專利名稱：一種棒材軋后冷卻閉環(huán)自動控制系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明屬控制技術領域，特別是涉及一種棒材軋后冷卻閉環(huán)自動控制系統(tǒng)及方法。
背景技術：
利用棒材軋后余熱對棒材進行熱處理的工藝又稱為軋后控制冷卻工藝。該項技術 是近年來發(fā)展較快的一種工藝，它可以在降低煉鋼成本(少添加合金元素)的情況下，通過 對熱軋棒材進行在線熱處理從而提高棒材強度。這種工藝是根據(jù)鋼種、規(guī)格、自回火目標溫 度、實測開始冷卻溫度和進水溫度，計算并規(guī)定所需的冷卻水量，對軋后棒材進行冷卻，以 達到規(guī)定的自回火溫度范圍，提高棒材的機械性能。在這一工藝中，十分重要的環(huán)節(jié)是冷卻 水量的多少(閉環(huán)自動控制模型的建立)，這決定了最終的控制目標的穩(wěn)定與否。在傳統(tǒng)設 備中存在以下問題1)鋼筋在軋制過程中，由于加熱溫度不均勻、軋制節(jié)奏不穩(wěn)定等原因， 引起終軋溫度和冷卻后自回火溫度的渡動，導致力學性能的勻質(zhì)性差。2、冷卻器的水量靠 手動調(diào)節(jié)，效率較低，精度差，軋制時不能隨鋼筋的溫度變化自動進行水量調(diào)整?；美浯采?兩個自回火溫度檢測點不能反映鋼筋長度上的溫度分布情況。4)生產(chǎn)工藝參數(shù)，除溫度外， 全部靠人工記錄，無數(shù)據(jù)處理功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種根據(jù)工廠的實際冷卻條件，設計一套棒材 軋后控制冷卻閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種棒材軋后冷卻閉環(huán)自動控 制系統(tǒng)，包括控制主機，控制器操作盤，運行信號檢測，壓力、溫度傳感器，流量傳感器，運行 信號反饋，所述的控制器操作盤和運行信號檢測分別通過兩個輸入模塊與第一控制主機相 連，所述的壓力、溫度傳感器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與第一控制主機相連，兩個流量傳感器分別 通過第二控制主機和第三控制主機與第一控制主機相連，運行信號反饋和水泵控制器均與 第三控制主機相連；所述的第一控制主機通過通訊接口與微型計算機相連；所述的第一控 制主機通過輸出模塊分別與模擬顯示屏、電氣控制器、各種功能執(zhí)行器相連，所述的電氣控 制器與流量調(diào)節(jié)執(zhí)行器相接。所述的微型計算機分別與鍵盤、顯示器、打印機和數(shù)據(jù)存儲器相接。一種使用權利要求1所述的一種棒材軋后冷卻閉環(huán)自動控制系統(tǒng)的方法，包括下 列步驟(1)根據(jù)棒材的規(guī)格、化學成分、冷卻水溫度，確定棒材冷卻前、后的溫度期望值和 相應的基本水量；(2)半成品棒材進入精軋機組后，通過設置在精軋機組進口的高溫計連續(xù)測量軋 件的溫度，將其反饋到控制主機PLC中，由控制主機預測軋件的終軋溫度，調(diào)整壓力水泵站 的水量和水壓，控制主機PLC向壓力水泵站發(fā)出指令，調(diào)節(jié)壓力水電動閥門的開或關；
(3)通過設置在終軋機后、冷卻區(qū)前的高溫計連續(xù)測量棒材溫度，將其反饋到控制 主機PLC中，通過對棒材終軋溫度實測值和預測值對比，控制主機實時調(diào)節(jié)壓力水泵站的 水量和水壓，或通過操作面板人工干預，實時調(diào)節(jié)水量和水壓；(4)棒材從終軋機出來后，進入穿水冷卻區(qū)進行高效、強制冷卻，鋼筋經(jīng)倍尺飛剪 分段剪切后上冷床進行空冷，進入自回火階段，最后使心部和表面溫度趨于一致；(5)鋼筋在冷床上的移送過程中，設置在冷床上的高溫計測量的溫度反饋到控制 主機PLC中，控制主機PLC根據(jù)得到的鋼筋溫度進行計算，預測鋼筋的機械性能，根據(jù)鋼筋 不同強度級別的要求，通過檢測棒材冷卻前的溫度，自動調(diào)整水量，進行實時控制，并且通 過檢測自回火溫度，修正冷卻水量，形成閉環(huán)控制，將棒材的自回火溫度控制在最佳工藝范 圍內(nèi)，以得到同一強度級別的高強度鋼筋，并將溫度曲線、生產(chǎn)工藝參數(shù)實時記錄。有益效果本發(fā)明可根據(jù)鋼筋的溫度變化自動調(diào)節(jié)水量，效率高，精度高，終軋溫度和冷卻后 自回火溫度的平穩(wěn)，力學性能的勻質(zhì)性好。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖中①過程控制系統(tǒng)；②檢測儀表系統(tǒng)；③數(shù)據(jù)處理及生產(chǎn)管理系統(tǒng)；④流量調(diào) 節(jié)系統(tǒng)。圖2為本發(fā)明控制系統(tǒng)配置圖。圖3為本發(fā)明人機交互監(jiān)控的主畫面。圖4為本發(fā)明人機交互監(jiān)控的參數(shù)設定畫面。圖5為本發(fā)明人機交互監(jiān)控的趨勢棒圖畫面。圖6為本發(fā)明人機交互監(jiān)控的報警畫面。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領域技術人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定 的范圍。如圖1所示，本發(fā)明包括控制主機，控制器操作盤，運行信號檢測，壓力、溫度傳感 器，流量傳感器，運行信號反饋，所述的控制器操作盤和運行信號檢測分別通過兩個輸入模 塊與第一控制主機相連，所述的壓力、溫度傳感器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與第一控制主機相連， 兩個流量傳感器分別通過第二控制主機和第三控制主機與第一控制主機相連，運行信號反 饋和水泵控制器均與第三控制主機相連；所述的第一控制主機通過通訊接口與微型計算機 相連；所述的第一控制主機通過輸出模塊分別與模擬顯示屏、電氣控制器、各種功能執(zhí)行器 相連，所述的電氣控制器與流量調(diào)節(jié)執(zhí)行器相接。所述的微型計算機分別與鍵盤、顯示器、 打印機和數(shù)據(jù)存儲器相接。根據(jù)棒材的規(guī)格、化學成分、冷卻水溫度，自動求出棒材冷卻前、后的溫度期望值 和相應的基本水量；半成品棒材進入精軋機組后，通過設置在精軋機組進口的高溫計連續(xù)測量軋件的溫度并同時反饋到主控PLC中，通過相應的數(shù)學模型計算，預測軋件的終軋溫 度，并由此調(diào)整壓力水泵站的水量和水壓，PLC向壓力水泵站發(fā)出指令，調(diào)節(jié)壓力水電動閥 門的開或關。通過設置在終軋機后，冷卻區(qū)前的高溫計連續(xù)測量棒材溫度，同時反饋到主控 PLC中，經(jīng)過棒材終軋溫度實測值和預測值對比，對棒材冷卻溫度數(shù)學模型進行自適應調(diào) 整，實時調(diào)節(jié)壓力水泵站的水量和水壓，同時也可以通過操作面板人工干預，實時調(diào)節(jié)水量 和水壓。棒材從終軋機出來后，進入穿水冷卻區(qū)進行高效、強制冷卻，鋼筋表面溫度急劇降 至400°C以下，鋼筋表面層產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變，形成淬火馬氏體，而心部仍然是奧氏體組織，鋼 筋經(jīng)倍尺飛剪分段剪切后上冷床進行空冷。由于鋼筋截面上溫度梯度大，心部熱量向表面 傳導，使表面層淬火馬氏體發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，形成回火馬氏體，心部奧氏體組織形成細珠光體 和細鐵素體，進入自回火階段，最后使心部和表面溫度趨于一致。鋼筋在冷床上移送過程 中，通過設置冷床高溫計測量的溫度反饋到主控PLC中，主控PLC根據(jù)得到的鋼筋溫度進行 計算，預測鋼筋的機械性能，根據(jù)鋼筋不同強度級別的要求，通過檢測棒材冷卻前的溫度， 自動調(diào)整水量，進行實時控制，并且通過檢測自回火溫度，修正冷卻水量，形成閉環(huán)控制，將 棒材的自回火溫度控制在最佳工藝范圍內(nèi)，以得到同一強度級別的高強度鋼筋，并將溫度 曲線、生產(chǎn)工藝參數(shù)實時記錄。其控制流程圖見圖1、系統(tǒng)配置見圖2。數(shù)學模型(1)始冷溫度預報數(shù)學模型
」Γ2 = (乂 + (T1 + 273)"3 — 273(火)式中T2 控制冷卻裝置入口處棒材的溫度；A 常數(shù)，A = 6 X IO^t1 ε σ /Cp P R ；T1 精軋機入口處棒材的溫度(2)參數(shù)給定數(shù)學模型棒材冷卻前溫度期望值Tib = Aki Φ+Bki式中Tib 冷卻前溫度期望值/°C ；Aki 回歸參數(shù)；Φ 鋼筋規(guī)格參數(shù)；Bki 常數(shù)項。棒材冷卻后溫度(自回火溫度)期望值T3B = Ak2 Φ+Bk2C叫+Ck2T5式中T3b 冷卻后自回火溫度期望值/°C。Cetl 碳當量，Cetl = C+Mn/6 ；T5 冷卻水溫度/°C ；AK2、BK2、CK2 回歸參數(shù)。(3)基本流量設定數(shù)學模型Qb = ΑΦ+ΒΤ5+6式中％ 基本水量/m3. IT1
A、B:回歸參數(shù)；G 常數(shù)項。(4)水量調(diào)整數(shù)學模型Q = Qb+ Δ Q1+ Δ Q2 m3/h式中Q 調(diào)整后的水量值/m3. IT1 ；Δ Q1 按冷卻前溫度實測值T1決定的水量調(diào)整值/m3. IT1 ；Δ % 按自回火溫度實測值T3決定的水量調(diào)整值。Δ Q1 = A1 Δ T^B1Δ Q2 = A2 Δ Τ3+Β2式中A1J2 回歸參數(shù)；B” B2:修正項；Δ T1 冷卻前溫度期望值與實測值的差值，Δ T1 = Tib-T1 ；Δ T3 冷卻后自回火溫度期望值與實測值的差值，Δ T3 = T3b-T3本系統(tǒng)人機交互監(jiān)控采用研華工控機、西門子WINCC6. 0監(jiān)控軟件。把PLC采集到 的各種信號在監(jiān)控畫面上顯示，并有人工參數(shù)設定，報警顯示等功能。具體功能如下 實時位置監(jiān)控監(jiān)控各個信號點的狀態(tài)； 信號采集由變頻器通過總線通訊采集過來的電機的轉(zhuǎn)速、電流； 鋼材溫度及調(diào)節(jié)閥開度的顯示； 溫度曲線記錄； 人工參數(shù)的設定； 報警系統(tǒng)變頻器故障顯示等。如圖3為本發(fā)明人機交互監(jiān)控的主畫面。該畫面顯示系統(tǒng)的模擬圖及實時數(shù)據(jù)， 所有數(shù)據(jù)均不能人為更改。主要顯示水冷器1#電動閥開度、2#電動閥開度、1#設定流量、 1#實際流量、姊設定流量、姊實際流量、精軋溫度、上冷床溫度、水冷器輥道速度。水冷器橫 移臺車位置狀態(tài)、空過輥道和托輥輥道的動作模擬顯示以及手動、自動、運行、變頻器運行、 水冷器準備好等信號等狀態(tài)。圖4為本發(fā)明人機交互監(jiān)控的參數(shù)設定畫面。第一部分是軋制參數(shù)，這些參數(shù)是 軋制自動運行時水冷器自動控制依據(jù)，設置的內(nèi)容包括軋制的規(guī)格、1#水冷器設定流量、2# 水冷器設定流量、終軋溫度、比例系數(shù)，每項都有設定的范圍，每設定一項都要單擊后面的 “確認”鍵加以確認，否則該設定無效。以上參數(shù)是自動運行并且穿水時有效，注意以下幾個特殊情況(1)當要走“空過”棍道時，規(guī)格設定為“0”。設定1-9數(shù)字無意義，10-14時為1_3 線，16-25時走4、5線，25以上用6線，使托輥可自動選擇速度跟隨。(2)當自動運行時不用溫度調(diào)節(jié)流量時，終軋溫度設定為“0”，不為“0”則將根據(jù)
實際檢測溫度與設定溫度比較，調(diào)整流量。(3)調(diào)節(jié)比例根據(jù)實際需要設定，一般為4-7左右，數(shù)值越大流量調(diào)整速度變化越 快，穩(wěn)定性則降低。(4)當鋼不走水冷器“空過輥道”(不需通水)時，啟動“托輥輥道”，如果不需要冷 卻時，配合操作臺上將“空過穿水”轉(zhuǎn)換開關選擇到“空過”位置。若需要冷卻時，操作臺上將“空過穿水”轉(zhuǎn)換開關選擇到“穿水”位置。第二部分是1#電動閥開度設定，范圍為0_99%，該項是手動運行時的開度設定， 設定后要單擊后面的“確認”鍵加以確認，電動閥將按照設定值立即執(zhí)行，否則該設定無效。第三部分是姊電動閥開度設定，范圍為0-99%，該項是手動運行時的開度設定， 設定后要單擊后面的“確認”鍵加以確認，電動閥將按照設定值立即執(zhí)行，否則該設定無效。第四部分是輥道速度設定，該項是手動運行時的水冷器輥道速度給定，輥道將按 照該速度運行。設定單位是“厘米/秒”，如軋制速度設定為10. 5米/秒，這時輸入1050后 按“確認”按鈕，完成輸入。這時需要操作臺上“空過、穿水”轉(zhuǎn)換開關配合完成，當選擇到 “空過”位置時空過輥道運行，選擇“穿水”時，托輥輥道運行。圖5為本發(fā)明人機交互監(jiān)控的趨勢棒圖畫面。該畫面顯示水冷器1#電動閥設定 開度、1#電動閥實際開度、2#電動閥設定開度、2#電動閥實際開度、1#實際流量、2#實際流 量的趨勢棒圖。圖6為本發(fā)明人機交互監(jiān)控的報警畫面。當系統(tǒng)有故障時，記錄系統(tǒng)的故障內(nèi)容 及故障點。
權利要求
1.一種棒材軋后冷卻閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，包括控制主機，控制器操作盤，運行信號檢 測，壓力、溫度傳感器，流量傳感器，運行信號反饋，其特征在于所述的控制器操作盤和運 行信號檢測分別通過兩個輸入模塊與第一控制主機相連，所述的壓力、溫度傳感器通過模 數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與第一控制主機相連，兩個流量傳感器分別通過第二控制主機和第三控制主機 與第一控制主機相連，運行信號反饋和水泵控制器均與第三控制主機相連；所述的第一控 制主機通過通訊接口與微型計算機相連；所述的第一控制主機通過輸出模塊分別與模擬顯 示屏、電氣控制器、各種功能執(zhí)行器相連，所述的電氣控制器與流量調(diào)節(jié)執(zhí)行器相接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種棒材軋后冷卻閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的 微型計算機分別與鍵盤、顯示器、打印機和數(shù)據(jù)存儲器相接。
3.一種使用權利要求1所述的一種棒材軋后冷卻閉環(huán)自動控制系統(tǒng)的方法，其特征在 于包括下列步驟(1)根據(jù)棒材的規(guī)格、化學成分、冷卻水溫度，確定棒材冷卻前、后的溫度期望值和相應 的基本水量；(2)半成品棒材進入精軋機組后，通過設置在精軋機組進口的高溫計連續(xù)測量軋件的 溫度，將其反饋到控制主機PLC中，由控制主機預測軋件的終軋溫度，調(diào)整壓力水泵站的水 量和水壓，控制主機PLC向壓力水泵站發(fā)出指令，調(diào)節(jié)壓力水電動閥門的開或關；(3)通過設置在終軋機后、冷卻區(qū)前的高溫計連續(xù)測量棒材溫度，將其反饋到控制主機 PLC中，通過對棒材終軋溫度實測值和預測值對比，控制主機實時調(diào)節(jié)壓力水泵站的水量和 水壓，或通過操作面板人工干預，實時調(diào)節(jié)水量和水壓；(4)棒材從終軋機出來后，進入穿水冷卻區(qū)進行高效、強制冷卻，鋼筋經(jīng)倍尺飛剪分段 剪切后上冷床進行空冷，進入自回火階段，最后使心部和表面溫度趨于一致；(5)鋼筋在冷床上的移送過程中，設置在冷床上的高溫計測量的溫度反饋到控制主機 PLC中，控制主機PLC根據(jù)得到的鋼筋溫度進行計算，預測鋼筋的機械性能，根據(jù)鋼筋不同 強度級別的要求，通過檢測棒材冷卻前的溫度，自動調(diào)整水量，進行實時控制，并且通過檢 測自回火溫度，修正冷卻水量，形成閉環(huán)控制，將棒材的自回火溫度控制在最佳工藝范圍 內(nèi)，以得到同一強度級別的高強度鋼筋，并將溫度曲線、生產(chǎn)工藝參數(shù)實時記錄。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種棒材軋后冷卻閉環(huán)自動控制系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)的控制器操作盤和運行信號檢測分別通過兩個輸入模塊與第一控制主機相連，所述的壓力、溫度傳感器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與第一控制主機相連，兩個流量傳感器分別通過第二控制主機和第三控制主機與第一控制主機相連，運行信號反饋和水泵控制器均與第三控制主機相連；所述的第一控制主機通過通訊接口與微型計算機相連；所述的第一控制主機通過輸出模塊分別與模擬顯示屏、電氣控制器、各種功能執(zhí)行器相連，所述的電氣控制器與流量調(diào)節(jié)執(zhí)行器相接。本發(fā)明可根據(jù)鋼筋的溫度變化自動調(diào)節(jié)水量，效率高，精度高，終軋溫度和冷卻后自回火溫度的平穩(wěn)，力學性能的勻質(zhì)性好。
文檔編號G05D7/06GK102073294SQ20091005513
公開日2011年5月25日 申請日期2009年7月21日 優(yōu)先權日2009年7月21日
發(fā)明者劉衛(wèi)東, 呂云勇, 肖軼 申請人:南通寶鋼鋼鐵有限公司