不锈钢固溶热处理线自动控制系统的开发与应用

第36卷第1期2012年1月冶金自动化METALLURGICALINDUSTRYAUTOMATIONV0136NO1JAN2012系统与装置不锈钢固溶热处理线自动控制系统的开发与应用付天亮，刘宇佳，李勇，李家栋，李峰1东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁沈阳110004；2酒泉钢铁集团有限责任公司摘要以酒泉钢铁集团有限责任公司不锈钢酸洗热处理分厂中厚板固溶热处理线为研究背景，介绍控制系统的结构和配置，阐述燃烧控制、淬火机喷水控制以及全线顺序控制等基础自动化级控制系统的功能及特点，论述固溶炉加热工艺控制、淬火机淬火固溶工艺控制和全线过程跟踪等过程控制级系统原理及功能。该热处理线于2010年11月投产，控制系统运行稳定，控制精确，各项指标达到或优于设计水平。关键词固溶热处理线；辊底式高温固溶炉；辊式淬火机；过程跟踪中图分类号TG307；TP273文献标志码B文章编号100070592012O1004106DESIGNANDAPPLICATIONOFAUTOMATICCONTROLSYSTEMFORSTAINLESSSTEELROLLERHEARTHHEATTREATMENTLINEFUTIANIIANG，LIUYUJIA，LIYONG，LIJIADONG，LIFENG1THESTATEKEYLABOFROLLINGANDAUTOMATION，NORTHEASTERNUNIVERSITY，SHENYANG110004，CHINA；2JIUQUANIRONANDSTEELGROUPCO，LTDABSTRACTBASEDONPLATEROLLERHEAAHHEATTREATMENTLINEOFSTAINLESSSTEELPICKLINGHEATTREATMENTBRANCHINJIUQUANIRONANDSTEELGROUPCO，LTD，STRUCTUREANDCONFIGURATIONOFCONTROLSYSTEMAREINTRODUCED，FUNCTIONSANDCHARACTERISTICSOFBASICAUTOMATIONLEVEL，INCLUDINGCOMBUSTIONCONTROL，SPRAYINGCONTROLANDSEQUENCECONTROL，AREDESCRIBED，ANDPRINCIPLESANDFUNCTIONSOFPROCESSCONTROLLEVEL，INCLUDINGHEATINGPROCESSCONTROL，QUENCHINGSOLUTIONPROCESSCONTROLANDPROCESSTRACKINGCONTROL，AREDISCUSSEDTHETREATMENTLINEHASPUTINTOOPERATIONINNOVEMBEROF2010，RUNNINGOFCONTROLSYSTEMISSTABLE，CONTROLISPRECISE，ANDINDEXESREACHOREXCEEDDESIGNLEVE1KEYWORDSROLLERHEAAHHEATTREATMENTLINE；ROLLERHEARTHFURNACE；ROLLERQUENCHINGMACHINE；PROCESSTRACKING0引言热处理是生产高性能和高附加值钢板的重要工序，它不仅可以改进钢板的加工性能，同时能够显著地改善钢板的力学性能。国外特别是日本、德国的中厚板生产厂普遍建有较先进的自动化热处理线。在我国，建设高效节能、自动化程度高的现代化热处理线是中厚板厂提升产品附加值和竞争力的必然选择J。本文以东北大学自主研发的已投产于酒泉钢铁集团有限责任公司不锈钢酸洗热处理分厂的中厚板固溶热处理线为背景，从基础自动化、工艺过程控制和全线过程跟踪三个方面介绍自动控制系统的组成及功能。其中，固溶热处理炉采用脉冲燃烧控制技术，各项控制指标均达到了国际先进水平；辊底式淬火机建立工艺模型系统和多路径冷却策略，实现自动淬火固溶及高精度淬火固溶控制；过程跟踪系统借助自主研发的通信软件包，开发出全线数据库集成系统、物料跟踪系统和人性化界面系统，实现全线物料科学管理和精确跟踪。收稿日期20110516；修改稿收到日期20111O13作者简介付天亮1981，男，黑龙江哈尔滨人，讲师，博士，主要从事轧钢及热处理工艺工作。42冶金自动化第36卷1固溶热处理线工艺布置及核心装备11工艺布置固溶热处理线主要用于奥氏体不锈钢200，300系列、铁素体不锈钢固溶处理和马氏体不锈钢淬火处理等，具有产品质量好、产量大、自动化水平高等特点。整条线年产量20万T，生产产品中间辊道规格为480，100MM15003200MM200012000MM。整条线含酸洗工艺流程为上料一对中和测长一加热辊底式固溶炉一冷却辊式淬火机矫直冷矫直机一取样滚切式取样剪一辊盘式冷床一抛丸一酸洗立式酸洗线一包装下线。整条线主要工艺布置如图1所示。输出辊道取样剪矫直机辊式淬火机辊底式高温固溶炉装料辊道CMD1CMD14金属检测器；HMD1HMD11一激光检测器；T1T2测温仪。图1整条线主要工艺布置FIG1WHOLELINEPROCESSLAYOUT12核心设备1辊底式高温固溶炉高温固溶炉由炉体、燃气系统、助燃空气系统、排烟系统、辊道系统、冷却水系统等部分组成。固溶炉总长9O4M，炉内有效宽度36M，采用明火加热方式。燃气使用高焦混合煤气，烧嘴为自身预热式低NOX烧嘴。排烟方式为单烧嘴100引射排烟辅助旁通排烟。由于采用数字化脉冲燃烧技术，因此炉内最高温度可以达到1180，燃烧效率高，炉温均匀性好。固溶炉共188根空心水冷炉辊，传动方式为单独变频单独传动，入炉段辊道速度为0520MMIN，出炉段辊道速度为0540MRAIN，炉内摆动速度为1RRIMIN。根据板厚的不同，固溶炉有连续和步进两种生产模式。2辊式淬火机辊式淬火机布置在固溶炉后，矫直机前，由喷水喷汽系统、供水供气系统、移动框架、辊道传动系统、液压提升系统及固定框架等部分组成。采用高压一低压一汽雾三段式喷水，各段喷嘴上下对称布置。高压段喷嘴分缝隙喷嘴、密集快冷喷嘴和常规快冷喷嘴三种，快速降低钢板温度。低压段采用多孔多角度漫射喷嘴，冷却能力较小，用于继续相对慢速降低钢板温度，防止钢板回温。淬火机提升装置带动上框架上下运动，实现自动调节辊缝，通过液压系统实现辊缝快抬。淬火机辊道采用集中链传动，保证冷却过程中钢板匀速前进，在低压段设辊道摆动功能。2自动控制系统结构及配置固溶热处理线自动控制系统采用25级控制体系。基础自动化级L1包括固溶炉燃烧控制系统、全线顺序控制系统和淬火机喷水控制系统，采用3套SIEMENS7400PLC。逻辑控制程序依据结构化、模块化原则，采用SIEMENSSTEP7集成开发工具开发。各PLC系统间通过工业以太网进行数据交换。现场远程站和操作台选用SIEMENSET200M分布式LO，具备数字、模拟信号输入输出模块，使用现场总线PROFIBUSDP技术与PLC主控制器进行数据通信。人机界面系统HMI服务器与客户机间采用CS架构，监控软件采用SIEMENSWINCC。传动系统的辊道变频器采用SIEMENS6SE70系列，变频范围0580HZ，传动系统与主控制器PLC间的通信采用PROFIBUSDP方式。过程控制系统I2包括固溶炉燃烧一加热过程控制系统和淬火机过程控制系统两部分，主要功能包括炉温一炉膛压力控制、脉冲燃烧控制、钢板加热控制、多路径快速冷却控制、板形控制、组织性能控制等。全线过程跟踪系统L25用于实现钢板从计划开始直至成品的全线物料管理，包括生产计划管理、上料管理、全线物料监控、生产实绩管理、中途上下线管理、酸洗库管理、成品库管理、废品库管理等部分。该系统上游为数据库管理系统，下游为LL中的全线顺序控制系统，具备部分MES功能。数据库软件采用ORACLE10G。通过SI第1期付天亮，等不锈钢固溶热处理线自动控制系统的开发与应用43EMENSSIMATICNET，结合自主开发的基于OPC，TCPIP协议的通信中间包，完成L2与LL、L2与数据库、I2与L25、I2与HMI以及L25与HMI和LL间的通信。交换机采用思科2960G，完成电气室、操作室和现场操作台间的数据交换。全线网络配置如图2所示。图2全线网络配置FIG2WHOLELINENETWORKLAYOUT3自动控制系统主要功能31基础自动化控制系统311固溶炉燃烧控制固溶炉沿炉长方向设L4个温度检测区，上下共28个温度控制段。温度设定方式分L2模型设的以太网线工控机间定、经验库设定和人工设定3种。温度控制是根据各温度段设定温度，按图3所示控制方案连续调节烧嘴开闭状态，实现各区炉温精确控制。其中，温度控制器采用PID自整定控制策略。实践表明，工况稳定时该方案控制精度在5以内。图3固溶炉炉温控制原理图FIG3TEMPERATURECONTROLPRINCIPLEDIAGRAMOFROLLERHEARTHFURNACE固溶炉炉压调节有两种方法排烟引射控制和旁通烟道排烟控制。由于采用了多级燃烧，因此，烟气中有害物质含量较低。通过内置换热器，烟气预热助燃空气，之后通过引射器从烧嘴排出。排烟引射控制作为主要的炉压调节手段，是通过控制烟道内烟气压力和温度来间接控制炉压的。烟道压力是影响废气排放的主要因素之一，同时也是提高固溶炉热效率和调节炉内气氛的主要因素。烟温控制采用PID控制策略。当烟温过高时，适当减小对应主烟道调节阀的开度，减少烟气排放量，使烟道内维持一定负压。此外，作为辅助的炉压控制手段，旁通烟道排烟控制根据烟道内冶金自动化第36卷烟温和炉压的变化调节旁通烟道排气量，进而实现炉压精调。炉压控制原理如图4所示。竺苎N一至兰NF不调节11实测烟温LL_J烟温控制器烟温控制器实测烟温篙道调节阀L炉示调节阀LL一炉压微调节上限值；一炉压微调节下限值。图4固溶炉炉压控制原理图FIG4PRESSURECONTROLPRINCIPLEDIAGRAMOFROLLERHEARTHFURNACE312淬火机喷水控制钢板冷却过程中关键参数有水量、水压、上下喷嘴水量比、辊速和辊缝。而水量和水压与冷却强度有关，上下喷嘴水量比与冷却均匀性和板形有关，辊速与冷却时间有关，进而影响冷却速率，辊缝与钢板表面冷却形式有关，进而影响板形。上述参数由淬火机L2计算并下发到PLC中执行。水量控制采用FUZZYPID策略，共制定56条模糊条件语句，PID控制采用带死区的积分分离PID算法。第1条语句控制输出量“可表示成M1RAINMAX；I；MAX圳N；XNM蚴N；1式中，、I和ITNM、I分别为模糊集合NB肌和NM第I个元素的隶属度；、和、分别为模糊集合和NM第个元素的隶属度；为模糊集合朋的隶属度；ET为流量变化量；T为时问；AET为流量变化率。可由其他模糊条件语句求出控制量U，U，U于是控制量模糊集合可表示成ULZ2562当设定和实际流量出现偏差时，流量FUZZYPID调节器发出控制信号，指示流量调节阀动作，调节支管流量。流量变化会引起水压波动，水压调节采用PID控制策略，通过调节总管旁通调节阀开度调节水压。经检验，淬火机喷水控制系统响应速度快、稳定性好、控制精度高。水量偏差在3MH以内，控制精度在土15以内，水压控制精度在2以内。喷水系统控制原理见图5。313钢板全线顺序控制全线顺序控制包括两部分钢板位置跟踪和与钢板运动相关的设备控制。钢板位置跟踪区域支管执行器F不动作I控制鳖HN土6一支管执行器调节下限值；82总管旁通执行器调节下限值。图5淬火机喷水系统控制原理图FIG5SPRAYINGSYSTEMPRINCIPLEDIAGRAMOFQUENCHINGMACHINE包括上料区、炉内区、淬火机区、中间辊道1区、中间辊道2区、输出辊道区和冷床区等。各区通过辊速、金属检测器、激光检测器等实现位置跟踪及修正。通过各单体设备间通信和物料管理系统实现钢板队列宏跟踪。由于炉区钢板加热与位置密切相关，因此炉内采用由编码器和变频装置组成的高性能闭环矢量调速系统来保证钢板位置的准确性。考虑到钢板打滑等因素，通过安装在固溶炉内的11台激光检测器对钢板位置进行修正。固溶炉内辊道由于采用了单独变频单独传动方式，可根据钢板位置弹性分组，钢板按不同速度在炉内运行。与钢板运动相关的操作包括上料、对中测长、入炉、出炉、出淬火机以及矫直、取样剪和冷床区的钢板位置操作。为保证上述操作准确、自动执行，在顺控系统中设计了步序控制方式，包括人炉步序、出炉步序、淬火步序等。通过严密的连锁条件设计、完善的步序控制和精确的钢板位置跟踪，固溶热处理线实现了自动化流水作业。第1期付天亮，等不锈钢固溶热处理线自动控制系统的开发与应用4532过程控制系统321辊底式固溶炉过程控制系统钢板在炉内加热过程涉及燃料燃烧、气体流动和介质传热等复杂物理化学过程，影响因素包括炉膛和钢板尺寸及热特性、燃料种类及供热量、空气和燃料预热温度及空燃比、炉气热特性及炉气运动、钢板运动规律等I4J。固溶炉L2系统主要功能包括钢板温度全炉跟踪、炉温优化设定、炉温动态修正、钢板温度预测、在炉时间计算、离线计算和经验管理等。通过对燃烧技术的改进和加热工艺的优化，固溶炉I2可实现精确自动加热。脉冲燃烧技术的应用可大幅减少混合煤气和助燃空气流量、压力的检测量。通过采用变脉宽变周期的脉冲时序控制方式，固溶炉过程控制系统结合PLC完成对烧嘴点火过程的自动控制。控制策略见参考文献5。加热工艺是产品最终性能的重要保证。制定合理的加热速度与炉温制度可使钢板在较短时间内加热至所需工艺温度，既满足钢板固溶处理要求又可减少固溶炉燃气消耗，降低成本。为实现加热工艺的优化，本文建立了以能耗低、出炉断面温差小、出炉温度与期望温度接近、生产节奏快为目标的数学模型系统，采用全局自寻优算法求解J。经现场检验，采用炉温优化设定模型制定加热工艺，钢板加热过程得到有效控制，出炉实测板温与目标温度的绝对偏差在1O以内，相对误差在15以内，如图6所示。322辊式淬火机过程控制系统中厚板淬火固溶工艺涉及温降、形变、组织转变等过程，具有多场耦合、非线性关系复杂等特点。淬火固溶数学模型的建立存在如下技术难点1建模复杂、适应性不强；2相关参数测量困难；3模型边界条件难以精确确定；4模型求解困难。针对辊式淬火机不同冷却方式，本文构建了以射流冲击换热为主的水冷模型、汽雾两相流耦合换热模型、强风冷却换热模型和综合换热系数计算模型，开发出系统完整的辊式淬火机淬火固溶工艺数学模型。同时，开发出包括规程分配、功能触发和工艺参数计算等功能在内的中厚板淬火固溶工艺控制系统，实现了高精度的温度控制、冷却过程控制及模型自学习，满足了中厚板淬火固溶工艺的稳顺生产要求。其中部分综合换热系数模型如下。采样点A出炉板温实测值与计算值比较采样点B出炉板温实测值与工艺目标值比较图6钢板加热温度控制精度FIG6CONTROLPRECISIONOFSTEELHEATINGTEMPERATURE冷却一段HW，K_厂I05，14U18，201HWA1一A21EWAL14，183HW，IJFTVE05,0一8U12,2HWBBBB，B412一34一508，12其中，KD1D2D一，FE12E一上述式中，HTO，为考虑水量和辊速的换热系数，WM；为水量，MH；为辊速，MS；H为仅考虑水量的换热系数，WIN；A，A4，B1B5，D1一D，E1一E为系数。此外，本项目开发出不锈钢中厚板固溶处理性能及耐蚀性计算模型，构建了中厚板固溶处理组织性能预测平台，形成了完整的辊式淬火机工艺模型系统。实际应用表明，模型计算值与实际值偏差在5以内。O8642O86420赠丑O8642O86420越赠丑冶金自动化第36卷淬火固溶控制系统的特点可概括为1将具有不同冷却能力的喷嘴和冷却方式有机结合，制定在线、离线复合冷却方式下淬火固溶策略，运用智能化方法实现中厚板冷却速度、终冷温度的弹性控制和在线修正；2对比分析不同冷却介质和喷水方式，建立复合冷却方式综合换热系数计算模型，结合冷却过程温降、应力分析，构建淬火固溶路径控制模型系统；3结合淬火机LL控制系统，采用淬火固溶步序控制，实现淬火机“一键式”操作。33全线跟踪控制系统为提高产量和质量，全线跟踪控制系统对物料实施实时跟踪策略包括实物和数据链，进而实现生产计划制定和执行过程的高水平质量控制和优化控制。此外，为了方便生产管理和数据分析，该系统还提供生产报表和统计分析工具。生产管理系统采用CS架构和基于数据库的扩展CS架构。使用嵌入数据库中的PLSQL存储过程功能开发业务处理过程功能，然后由创建的服务进程调用。服务进程包括传输协议和接口的任务有两个，一是对自动产生的事件触发做出处理，二是负责与其他系统的通信。服务进程由事件驱动，通过VC开发。界面客户端直接与数据库服务器通信，通过视图和PLSQL存储过程来获得数据。所有后台功能都通过PLSQL存储过程来实现，并且能够被多个客户端同步调用。客户端使用OPC接收服务进程发送的消息，支持异步调用。OPC提供的一些基础服务包括日志、进程间通信、报告服务等。4结束语固溶热处理线自动控制系统采用分级控制体系，通过自主研发的通信中问包实现各级间通信。从使用情况看，系统运行稳定，控制精度高，各项指标达到设计要求。基础自动化系统采用自整定PID控制炉温，通过引射排烟结合旁通烟道排烟控制实现炉压精调，采用FUZZYPID策略控制淬火机喷水，采用高性能闭环矢量调速系统结合步序控制实现钢板位置的精确跟踪。现场测试表明，炉温控制精度在5以内，喷水水量偏差在3INH以内，水压控制精度在2以内，各项控制指标达到或优于设计水平。过程控制系统采用脉冲燃烧控制技术和加热工艺优化技术实现钢板加热过程自动控制，通过构建淬火固溶工艺数学模型及控制系统，结合多路径快速冷却策略实现冷却过程弹性控制和在线修正。现场测试表明，出炉板温控制的偏差绝对值不大于10，冷却工艺模型计算精度在5以内。参考文献1潘健生潘健生院士在中国机械工程学会热处理分会第八届理事会第一次常务理事会上的发言J热处理，2008，2333235PANJIANSHENGTHESPEECHBYACADEMICIANPANJIANSHENGATTHEFIMTSTANDINGDIRECTORMEETINGOF8THCOUNCILOFCMESCHTSJHEATTREATMENT，2008，23332352牛钰，温治，王俊升，等大型辊底式连续热处理炉计算机优化控制系统J钢铁，2007，4227277NIUYU，WENZHI，WANGJUNSHENG，ETA1COMPUTERCONTROLSYSTEMFOROPTIMIZINGHEMINGOFLARGECONTINUOUSROLLERHEARTHHEATTREAT