軋鋼廠穿水冷卻控制系統(tǒng)
1 引言
龍鋼西安軋鋼廠連續(xù)棒材生產(chǎn)線建于1997年，原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力17萬噸/年，經(jīng)過數(shù)年的改造，目前實(shí)際生產(chǎn)能力達(dá)到60萬噸/年。為滿足生產(chǎn)需要，工藝上采用加大強(qiáng)化加熱提高軋制速度的等方法，直接導(dǎo)致氧化鐵皮加大，鋼材力學(xué)性能降低，而且經(jīng)常出現(xiàn)表面氣泡，采用低溫軋制已成必然選擇。穿水冷卻是基于濁循環(huán)水中具有動(dòng)能的重懸浮顆粒對(duì)熾熱棒材表面蒸汽膜的破壞機(jī)理，對(duì)熱軋帶肋鋼筋進(jìn)行軋后冷卻的一項(xiàng)技術(shù)，通過穿水冷卻使鋼材上冷床溫度降低，改善三級(jí)鋼的力學(xué)性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量及合格率，解決冷床冷卻能力不足的問題。由西安重型機(jī)械研究所承擔(dān)的龍鋼西安軋鋼廠穿水冷卻自動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)采用交流變頻電機(jī)及現(xiàn)場總線技術(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。該設(shè)備控制系統(tǒng)為軋鋼在降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約能源，提高產(chǎn)品質(zhì)量上提供了一種新的解決方案。
2 系統(tǒng)簡介
龍鋼西安軋鋼廠穿水冷卻自動(dòng)控制系統(tǒng)主要采用西門子MM440變頻調(diào)速控制裝置、安裝在變頻器上的PROFIBUS通訊模板、西門子S7-300可編程序控制器、分布式I/O ET200M、研華工控機(jī)、西門子監(jiān)控軟件WINCC 6.0等產(chǎn)品，采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)。其系統(tǒng)配置如圖1所示。
圖1 控制系統(tǒng)配置圖
3 系統(tǒng)組成及功能
3. 1 系統(tǒng)組成
(1) 硬件配置
硬件配置主要是用西門子公司的S7-300 PLC與MM440變頻器進(jìn)行硬件連接及組態(tài)，建立PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。為了連接成PROFIBUS系統(tǒng)，必須選用PROFIBUS模板，這一模板是一個(gè)可選件，此模板安裝在變頻器的正面，通過串行接口與變頻器連接，對(duì)MM440進(jìn)行控制。PROFIBUS-DP是一個(gè)價(jià)格適當(dāng)?shù)母咚俅型ㄓ嵪到y(tǒng)，采用這種簡單的總線系統(tǒng)，可以把工程設(shè)計(jì)、可視化和PLC控制集成在一起。PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的主要特點(diǎn)是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)，是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)總線式的全數(shù)字通訊。將MM440變頻器通過PROFIBUS通訊模板連接到S7-300 PLC的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)了MM440與S7-300的網(wǎng)絡(luò)通訊。變頻器與S7-300 PLC的硬件連線如圖2所示:
圖2 變頻器與S7-300的硬件連接圖
3.2 硬件組態(tài)
組態(tài)PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線步驟如下:
(1) 在西門子SIMATIC STEP7軟件下新建一個(gè)工程(Project)，插入一個(gè)SIMATIC 300站，打開該站的Hardware硬件組態(tài)編輯器，組態(tài)315-2DP的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。
(2) 在PROFIBUS-DPSIMOVERTMICROMASTER 4中插入MICROMASTER 4到總線網(wǎng)絡(luò)中，在MIC- ROMASTER 4下插入PPO1或PPO3即可。
(3) 分散I/O是按照所選的分散站形式(如ET200M)選擇通訊模塊(IM153)的型號(hào)添加到PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中去。
硬件組態(tài)如圖3所示。
3.3 系統(tǒng)功能
(1) 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)功能
根據(jù)恒壓供水的工藝要求，保證供水系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，采用變頻調(diào)速裝置，實(shí)現(xiàn)壓力閉環(huán)控制，能夠滿足其1.2MPa恒壓要求。對(duì)于泵類負(fù)載采用以壓力為參量的雙閉環(huán)串級(jí)調(diào)速控制系統(tǒng)，以速度為內(nèi)環(huán)，壓力為外環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)。為了使被控壓力維持在12公斤，當(dāng)壓力降低不能滿足要求時(shí)，反饋信號(hào)(壓力)減少，控制系統(tǒng)自動(dòng)控制，使電機(jī)增速，使供水管道水流產(chǎn)生加速度，提高水壓，以維持輸水管道要求的供水壓力。
水泵采用壓力閉環(huán)控制時(shí)，調(diào)速范圍必須按照水泵的壓力與流量的變化關(guān)系確定，對(duì)單臺(tái)水泵而言，水泵調(diào)速范圍大約為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速的30%，當(dāng)多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，且其中有恒速運(yùn)IMATIC轉(zhuǎn)的水泵時(shí)，流量變化范圍要縮小，調(diào)速范圍也要小。
(2) PLC控制站功能
穿水冷卻自動(dòng)控制系統(tǒng)的編程軟件采用西門子SSTEP7 V5.3。PLC完成的主要控制功能有:冷卻泵的恒壓控制、鋼溫自動(dòng)調(diào)節(jié)、高壓開關(guān)控制等。整個(gè)控制過程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)通訊控制采用了STEP7中的特殊功能塊SFC14“DPRD-DAT”讀取DP從站的連續(xù)數(shù)據(jù)，采用SFC15“DPWR-DAT”向DP從站寫連續(xù)數(shù)據(jù)用PLC實(shí)現(xiàn)鋼溫自動(dòng)調(diào)節(jié)，其原理為采用紅外測溫儀，逐根監(jiān)測鋼材在線溫度，并送入上位監(jiān)控站，然后根據(jù)存儲(chǔ)在上位機(jī)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表查表，并把查得的水量值送到PLC中，在PLC中采用PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，自動(dòng)調(diào)節(jié)薄膜調(diào)節(jié)閥的開度，以自動(dòng)調(diào)節(jié)穿水流量，調(diào)節(jié)鋼溫。同時(shí)根據(jù)反饋溫度微調(diào)閥門開度，以進(jìn)一步精調(diào)鋼溫。
(3) 上位監(jiān)控功能
上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用研華工業(yè)控制機(jī)、西門子WINCC6.0監(jiān)控軟件。把PLC采集到的各種信號(hào)在監(jiān)控畫面上顯示，并有人工參數(shù)設(shè)定，報(bào)警顯示等功能。具體功能如下:
●實(shí)時(shí)位置監(jiān)控:監(jiān)控各個(gè)信號(hào)點(diǎn)的狀態(tài);
●信號(hào)采集:由變頻器通過總線通訊采集過來的電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流;
●鋼材溫度及調(diào)節(jié)閥開度的顯示;
●溫度曲線記錄;
●人工參數(shù)的設(shè)定;
●報(bào)警系統(tǒng)變頻器故障顯示等。
上位機(jī)監(jiān)控功能有利于進(jìn)一步分析所取得的數(shù)據(jù)，達(dá)到更好的穿水效果。
主監(jiān)控畫面如圖4所示。溫度曲線記錄如圖5所示。
圖4 主監(jiān)控畫面
圖5 溫度曲線記錄
4 結(jié)束語
經(jīng)過穿水冷卻的鋼材上冷床的溫度平均降低了100-130℃，棒材鐵素體晶粒度達(dá)到10級(jí)，晶粒度提高2級(jí)。改善了產(chǎn)品各項(xiàng)力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度平均提高了35~40MPa，表面氣泡現(xiàn)象基本沒有了，鋼材性能合格率由96.5%提高到了99.8%。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)合理，滿足工藝要求;應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)清晰，功能完整，運(yùn)行可靠;整個(gè)系統(tǒng)完全滿了生產(chǎn)需要，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
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