粗轧前除鳞箱高度控制系统设计优化

吕代鹏，郭洪河，孙启祥

（鞍钢集团朝阳钢铁有限公司，辽宁 朝阳122000）

朝阳钢铁有限公司1700热轧生产线在加热炉与粗轧机之间设有一台除鳞箱，粗轧前除鳞箱可除去热轧板坯在加热炉中产生的一次氧化铁皮，其除鳞效果将直接影响后续的轧制过程。

现有除鳞箱设计为喷射集管固定的焊接钢结构件，仅能轧制板坯厚度为150 mm的单一品种，轧线产能受到制约。如果来料板坯厚度不等于150 mm，由于喷嘴高度固定，当板坯厚度变化时，喷嘴到板坯的距离也随之发生变化，除鳞效果无法达到最优。板坯表面除鳞不净，带钢表面残留的Fe2O3等铁氧化物将随物料的行进被粗轧机压入带钢表面［1］，并带入后续物料中，最终直接影响热轧板带的成品质量。上述问题一直制约着生产线产能和板坯的表面质量。为提高热轧厂1700生产线的轧制能力，实现对不同厚规格板坯的轧制，重新设计了除鳞箱高度控制系统。投入使用后，达到预期效果。

1 除鳞箱高度控制系统

1.1 机械系统组成

除鳞箱箱体为焊接钢结构件，其机械结构见图1，分前、中、后三段，前后段装有防止氧化铁皮和高压水飞溅的链式帘幕防护装置，中段装有两对高压水喷射集管，在集管上装有高压除鳞喷嘴。

每对集管的传动侧一端与高压水供水管相联，喷射除鳞水时，供水管路通断由喷射阀控制。整个除鳞箱底座与基础由螺栓固定。为保证最佳除鳞效果，上排喷嘴高度可根据板坯厚度进行调 整。具体参数见表1。

图1 除鳞箱机械结构

表1 除鳞箱参数

1.2 液压系统结构

在除鳞箱操作侧和传动侧分别设置两个液压缸，用于调整集水管高度。双侧扁担梁用于支撑前后集水管平衡，液压缸杠头固定在扁担梁重心处，保证集水管升降平稳。固定在液压缸内部的位移传感器需要提前安装固定好，其线路从液压缸底部穿出连接在机旁端子箱内。油路系统压力为18 MPa，介子为HLP46润滑油。图2给出单侧液压缸控制简图，使用电磁阀控制油路通断，比例阀控制液压缸伸缩。

液压缸参数：公称压力18 MPa；液压缸内径100 mm；缸杆直径70 mm；工作行程130 mm；最大行程400 mm。

图2 单侧液压缸控制简图

2 控制系统设计优化

2.1 控制器

控制系统采用GE PAC控制器，PACSystems是建立在标准的嵌入式体系结构上，采用商业化操作系统的控制技术。

2.2 硬件配置

GE PAC控制器安装在一级自动化电气室，配置包括机架、电源、冷却风扇、CPU、I/O模块、网卡、从站等。除鳞箱控制系统两侧液压缸内部配置两个位移传感器；2个SSI通道用于接收位移传感器反馈的位置数据；4个I/O输出点用于控制液压系统电磁阀（如图2）；设置两个模拟量输出接口，用于控制两个比例阀。增设3个端子箱，A箱和B箱分别位于传动侧和操作侧，用于连接两根磁尺接线；C箱位于液压阀台，用于连接电磁阀插头和航空插头接线。

位移传感器型号为R HM0400MP151S2G1100，安装时要求传感器杆根部配置O型密封圈，防止与液压缸贴合面处漏油。传感器头由保护罩完全包裹，引出线应穿普利卡管接入端子箱。

2.3 控制要求及程序设计

该除鳞箱控制系统的设计是在原有硬件系统基础上进行的扩展性、兼容性设计。

2.3.1 控制要求

（1）两侧液压缸升降时同步平稳，系统闭环可控。

（2）系统具备手动、自动、单侧操作及标定功能。

（3）可同步操作两侧液压缸，也可单独操作每一个液压缸进行手动微调消除偏差。

（4）进行板坯跟踪。当板坯进入除鳞机时，现场HMD(热金属检测器)将检测到的信号发送给PLC,PLC将根据HMD信号状态，控制除鳞水喷射时序。

（5）实现与二级模型对接，接收板坯厚度数据。数据传递图见图3。

图3 数据传递图

2.3.2 程序设计

设计控制程序包括如下四部分:

（1）一级数据处理：根据轧制工艺流程要求和机械设备结构要求设计逻辑连锁程序，包括高压水喷射和停止时序，L2级板坯数据接收时序及高度升降时序。

（2）二级数据处理：将L2下发的厚度换算成除鳞箱设定高度。

（3）HMI数据处理：将位移传感器反馈信号处理成单位为毫米的长度信号，并输入到HMI显示。

（4）经过以上程序的计算，得出数字量动作时序输出给定值和模拟量输出给定值，最后将控制信息经I/O模块输送到电磁阀和比例阀。

此外，设计满足实际需要的控制器是保证系统稳定的核心［2］，除鳞箱的升降是通过双侧液压缸同步顶起扁担梁，扁担梁再牵动前后集水管上下运动实现的。在该过程中，要求除鳞箱升降时双侧扁担梁保持平稳升降，水平一致，且满足响应速度要求。因此，要求所设计控制器能够满足以上控制指标。提出设计闭环PI控制器，并带有能对两侧偏差进行补偿的纠偏功能，实现双侧同步运行。PI控制过程如图4。

图4 PI控制过程

2.4 HMI设计

HMI要求应具备可操作性，画面简洁，规范，易操作。操作员可以在HMI上选择除鳞机的工作方式,即自动、半自动及手动模式。在自动模式下,L2级将板坯厚度数据传输给基础自动化的PLC,PLC将板坯厚度换算成集管到板坯上表面的距离,控制液压比例系统调节除鳞箱上集水管高度，从而达到最佳除鳞高度；在半自动模式下，操作员可以输入经验高度，PLC将执行当前输入的高度；在手动模式下，操作员可以分别操作每个液压缸上升或者下降，手动消除偏差。此外，在HMI画面上增加位移传感器标定功能，方便位移传感器重新标定。

如图5所示，HMI画面显示了板坯厚度、道次、工作方式、高度设定值和反馈值等参数，方便操作员判断除鳞箱工作状态和实物位置。

图5 HMI操作画面

3 使用效果

该除鳞箱控制系统已投入生产使用，数据接收准确，逻辑时序判断正确，运行状态良好。目前可轧制板坯厚度规格有135、150、170、185、195 mm。液压系统阶跃响应性能测试结果见图6。

图6 阶跃响应性能曲线

上升过程指标为：上升时间约0.42 s，操作侧超调量1.4%传动侧超调量2%。下降过程指标为：上升时间约0.96 s，操作侧超调量4.7%传动侧超调量3.5%。

4 结论

通过本次设计，实现了对除鳞箱喷射高度调整的控制要求，达到预期效果，可有效去除不同厚度板坯在加热炉中产生的一次氧化铁皮，操作简便，能够满足生产需要。

（1）机械结构设计合理，能够有效封水、封渣，改善现场工作环境。

（2）PI控制器的设计满足设备快速响应指标，系统能够稳定运行，实现除鳞箱高度自动控制。

（3）HMI设计符合操作人员习惯，操作简便。

（4）完成一级控制与二级模型对接，提高产线自动化水平。

（5）满足生产线对不同厚度带钢板坯的轧制要求，扩大了轧制板坯的厚度规格，提高了轧线产能。

［1］康向东.热轧厂除鳞机的优化设计［J］.冶金设备，2005，150（2）：58-61.

［2］胡寿松.自动控制原理（第四版）［M］.北京：科学出版社，2001.