一种棒材轧后冷却闭环自动控制系统及方法

摘要

本发明涉及一种棒材轧后冷却闭环自动控制系统及方法，所述系统的控制器操作盘和运行信号检测分别通过两个输入模块与第一控制主机相连，所述的压力、温度传感器通过模数转换模块与第一控制主机相连，两个流量传感器分别通过第二控制主机和第三控制主机与第一控制主机相连，运行信号反馈和水泵控制器均与第三控制主机相连；所述的第一控制主机通过通讯接口与微型计算机相连；所述的第一控制主机通过输出模块分别与模拟显示屏、电气控制器、各种功能执行器相连，所述的电气控制器与流量调节执行器相接。本发明可根据钢筋的温度变化自动调节水量，效率高，精度高，终轧温度和冷却后自回火温度的平稳，力学性能的匀质性好。

说明书

技术领域

本发明属控制技术领域，特别是涉及一种棒材轧后冷却闭环自动控制系统及方法。

背景技术

利用棒材轧后余热对棒材进行热处理的工艺又称为轧后控制冷却工艺。该项技术是近年来发展较快的一种工艺，它可以在降低炼钢成本(少添加合金元素)的情况下，通过对热轧棒材进行在线热处理从而提高棒材强度。这种工艺是根据钢种、规格、自回火目标温度、实测开始冷却温度和进水温度，计算并规定所需的冷却水量，对轧后棒材进行冷却，以达到规定的自回火温度范围，提高棒材的机械性能。在这一工艺中，十分重要的环节是冷却水量的多少(闭环自动控制模型的建立)，这决定了最终的控制目标的稳定与否。在传统设备中存在以下问题：1)钢筋在轧制过程中，由于加热温度不均匀、轧制节奏不稳定等原因，引起终轧温度和冷却后自回火温度的渡动，导致力学性能的匀质性差。2)冷却器的水量靠手动调节，效率较低，精度差，轧制时不能随钢筋的温度变化自动进行水量调整。3)冷床上两个自回火温度检测点不能反映钢筋长度上的温度分布情况。4)生产工艺参数，除温度外，全部靠人工记录，无数据处理功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种根据工厂的实际冷却条件，设计一套棒材轧后控制冷却闭环自动控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种棒材轧后冷却闭环自动控制系统，包括控制主机，控制器操作盘，运行信号检测，压力、温度传感器，流量传感器，运行信号反馈，所述的控制器操作盘和运行信号检测分别通过两个输入模块与第一控制主机相连，所述的压力、温度传感器通过模数转换模块与第一控制主机相连，两个流量传感器分别通过第二控制主机和第三控制主机与第一控制主机相连，运行信号反馈和水泵控制器均与第三控制主机相连；所述的第一控制主机通过通讯接口与微型计算机相连；所述的第一控制主机通过输出模块分别与模拟显示屏、电气控制器、各种功能执行器相连，所述的电气控制器与流量调节执行器相接。

所述的微型计算机分别与键盘、显示器、打印机和数据存储器相接。

一种使用权利要求1所述的一种棒材轧后冷却闭环自动控制系统的方法，包括下列步骤：

(1)根据棒材的规格、化学成分、冷却水温度，确定棒材冷却前、后的温度期望值和相应的基本水量；

(2)半成品棒材进入精轧机组后，通过设置在精轧机组进口的高温计连续测量轧件的温度，将其反馈到控制主机PLC中，由控制主机预测轧件的终轧温度，调整压力水泵站的水量和水压，控制主机PLC向压力水泵站发出指令，调节压力水电动阀门的开或关；

(3)通过设置在终轧机后、冷却区前的高温计连续测量棒材温度，将其反馈到控制主机PLC中，通过对棒材终轧温度实测值和预测值对比，控制主机实时调节压力水泵站的水量和水压，或通过操作面板人工干预，实时调节水量和水压；

(4)棒材从终轧机出来后，进入穿水冷却区进行高效、强制冷却，钢筋经倍尺飞剪分段剪切后上冷床进行空冷，进入自回火阶段，最后使心部和表面温度趋于一致；

(5)钢筋在冷床上的移送过程中，设置在冷床上的高温计测量的温度反馈到控制主机PLC中，控制主机PLC根据得到的钢筋温度进行计算，预测钢筋的机械性能，根据钢筋不同强度级别的要求，通过检测棒材冷却前的温度，自动调整水量，进行实时控制，并且通过检测自回火温度，修正冷却水量，形成闭环控制，将棒材的自回火温度控制在最佳工艺范围内，以得到同一强度级别的高强度钢筋，并将温度曲线、生产工艺参数实时记录。

有益效果

本发明可根据钢筋的温度变化自动调节水量，效率高，精度高，终轧温度和冷却后自回火温度的平稳，力学性能的匀质性好。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图中：①过程控制系统；②检测仪表系统；③数据处理及生产管理系统；④流量调节系统。

图2为本发明控制系统配置图。

图3为本发明人机交互监控的主画面。

图4为本发明人机交互监控的参数设定画面。

图5为本发明人机交互监控的趋势棒图画面。

图6为本发明人机交互监控的报警画面。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明包括控制主机，控制器操作盘，运行信号检测，压力、温度传感器，流量传感器，运行信号反馈，所述的控制器操作盘和运行信号检测分别通过两个输入模块与第一控制主机相连，所述的压力、温度传感器通过模数转换模块与第一控制主机相连，两个流量传感器分别通过第二控制主机和第三控制主机与第一控制主机相连，运行信号反馈和水泵控制器均与第三控制主机相连；所述的第一控制主机通过通讯接口与微型计算机相连；所述的第一控制主机通过输出模块分别与模拟显示屏、电气控制器、各种功能执行器相连，所述的电气控制器与流量调节执行器相接。所述的微型计算机分别与键盘、显示器、打印机和数据存储器相接。

根据棒材的规格、化学成分、冷却水温度，自动求出棒材冷却前、后的温度期望值和相应的基本水量；半成品棒材进入精轧机组后，通过设置在精轧机组进口的高温计连续测量轧件的温度并同时反馈到主控PLC中，通过相应的数学模型计算，预测轧件的终轧温度，并由此调整压力水泵站的水量和水压，PLC向压力水泵站发出指令，调节压力水电动阀门的开或关。通过设置在终轧机后，冷却区前的高温计连续测量棒材温度，同时反馈到主控PLC中，经过棒材终轧温度实测值和预测值对比，对棒材冷却温度数学模型进行自适应调整，实时调节压力水泵站的水量和水压，同时也可以通过操作面板人工干预，实时调节水量和水压。

棒材从终轧机出来后，进入穿水冷却区进行高效、强制冷却，钢筋表面温度急剧降至400℃以下，钢筋表面层产生马氏体转变，形成淬火马氏体，而心部仍然是奥氏体组织，钢筋经倍尺飞剪分段剪切后上冷床进行空冷。由于钢筋截面上温度梯度大，心部热量向表面传导，使表面层淬火马氏体发生回火转变，形成回火马氏体，心部奥氏体组织形成细珠光体和细铁素体，进入自回火阶段，最后使心部和表面温度趋于一致。钢筋在冷床上移送过程中，通过设置冷床高温计测量的温度反馈到主控PLC中，主控PLC根据得到的钢筋温度进行计算，预测钢筋的机械性能，根据钢筋不同强度级别的要求，通过检测棒材冷却前的温度，自动调整水量，进行实时控制，并且通过检测自回火温度，修正冷却水量，形成闭环控制，将棒材的自回火温度控制在最佳工艺范围内，以得到同一强度级别的高强度钢筋，并将温度曲线、生产工艺参数实时记录。其控制流程图见图1、系统配置见图2。

数学模型

(1)始冷温度预报数学模型

$T_2={(A+{(T_1+273)}^{-3})}^{-\frac{1}{3}}-273\left(K\right)$

式中T₂：控制冷却装置入口处棒材的温度；

A：常数，A＝6×10^-8t₁εσ/c_pρR；

T₁：精轧机入口处棒材的温度

(2)参数给定数学模型

棒材冷却前温度期望值：

T_1B＝A_K1Φ+B_K1

式中T_1B：冷却前温度期望值/℃；

A_K1：回归参数；

Φ：钢筋规格参数；

B_K1：常数项。

棒材冷却后温度(自回火温度)期望值：

T_3B＝A_K2Φ+B_K2C_eq+C_K2T₅

式中T_3B：冷却后自回火温度期望值/℃。

C_eq：碳当量，C_eq＝C+Mn/6；

T₅：冷却水温度/℃；

A_K2、B_K2、C_K2：回归参数。

(3)基本流量设定数学模型

Q_B＝AΦ+BT₅+G

式中Q_B：基本水量/m³.h^-1

A、B：回归参数；

G：常数项。

(4)水量调整数学模型

Q＝Q_B+ΔQ₁+ΔQ₂ m³/h

式中Q：调整后的水量值/m³.h^-1；

ΔQ₁：按冷却前温度实测值T₁决定的水量调整值/m³.h^-1；

ΔQ₂：按自回火温度实测值T₃决定的水量调整值。

ΔQ₁＝A₁ΔT₁+B₁

ΔQ₂＝A₂ΔT₃+B₂

式中A₁、A₂：回归参数；

B₁、B₂：修正项；

ΔT₁：冷却前温度期望值与实测值的差值，ΔT₁＝T_1B-T₁；

ΔT₃：冷却后自回火温度期望值与实测值的差值，ΔT₃＝T_3B-T₃

本系统人机交互监控采用研华工控机、西门子WINCC6.0监控软件。把PLC采集到的各种信号在监控画面上显示，并有人工参数设定，报警显示等功能。具体功能如下：

●实时位置监控：监控各个信号点的状态；

●信号采集：由变频器通过总线通讯采集过来的电机的转速、电流；

●钢材温度及调节阀开度的显示；

●温度曲线记录；

●人工参数的设定；

●报警系统变频器故障显示等。

如图3为本发明人机交互监控的主画面。该画面显示系统的模拟图及实时数据，所有数据均不能人为更改。主要显示水冷器1#电动阀开度、2#电动阀开度、1#设定流量、1#实际流量、2#设定流量、2#实际流量、精轧温度、上冷床温度、水冷器辊道速度。水冷器横移台车位置状态、空过辊道和托辊辊道的动作模拟显示以及手动、自动、运行、变频器运行、水冷器准备好等信号等状态。

图4为本发明人机交互监控的参数设定画面。第一部分是轧制参数，这些参数是轧制自动运行时水冷器自动控制依据，设置的内容包括轧制的规格、1#水冷器设定流量、2#水冷器设定流量、终轧温度、比例系数，每项都有设定的范围，每设定一项都要单击后面的“确认”键加以确认，否则该设定无效。

以上参数是自动运行并且穿水时有效，注意以下几个特殊情况：

(1)当要走“空过”辊道时，规格设定为“0”。设定1-9数字无意义，10-14时为1-3线，16-25时走4、5线，25以上用6线，使托辊可自动选择速度跟随。

(2)当自动运行时不用温度调节流量时，终轧温度设定为“0”，不为“0”则将根据实际检测温度与设定温度比较，调整流量。

(3)调节比例根据实际需要设定，一般为4-7左右，数值越大流量调整速度变化越快，稳定性则降低。

(4)当钢不走水冷器“空过辊道”(不需通水)时，启动“托辊辊道”，如果不需要冷却时，配合操作台上将“空过穿水”转换开关选择到“空过”位置。若需要冷却时，操作台上将“空过穿水”转换开关选择到“穿水”位置。

第二部分是1#电动阀开度设定，范围为0-99％，该项是手动运行时的开度设定，设定后要单击后面的“确认”键加以确认，电动阀将按照设定值立即执行，否则该设定无效。

第三部分是2#电动阀开度设定，范围为0-99％，该项是手动运行时的开度设定，设定后要单击后面的“确认”键加以确认，电动阀将按照设定值立即执行，否则该设定无效。

第四部分是辊道速度设定，该项是手动运行时的水冷器辊道速度给定，辊道将按照该速度运行。设定单位是“厘米/秒”，如轧制速度设定为10.5米/秒，这时输入1050后按“确认”按钮，完成输入。这时需要操作台上“空过、穿水”转换开关配合完成，当选择到“空过”位置时空过辊道运行，选择“穿水”时，托辊辊道运行。

图5为本发明人机交互监控的趋势棒图画面。该画面显示水冷器1#电动阀设定开度、1#电动阀实际开度、2#电动阀设定开度、2#电动阀实际开度、1#实际流量、2#实际流量的趋势棒图。

图6为本发明人机交互监控的报警画面。当系统有故障时，记录系统的故障内容及故障点。