第6章 冷轧处理线自动化控制系统
在冷轧簿板生产线上，处理线工艺过程包括酸洗线，热处理的连续退火线，平整线，镀层生产线，包装、重卷、剪切过程。处理线工艺过程十分复杂，设备众多。而自动化控制系统所涉及的范围非常广泛，但控制方法和应用的理论并不象冷连轧机那样复杂。各个工艺段存在共同的自动化控制功能。它们是：带钢跟踪功能；速度控制；带钢张力控制；设备顺序控制；逻辑连锁控制；数据采集与处理；数据库管理；设定值计算与控制。本章的主要篇幅将立足于这些控制功能在酸洗、热处理的连续退火、平整生产线中应用情况作些简单介绍。
6．1 酸洗机组自动化控制系统
典型的冷轧联合机组中酸洗部分与冷轧机是全连续无头轧制。酸洗机组自动化控制系统可使用标准的四级控制：即3级为生产执行控制级；2级为过程自动化控制级， 1级为基础自动化级；0级为现场级，包括数字传动，传感器仪表等等；还包括一套HMI(人机接口)系统，以便于生产人员使用，酸轧机组有自己单独的HMI系统可供使用。 6．1．1 酸洗机组主要设备
典型的酸洗生产线中连续酸洗机组由入口段、酸洗工艺段、出口段三部分组成。入口段主要设备有步进梁、开卷机、矫直机、切头剪、焊机、入口活套、拉矫机等设备组成,主要用途是进行带钢开卷、切去不合格头尾、焊接、拉矫等处理。出口段主要有出口活套、圆盘剪、碎边剪等设备组成,主要进行带钢切边等处理。酸洗工艺段主要设备有酸洗段、漂洗段、带钢干燥器、排酸雾系统等设备组成,主要进行带钢酸洗、漂洗、烘干等处理。酸洗段有三个酸洗槽。用一对挤干辊及一个排放斗将酸洗槽互相分开。每一个酸洗槽对应有一个循环罐,供应酸液给酸洗槽。循环罐也作为酸液收集罐,如果一旦机组停车,酸洗槽的酸液就排放到循环罐内,并且各槽之间的酸液浓度梯度由循环罐保证。其中一个酸循环罐作为酸液供给罐,从酸再生站)向该罐加入再生酸或新酸,以控制酸液达到所要求的浓度值。废酸从另一个酸循环罐排放到酸再生站废酸贮罐。漂洗段有一个漂洗槽,分为一个预清洗段和五个工艺漂洗段。漂洗段的特点是,各自单独循环回流,自带漂洗水收集箱和卧式离心泵。冷凝水用于漂洗槽最后一段的漂洗,借助溢流以相对带钢逆流的方向流到第1漂洗段。用于漂洗带钢的冷凝水从冷凝水收集罐中取出。从漂洗槽第1段循环管路中分出一个回路用来漂洗最后酸洗槽出口双辊挤干辊中间的带钢,以保证带钢的湿润。漂洗水排放(即使在机组停车情况下)到漂洗水罐中,然后再由水泵送到酸再生站。为了避免带钢在机组停车情况下产生表面锈蚀,在漂洗槽中设有一套专用的停车漂洗系统。漂洗系统的漂洗水质,是根据离子浓度,通过电导率来控制的。酸洗后的带钢用脱盐水漂洗,以去掉残留在带钢表面的酸液,尽量使带钢表面不产生“停车斑”。带钢干燥器布置在漂洗槽的出口,由两个独立的高压、热空气风机组成,对带钢进行烘干处理。酸洗和漂洗段产生的酸雾由排酸雾系统风机抽出,经过净化塔洗涤,去掉可溶解气体,纯净的烟雾蒸汽被排入大气中,以避免在酸洗机组区域产生有毒酸雾。 6．2．1 酸洗机组基础自动化系统
基础自动化系统可全部采用PLC控制。主要控制功能分为顺序控制、带钢跟踪控制、带钢张力控制、带钢速度控制、工艺段控制。 6．2．1．1 顺序控制
（1）钢卷运输。从No.1和No.2钢卷小车开始到入口活套的逻辑顺序控制。
（2）入口段的顺序控制功能。带头自动剪切、带头自动穿带到等待位置、带头自动穿带到焊机、带尾自动剪切、自动甩尾到焊机、带钢焊接。
（3）工艺段从入口活套到出口No.2活套的逻辑顺序控制。入口活套部分、拉矫机部分、工艺段及酸洗段、出口No.1活套、圆盘剪段、出口No.2活套。 6．2．1．2 带钢跟踪控制
（1）酸洗入口段带钢定位检测点，见表6-1所示。
（2）入口活套控制功能。确定剩余带钢的处理时间（即根据活套小车的实际位置，计算完全充满和完全放空所需的时间）。监视活套位置（活套位置在正常情况下分三种位置：紧急停车位置、快速停车位置及计算机监视的运行位置）。不在“活套控制”操作方式下的机组速度，如联合点动，也需要进行活套位置监控。
控制活套位置有带钢定位控制，根据入口、出口带钢速度和加速度进行计算，实际活套
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位置应除以带钢股数(例如4股)。根据入口、出口速度和加速度提供预设定值。
（3）酸洗出口段焊缝跟踪。跟踪焊缝到月牙剪位置；跟踪焊缝到圆盘剪位置。
（4）酸洗机组的带钢跟踪。酸洗机组材料跟踪，如带钢厚度、宽度、钢卷号、延伸率等数据的处理；酸洗机组焊缝跟踪。 表6-1 定位检测点 检测点的设备位置 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1#开卷机剩余带钢长度 2#开卷机剩余带钢长度 带钢甩尾到焊机间距离，大约2m处建立活套。 带头到穿带导板 带头在处理器夹送辊后 带头到分切剪 带头剪切 带尾剪切 前材带头剪切废料长度 前材带头到等待位置 前材带头到焊机 前材带钢焊缝在焊机内移动到月牙剪大约2.3m 前材带尾剪切 后材带头剪切废料长度 后材带头到等待位置 后材带头到焊机 后材带钢(焊缝)在焊机内移动到月牙剪大约2.3m 后材带尾剪切 No.1张力辊 No.1张力辊 No.1张力辊 No.1和No.2开卷机 No.1和No.2处理器夹送辊 No.1和No.2处理器夹送辊 No.1和No.2处理器夹送辊 废料夹送辊 No.1处理器夹送辊上辊 No.1处理器夹送辊上辊 No.1处理器夹送辊上辊 No.1处理器夹送辊上辊 废料夹送辊 No.2处理器夹送辊上辊 No.2处理器夹送辊上辊 No.2处理器夹送辊上辊 No.2处理器夹送辊上辊 废料夹送辊 6．2．1．3 带钢张力控制
酸洗机组有三种张力控制方式：额定或操作张力、穿带张力与临时停车张力。
（1）额定或操作张力。在入口段应设定足够的带钢张力以保证带钢绷紧及顺利运送带钢。其张力值仅取决于带钢横断面和材质。张力预设定值将由过程计算机或通过HMI传送给开卷机传动系统。在工艺段带钢张力必须保证带钢正常运行。拉矫机的张力和弯曲辊、矫直辊的压入深度值必须根据带钢横断面、材质及板形来设定。在过程计算机中由单独的数据表格或通过HMI由操作工来设定。其它张力值仅取决于带钢横断面和材质，其设定值将由过程计算机或通过HMI设定。设定输出将结合带钢跟踪系统去控制张力辊和活套传动系统。
（2）穿带张力。在穿带进入和穿带穿出过程中，一般以较小的张力操作，大约是额定张力的30%。使用此张力值的目的是保证带钢基本绷紧就可以了。穿带进入张力值可手动输入或自动输入。
（3）临时停车张力。临时停车张力是当机组临时停车时由控制系统延时后自动进行。其张力值与穿带进入张力值一样，大约是额定张力的30%。临时停车张力必须根据带钢张力自动功能投入，并且传动系统在稳定状态下执行，其实际带钢张力可能会大于临时停车张力设定值。
（4）酸洗入口段张力控制。带钢穿带到焊机时，必须使用穿带张力；焊接完成、机组启动时，张力必须逐渐加大到额定值张力。张力设定值既可设定单位张力，也可设定总张力。
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总张力(N)＝单位张力(N/m)×带钢宽度(m)×带钢厚度(m)
如果手动微调设定值，其调整范围只允许严格按设定点的百分比调并在±10%范围内。 6．2．1．4带钢速度控制
（1）酸洗入口段。在带钢未完成焊接之前，机组未联动起车时有三个速度被设定控制。其一是No.1纠偏辊压辊、No.1张力辊及压辊为一个速度选择；二是No.1开卷机和No.1处理器为一个速度选择(穿带速度：max 60m/min)；三是No.2开卷机和No.2处理器为一个速
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度选择(穿带速度：max 60m/min)。三个速度选择可以有不同的带钢速度同时运行。当带钢焊接完成，机组联机启动后，只能有同一个带钢速度运行，入口段正常运行速度是以No.1张力辊速度为基准，最大速度为700m/min。
（2）酸洗工艺段的速度设定。传动转向辊、拉矫机及No.4纠偏辊为同一个速度设定。在正常运行时工艺段速度是以拉矫机的3# 张力辊速度为基准，同时也是整个酸洗机组的速度基准。
（3）酸洗出口段的速度设定。圆盘剪的碎边剪、No.4张力辊为同一个速度基准。在正常运行时出口段速度是以No.4张力辊速度为基准。 6．2．1．5 工艺段控制
（1）拉矫机控制。拉矫机的张力是通过拉矫机前后张力辊，即No.2和No.3张力辊之间的速度差来产生的。其中No.3张力辊的3# 辊关连主传动电机的主令速度。拉矫机有三种操作方式，而实际延伸率的测量和显示与操作方式无关。
? 延伸率功能不投入方式。在这种操作方式下，延伸率传动的速度与变形程度一起进行预设定（设为0）。此刻拉矫机的力矩严格控制在正常力矩的5%。
? 张力方式。在这种操作方式下，延伸率传动的实际力矩将恒定。这意味着所得到的实际力矩作为设定力矩的锁定值。以张力传动方式实现负荷平衡控制来保持相应的规定力矩。在焊缝通过的情况下，给延伸率设定值增加一个附加值，用以消除拉矫机中带钢的张力波动。
? 延伸率功能投入方式。在这种操作方式下，延伸率传动的速度，应根据所要求的延伸率来预设定。以张力传动方式实现负荷平衡控制来保持相应的规定力矩。
（2）圆盘剪控制。碎边剪速度设定比机组速度稍大，即包含一个基本设定值加上偏移量，目的是使碎边剪有微量的牵引速度。
（3）出口No.1活套控制功能。在带钢主令速度控制程序中，具有如下功能：
? 确定剩余带钢的处理时间(即根据活套小车的实际位置，计算完全充满和完全放空所需的时间)。
? 监视活套位置，（活套位置在正常情况下分三种位置：紧急停车位置、快速停车位置及计算机监视的运行位置）。不在“活套控制”操作方式下的机组速度，如联合点动，也需要进行活套位置监控。
? 控制活套位置(带钢定位控制是根据入口、出口带钢速度和加速度进行计算，实际活套位置应除以带钢股数)。为圆盘剪段提供预设定速度和加速度值。
（4）出口No.1和No.2活套的操作。设置出口No.1和No.2活套的目的是吸收连轧机组因减速和停车而产生的带钢剩余套量。过程控制系统提供酸洗工艺段速度、连轧机入口速度、圆盘剪段最大速度以及活套内带钢张力的设定值。并且监视活套位置，根据合适的设定点，以保证活套不会达到极限位置。而且必须以这样的方式控制活套速度，以允许连轧机减速或停车，不影响工艺段的正常速度运行。通常两个活套作为一个装置来操作，即位置差等于0。过程控制系统设定酸洗机组和连轧机的速度，考虑两个活套的充满状态以及任何计划停机（换卷、换辊）等。
6．2．1．6 酸洗与连轧机之间的关键连锁信号
在酸洗和轧机机组的基础自动化系统之间，有实时的关键连锁信号相互交换以保证联机的协调运行。例如：
（1）当出口活套紧急停车或活套下极限信号为真时，连轧机组必须停车。
（2）酸洗输出到连轧机的出口活套就绪信号。其状态用来启动和运行连轧机。出口活套的紧急停车按钮和安全充满开关硬连接到连轧机紧急停车控制系统，以尽快停止连轧机。 （3）出口活套和圆盘剪段就绪信号，其状态用来启动和运行连轧机。酸洗出口段的实际操作方式是在No.1轧机前一个焊缝测量点下达的。也用来计算实际钢卷的减速点。
（4）连轧机输出到酸洗机组的穿带、停车信号。当连轧机以穿带速度运行，并且卷取张力已建立或整个连轧机已停车但酸洗机组还在运行。此时连轧机机组应当将操作方式传给酸洗机组。
6．1．3 过程自动化级主要功能
（1）速度优化。过程计算机根据连轧机组主令速度来决定酸洗机组的最佳速度，其目的是以最低能量消耗下获得最大产量为目标的速度优化计算。
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（2）数据管理。过程自动化系统接受3级生产执行控制系统发送的钢卷基本数据，存入过程自动化系统的数据库中。当热轧钢卷放到酸洗机组入口步进梁的存放位置后，钢卷数据通过操作工在入口操作台手动输入，然后该数据与过程自动化系统中的钢卷数据进行比较。钢卷数据可由操作工在入口操作台终端上确认，然后被跟踪到开卷机。钢卷的数据和位置显示在酸洗机组入口和出口操作室的HMI监视器上。并且需要校核宽度、重量和直径。 （3）设定计算。在预设定方式下，轧制预计算启动，并且给一级基础自动系统提供新带钢的速度、张力设定值。利用酸洗机组入口段确认的钢卷数据，自动开始第一次预计算。对连轧机的最终设定，应通过连轧机前的带钢跟踪系统，进行进一步的预计算。如果出现带钢断带情况，操作工可以要求进行新的计算。在下述情况下，可以由操作工对酸洗机组和连轧机进行新的计算。
? 酸洗机组速度为0，钢卷位于入口段步进梁上，带头在焊机前的等待位置。 ? 连轧机组速度为0，当前钢卷的最后一次预计算已经用于连轧机。 一旦钢卷已经装到开卷机上，酸洗机组的设定值就下载到基础自动化系统。操作工启动设定值校对功能，确认基础自动化控制系统中现在的操作方向正确，从过程计算机来的相关设定值被封锁。所封锁的设定值既能用于当前带钢，也能用于后同规格的几个带钢。该封锁与释放必须由操作工操作。
酸洗机组工艺数据库中具有的设定值如下： ? 处理器压入深度设定值。 ? 分切剪剪刃间隙设定值。
? 拉矫机设定值，即延伸率及弯曲辊、矫直辊压入深度。 ? 圆盘剪剪刃间隙、重叠量设定值。 ? 碎边剪剪刃间隙设定值。
? 张力设定值。拉矫机张力与带钢延伸率、弯曲辊和矫直辊的压入深度值等有关，各单位张力值与带钢厚度及材质有关，由于带钢厚度越大，在转向辊上产生弯曲附加力也越大，会影响整个张力的设定。
? 全线速度设定值。根据全线带钢数据管理原则和全线秒流量相等原理，先由过程计算机计算确定连轧机速度，然后确定酸洗工艺段速度。酸洗工艺段速度受两个条件限制：最大加热能力和最大带钢速度。然后由带钢跟踪系统及数据管理跟踪系统，根据酸洗入口钢卷数据(带钢厚度、带钢宽度及钢卷重量)，结合入口活套、出口No.1活套、出口No.2活套的具体位置，由活套位置控制系统来计算入口段最大速度，以及圆盘剪段的最大速度。
（4）带钢跟踪。酸洗入口段换卷时，入口活套充满以满足焊机焊接时间的要求。带尾停在焊机处，新的带头穿带到焊机，然后带头、带尾在焊机内焊接，焊接完成后入口段加速到设定速度。新带钢将自动输入到带钢跟踪系统中，该跟踪系统负责保证所要求的轧机操作定时启动。带钢参数和状态被显示在主控制台的显示器上。
当焊缝到达连轧机时，带钢必须减速。酸洗出口No.1、No.2活套将被充满，以保证酸洗机组工艺段速度保持恒定。这时连轧机设定值(如果需要，可重新计算)被下载到基础自动化系统。其后，操作工才能以同样的方法，对酸洗机组基础自动化系统进行设定值改变。
在连轧机出口，焊缝被剪切，新的带头被导向进入空的卷取机卷筒。当卷筒在皮带助卷器帮助下，已经将带钢卷紧，并建立张力后，连轧机加速到所要求的轧制速度。这时前钢卷数据将从带钢跟踪系统中取消。
轧制后的钢卷将从卷取机上卸卷到出口钢卷运输系统，同时其轧制数据由过程计算机收集并整理。一些附加信息，如检查和其它特殊内容的数据，可以通过终端添加进来。
钢卷从连轧机出口步进梁上吊走后，其钢卷数据也从钢卷跟踪系统中移走。在适当的时候，所有轧制钢卷的数据将传送到全厂三级生产执行控制系统中。
6．2 连退线自动化控制系统
连退线自动化控制系统与酸洗线相同，也应用标准四级控制：3级为生产执行控制级；2级为过程自动化级；1级为基础自动化系统；0级为现场级，包括数字传动，传感器、仪表系统等等。并包括人机接口HMI系统，以便于生产人员使用。HMI人机接口系统，对连退生产线的重要信息状态作可视化的监视管理，通过画面直接获得现场信息，输入数据，和操作控制。见图6-1所示。
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6．2．1 基础自动化控制功能
6．2．1．1 基础自动化系统的任务
基础自动化系统的主要任务包括对于数字传动，工艺功能和仪表仪器的数据处理等相关功能的控制；设定与反馈值处理；入口、出口的自动顺序控制；带钢跟踪；工艺设定值控制（如张力,延伸率等）；可视化过程显示与操作。
基础自动化系统可由可编程逻辑控制器 PLC组成。对于不同的功能, 每一个控制器可独立地运行。在这些自动化装置之间的通讯协议可应用高速工业以太网。每个控制器能连接到分别的仪表和传动系统。 智能远程I/O使用现场总线。基础自动化接受来自过程自动化系统的输入数据和经由 HMI 的操作员输入的数据。并在HMI系统做必要的数据显示。 6．2．1．2 跟踪功能
物料跟踪,数据处理。从带钢到入口步进梁，到出口吊走为止，对钢板进行位置跟踪，并作焊缝的跟踪。物料和焊接处跟踪包含以下功能:
图6-1 可视化的监视管理 （1）钢卷跟踪是从进入运送装置和运送结束,操作员上卷之后开始，并由自过程自动化系统输入的数据传递给基础自动化系统，并存入基础自动化系统的钢卷跟踪数据中。
（2）将生产的系列钢卷和相应钢卷数据用不同颜色显示在HMI终端上。
（3）带头和带尾的计算。从开卷到卷取最大钢卷数是14, 最小带钢长度是可调整的,缺省值是300m 。
（4）应用焊缝检测装置进行焊缝同步。
（5）当带钢穿过整条线时，设定值和工艺参数要传送到相应的控制单元。 （6）初始化带钢检测点位置, 例如平整机的机架。
（7）带钢缺陷检测跟踪。带钢缺陷数据来源于三处：过程自动化系统的带钢设定缺陷数据(代码，位置)；通过入口HMI终端手动输入的缺陷数据；通过出口侧HMI输入的缺陷数据(自动输入，或手动输入)。
（8）对于入口焊缝的特例处理。根据过程自动化系统的带钢设定缺陷数据(代码，位置)或通过HMI系统，操作工知道这些特殊信息，经过相应的剪切操作并确认后，基础自动化系统将生成自动加速和焊缝定位命令。操作员也可决定当前工作，如带头剪切，带头和带尾在焊机处的定位。
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