冷轧高强钢脱脂处理线控制系统应用

翟景峰 ，刘炳刚 ，丁志宇 ，冯明峰 ，张哲 ，刘放 ，周明

（1.鞍钢集团信息产业有限公司，辽宁 大连 116085；2.鞍钢股份有限公司冷轧厂，辽宁 鞍山 114021）

冷轧轧制带钢表面会不同程度附着乳化液油膜、铁粉和灰尘等各类杂质，这些杂质在退火过程被碳化后仍然附着在钢板表面，易造成罩式退火层间粘结、连续退火炉辊结瘤、镀锌涂镀不均等质量缺陷，须通过脱脂工序将其清除，以达到罩式退火、连续退火、镀锌等下一步生产工序表面洁净的要求。随着冷轧高强钢生产工艺的研究和开发，采用罩式退火工艺可以生产部分高强钢产品，特别适合小批量、多品种的高强钢生产。为改善品种结构、提高罩式退火产品质量，以及适应灵活多变市场，鞍钢集团有限公司于2018年在鞍山本部投产一条高强钢脱脂处理线，年产60万t，能够处理宽度范围800～1 550 mm，厚度范围0.4～3.2 mm，最大屈服强度1 150 MPa的冷轧原料。鞍钢集团信息产业有限公司提迈克公司负责其自动控制系统的开发、供货及调试工作，本文介绍了控制系统的构成，并详细描述了带钢处理线控制、脱脂工艺控制技术特点及生产应用效果。

1 控制系统构成及主要功能

1.1 概述

图1为冷轧高强脱脂处理线工艺流程，产线采用浸没喷淋式碱液预清洗+碱液刷洗+电解清洗+热水刷洗+热水/冷凝水漂洗的脱脂工艺。

图1 冷轧高强脱脂处理线工艺流程Fig.1 Process Flow for Cold Rolled HSS Degreasing Treatment Line

脱脂处理线控制系统采用主流分级层次结构，包括L2过程控制级、L1基础自动化级、L0现场执行级以及HMI人机接口和PDA过程数据采集系统。L2级主要负责数学模型、物料跟踪、PDI初始数据输入、报表、与L3级接口等；L1级主要负责机组主令控制、顺序控制、工艺控制；L0级主要负责变频传动装置和MCC控制；HMI和PDA系统主要负责设备的状态监控、报警诊断、故障分析等。

整个控制系统装备先进可靠，支持多种现场总线和标准通信协议，通信网络简洁、开放，具备可扩展性和操作维护便利性，控制设备间主要通讯方式见表1。

表1 控制系统主要通讯方式Table 1 Main Communication Mode for Control System

控制系统网络配置见图2，选用西门子S120变频器、S7-416CPU、ET200M 远程 I/O、Dell PowerEdge服务器等工业产品，通过Ethernet和Profibus-DP网络将上述设备联成一体。L2服务器采用双网卡配置，通过标准TCP/IP协议与L3级进行通讯。

图2 控制系统网络配置Fig.2 Network Configuration for Control System

考虑到现场总线连接设备较多、作业环境恶劣以及Profibus规范中硬件设备数量和网络通信距离的限制，现场网络设计中采用了Profibus RS485中继器来拓展网络连接，使通信网段和拓扑结构设计更加灵活，更重要的是提高了现场总线的稳定性，现场运行两年来，通信状态稳定，满足了系统对通信网络的实时性和确定性要求。

1.2 过程自动化级L2

过程自动化级L2由1台L2服务器和2台L2客户机（与HMI客户机共用）组成，其中L2服务器硬盘具备磁盘阵列冗余功能。过程自动化控制系统建立了生产计划L3与基础自动化L1的联系，负责根据L3生产计划和操作工指令，为L1计算生产必须的各种设定值，例如张力、矫直机压下量、电解电流等，并在给L1提供信息的基础上对带钢进行跟踪，最终将成品卷的生产报告传送到L3计算机。其主要功能包括：

（1）接收、显示、编辑L3生产计划钢卷原始数据；

（2）步进梁、开卷机、卷取机等钢卷占用位的钢卷数据处理；

（3）生产线设定值的计算，生产线实际值数据生成；

（4）创建日志与报表管理；

（5） 与 L3、L1通讯管理。

1.3 基础自动化级L1

基础自动化级L1由S7-416CPU、OP操作站I/O、ET远程站I/O组成，根据装置规模、控制要求和成熟业绩，设置1个CPU框架，其中包含3个S7-416CPU的控制器结构，分别完成全线的顺序控制、主令控制和工艺控制，跟踪和急停控制功能集成在第三个CPU中，各CPU负荷量均在60%以下，这种由入口、中部、出口多框架多重CPU框架结构优化整合为单框架多重CPU控制的方案既节省了装配空间，又降低了控制成本。

在程序设计优化方面，将原L0级变频传动实现的工艺控制功能，例如张力控制、卷径计算、惯性补偿、摩擦补偿等，均通过上移到L1级基础自动化实现，L0级和L1级控制界面更加清晰，控制方式更加灵活，缩短了现场调试时间；另外，PCS7软件和传动标准驱动块可以在一个程序项目下同时编制PLC和HMI程序，无需手动导入导出或新建相关接口变量，在提高编程效率的同时，也实现了系统诊断功能的大幅提升，为今后的智能化改造提供了数据支撑。基础自动化各CPU主要控制功能见表2。另外，生产线上还设有多套独立控制系统，用于单体设备的控制，独立控制系统与生产线基础自动化控制系统通过Ethernet或Profibus-DP网络进行连接，如焊机、超滤、电解电源、CPC、EPC和检测仪表等。

表2 基础自动化各CPU主要控制功能Table 2 Main Control Functions of Basic Automation CPUs

1.4 变频传动控制

按照脱脂线工艺控制要求，线传动采用交流变频调速，分为380 V和690 V两个电压等级，采用公共直流母线+制动单元的控制方案，通过配置主线路开关、主线路接触器、熔断器、整流单元、控制单元、电机模块、传感器模块、电抗器等电气元件,完成将固定频率和电压的三相进线电源转换成可变频率和电压的三相交流电输出，完成电机的矢量控制功能和闭环控制功能。

变频传动设计采用核心部件（S120变频器）引进，国内配套组柜的方式进行。S120模块化的设计可根据不同的驱动任务，对控制模块、电源模块、功率模块以及接口模块进行合理有效的配置。各模块之间可以通过专用Drive-Cliq总线通信，灵活构建传动通信拓扑结构，基础自动化系统可通过Profibus-DP网络对传动系统进行参数设定，并进行信息交换。该变频传动控制系统具有稳定性高、维护量小、运行效率高的特点。

1.5 HMI和PDA系统

HMI系统由1台HMI服务器和5台HMI客户机组成，由于L1和L2共用HMI客户机，操作工在一台HMI客户机上既可以操作L1，也可以操作L2，按照生产区域划分操作权限，与工艺相关的每个操作均需由操作员确认。HMI L1画面主要包括生产总览（见图3）、入口操作、工艺操作、出口操作、趋势显示、报警诊断、参数显示、合闸操作等。HMI L2画面包括生产计划、PDI数据管理、能源消耗、班组管理、生产报表等。

图3 生产总览HMI画面Fig.3 Production Overview HMI Screen

PDA系统由1台PDA计算机、1个IBA光纤接口板卡和2个IBA数据采集模块组成，通过PDA S7request软件可对控制系统内2 048点的过程数据进行实时监视，例如带钢速度、张力、碱洗槽温度等，具备记录、采集、显示、分析功能。

2 主要控制技术

2.1 带钢速度控制技术

作为主令控制CPU的核心功能之一，带钢速度控制负责生产线带钢速度设定和带钢定位相关计算，其主要的控制模型为带钢速度设定模型和带钢定位控制模型（见图4），通过将模型计算的速度设定值发送至传动设备，驱动电机，从而实现各区段内带钢的传输。带钢速度控制是实现张力控制、活套控制、负荷平衡控制等工艺控制的基础，控制要求在带钢恒速及加减速运行的全过程中，各区段内的传动设备均以工艺要求的线速度以高精度协同运行；在带头、带尾、焊缝需要定位以完成某项功能时，使带钢精确到达预定位置；同时，为了避免加减速时由于不同设备的响应造成的张力突变，需在加减速度阶段的开始和结束处进行光滑过渡，以实现带钢的平稳运行。

（1） 带钢速度设定模型

上承操作模式选择，下接电机速度设定。操作模式选择既包含来自操作台的运行操作指令，也包含带钢跟踪、带钢定位（如图4）、机组运行条件、设备运转状态等综合指令，带钢速度设定模型采用加速度内环-速度外环的双闭环控制结构，将上述指令与速度和加速度选择相结合，产生带有S曲线效应的速度设定曲线，最终将速度设定发送给传动设备。

图4 带钢速度设定模型和带钢定位控制模型Fig.4 Strip Speed Setup Model and Strip Positioning Control Model

（2） 带钢定位控制模型

作为区段操作模式选择之一，带钢定位控制模型下接带钢速度设定模型，即定位控制过程是速度控制过程的向上延伸，也就是说定位控制过程最终是对加加速度、加速度及速度进行持续调整的过程。总体上，带钢定位控制模型是一个带钢速度设定模型内环—路径控制外环的双闭环结构。

脱脂处理线在入口焊接完成后，整条生产线为一个速度控制区段，其中2张力辊的2辊为速度主令辊，采用速度控制，为整条生产线的速度基准，1张力辊的1-2辊和2张力辊的1辊采用负荷平衡控制，1和2张力辊作为一个整体同时出力，带动整条生产线运行；夹送辊、沉没辊、刷辊等为带Droop软化功能的速度控制，避免电机过负荷和带钢表面划伤；开卷机、3张力辊、4张力辊、卷取机为张力控制。

机组点动、穿带速度为30 m/min，联动最高速度为400 m/min，为了减弱高强带钢对电机和齿轮箱冲击，正常加（减）速度略低于普板脱脂线，为0.5 m/s，并设有升速、保持、减速、穿带速度、快速停车、紧急停车操作。同时，为了保证生产节奏，全线除了上下卷为半自动操作（人工确认）外，其余操作均为全自动运行，包括自动穿带甩尾、自动焊接挖边、自动剪切、张力自动设定、机组自动减速等。

实际生产数据表明，开卷机-卷取机成组传动的速度控制精度与单体传动的速度控制精度相同，达到了±0.1%；区段带钢定位精度达到了±50 mm，满足工艺控制的要求。

2.2 带钢张力控制技术

作为主令控制CPU的核心功能之一，带钢张力控制负责生产线各张力区张力调节变量的计算，分为基于转矩的张力控制模型（见图5）和基于速度的张力控制模型（见图6）。将计算的转矩或速度调节变量发送给传动设备，与传动控制一起实现带钢张力控制。稳定的张力控制具有防止带钢跑偏、缓解带钢振动以及改善带钢板形的作用。

图5 基于转矩的张力控制模型Fig.5 Strip Tension Control Model Based on Torque

图6 基于速度的张力控制模型Fig.6 Strip Tension Control Model Based on Speed

（1）基于转矩的张力控制模型

由张力斜坡发生器、张力滤波器、张力控制器、附加速度设定等环节组成。附加速度设定功能使速度设定总是大于或总是小于带钢实际线速度，从而使速度控制器始终处于饱和输出状态，传动控制输出转矩被限定在限幅值上，限幅值为经过惯性补偿和摩擦补偿后的张力转矩设定。典型应用场合包括开卷机、卷取机、张力辊等。

（2）基于速度的张力控制模型

该模型控制环节与基于转矩的张力控制模型基本相同，不同之处在于控制方式，当采用基于速度的张力控制模型时，速度控制器始终处于未饱和状态，时时根据张力控制器的输出动态调节；而作为本张力区与临近张力区的张力设定之差的转矩调节变量，则在附加惯性转矩和摩擦转矩后，直接叠加到速度控制器之后，预控带钢张力，以提高在张力转换时的响应特性。与基于转矩的张力控制的张力调节模式相比，基于速度的张力控制模型具有消除临近张力区张力波动影响效率更高、张力转换响应更好的特点。可应用在张力控制精度要求高的场合，例如活套、立式炉。

按照图1的脱脂处理线的工艺流程，整条生产线分为入口段、工艺段和出口段3个张力区，开卷机采用基于转矩的张力控制，负责开卷机至1张力辊（入口段）的张力稳定；3和4张力辊作为一个整体，采用基于速度的张力控制，负责工艺段的张力稳定；卷取机采用基于转矩的张力控制，负责4张力辊至卷取机（出口段）的张力稳定。考虑到产线可同时生产高强、非高强产品的需要，引入张力控制器补偿系数，系数大小随带钢屈服强度的增加而增加，分段线性，以提高张力控制的动态响应性能。

结合鞍钢冷轧1、2脱脂处理线（分别于2004和2007年引进日本新日铁技术）的生产经验，生产硬质带钢时，偶尔出现脱脂槽沉没辊划伤带钢缺陷，原因为沉没辊与带钢未紧密接触，造成辊面局部磨损，继而污染带钢，而高强脱脂线处理的带钢屈服强度更高，出现带钢表面划伤的概率更大。为了保证本高强脱脂线在各区段的张力稳定且运行可靠，分别在工艺段前后，各设置了2组张力辊和1台张力计，1和2张力辊负责机组速度主令控制，3和4张力辊负责工艺段张力控制，虽然张力反馈取自工艺段出口张力计，但是由于工艺段入口张力计监视功能的投入，使得可以实时监控工艺段全段的张力情况，及时调整、修正张力设定，从而保证了张力控制的稳定。

实际生产数据表明，开卷机和卷取机稳态张力控制精度达到±1.0%，工艺段稳态张力控制精度达到±1.0%，生产实际数据均已达到保证值，有效避免了带钢与电极搭接，保证了脱脂清洗的效果。

2.3 脱脂工艺控制技术

作为工艺控制CPU核心功能，脱脂工艺段操作HMI画面如图7所示，工艺段由带钢直接通过的在线工作槽、离线工作的循环系统和工艺段辅助系统组成。工作槽通过碱液预清洗、碱液刷洗、电解清洗、热水刷洗、热水/冷凝水漂洗等手段对带钢上下表面进行清洗；循环系统则持续为工作槽提供满足要求的清洗液（碱液或热水）；工艺段辅助系统包括烘干机、废气排出系统、碱液配置系统等。带钢脱脂工艺控制负责实现上述工艺控制过程。

图7 脱脂工艺段操作HMI画面Fig.7 Operation HMI Screen for Degreasing Process Section

（1）循环系统控制

循环泵通过热交换机将碱液传递到清洗顶部或再循环回到循环箱。循环系统主要包括液位控制、压力控制、电导率控制和温度控制。液位控制和压力控制用于泵的许可运行和泵的保护；电导率控制用于碱液浓度监控，通过手动排放和自动添加，将碱液的浓度控制在最佳清洗范围内；温度控制通过调节热交换器调节阀，控制碱液温度。满足工艺要求的碱液将加速皂化反应和乳化反应，实现化学脱脂。

（2） 刷洗控制

由固定在刷洗机架体上的4组刷辊交替刷洗带钢上下表面，刷辊旋转速度恒定，刷子的旋转方向与带钢移动方向相反，通过刷辊传动的电流反应刷辊与带钢间的接触压力，随着刷辊的磨损，带钢上的接触压力和刷辊电流会逐渐减小。为保证机械清洗效果，刷辊将根据HMI或L2的设定的电流负荷连续动态调节千斤顶，同时为保证刷辊控制系统稳定，取一定时间的传动电流平均值作为电流反馈。刷洗控制与碱液逆向喷射结合，有效清洗带钢表面油脂硬壳，实现机械脱脂。

（3）电解清洗控制

通过电极的极化作用清洗带钢表面，由于清洗效果取决于单位面积的电流和作用时间，所以电极板的电流设定值是一个与带钢速度和带钢宽度成正比例的函数。当速度为爬行速度时电流密度恒定；当速度大于爬行速度时，电流密度成比例变化；当停车时，切断整流器，避免带钢长时间电解发热而灼伤。化学脱脂和机械脱脂只能清除钢板表面上的油污，藏在凹坑里的污染物只能通过电解脱脂才能彻底清除。

高密度电流清洗曾经是电解清洗的主流，鞍钢冷轧1、2脱脂处理线也采用此技术（两对镍电极，电流密度为150 A/m），但随着产量的提高，高密度电流清洗的缺点也逐渐显现，电极板消耗过快会增加成本，当电解槽内反应剧烈、电极板间距较小时，如果带钢板形较差，易出现带钢表面灼伤缺陷，高强带钢的板形控制难度大等。为此，本高强脱脂线采用低密度电流清洗，电流密度为25 A/m。同时，为保证清洗效果，安装4对电极板，并配有4个电解整流柜，运行成本优势明显，清洗效果更好。

生产数据表明，浸没喷淋式碱液预清洗+碱液刷洗+电解清洗+热水刷洗+热水/冷凝水漂洗的脱脂工艺流程能够有效清除带钢杂质，罩式退火带钢表面质量显著提高，脱脂后带钢表面反射率均达到90%以上。

2.4 带钢跟踪控制技术

作为工艺段控制CPU核心功能，带钢跟踪控制负责生产线钢卷跟踪和焊缝跟踪，是整条生产线的灵魂，L2下达的控制参数由跟踪系统分解到各个部分，在最适当的时机完成正确的设定，使整条线的生产能够达到工艺的要求。带钢跟踪控制主要包括钢卷跟踪和焊缝跟踪。

（1） 钢卷跟踪

钢卷跟踪是生产线对产品身份的跟踪，产品身份包含产品的物理规格、化学特性以及控制要求。在生产线入口区域，跟踪系统通过控制系统测量钢卷外径和宽度，完成钢卷核对，检查钢卷是否为生产计划制定的钢卷，对于核对有问题的钢卷，控制系统拒绝钢卷上到开卷机，并提出警告；在生产线出口，根据用户需要或生产需要，对处理的钢卷要分成不同规格的成品钢卷，跟踪系统需要对由母卷产生的不同子卷进行跟踪，再根据生产计划的分卷要求，控制尾部设备停车切卷；脱脂处理线钢卷跟踪设备包括入口步进梁、入口上卷小车、卷取机、出口卸卷小车、出口步进梁等，共计10个位置。

（2） 焊缝跟踪

焊缝跟踪可以完成不同带钢在生产线上交接，从而在处理段采取不同的处理策略。由于焊缝位置特殊，针对焊缝的到达，设备要采取不同的避让措施。生产线一般以张力辊划分跟踪区，每个跟踪区又划分若干不同长度跟踪子区，跟踪子区一般以设备的交接处或一些检测开关位置来划分，从而满足工艺对焊缝跟踪的要求。对于长距离的跟踪，特别是在进入关键设备前需要知道焊缝准确位置，将焊缝检测仪的值修正到该位置，保证焊缝跟踪的准确。脱脂处理线焊缝跟踪分为1个跟踪区，19个子跟踪区。

生产数据表明，跟踪系统计算的位置与实际位置的差值在50 m内不大于±50 mm，相关的工艺设备均按照钢卷跟踪设定值动作，保证了产品质量。

3 应用情况

该控制系统在鞍钢冷轧高强钢脱脂处理线已投产近两年，控制系统稳定、带钢定位精确、张力控制平稳，保证了生产线的连续高效生产；操作画面简洁、故障诊断丰富、报表数据完整，有助于带钢缺陷溯源和故障点的快速定位。控制系统主要性能保证值见表3，相关处理线技术已成功应用于酸洗、退火、镀锌、重卷等鞍钢冷轧处理线工程。

表3 控制系统主要性能保证值Table 3 Main Performance Guarantee Values for Control System

4 结论

鞍钢冷轧高强钢脱脂处理线能够处理最大屈服强度为1 150 MPa的冷轧原料，高强原料对工艺设备、机电设备和控制系统都提出了更高的要求。本文从工程项目角度，提出了若干带钢处理线控制系统的改进方案和适应冷轧高强钢脱脂线生产的控制方法，对冷轧类似产线的电控设计和工艺设计有一定的借鉴意义，具体如下：

（1）网络配置：对于现场总线设备较多、作业环境恶劣工况，采用Profibus RS485中继器来拓展网络连接，使网络拓扑结构设计更加灵活，且提高了现场总线的稳定性。

（2）基础自动化级L1：采用单框架多重CPU控制方案，传动工艺控制功能均上移至基础自动化级L1，应用PCS7软件和标准驱动块，能够提高编程效率，降本增效。

（3）带钢速度控制：高强钢和非高强钢的生产，可以采用不同的加（减）速度，其中高强钢的略低，以减弱高强钢带对电机和齿轮箱的冲击，从而提高其使用寿命。

（4）带钢张力控制：引入张力控制器补偿系数，系数大小随带钢屈服强度的增加而增加，分段线性提高了张力控制的动态响应性能；另外，工艺段前后均需设置张力计，1台张力计用于张力控制，另一台用于张力监视，减少带钢表面划伤缺陷。

（5）脱脂工艺控制：采用低密度电解电流清洗，电解槽内反应减弱，电极板间距增大，减少了带钢表面电极灼烧缺陷，且降低了电极板的消耗。