段。
图2.1S7-200PLC
2.2PLC的组成
2.2.1中央处理单元（CPU）
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
CPU主要完成的任务有：
1）从存储器中读取指令；
2）执行指令；
3）准备取下一条指令；
4）处理中断。
图2.2CX-P编程软件启动界面
2.2.2贮存器
存储器是具有记忆功能的半导体电路。
PLC的存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器。
所谓系统程序，是指控制和完成PLC各种功能的程序，这些程序是由PLC的制造厂厂家用微机的指令系统编写的，并固化到只读存储器（ROM）；所谓用户程序，就是使用者根据工程现场生产过程和工艺要求编写的控制程序。
用户程序由使用者通过编程器输入到PLC的读写存储器（RAM）中，允许修改，由用户启动运行。
1）只读存储器ROM
在ROM中，存放着PLC制造厂家编写的系统程序，一般包括以下内容：
检查程序、键盘输入处理程序、翻译程序、信息传递程序、监控程序。
2）读写存储器RAM
RAM一般用来存放用户程序（有时也放在EPROM中），为了防止失电后程序丢失，一般采用电池或电容保持电路。
RAM中一般存放以下内容：
用户程序、逻辑变量。
图2.3“改变PLC”窗口
2.2.3I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA，0-20mA）、电压型（0-10V，0-5V，-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。
除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
输入/输出接口电路用来连接PLC主机与外部设备。
为了提高抗干扰能力，一般的输入、输出接口均有光电隔离装置，应用最广泛的是由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器。
由PLC产生的各种输出控制信号经输出接口去控制和驱动负载，如指示灯的亮灭、电动机的起停和正反转、设备的转动、平移、升降、阀门的开闭等。
2.2.4执行装置
PLC的控制对象是各种各样的，有电动的、气动的和液压的，负载的大小和种类各不相同。
但是对PLC本身而言，它的输出模块基本上也只有3种形式：
继电器、双向晶闸管型和晶体管型，并用承受能力也是有限的，那么PLC是怎样带动这些庞大的机械电气设备的呢？
这就是说在PLC与这些被控对象之间还需要一个中间环节，也就是执行装置。
典型的情况是：
PLC通过继电器、接触器去带动电动机转动。
2.2.5其它接口电路
除了I/O接口电路外，许多PLC还配置了其它一些接口，使PLC能满足更多的需要。
主要有以下几种：
1）I/O扩展接口；
2）智能I/O接口；
3）通讯接口。
2.2.6PLC的其他设备
1）编程设备：
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。
它经过编程器接口与CPU联系，完成人—机对话。
编程器可分为简易编程器和图形编程器两种。
2）人机界面：
最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
3）输入输出设备：
用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、
条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。
2.3PLC的通信联网
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。
因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出“网络就是控制器”的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。
2.3.1PLC的编程语言
PLC与微机一样，是以指令程序的形式进行工作的，各种型号的PLC一般均以梯形图语言为主，同时也兼顾一些其他形式的编程语言。
1）梯形图
梯形图是一种图形编程语言，是面向控制过程的一种“自然语言”，它沿用继电器的触电、线圈、串并联等术语和图形符号，同时也增加了一些继电器控制系统中没有的特殊符号，以便扩充PLC的控制功能。
2）指令语句表
指令语句就是用助记符来表达PLC的各种控制功能，一般与梯形图形式一一对应。
它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言通俗易懂，因此也是应用很广泛的一种编程语言。
3）逻辑功能图
这种编程语言基本上沿用了半导体逻辑电路的逻辑方块图形式。
对于每一种功能都使用一个运算方块，其运算功能由方块内的符号确定。
采用这种编程语言对于熟悉逻辑电路和具有逻辑代数基础的技术人员来说，是非常方便的。
4）流程图
流程图编程方式采用画工艺流程图的方法编程，只要在每个工艺方框的输入和输出端标上特定的符号即可。
对于在工厂中搞工艺的人来说，用这种方法编程，不需要很多的电气知识，非常方便。
5）高级语言
在一些大型PLC中，为了完成一些较为复杂的控制，采用功能很强的微处理器和大容量存储器，将逻辑控制、模拟控制、数值计算与通讯功能结合在一起，配备BASIC、PASCAL、C等计算机语言，使PLC具有更强的功能。
2.4本章小结
本章主要介绍了西门子S7-300系列PLC及其网络，为后续章节的设计研究做好铺垫。
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