粗軋前除鱗箱高度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

呂代鵬，郭洪河，孫啟祥

（鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽122000）

朝陽鋼鐵有限公司1700熱軋生產(chǎn)線在加熱爐與粗軋機(jī)之間設(shè)有一臺(tái)除鱗箱，粗軋前除鱗箱可除去熱軋板坯在加熱爐中產(chǎn)生的一次氧化鐵皮，其除鱗效果將直接影響后續(xù)的軋制過程。

現(xiàn)有除鱗箱設(shè)計(jì)為噴射集管固定的焊接鋼結(jié)構(gòu)件，僅能軋制板坯厚度為150 mm的單一品種，軋線產(chǎn)能受到制約。如果來料板坯厚度不等于150 mm，由于噴嘴高度固定，當(dāng)板坯厚度變化時(shí)，噴嘴到板坯的距離也隨之發(fā)生變化，除鱗效果無法達(dá)到最優(yōu)。板坯表面除鱗不凈，帶鋼表面殘留的Fe2O3等鐵氧化物將隨物料的行進(jìn)被粗軋機(jī)壓入帶鋼表面［1］，并帶入后續(xù)物料中，最終直接影響熱軋板帶的成品質(zhì)量。上述問題一直制約著生產(chǎn)線產(chǎn)能和板坯的表面質(zhì)量。為提高熱軋廠1700生產(chǎn)線的軋制能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同厚規(guī)格板坯的軋制，重新設(shè)計(jì)了除鱗箱高度控制系統(tǒng)。投入使用后，達(dá)到預(yù)期效果。

1 除鱗箱高度控制系統(tǒng)

1.1 機(jī)械系統(tǒng)組成

除鱗箱箱體為焊接鋼結(jié)構(gòu)件，其機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖1，分前、中、后三段，前后段裝有防止氧化鐵皮和高壓水飛濺的鏈?zhǔn)胶熌环雷o(hù)裝置，中段裝有兩對(duì)高壓水噴射集管，在集管上裝有高壓除鱗噴嘴。

每對(duì)集管的傳動(dòng)側(cè)一端與高壓水供水管相聯(lián)，噴射除鱗水時(shí)，供水管路通斷由噴射閥控制。整個(gè)除鱗箱底座與基礎(chǔ)由螺栓固定。為保證最佳除鱗效果，上排噴嘴高度可根據(jù)板坯厚度進(jìn)行調(diào) 整。具體參數(shù)見表1。

圖1 除鱗箱機(jī)械結(jié)構(gòu)

表1 除鱗箱參數(shù)

1.2 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在除鱗箱操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)液壓缸，用于調(diào)整集水管高度。雙側(cè)扁擔(dān)梁用于支撐前后集水管平衡，液壓缸杠頭固定在扁擔(dān)梁重心處，保證集水管升降平穩(wěn)。固定在液壓缸內(nèi)部的位移傳感器需要提前安裝固定好，其線路從液壓缸底部穿出連接在機(jī)旁端子箱內(nèi)。油路系統(tǒng)壓力為18 MPa，介子為HLP46潤滑油。圖2給出單側(cè)液壓缸控制簡圖，使用電磁閥控制油路通斷，比例閥控制液壓缸伸縮。

液壓缸參數(shù)：公稱壓力18 MPa；液壓缸內(nèi)徑100 mm；缸桿直徑70 mm；工作行程130 mm；最大行程400 mm。

圖2 單側(cè)液壓缸控制簡圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 控制器

控制系統(tǒng)采用GE PAC控制器，PACSystems是建立在標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式體系結(jié)構(gòu)上，采用商業(yè)化操作系統(tǒng)的控制技術(shù)。

2.2 硬件配置

GE PAC控制器安裝在一級(jí)自動(dòng)化電氣室，配置包括機(jī)架、電源、冷卻風(fēng)扇、CPU、I/O模塊、網(wǎng)卡、從站等。除鱗箱控制系統(tǒng)兩側(cè)液壓缸內(nèi)部配置兩個(gè)位移傳感器；2個(gè)SSI通道用于接收位移傳感器反饋的位置數(shù)據(jù)；4個(gè)I/O輸出點(diǎn)用于控制液壓系統(tǒng)電磁閥（如圖2）；設(shè)置兩個(gè)模擬量輸出接口，用于控制兩個(gè)比例閥。增設(shè)3個(gè)端子箱，A箱和B箱分別位于傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)，用于連接兩根磁尺接線；C箱位于液壓閥臺(tái)，用于連接電磁閥插頭和航空插頭接線。

位移傳感器型號(hào)為R HM0400MP151S2G1100，安裝時(shí)要求傳感器桿根部配置O型密封圈，防止與液壓缸貼合面處漏油。傳感器頭由保護(hù)罩完全包裹，引出線應(yīng)穿普利卡管接入端子箱。

2.3 控制要求及程序設(shè)計(jì)

該除鱗箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在原有硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行的擴(kuò)展性、兼容性設(shè)計(jì)。

2.3.1 控制要求

（1）兩側(cè)液壓缸升降時(shí)同步平穩(wěn)，系統(tǒng)閉環(huán)可控。

（2）系統(tǒng)具備手動(dòng)、自動(dòng)、單側(cè)操作及標(biāo)定功能。

（3）可同步操作兩側(cè)液壓缸，也可單獨(dú)操作每一個(gè)液壓缸進(jìn)行手動(dòng)微調(diào)消除偏差。

（4）進(jìn)行板坯跟蹤。當(dāng)板坯進(jìn)入除鱗機(jī)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)HMD(熱金屬檢測(cè)器)將檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)送給PLC,PLC將根據(jù)HMD信號(hào)狀態(tài)，控制除鱗水噴射時(shí)序。

（5）實(shí)現(xiàn)與二級(jí)模型對(duì)接，接收板坯厚度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳遞圖見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)傳遞圖

2.3.2 程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)控制程序包括如下四部分:

（1）一級(jí)數(shù)據(jù)處理：根據(jù)軋制工藝流程要求和機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)邏輯連鎖程序，包括高壓水噴射和停止時(shí)序，L2級(jí)板坯數(shù)據(jù)接收時(shí)序及高度升降時(shí)序。

（2）二級(jí)數(shù)據(jù)處理：將L2下發(fā)的厚度換算成除鱗箱設(shè)定高度。

（3）HMI數(shù)據(jù)處理：將位移傳感器反饋信號(hào)處理成單位為毫米的長度信號(hào)，并輸入到HMI顯示。

（4）經(jīng)過以上程序的計(jì)算，得出數(shù)字量動(dòng)作時(shí)序輸出給定值和模擬量輸出給定值，最后將控制信息經(jīng)I/O模塊輸送到電磁閥和比例閥。

此外，設(shè)計(jì)滿足實(shí)際需要的控制器是保證系統(tǒng)穩(wěn)定的核心［2］，除鱗箱的升降是通過雙側(cè)液壓缸同步頂起扁擔(dān)梁，扁擔(dān)梁再牽動(dòng)前后集水管上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。在該過程中，要求除鱗箱升降時(shí)雙側(cè)扁擔(dān)梁保持平穩(wěn)升降，水平一致，且滿足響應(yīng)速度要求。因此，要求所設(shè)計(jì)控制器能夠滿足以上控制指標(biāo)。提出設(shè)計(jì)閉環(huán)PI控制器，并帶有能對(duì)兩側(cè)偏差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募m偏功能，實(shí)現(xiàn)雙側(cè)同步運(yùn)行。PI控制過程如圖4。

圖4 PI控制過程

2.4 HMI設(shè)計(jì)

HMI要求應(yīng)具備可操作性，畫面簡潔，規(guī)范，易操作。操作員可以在HMI上選擇除鱗機(jī)的工作方式,即自動(dòng)、半自動(dòng)及手動(dòng)模式。在自動(dòng)模式下,L2級(jí)將板坯厚度數(shù)據(jù)傳輸給基礎(chǔ)自動(dòng)化的PLC,PLC將板坯厚度換算成集管到板坯上表面的距離,控制液壓比例系統(tǒng)調(diào)節(jié)除鱗箱上集水管高度，從而達(dá)到最佳除鱗高度；在半自動(dòng)模式下，操作員可以輸入經(jīng)驗(yàn)高度，PLC將執(zhí)行當(dāng)前輸入的高度；在手動(dòng)模式下，操作員可以分別操作每個(gè)液壓缸上升或者下降，手動(dòng)消除偏差。此外，在HMI畫面上增加位移傳感器標(biāo)定功能，方便位移傳感器重新標(biāo)定。

如圖5所示，HMI畫面顯示了板坯厚度、道次、工作方式、高度設(shè)定值和反饋值等參數(shù)，方便操作員判斷除鱗箱工作狀態(tài)和實(shí)物位置。

圖5 HMI操作畫面

3 使用效果

該除鱗箱控制系統(tǒng)已投入生產(chǎn)使用，數(shù)據(jù)接收準(zhǔn)確，邏輯時(shí)序判斷正確，運(yùn)行狀態(tài)良好。目前可軋制板坯厚度規(guī)格有135、150、170、185、195 mm。液壓系統(tǒng)階躍響應(yīng)性能測(cè)試結(jié)果見圖6。

圖6 階躍響應(yīng)性能曲線

上升過程指標(biāo)為：上升時(shí)間約0.42 s，操作側(cè)超調(diào)量1.4%傳動(dòng)側(cè)超調(diào)量2%。下降過程指標(biāo)為：上升時(shí)間約0.96 s，操作側(cè)超調(diào)量4.7%傳動(dòng)側(cè)超調(diào)量3.5%。

4 結(jié)論

通過本次設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)除鱗箱噴射高度調(diào)整的控制要求，達(dá)到預(yù)期效果，可有效去除不同厚度板坯在加熱爐中產(chǎn)生的一次氧化鐵皮，操作簡便，能夠滿足生產(chǎn)需要。

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠有效封水、封渣，改善現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境。

（2）PI控制器的設(shè)計(jì)滿足設(shè)備快速響應(yīng)指標(biāo)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)除鱗箱高度自動(dòng)控制。

（3）HMI設(shè)計(jì)符合操作人員習(xí)慣，操作簡便。

（4）完成一級(jí)控制與二級(jí)模型對(duì)接，提高產(chǎn)線自動(dòng)化水平。

（5）滿足生產(chǎn)線對(duì)不同厚度帶鋼板坯的軋制要求，擴(kuò)大了軋制板坯的厚度規(guī)格，提高了軋線產(chǎn)能。

［1］康向東.熱軋廠除鱗機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.冶金設(shè)備，2005，150（2）：58-61.

［2］胡壽松.自動(dòng)控制原理（第四版）［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.