棒材生产线自动化控制应用分析

刘 鹏 陈焕良 马良荣

（浙江中控自动化仪表有限公司）

钢铁厂是国民经济的支柱行业，而棒材是建筑行业的必要材料之一，棒材的需求量随着建筑行业的不断扩张而迅速增长，传统的棒材生产线已经无法满足与日俱增的需求量。 引进棒材全自动化生产，能大幅提高生产效率，将原来每秒数米的生产速度提高到每秒40 余米［1］。 另外，自动化控制还极大地提高了人身与设备的安全性。 当前全自动化生产在棒材生产线中已经是不可或缺的角色， 自动化控制技术是整个生产线的核心。

1 棒材自动化控制的整体布局

棒材生产线可分为3 个相对独立的控制区域——加热炉燃烧区域、 轧线区域和精整区域。将该3 个区域分别由3 个性能强、 稳定性好的PLC 来控制，各区域PLC 间的少量通信数据通过可靠的通信方式与协议进行。

由于各区域点位多、空间跨度大，每个区域都采用现场总线的通信采集方式，PLC 中的CPU作为主站，通过现场总线的方式与现场分布式IO进行通信，这样不仅能保证信号的可靠性，还能大幅降低大量电缆连接带来的故障率。 各上位机HMI 通过工业以太网的通信方式将所有PLC 的监控与操作整合到一起进行集中管理，这样就构成了棒材生产车间整个自动化控制系统。

2 蓄热式加热炉控制

蓄热式加热炉主要分为预热区、加热区和均热区。3 个区通过换向阀、煤气调节阀和空气调节阀对各区域燃烧温度进行控制，最终将钢坯温度加热到轧线所需的工艺温度。 其控制主要有换向器控制和炉膛温度、压力控制。

2.1 换向器控制

换向器控制是加热炉燃烧控制的核心。 为了保证加热炉燃烧均匀，PLC 通过定时自动换向进行控制。 换向时，控制系统将加热炉一边的鼓风切断阀与煤气切断阀切断，延时数秒后（该时间可设定）打开烟气抽风切断阀。 与此同时，加热炉另一边关闭抽风切断阀，延时数秒后打开鼓风切断阀与煤气切断阀。 通过以上控制步骤即可实现加热炉的换向。

2.2 炉膛温度、压力控制

炉膛温度的大小取决于煤气调节阀与鼓风调节阀的开度。 炉膛压力的大小取决于烟气抽风调节阀的开度。 炉膛温度、压力的控制可以设置手动控制与自动控制。 自动控制可以通过设定温度值与压力值来实现调节阀的自动调节，关键参数需要设置合理才能平稳实现自动控制。

3 主轧线控制

主轧线的作用就是将加热炉加热到工艺所需温度的钢坯送入轧机进行连轧。 钢坯经过粗轧、中轧与精轧后，变成带螺纹的棒材。 棒材再经过倍尺飞剪的剪切后，随轧制线前进的惯性进入精整区域。

3.1 速度级联控制

在棒材连轧过程中， 为了确保轧制质量，轧制中末机架需要保持工艺速度不变，该机架的速度就作为整个轧线的参考速度。 上游机架的速度根据金属秒流量相等的原理， 自动按比例设定。在轧制过程中， 根据活套闭环控制的调节量、操作工的手动干预调节量，依次逐级对其上游机架的速度做增减调整，从而实现级联控制［2］。速度级联控制是棒材生产线自动化控制的基本思路。

3.2 活套闭环控制

在棒材轧制过程中，为了避免多种原因引起的抛钢、拉钢与堆钢。 在中轧区与精轧区两个相邻机架之间设置了活套装置。 活套附近安装了活套扫描仪，用于检测活套的起套高度。 活套的闭环控制是连轧自动控制中的关键技术之一。 活套控制以活套高度为控制目标，当活套套高超过设定值时，就以级联方式逐级适当降低上游机架的速度。 反之，当活套套高低于设定值时，就以级联方式逐级适当提高上游机架的速度。

通过活套闭环控制能够实现轧线的无张力控制与微张力控制，满足轧钢生产的工艺要求。

3.3 起落套控制

活套的起落时间直接影响能否正常轧钢。 如果活套起套过早，坯料未咬入下游机架，就会出现抛钢现象而造成堵钢与堆钢事故。 如果起套过晚，就会增加拉钢的风险。 钢坯快过完时就需要落套，如果落套过早会增加拉钢的风险，如果落套过晚将会产生甩钢现象，影响生产。

当上游机架刚咬入时，PLC 检测到有载电流就立即起套。当PLC 检测到上游机架电流为空载时就立即提前落套。 这样才能实现轧制线的有序过钢，最大限度发挥活套的作用。

3.4 冲击补偿控制

轧机在刚咬入钢坯时，其主传动会受到大负荷的冲击，而引起一定速降。 该速降会短时破坏机架间金属秒流量的相等，从而产生较大的活套高度，甚至导致堆钢事故。 如果在轧机空载时，给轧机速度一定的附加补偿量，等轧机咬钢后再撤消补偿量， 这就大幅降低了咬钢时的冲击影响，使整个轧制过程变得平稳。

3.5 飞剪控制

轧线上一般会配置3 台飞剪，1#飞剪安装在粗轧之后，用于对头部不规则的钢坯进行切头；2#飞剪安装在中轧之后， 用于对坯料进行切头、切尾；3#飞剪安装在精轧与穿水线之后， 是棒材的倍尺剪。

飞剪控制是轧线控制的难点，难度主要在于飞剪的位置控制与速度控制。 轧线过钢时其速度极快，剪刃在剪切过程中，必须保证在360°内迅速完成剪切。 在剪切完成后，剪刃以最小的震荡幅度回到初始角度，等待下次剪切。 如果飞剪在剪切完成之后，震荡幅度过大就会影响轧线正常的高速过钢，造成阻钢与堆钢。 在剪刃角度达到剪切的一刻，其线速度必须与上游相邻机架的轧机速度相同，这样才能实现无扰动剪切［3］。

飞剪的剪切控制系统是独立于PLC 的运算能力极强的传动控制系统，这样才能保证飞剪动作的快速性与准确性。 PLC 系统通过网络通信的方式来命令飞剪工作，飞剪的状态同样通过通信反馈给PLC 系统。

3.6 保护联锁

为了保护设备安全，轧线区域设置了多项联锁保护程序。 为了避免轧机减速箱失去润滑而烧毁，在每台减速箱的进油管道上安装了润滑油流量开关。 一旦流量低于设定值，轧机就立即停止运行。 另外轧机电机温度也做了联锁程序，当轧机电机轴承温度或绕组温度，5 组温度检测中有2 组超过设定值时， 等到当前轧制的钢坯轧完之后，整个轧线就会停机，用于保护主电机的安全。

4 精整区控制

精整区的主要作用是将轧线上倍尺剪送来的棒材，经过裙板的动作再送至冷床。 棒材经过冷床的冷却、对齐后，再将一定根数的棒材送至摆剪进行定尺剪切。 剪切之后将棒材成捆送到打捆机处进行打包， 然后将打包后的棒材进行称重。称重后，最终将棒材送至A、B 床，等待磁盘吊来堆垛［4］。 该区域主要控制难点如下：

a. 棒材长度测量控制。 在定尺剪切、打捆机打捆时都需要测量棒材的长度。 棒材长度的测量需要在测量点安装光栅，当棒材随着运输轨道前进经过光栅时，在辊道同轴位置上安装的增量编码器就会记录其旋转角度。 旋转角度与辊道辊径经过计算后就能得出棒材前进的距离。 这样通过光栅与增量编码器记录长度的方法，可以单方向不间断地测量长度，正好符合生产工艺的要求。

b. 摆剪控制。 摆剪属于定尺剪，用于将冷床上的一定根数的棒材剪切成订单所需的长度。 棒材在剪切过程中是连续前进的，因此在剪切时需要考虑到不能对前进中的棒材产生影响。 摆剪是通过摆动的方式，将剪刀摆动起来，其摆动的线速度与磁性辊道上棒材的前进速度相等，摆动的过程中剪刃也会随着摆动的角度而逐步闭合，直到摆动到最高点时，剪刃正好完全闭合，完成一次剪切。 剪切完毕后剪刃随着传动的继续旋转而逐步收回，同时摆动位置也回到零位，等待下一次剪切。 摆剪的控制需要将摆动传动与剪刃传动分开控制，另外需要安装两个增量编码器分别用于检测摆动角度与剪刃角度，这两个角度用来实现摆动与剪刃在剪切时的角度配合。

5 上位机HMI 功能

人机界面在棒材生产线起到至关重要的作用，棒材生产线各个生产环节的监控、参数设定及工作模式选择等都需要在上位机HMI 上操作。加热炉控制需要对燃烧系统的温控参数、换向参数等进行设定；轧线控制需要有保存轧制表与调用轧制表等功能； 精整区域需要对定尺长度、棒材计数值及打捆道数等进行设定。 除此之外，上位机HMI 还需要有报警记录、曲线查询及报表查询等功能。

6 结束语

随着生产的需要，棒材生产线需要引进更为先进的自动化技术，用于代替目前生产线上较为危险和劳动量较大的岗位，例如：轧线换孔型的工作、冷床整理乱钢的工作及三锻链数钢与拖钢的工作等。 这类工作将来完全可以依靠特种自动化设备或工业机器人来完成。 未来棒材生产线在自动化技术不断进步的情况下，将会变得更为安全、效率、节能。