淬火机计算机过程控制系统技术研究

淬火机计算机过程控制系统技术研究王继忠1,2　童朝南1　彭开香1　肖磊11.北京科技大学2.北华大学 摘要:对中厚板无约束淬火机的计算机过程控制系统的构成及实施方法进行了介绍,通过人工智能技术对控冷模型进行优化,建成了常化炉后的淬火控冷系统,实现了西气东输管线钢材国产化改造的目标,淬火机控制系统经过实际运行,不但提高了产品的性能指标,而且由于使用了智能化控制手段,增加了产量,减轻了工人的劳动强度。

关键词:过程控制　淬火　控冷　集管　模型Study on Computer Process C ontrol System of Quenching MachineW ang Jizhong　To ng Chao nan　Peng Kaixiang　Xiao LeiA bstract:T he paper me ntions the co mputer process contro l sy stem composition and implement o f unco n-str ained quenching machine fo r medium steel plate.By using a rtificial intelligence technique to optimize the co oling contr ol mo del,the quenching and cooling co ntrol sy stem behind no rmalizing furnace was designed and the g oal,w hich is pipeline steel lo calizatio n o f West to East P roject is achieved.The quenching co ntrol sy stem runs no rmally and stably.No t only is the products′pe rfor mance impro ved,but also the y ield increases and in-tensity of labo r reduced,because of intelligent contro l methods.Keywords:pr ocess contr ol　que nch　co oling co ntr ol　header pipe　model1　前言中厚板广泛地应用于国防科技、造船、重型机械、电站、石油、天气管道、桥梁及建筑行业中,中厚板冷却后性能的好坏一直是各大生产厂关心的问题,也是争相进行研究的重要课题之一;为了提高产品质量,扩大产品的规格和品种,中厚板轧后的热处理工艺是必不可少的,较常见的是运用常化炉加热钢板,在炉后建立淬火控冷设备,用以改善钢板的内部结构和性能,从而生产出高韧性,高强度和焊接性能良好的中厚板材。

淬火控冷就是充分利用有限资源,发挥钢材性能的重要技术之一。

因此,国内许多钢铁公司厂家都在寻求一种高效且淬火控冷质量好的工艺设备及控制方法。

本文介绍的是国内某钢铁公司西气东输管线钢材国产化技术改造工程的常化炉后快冷装置及计算机过程控制系统。

2　淬火机工艺和设备该淬火机采用的是离线热处理加速冷却工艺,包含强、中、弱冷却方式,在设计制造设备时,考虑到加速冷却的高精度和钢板材质的多样性,扩大了冷却速度的范围,并考虑了设备的占地面积和利用率。

淬火机设备结构如图1所示,该设备从入口侧起,依次是,入口温度计,H M D、前吹扫、水封、强冷集管,中冷集管,弱冷集管、气雾装置、侧吹扫装置、后吹扫、出口温度计和出口H M D;其中集管1～6号为强冷,7～19号为中冷,20～21为弱冷;在3,7,11,13,15集管的位置还装有5组气雾冷却装置,该集管在气雾装置使用时停止使用,气雾装置主要是用于要求弱冷的场合使用,在6～7,9～10,12～13,15～16号集管之间还装有4组侧吹扫,用以消除集管喷水在钢板表面形成气泡,使冷却加速进行,同时也起到使得钢板表面冷却均匀的效果。

气雾装置采用升降控制,可以上下移动用以保证薄板时的冷却效果,还可以防止钢板卡住。

当淬火机控制系统收到常化炉出钢信号后,系统根据前一次得到的下一块出钢钢板具体数45　淬火机计算机过程控制系统技术研究电气传动　2007年　第37卷　第1期　据,计算本次出钢钢板的冷却模型,然后送出辊道速度,并把此速度送入常化炉出炉区辊道,当钢板进入到冷却区入口HM D 位置时,H MD 给计算机发出指令,计算机根据模型控制前后吹扫,集管,气雾,侧吹扫的开启和关闭;使钢板的温度从850～950℃下降到450～800℃左右,钢板的冷却速度为2～15℃/s ,冷却形式为高密度管流/气雾冷却,从而达到工艺要求。

图1　淬火机冷却设备示意图3　计算机控制系统淬火线计算机控制系统设备(如图2)是由抛丸机、常化炉、吹火机、矫直机组成;各设备之间的通讯是通过以太网交换机完成,淬火机系统是由2台工控机(PC610)HM I 1和H M I 2组成上位机,和1台西门子PLC (下位机)构成,上位机和下位机之间的通讯也是采用工业以太网,下位机和各个子站的通讯采用PROFIBUS -DP 网。

图2　控制系统配置图软件主要包括PLC 控制程序和上位监控程序。

控制程序采用结构化、模块化编程。

系统有手动、半自动和全自动3种工作模式,程序根据特定任务分成相应的模块,各类模块根据不同控制要求加以组合完成3种模式下的各种控制功能。

PLC 控制程序使用S tep7集成开发工具编写,主要完成电气逻辑控制和状态参量监测,并配合上位机完成模型计算。

根据实际情况,最小扫描周期定为100m s 。

上位监控程序分为人机界面和模型计算两部分,人机界面在Wincc 环境下开发完成,编程语言为C ,包括操作界面、故障报警、数据记录、趋势输出及报表打印等功能。

数据记录主要包括各管道的流量、压力信号以及网板入口和出口温度等。

上述数据均存入后台Sybase SQL Any w here 关系数据中,参数趋势图可将上述数据用图形化的方式显示出来,便于操作和技术人员监视和分析,数据亦可用报表的形式显示并打印,并预留了相应的数据库接口,可为企业信息管理系统提供生产信息。

模型计算部分,考虑到控制中神经网络训练的运算量较大,采用了专家分析系统。

专家数据库也采用了Sybase SQL Any w here 关系数据库实现。

控制流程由Wincc 和Step7程序共同完成。

4　淬火机过程控制系统主要模块功能及优化组织4.1　上位机人—机接口模块上位机主要任务是操作画面的显示,主要由6幅画面组成,分别为主画面、流量监控画面、阀门测试画面、半自动设定画面、辊道速度画面和报警记录画面,如图3所示。

图3　人机接口模块图图3中,控冷系统的主画面显示辊道速度,阀门开闭状态、该画面能实时地模拟钢板出炉,并对钢板实时跟踪,同时能按模型参数或计算机设定参数实时显示各集管和气雾、吹扫的阀门开闭情况,并对其流量计进行监测;钢板进入到快冷区的入口集管温度和出口温度均有显示,直到下一次出钢才重新修改。

此外,为了确保系统参数不能随意修改,特设置了系统分级口令操作,只有特定权限的操作人员输入正确的口令登录后才能对系统的控制模型参数进行修改。

为了确保淬火钢板的平直度,还设置了一个高位水箱水位和低位水箱压力显示,当高位水箱的水位过低时,水位值将报警闪烁。

流量监控画面主要是设定调节阀门的开口度,进行流量监视。

开关阀测试画面是对所有的开关阀门进行单独的测试,利于检修和设定。

半自动设定画面是在系统不能自动运行时,或有46　电气传动　2007年　第37卷　第1期淬火机计算机过程控制系统技术研究　新的钢种出现时使用,设定辊道速度,各开关的开起状态,以便系统能够自动跟踪运行。

辊道速度画面是显示辊道运行状态,对辊道简单的故障进行复位操作。

报警记录画面是记录每次运行时的用水量、温度值,为自动、半自动控制时调整工艺参数,并对现场的关键技术指标失常部件报警。

4.2　快速冷却模块快速冷却基本模型的确定主要是根据钢种、板厚、出炉温度等信息以及淬火后所要达到的淬火温度及冷却速度等控制要求进行控制,控制对象主要有(气雾、吹扫)投入的组数、辊道速度、冷却水量调节等,为保证钢板的平直度,减小内应力,钢板上下表面冷却水量的比例是主要的影响因素之一,但考虑到长期使用环境等实际情况,该比例系数在初期调试时就确定,不进入控制模型,也就是每组集管的喷水量是一定的。

对每一种钢种和板厚都建立了相应的控制模型,模型计算是根据导热定律Q=-K A(d T/d x)式中:K为导热系效;A为导热面积。

研究导热问题的两个特别的量,即热流量和温度分布。

热流量告诉我们给定系统所提出的能量要求,但从材料的观点分析,为了合理地设计这一系统,则要知道温度分布。

对于一般的三维导热,可以给出微分方程通式为2TX2+2TY2+2TZ2+qx=l Tατ(1)式中:T为温度场分布;q为单位体积单位时间的发热量;α热扩散率(导温系数);τ为时间变量。

由式(1)可以演化出特殊条件下的传热微分方程模型参数,主要包括集管(或气雾、吹扫)投入的组数、辊道速度的调节。

在进行模型参考自学习时一般对投入的集管组数和辊道速度进行自学习,在21组集管中有两组弱冷作为自学习用。

控制精度在±15℃,当误差大于15℃时才进行自学习,假定淬火后钢板的温度与模型设定温度误差为Δt:15℃<|Δt|<50℃时,仅对辊道速度进行自学习;|Δt|>50℃时,仅对投入的集管开启组数进行自学习。

其自学习规则如下:当-50℃<Δt<-15℃时,辊道速度加快v n+1= v n+Δv,Δv为一小的速度增量;当Δt<-50℃时,停开一组尾部集管;当15℃<Δt<50℃时,将辊道速度减小v n+1=v n-Δv,Δv为一小的速度增量;当Δt>50℃时,加开一组备用集管。

4.3　跟踪节水模块为了节约水量,减轻泵站的负担,在整个淬火过程中,要对钢板进行实时跟踪,也就是跟踪喷水,随着钢板的行进,不断地进行开启和关闭相应的集管(气雾、吹扫),从而保证喷水的有效性;输出辊道的速度一般是25m/min,(0.4～40m/min 可调节),常化炉出炉口与快冷入口相距很近,阀门的开起和调节一般为5～6s,这就需要由预控制实现,所以提前6s的时间(取辊道设定速度的1/10),为喷水的提前量;由于能够对钢板准确跟踪,因而可以采用跟踪钢板的方式进行喷水,也就是当钢板行进到设定应该喷水的集管(气雾、吹扫)下面时,设备开始喷水,而当离开后,即停止喷水。