热装率自动测量装置及其控制方法研究

魏金辉 姜海罡 赵宪义

(承德钢铁集团有限公司自动化中心，河北 承德 067102)

有效利用连铸坯的固体显热，实行连铸坯热送热装轧制，一方面可以降低钢坯在加热炉中加热过程的氧化烧损和煤气消耗，另一方面还可以缓解煤气的供应不足和减少生产中的待热时间、提高产量、促进效率和效益的最大化，使企业的吨钢综合能耗下降到新的水平，是钢铁企业为实现节能和增产双赢的一项措施。

热装率是在加热炉的入炉钢坯中热钢、温钢、冷钢各占入炉钢坯总数的百分比，它是衡量入炉钢坯冷热程度的指标。与热装率相关的在炉时间指一块钢坯从装钢机装入炉内开始计时，到这块钢坯被出钢机放置到出炉辊道上所需的时间。与热装率相关的出钢节奏是指平均出一块钢坯所需的时间，通常从装钢机装钢信号到来开始，到装钢机推正、装钢机装钢钢坯进入炉内、装钢机下降到位后判断能装钢的允许装钢信号到来为止的一段时间。传统的热装率、在炉时间和出钢节奏是由人工手动统计的，统计人员根据入炉钢坯测温仪的温度数值分别统计出热钢、温钢和冷钢的数量，再统计出入炉钢坯总数，手动计算得出热装率，同时手动统计钢坯在炉时间和出钢节奏。手动方法误差大，统计数据不准确，受人为因素的影响较大。

但是热装率的测量是热送热装工作的关键环节，对轧钢的生产至关重要。因此，笔者利用PLC或DCS系统，通过钢坯轧制单位号和本单位块数输入单元、装钢信息采集单元、在炉时间计算单元、装钢温度判定单元、热装率自动计算单元、动作顺序控制单元各软件单元，设计热装率自动测量控制方法，以减少钢坯的氧化烧损和煤气消耗，保证加热炉炉况的稳定。

热装率自动测量装置包括装钢机、入炉辊道、入炉前辊道、加热炉、出钢机、出炉辊道、测温仪、1#冷金属检测器、2#冷金属检测器、现场控制站和操作员站[1]。现场控制站由输入模件、输出模件、电源模件、CPU控制器件、接口模件和总线底板模件组成，还包括钢坯轧制单位号和本单位块数输入单元、装钢信息采集单元、在炉时间计算单元、装钢温度判定单元、热装率自动计算单元及动作顺序控制单元等软件单元，这些软件单元安装在CPU控制器件上。热装率自动测量装置的硬件组成如图1所示。

装钢机安装在入炉辊道的侧面，将位于入炉辊道上的钢坯送入加热炉；入炉辊道位于加热炉炉门前，用于输送停放进入加热炉的钢坯；钢坯在加热炉内加热后，由出钢机将钢坯输送到安装在加热炉的另一侧的出炉辊道上运走，出钢机安装在出炉辊道的侧面；测温仪安装在入炉前辊道的侧面，用于检测进入加热炉的钢坯温度；1#冷金属检测器安装在入炉前辊道的侧面，控制入炉前辊道动作并判断有、无钢坯和测温仪测温的取数信号；2#冷金属检测器安装在入炉辊道的侧面，检测和控制有、无钢坯和装钢机和入炉辊道动作。装钢机、入炉辊道、入炉前辊道、加热炉、出钢机、出炉辊道、测温仪、1#冷金属检测器和2#冷金属检测器的输入信号和控制信号分别与现场控制站的输入模件和输出模件连接，输入模件、输出模件、电源模件、CPU控制器件和接口模件通过总线底板模件连接并安装在总线底板模件上，并组成现场控制站。现场控制站可为标准的PLC或DCS系统。现场控制站的接口模件与操作员站连接，接口模件为工业交换机、以太网模板及现场总线等；操作员站为工业计算机或工业触摸屏。

图1 热装率自动测量装置硬件组成框图

2 热装率自动测量方法

热装率自动测量步骤如下：

a. 每一种钢坯都有一个轧制单位号和钢坯块数，此项由工艺生产钢坯轧制表给出。在操作站人机界面由操作工输入“钢坯轧制单位号和本单位块数”，当轧制钢坯块数超过输入的钢坯总数时，操作站人机界面提示“请输入下一种轧制单位号和本单位块数”，用于钢坯定位使用。

b. 利用“装钢信息采集单元”进行相关数据采集。钢坯装钢信息采集单元采用装钢机下降位置到位信号上升沿进行触发，当装钢机下降到位上升沿为1时，在相应的数据块中记录轧制单位号信息、装钢位置、装钢时间及钢坯装钢温度等与钢坯相关的信息。当加热炉步进梁移动时，移动数据块内相应的数据即可实现画面数据的跟随移动。

c. 利用“在炉时间计算单元”计算钢坯在炉时间。用软件编制一个1min脉冲，当此脉冲为1时，给每一块钢的在炉时间加1，也就是时间每经过1min每一块钢的在炉时间增加1，这样可以求得所有在炉钢坯的在炉时间和出钢节奏。

d. 利用“装钢温度判定单元”进行钢坯数量统计。测温仪输出的4～20mA温度信号经输入模件引入PLC或DCS的现场控制站，转换为对应的温度值显示在操作员站上。钢坯根据温度信号分成几个区域，热钢(大于500℃，小于700℃)显示为粉色、温钢(大于300℃，小于500℃)显示为蓝色、冷钢(小于300℃)显示为淡绿色、返回钢(温度大于700℃)显示为红色，当温度在相应的范围内就自动记录一下数量和相应的钢种(热钢、温钢、冷钢和返回钢)，统计出相应的钢坯数量。

e. 利用“热装率自动计算单元”计算热装率。分别利用热钢、温钢、冷钢和返回钢的块数除以钢坯总数，即可得到热钢、温钢、冷钢和返回钢的百分数，热钢、温钢的百分数之和即为热装率，此数值会显示在操作员站上。

f. 利用“动作顺序控制单元”进行各种动作顺序控制。温度信号，当钢坯行进到安装在入炉前辊道侧面的1#冷金属检测器处，检测到有钢时，入炉前辊道停止运行，测温仪检测钢温并存入数据寄存器；轧制单位号和本单位块数，由操作工在本块钢装钢入炉时，装钢机的下降到位信号上升沿为1之前，从操作员站上输入，信息存入数据寄存器；轧制单位块数由操作工输入，当所装钢坯数大于等于所输入的钢坯数时，即从操作员站上弹出提示框，提示操作工输入钢坯信息和相应块数，操作工若忘记输入块数会继续累加，操作工也可推算出装钢块数；在炉时间，产生一个1min脉冲，当脉冲上升沿到时给相应的数据寄存器显示数值加1，也就是时间每经过1min每一块钢的在炉时间增加1，这样可以求得所有在炉钢坯的在炉时间和出钢节奏；移动，所有信号的移动问题均取装钢机的下降到位信号上升沿为1作为同一个移动标准。

3 热装率自动测量方法实施

本例中，测温仪选用的是单色SN21*Y型，测温范围250～1 300℃；控制核心为S7-300 PLC，输入模件为6ES7 331-7KF02-0AB0型和6ES7 321-1BL00-0AA0型，输出模件为6ES7 332-7KF02-0AB0型和6ES7 322-1BL00-0AA0型，电源模件为6ES7 307-1KA01-0AA0型，CPU控制器件为6ES7 315-2AH14-0AB0型，接口模件为Moxa EDS-G205、6ES7 343-1EX30-0XE0型和6ES7 153-1AA03-0XB0型，总线底板模件为6ES7390-1GF30-0AA0型。

热装率自动测量画面的说明如图2所示，热装率自动测量画面的拷贝如图3所示，热装率自动测量工艺流程如图4所示。

在钢坯轧制单位号和本单位块数输入单元操作工进行数据输入。操作工在操作站上的人机界面输入钢坯轧制单位号和本单位块数，操作工输入的轧制单位号为2365，本单位块数为465。

图2 热装率自动测量画面的说明

图3 热装率自动测量画面的拷贝

图4 热装率自动测量工艺流程

利用装钢信息采集单元进行相关数据采集。钢坯装钢信息采集单元采用装钢机下降位置到位信号上升沿进行触发；当装钢机下降到位上升沿为1时，在相应的数据块中记录下轧制单位号信息、装钢位置、装钢时间及钢坯装钢温度等与钢坯相关的信息。当加热炉的步进梁移动时，移动数据块内相应的数据即可实现画面数据的跟随移动。例如：记录下轧制单位号信息为2365，装钢位置为屏幕左边第2列、装钢时间为3月11日16时40分9秒，钢坯装钢温度为251℃等与钢坯相关的信息。

利用在炉时间计算单元计算钢坯在炉时间。用软件编制一个1min脉冲，当此脉冲为1时，给每一块钢的在炉时间加1，也就是时间每经过1min每一块钢的在炉时间增加1，这样可以求得所有在炉钢坯的在炉时间和出钢节奏。例如：本轧制单位号第一块钢的在炉时间为3min，以后每次加1min。

利用装钢温度判定单元进行钢坯数量统计。测温仪输出的4～20mA温度信号经输入模件引入PLC或DCS的现场控制站，转换为对应的温度值显示在操作员站上。

钢坯根据温度信号分成热钢、温钢、冷钢和返回钢；当温度在相应的范围内就自动记录一下数量和相应的钢种，统计出相应的钢坯数量。本例中统计出的小于300℃的支数19支，总钢数19支。

利用热装率自动计算单元计算热装率。分别利用热钢、温钢、冷钢和返回钢的块数除以钢坯总数，即可等到热钢、温钢、冷钢和返回钢的百分数，热钢、温钢的百分数之和即为热装率，并将数值显示在操作员站上。例如本例中统计出的小于300℃的百分比为100%。

利用动作顺序控制单元进行各种动作顺序控制。

温度信号，当钢坯行进到安装在入炉前辊道侧面的1#冷金属检测器处，检测到有钢时，入炉前辊道停止运行，测温仪检测钢温并存入数据寄存器。例如DB901.DBD0中，当1#冷金属检测器检测有钢信号的下降沿为1时，转存到数据寄存器DB901.DBD4中，此时钢坯已经处于加热炉装钢侧炉外等待装钢位置，装钢机动作；当装钢机的下降到位信号上升沿为1时，取此温度信号作为装钢温度存入数据寄存器DB902.DBD0中，并且将该数据寄存器移动一次，也就是说，第一块钢温存在数据寄存器DB902.DBD4中，第二块钢温在数据寄存器DB902.DBD8中，依此类推。轧制单位号和本单位块数，由操作工在本块钢装钢入炉时，装钢机的下降到位信号上升沿为1之前，从操作员站上输入，信息存入数据寄存器。轧制单位块数由操作工输入，当所装钢坯数大于等于所输入的钢坯数时，即从操作员站上弹出提示框，提示操作工输入钢坯信息和相应块数。操作工若忘记输入，块数会继续累加，操作工也可推算出装钢块数。例如DB907中的从dbx0.0开始的10个字节中，并且移动到db907中的从dbx10.0开始的10个字节，也就是说，第一块信息在DB907中的从dbx10.0中，第二块钢温在DB907中的从dbx20.0，依此类推。

4 结束语

通过以上各功能的实现，加热炉操作工可以很清楚地看到每一个加热段内有多少块冷钢、温钢和热钢，并且了解各块钢坯的在炉时间，有利于操作工了解板坯装炉时的温度情况，从而根据各加热段不同钢坯分布的情况采取不同的燃烧方案；有利于操作工根据各加热段烧嘴的分布情况，用最少的煤气消耗、最短的在炉时间烧出符合要求的板坯送给轧机。热装率自动测量装置自动计算出加热炉的入炉钢坯中热钢、温钢和冷钢的百分比，自动计算出钢坯在炉时间和出钢节奏。自动测量的实现，减少了人为因素的影响，可以准确指导钢铁企业加热炉的热送热装的生产，减少钢坯的氧化烧损和煤气消耗，有利于加热炉炉况的稳定，经济效益可观。

[1] 魏金辉,杨中方,赵宪义,等.一种热装率自动测量装置[P].中国:ZL 2013205441181,2013-09-04.