3 500 mm 炉卷出钢过程自动化控制的研究与应用

王艳辉

（山信软件股份有限公司日照自动化分公司，山东 济南 250101）

目前钢铁行业面临全球产能过剩、原材料价格波动、经济危机、贸易冲突与关税等严峻形势，也面临多样化小型订单，企业需要提前预判的挑战。钢铁企业需要做好经济成本、原料成本的管理，才能应对市场上的挑战。而让钢铁企业实现自动化生产是降低企业成本的重要方法之一。

我国钢铁行业的发展战略是增加高附加值、高技术含量合金钢材的品种和数量，发展有特色、有市场的精品特殊钢材[1-2]。加热炉是轧钢工业必备的热处理设备，轧机更是产线的核心，加热炉出钢过程自动化是工业生产过程中非常重要的过程控制。随着工业自动化技术的不断进步，轧钢过程自动化程度也在逐步提高。

山东钢铁集团日照精品基地中厚板厂炉卷生产线是热轧生产线的一种，为单机架布置型式，即仅配有1 架带附属立辊的四辊可逆式炉卷轧机，集成了第五代卷取炉、预矫直机、超快冷等先进技术，达到国际先进水平。该生产线生产出来的产品定位高端，广泛应用在造船、工程机械、锅炉容器、石油天然气管道、桥梁、高层建筑等领域，具有较强的市场竞争力。

1 自动出钢系统介绍

1.1 传统出钢工艺与自动出钢的区别

传统出钢工艺的固有缺陷：出钢操作环境存在高温、粉尘、灼烫风险；不同的操作人员之间操作水平差异性较大，出钢操作不稳定；人工操作失误往往会带来质量、安全事故；岗位劳动强度大；出钢操作智能化控制水平低。

自动出钢的控制理念：能够对设备运行状态进行实时监控，发生异常情况时可及时作出反馈，保障自动出钢始终能够在安全环境下运行；将出钢操作回归成PLC 程式，保证出钢操作的稳定与高效，满足不同炉况、不同钢种、不同工艺对出钢序列的要求；通过视频监控系统对出钢状态进行监控，并利用图像识别技术对出钢过程中的干扰进行甄别，并对自动出钢程式做出优化；自动出钢可达到设计目的，指导生产创造效益。

与传统的中厚板产线相比，炉卷3 500 mm 产线拥有平轧和卷轧两种模式，而出钢系统的自动化为提升卷轧比做出了重大贡献。

1.2 自动化控制系统构成

自动化控制系统主要是由Level 3（生产计划管理系统）、Level 2（过程控制系统）、Level 1（基础自动化控制系统）和Level 0（现场）构成，各系统之间的关系如图1、图2 所示。

图1 炉卷自动化控制系统

图2 自动化控制层级

1.3 轧机二级系统

炉卷轧机采用强大的自动化系统——X-PactR系统，包括：3 级系统、2 级系统、1 级控制系统和0 级基础自动化系统。2 级系统包含各类数学模型和工艺参数表，在PDI 原始数据基础上，2 级系统产生1级控制系统所需的设定值，根据时间和产品要求适时传送给1 级控制系统，从而使产品达到最佳冶金性能和几何特性。从1 级控制系统返回的实际测量值用于过程模型的自适应，以及生产日志记录。另外2 级系统还负责将生产结果传回3 级系统。

1.4 加热炉二级系统

该系统致力于高效节能环保、低氧化烧损燃烧技术的开发和应用，炉卷3 500 mm 产线加热设备采用的是双蓄热式加热炉[3-4]，如图3 所示。该加热炉的燃烧技术采用模拟计算技术，配备L1+L2模式，物料跟踪可靠稳定，温度控制精准。加热炉二级系统包括炉区的生产管理和对钢坯的优化控制，通过热工数学模型反映钢坯在炉内的加热状况，实时计算板坯加热时在炉温度分布，并根据当前的加热状况控制加热方式，使板坯出炉时获得理想的温度值，同时通过延迟、待轧策略的实现，平稳地控制待轧过程中炉温，提高板坯的加热质量，节约能源。系统具备以下特点：适应性广，可以根据不同的炉型进行模型计算；控制精度高，钢坯出炉温度均匀；节约能源，采用多种策略，适应不同的生产状态，降低能耗；提高金属收得率，根据加热状况，采用不同的控制方式，减少钢坯脱碳和氧化；扩充性好，便于与其他系统结合使用，实现工厂的全自动化。

图3 炉卷3 500 mm 产线加热炉实物图

炉卷3 500 mm 产线生产过程中，加热炉通过原料厂冷坯上料或者通过连铸辊道将热坯直接送至加热炉上料辊道，之后经预热段、一加热阶段、二加热阶段、均热段4 个控制段加热后，板坯温度达到工艺要求，加热炉二级系统开始处理出钢数据，启动出钢过程。

2 硬件网络系统连接

硬件网络连接是系统之间互相通信的重要桥梁，是整个系统的运行平台。生产过程中，由于加热炉二级过程控制系统与轧机二级过程控制系统紧密结合，所以将加热炉二级服务器和轧机二级服务器都放在轧机PLC 室，便于日常的点检和维护。加热炉二级系统与轧机二级系统网络连接图如图4 所示。

图4 加热炉二级系统与轧机二级系统网络连接图

该系统以加热炉过程控制为中心，与轧机二级的连接通过交换机实现，加热炉二级系统与加热炉一级基础自动化的连接和它与加热炉操作台HMI画面终端的连接都是通过千兆光纤连接的，以确保通信数据准确又迅速传递。

3 出钢运行过程

生产计划管理系统（MES）将生产计划和板坯的PDI 数据组织好后，经由数据库发送给加热炉二级系统（WB2）。在加热炉数据库中存在表F_DISCHARGE_SEQ，该表为加热炉二级系统根据生产计划所排的出钢序列，加热炉二级系统每10 s 给轧机二级系统发送一次关于此出钢序列的报文。轧机二级系统收到报文后,将数据显示到轧机HMI 画面上，HMI 画面发送事件至轧机二级系统的Procon TEL大数据平台，Procon TEL 大数据平台会将据此触发“出钢请求”的报文发送至加热炉二级系统，加热炉二级系统收到“要钢请求”的报文后会第一时间向Procon TEL 大数据平台发送“收到要钢指令正在出钢”的报文，并通过OPC 协议写入对应的DB 块里，然后向加热炉一级系统（Fur-L1）发送“出钢”指令，加热炉一级系统判断开始后，给加热炉二级系统发送“出钢开始”的请求，出钢条件不满足时，该指令会执行等待，直到满足条件为止，满足条件之后加热炉启动出钢，出钢机开始动作。

出钢条件如下：急停和电源锁正常；进退变频器、电机正常，升降液压正常；辊道允许出钢；出钢机动作；步进梁允许出钢机动作；坯料宽度参数正常；坯料位置允许出钢；出钢机在后下位；炉门状态正常。

加热炉二级系统读取到PLC 出钢启动信号后，会给Procon TEL 大数据平台发送“Status=4”（条件满足开始动作）的报文，出钢程序执行完成之后，加热炉二级系统读取到“PLC 出钢完成”信息，然后加热炉二级系统给Procon TEL 大数据平台发送“Status=5”（出钢完成）的报文。各进程之间通讯连接流程图如图5 所示。

图5 各进程之间通讯连接流程图

4 结语

经对山东钢铁集团日照精品基地中厚板厂炉卷3 500 mm 产线加热炉自动出钢系统进行分析和研究，发现加热炉一级系统与加热炉二级系统、轧机二级系统与加热炉二级系统之间通信的重要性，进一步得出出钢过程自动化可大大提高出钢效率的结论，同时也避免了操作工手动干预出钢的种种弊端，为高效节能环保、低氧化烧损燃烧技术的开发和应用奠定了基础。