自動化控制系統在熱處理NCC系統的應用

石榮鵬,曹 磊,高文輝

（山東萊鋼集團自動化部，山東萊蕪，271104）

0 引言

萊鋼寬厚板常化處理線包括?；癄t和?；鋮s控制系統（即NCC系統），設計年產量為21.6萬噸，主要產品為船板鋼、容器鋼、橋梁鋼、鍋爐鋼、低合金高強度鋼建筑結構用鋼板、造船及海上平臺用鋼板等，該系統成熟可靠，產品質量好。常化冷卻控制系統（NCC）將從熱處理爐運出、處于奧氏體狀態的板材進行噴淋冷卻，從而控制鋼板的相變組織和提高鋼板的力學性能，是成品過程的關鍵步驟。其技術規格為：鋼板開冷溫度：850℃～950℃，鋼板終冷溫度：500℃～700℃。該系統采用穩定性較高的西門子S7-400PLC及PROFIBUS 現場總線技術，擁有較高的自動化水平，保障了產品質量。以下將對萊鋼NCC控制系統進行詳細介紹。

1 NCC系統工藝說明

NCC由高位水箱、24組控冷集管、24組集管控制閥組、5組側噴閥組、前后氣吹掃、3臺高溫計、1臺熱金屬檢測儀及輥道等設備組成，冷卻區域分為快冷區、主冷區和精冷區，當鋼板在輥道上順次行經3個冷卻區域時，控制系統將根據預設的工藝參數依次開啟集管，對鋼板進行噴淋冷卻，使之迅速達到目標溫度。

2 自動控制系統

2.1 控制系統與結構配置

包括中央S7-400PLC和位于現場的2臺I/O ET200M遠程站，三者之間通過PROFIBUS-DP連接，系統通訊采用工業以太網，連接兩臺操作員站和一臺工程師站，上位機監控均采用西門子WinCC V6.2，工程師站配備西門子step7 V5.4編程軟件。網絡拓撲結構如下圖：

2.2 系統功能

保證鋼板的位置跟蹤系統的準確性

能夠按照工藝開啟上下兩組集管，保證冷卻效果，并具有工藝自學習功能

傳遞NCC前面熱處理爐PLC和后面冷床PLC的通訊數據，起到數據橋梁的作用

2.3 NCC鋼板信息跟蹤和控制

鋼板信息的準確跟蹤是NCC噴淋冷卻的前提，如果鋼板無法準確定位，各個冷卻區就無法按照工藝曲線來開啟集管。NCC輥道分為CB輥道組、CT輥道組、NCC本體輥道組，待冷卻鋼板通過連續式輥道通過NCC的各個區域，HMI鋼板信息將與實際同步。輥道和變頻器一對一控制，采用的是西門子變頻器。鋼板信息的位置跟蹤和控制通過以下手段實現：

1）手動模式下，NCC本體PLC享有控制優先權，在某些條件下如果接收到其他PLC發出手動控制請求，此時畫面會提示“手動控制請求”，相應可以在畫面選擇“手動操作允許”，將控制權限的轉換信息通知PLC，此時NCC將通過工業以太網接收自其他PLC的輥道控制命令。手動速度由ET200-M(1)操作臺的手柄來給出。

2）自動模式下，熱處理爐發出出鋼請求時，NCC、CB、CT輥道自動啟動，3秒后判斷出鋼啟動條件是否具備,具備條件后出鋼，NCC啟動跟蹤程序，控制鋼板輸送。在頭部輸送距離超過30米，進入CT輥道后，向冷床發出送鋼請求，冷床允許則進鋼，不允許進鋼，NCC控制CT輥道把鋼板停放在CT輥道上等待，超過1分鐘仍不允許進鋼，NCC控制CT輥道進行擺動，防止輥道過熱。此過程發送請求一直保持直到冷床允許進鋼，NCC控制CT輥道送鋼到冷床。

3）對于從?；癄t出的鋼板，NCC的輥道跟蹤系統可以容納2塊鋼板的跟蹤信息。但第一塊出鋼后，到CT輥道冷床允許進鋼，期間不允許第二塊鋼板出鋼，按照30米輥道以20米每分鐘輸送計算，最快鋼板間隔為1.5分鐘。

4）PLC還具備“模擬出鋼”功能，其功能依賴于操作臺按鈕實現，這樣可以模擬出鋼時輥道及CMD冷檢的工作狀態，便于及早發現問題，保證出鋼的順利進行。

2.4 集管流量標定

每根集管上安裝有快切閥、調節閥和流量計，快切閥和調節閥有手動和自動兩種控制模式，集管水流的情況通過流量計指示。

已經成熟的冷卻工藝預先儲存在工程師站的SQL Server數據庫中，在HMI的“半自動-查表”模式下，系統會根據鋼板的PDI數據自動查詢半自動冷卻策略中已經儲存的冷卻規程，不需人工設定。

板型、設備等現場生產情況很難保證不會出現變化，為此設計了新冷卻模型的生成方法，并在HMI上提供接口，當需要生產新冷卻模式時，工藝人員可以通過安裝在管道上的調節閥自主調節集管冷卻水的實際流量，然后將合適的流量設定值通過HMI輸入到SQL Server數據庫中。

標定原理為：采集五組流量以及對應的開口度數據，采用數學回歸的方法，計算流量曲線，回歸四個常數A0、A1、A2、A3，利用函數f(x)=A0+A1X+A2X2+A3X3，輸入流量X計算開口度f(x)。

2.5 自學習模型

當鋼板通過高溫計NCC T2時，NCC L2以4s為周期地檢測鋼板返紅溫度；根據該段鋼板的實際開啟模式、實際返紅溫度、以及實際輥道速度、實際水溫（水量和水比固化）學習溫度模型系數，即冷卻水對流換熱修正系數和目標溫度偏差修正值，以用于下一塊鋼板的設定計算。

2.6 數據橋梁和樞紐

NCC PLC通過TCP/IP與熱處理爐和冷床PLC進行通訊，由熱處理PLC與L2進行數據交換，所需冷卻的鋼板信息都是通過L2下發的。臺架、冷床共用NCC輥道，NCC PLC還要根據來自冷床、臺架、熱處理爐的信息來協調3者之間的聯動。

3 結語

NCC系統作為常化爐的重要冷卻設備，其可靠穩定的調節閥、流量計、高溫計等儀表的應用使設備能夠完成各種冷卻任務，并可以自主開發新的冷卻模型。NCC自動控制系統采用了科學合理的數學模型和先進的控制策略，性能穩定可靠，控制精度高。