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摘要:根据层流冷却数学模型的分析和实际控冷的工艺要求，设计了2500mm热连轧生产线层流冷却的PLC控制系统结构，并介绍了层流冷却系统的相关设备及控制过程。经实践表明系统的冷却速度可以控制在10~12℃/s，温度控制精度在15%以内，并可根据不同钢种进行参数调节，达到了预期的效果。
关键词: 控冷系统层流冷却PLC
1 引言
2500mm热连轧生产线的原有轧后冷却系统控制系统和模型都很简单，仅为简易喷淋装置，尺寸为2200*20000mm2，冷却速度仅有4~5℃/s，已经不能满足生产工艺的需要。随着控冷技术的不断发展，层流冷却技术（CTC）得到了广泛应用[1]。层流冷却技术包括控制冷却装置的能力、冷却强度、冷却速度、卷取温度及控制精度等从精轧到卷取之间的全部冷却过程，主要是通过控制系统中的集管开启数目、集管流量及不同的控制策略，以保证带钢从终轧温度（800℃~900℃）按一定温降速率冷却到卷取温度（550℃~700℃）。
2 层流冷却数学模型
层流冷却数学模型将直接影响到卷取温度的控制精度，数学模型主要包括空气冷却模型和喷水冷却模型两部分[2]。带钢从精轧机末机架出口到卷取机入口的冷却过程如图1所示：图中，Tt为终轧温度，TC 为卷取温度，对于AB的温度范围是由所生产带钢的钢种和规格来确定。而数学模型的主要任务就是根据所轧带钢的钢种和规格要求，确定打开第一组集管的位置（即A点），所需打开的冷却集管的组数以及相应的冷却集管开启和关闭的组合（即确定B点），后者可由带钢冷却策略来确定。带钢轧后冷却过程中，带钢经历了空冷、水冷、再空冷等热交换过程，因此带钢轧后控冷过程中应包括如下数学模型：1）带钢空冷过程中的温度场计算模型；2）带钢水冷过程中的温度场计算模型；3）热交换系数数学模型；4）热传导系数数学模型；5）与热交换过程相关的物理参数数学模型；6）带钢的冷却速度计算模型；7）卷取温度前馈控制数学模型；8）卷取温度反馈控制数学模型；9）模型参数自学习模型。
3 层流冷却PLC控制系统
整个控制系统选用西门子公司的S7-400作为主控制器。S7－400CPU的最强大功能也可用一个集成的PROFIBUS－DP接口达到，并可作为主设备或从设备设置或与扩展接口模块ET200M通讯，可连接64个站（1个ET200M站最多可插入8个模块）。数据传输率为12M位/S。计算机控制系统采用开放式结构，有利于系统今后的扩充和升级。层流冷却计算机控制系统设置为2级系统，其中1级为基础自动化系统，2级为过程控制系统，通信网络采用工业以太网（Industrial Ethernet）和PROFIBUS-DP现场总线[3]。层流冷却计算机控制系统的结构如图2所示。
过程控制级主要是对整个冷却过程进行跟踪和控制，进行各种控制数学模型及参数的计算与设定。在设定计算完成后，设定值传递给基础自动化系统，数据由其进行管理，控制具体的执行时序。该级通过光纤工业以太网与基础自动化级的PLC及现场生产控制计算机系统进行通讯。
基础自动化级包括PLC 控制器及其远程I/O、操作台及相应的应用程序，负责冷却过程中根据设定值和带钢的位置对相关阀门的开闭动作时序进行控制，并提供各测量值和检测信号。PLC层流冷却系統配置及网络组成
层流冷却系统PLC由主站和3个远程I/O站组成。主站包括2台柜子，分别为电源柜、PLC柜。ET200M1和ET200M2为控制冷却现场控制箱，这些控制箱安装在层流冷前设备的走台上，ET200M3安装在控冷操作台上，与指示灯和开关、按钮相连[4]。
4 层流冷却系统控制过程
根据中厚板轧机控冷工艺的要求，层流冷却控制系统主要通过PLC对集管控制单元的气动薄膜阀进行ON/OFF控制。侧喷阀的开关控制。以ON/OFF控制方式来对其进行控制。侧喷需要3个继电器输出方式的DO。根据控冷区钢板的微跟踪，可计算出钢板的头部距离和尾部距离（相对于控冷入口热检）。在钢板头部到达相应的侧喷阀时，打开相应的侧喷阀；在钢板尾部离开后关闭相应的侧喷阀。为了吹掉钢板上残存的冷却水、水汽及氧化铁皮，确保HMD和红外测温仪的可靠工作，控制冷却区的入口和出口分别安装压缩空气吹扫装置，端部压缩空气吹扫阀的控制需要2个继电器输出方式的DO。钢板头部到达冷后吹扫阀前的一定位置，打开冷后吹扫阀。当控冷出口热检检测到钢板尾部时，关闭冷后吹扫阀[5]。
控制系统中对所有模拟输入信号进行数据采集和处理，包括控制冷却区入口钢板温度、控制冷却区出口钢板温度、电动调节阀开度、高位水箱冷却水温度、高位水箱水位、集管的流量。这些信号均为4～20mA电流信号，经标度变换后存入相应的寄存器中，同时通过以太网络传送给过程计算机，供过程计算机模型计算时使用[6]。
5 层流冷却设备
层流冷却装置形式为无惯性管式层流冷却。层流冷却设备安装在四辊轧机和矫直机之间，控冷机械设备区域全长19m，在控冷辊道上下方共布置14组层流冷却集管。前10组为粗冷段，后4组为精冷段。粗冷段作为主冷区，精冷段为精调控制区。出水方式为上集管上排布直集管，下部喷管，在中厚板上形成层流。上、下高密集管控制阀组28组；侧喷装置3组（每组2个喷嘴），侧喷装置控制阀组3组，用侧喷泵供水；压缩空气吹扫装置2组，控制阀组2组；气动控制系统管线；挡水板自水冷系统等组成，如图3。
图3层流冷却系统设备配置图
每组集管由1组控制阀组控制，每组控制阀组由1个手动蝶阀（检修）、1个电动调节阀（流量调节）和1个气动薄膜阀组成。侧喷装置是用于喷扫钢板表面的积水，提高每组上部层流集管的冷却效率。侧喷装置的高压水由两台侧喷泵提供，两台泵的工作方式为一工一备。吹扫装置是用于将钢板表面上的热水膜和蒸汽膜吹扫掉，同时将冷却区域内的热气挡在冷却区域内，使冷却区前后设置的一次仪表得到保护，能够测到准确、真实的数据，以确保热检和红外测温仪的可靠工作。
同时在层流冷却线上布置了相应的检测仪表，包括热金属检测器、激光检测器、高温计等来实现跟踪带钢、温度实测及模型修正功能。在供水总管上设置了水温与水压测量仪表，高位水箱上设置液位计等。
6 系统应用
层流冷却控冷系统改造完成后，经过现场检测，冷却速度可以控制在10~12℃/s，温度控制精度在15%以内的带钢达到96.37%。各项指标满足了控冷工艺的要求，所生产的产品质量均符合国家要求。同时不断在生产过程中优化和学习，完善层流冷却系统的模型和功能。为轧制一些特殊要求的钢种提供了有利保证。
参考文献:
[1]宋建桥，控制轧制技术和控制冷却技术在炉卷轧机中的应用[J].宽厚板，2004，10(4):22-25
[2] 片锦香，柴天佑，贾树晋，岳恒.层流冷却系统过程优化控制仿真实验平台[J]系统仿真学报2007，19（20）5667-5671
[3] 王才仁，谢志雄，庄庆辉.韶钢热轧带肋钢筋控轧控冷工艺生产实践[J].轧钢，2007，24(6):69-71
[4] 黄远坚，王学志.控轧控冷工艺在2500mm中厚板生产线上的应用[J].宽厚板，2006，12(1):24-29
[5] 肖寄光，刘建彬.Q345A中板控轧控冷工艺试验[J].南方金属，2004，4:15-18
[6]杭志亮等，宝钢三热轧层流冷却过程控制系统研究与开发[J].宝钢技术，2008，5:70-72
关键词: 控冷系统层流冷却PLC
1 引言
2500mm热连轧生产线的原有轧后冷却系统控制系统和模型都很简单，仅为简易喷淋装置，尺寸为2200*20000mm2，冷却速度仅有4~5℃/s，已经不能满足生产工艺的需要。随着控冷技术的不断发展，层流冷却技术（CTC）得到了广泛应用[1]。层流冷却技术包括控制冷却装置的能力、冷却强度、冷却速度、卷取温度及控制精度等从精轧到卷取之间的全部冷却过程，主要是通过控制系统中的集管开启数目、集管流量及不同的控制策略，以保证带钢从终轧温度（800℃~900℃）按一定温降速率冷却到卷取温度（550℃~700℃）。
2 层流冷却数学模型
层流冷却数学模型将直接影响到卷取温度的控制精度，数学模型主要包括空气冷却模型和喷水冷却模型两部分[2]。带钢从精轧机末机架出口到卷取机入口的冷却过程如图1所示：图中，Tt为终轧温度，TC 为卷取温度，对于AB的温度范围是由所生产带钢的钢种和规格来确定。而数学模型的主要任务就是根据所轧带钢的钢种和规格要求，确定打开第一组集管的位置（即A点），所需打开的冷却集管的组数以及相应的冷却集管开启和关闭的组合（即确定B点），后者可由带钢冷却策略来确定。带钢轧后冷却过程中，带钢经历了空冷、水冷、再空冷等热交换过程，因此带钢轧后控冷过程中应包括如下数学模型：1）带钢空冷过程中的温度场计算模型；2）带钢水冷过程中的温度场计算模型；3）热交换系数数学模型；4）热传导系数数学模型；5）与热交换过程相关的物理参数数学模型；6）带钢的冷却速度计算模型；7）卷取温度前馈控制数学模型；8）卷取温度反馈控制数学模型；9）模型参数自学习模型。
3 层流冷却PLC控制系统
整个控制系统选用西门子公司的S7-400作为主控制器。S7－400CPU的最强大功能也可用一个集成的PROFIBUS－DP接口达到，并可作为主设备或从设备设置或与扩展接口模块ET200M通讯，可连接64个站（1个ET200M站最多可插入8个模块）。数据传输率为12M位/S。计算机控制系统采用开放式结构，有利于系统今后的扩充和升级。层流冷却计算机控制系统设置为2级系统，其中1级为基础自动化系统，2级为过程控制系统，通信网络采用工业以太网（Industrial Ethernet）和PROFIBUS-DP现场总线[3]。层流冷却计算机控制系统的结构如图2所示。
过程控制级主要是对整个冷却过程进行跟踪和控制，进行各种控制数学模型及参数的计算与设定。在设定计算完成后，设定值传递给基础自动化系统，数据由其进行管理，控制具体的执行时序。该级通过光纤工业以太网与基础自动化级的PLC及现场生产控制计算机系统进行通讯。
基础自动化级包括PLC 控制器及其远程I/O、操作台及相应的应用程序，负责冷却过程中根据设定值和带钢的位置对相关阀门的开闭动作时序进行控制，并提供各测量值和检测信号。PLC层流冷却系統配置及网络组成
层流冷却系统PLC由主站和3个远程I/O站组成。主站包括2台柜子，分别为电源柜、PLC柜。ET200M1和ET200M2为控制冷却现场控制箱，这些控制箱安装在层流冷前设备的走台上，ET200M3安装在控冷操作台上，与指示灯和开关、按钮相连[4]。
4 层流冷却系统控制过程
根据中厚板轧机控冷工艺的要求，层流冷却控制系统主要通过PLC对集管控制单元的气动薄膜阀进行ON/OFF控制。侧喷阀的开关控制。以ON/OFF控制方式来对其进行控制。侧喷需要3个继电器输出方式的DO。根据控冷区钢板的微跟踪，可计算出钢板的头部距离和尾部距离（相对于控冷入口热检）。在钢板头部到达相应的侧喷阀时，打开相应的侧喷阀；在钢板尾部离开后关闭相应的侧喷阀。为了吹掉钢板上残存的冷却水、水汽及氧化铁皮，确保HMD和红外测温仪的可靠工作，控制冷却区的入口和出口分别安装压缩空气吹扫装置，端部压缩空气吹扫阀的控制需要2个继电器输出方式的DO。钢板头部到达冷后吹扫阀前的一定位置，打开冷后吹扫阀。当控冷出口热检检测到钢板尾部时，关闭冷后吹扫阀[5]。
控制系统中对所有模拟输入信号进行数据采集和处理，包括控制冷却区入口钢板温度、控制冷却区出口钢板温度、电动调节阀开度、高位水箱冷却水温度、高位水箱水位、集管的流量。这些信号均为4～20mA电流信号，经标度变换后存入相应的寄存器中，同时通过以太网络传送给过程计算机，供过程计算机模型计算时使用[6]。
5 层流冷却设备
层流冷却装置形式为无惯性管式层流冷却。层流冷却设备安装在四辊轧机和矫直机之间，控冷机械设备区域全长19m，在控冷辊道上下方共布置14组层流冷却集管。前10组为粗冷段，后4组为精冷段。粗冷段作为主冷区，精冷段为精调控制区。出水方式为上集管上排布直集管，下部喷管，在中厚板上形成层流。上、下高密集管控制阀组28组；侧喷装置3组（每组2个喷嘴），侧喷装置控制阀组3组，用侧喷泵供水；压缩空气吹扫装置2组，控制阀组2组；气动控制系统管线；挡水板自水冷系统等组成，如图3。
图3层流冷却系统设备配置图
每组集管由1组控制阀组控制，每组控制阀组由1个手动蝶阀（检修）、1个电动调节阀（流量调节）和1个气动薄膜阀组成。侧喷装置是用于喷扫钢板表面的积水，提高每组上部层流集管的冷却效率。侧喷装置的高压水由两台侧喷泵提供，两台泵的工作方式为一工一备。吹扫装置是用于将钢板表面上的热水膜和蒸汽膜吹扫掉，同时将冷却区域内的热气挡在冷却区域内，使冷却区前后设置的一次仪表得到保护，能够测到准确、真实的数据，以确保热检和红外测温仪的可靠工作。
同时在层流冷却线上布置了相应的检测仪表，包括热金属检测器、激光检测器、高温计等来实现跟踪带钢、温度实测及模型修正功能。在供水总管上设置了水温与水压测量仪表，高位水箱上设置液位计等。
6 系统应用
层流冷却控冷系统改造完成后，经过现场检测，冷却速度可以控制在10~12℃/s，温度控制精度在15%以内的带钢达到96.37%。各项指标满足了控冷工艺的要求，所生产的产品质量均符合国家要求。同时不断在生产过程中优化和学习，完善层流冷却系统的模型和功能。为轧制一些特殊要求的钢种提供了有利保证。
参考文献:
[1]宋建桥，控制轧制技术和控制冷却技术在炉卷轧机中的应用[J].宽厚板，2004，10(4):22-25
[2] 片锦香，柴天佑，贾树晋，岳恒.层流冷却系统过程优化控制仿真实验平台[J]系统仿真学报2007，19（20）5667-5671
[3] 王才仁，谢志雄，庄庆辉.韶钢热轧带肋钢筋控轧控冷工艺生产实践[J].轧钢，2007，24(6):69-71
[4] 黄远坚，王学志.控轧控冷工艺在2500mm中厚板生产线上的应用[J].宽厚板，2006，12(1):24-29
[5] 肖寄光，刘建彬.Q345A中板控轧控冷工艺试验[J].南方金属，2004，4:15-18
[6]杭志亮等，宝钢三热轧层流冷却过程控制系统研究与开发[J].宝钢技术，2008，5:70-72