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【摘 要】热带钢轧制的冷却系统对带钢的质量起着重要的作用。随着计算机控制技术的发展，层流冷却越来越受到重视。层流冷却自动控制系统采用完全自适应方式，具有响应时间短，控制精度高等优点，具有广泛的应用前景。
【关键词】层流冷却系统；电动调节阀；电磁流量计；PLC
0.前言
近年来随着产品品种的增多和轧钢工艺的要求，需对整条生产线的自动化控制提高要求，为了满足生产工艺的要求，必须对影响钢品品质的设备进行优化，层流冷却系统在产品轧制过程中起着关键作用，所以要对现有层流冷却系统进行改造和完善。
1.现有层流冷却系统设备简介
位置：位于四辊可逆式精轧机和热矫直机之间的辊道处
功能：层流冷却系统由L2过程控制系统和L1基础自动化控制系统组成。L2级系统完成数学模型计算、自适应控制、动态设定、冷却策略的选择和冷却速率控制等功能；L1级系统完成头尾跟踪、故障阀设定、开关阀控制和头尾微冷控制等功能。
控制冷却设备：冷却区总长度54000mm，集管数上下各18组，该系统设计2区，主冷区15组集管，精调区3组集管；主冷区集管每组2个喷头，精调区集管每组2个喷头，上下喷头数分别有36个和108个喷头。现有供水能力有高位水箱为两个长28000mm，直径3000mm的罐体组成，罐体顶面标高为15000mm。系统供水能力为2400m3/h。
2.层流系统的主要问题
高强度钢板的控冷板形问题是由于钢板在冷却过程中钢板横向温度均匀性和厚度方向温度均匀性决定，温度不均匀导致相变过程不一致，冷却过程中残余应力过大，矫直温度低，钢板强度提高，导致热矫直机无法矫直；或矫直后钢板温度仍然不一致，在冷床上冷却至温度均匀时产生残余应力。
1）横向温度均匀性
为保证横向均匀冷却通常采取：集管流量在横向上采用不均匀的流量设计或调节、边部遮挡、侧喷等。现有的上集管流量在横向上均匀分布，这种布置方式不利于钢板的均匀冷却，尽管侧喷装置和边部遮挡装置的设计会对温度的横向均匀性有改善，但是部分边部遮挡不能正常投入运行，温度均匀性的问题仍然存在。
2）厚度方向冷却对对称性
保证厚度方向冷却对对称，主要是保证钢板在冷却过程中上下表面得到相同的冷却效果，在冷缩过程中、以及冷却的相变过程中，冷却时钢板变形对称，冷却后钢板的板形才不会发生变化。目前安钢中厚板控冷装置上、下集管流量没有调节手段只能靠人工进行配置，生产难度大，对不同厚度钢板无法实现厚度方向的对称冷却，导致控冷后钢板板形易于瓢曲。
3）控冷温度精度差
目前，控冷返红温度的控制主要靠人工根据生产经验来确定集管组数和辊道速度等，在现场观察实际生产时发现：由于不同的终轧温度同样的钢种同样规格的钢板在同样的冷却策略下返红温度的偏差比较大，并且板形的波动也比较大。目标温度控制精度取决与温度预报模型的计算精度和模型自学习的快慢。改进模型是提高目标温度控制精度的主要途径。
4）控制软件功能欠缺
原系统为日本东芝的PLC系统，远程I/O采用AB产品，L1级通讯网络采用TC-NET。层流冷却系统有自动和手动操作方式，自动层流冷却的控制由L1和L2控制系统共同实现控制。手动控制用于维护。一般情况下是自动操作状态，也允许手工操作。手工操作模式下，可以通过GE的iFix工具编程的一级HMI画面直接选择用于冷却的集管。
3.层流冷却自动化系统优化
1）新增设备构成
根据上面所反映出的问题，结合工艺的需要在原有基础自动化系统采用东芝 PLC和AB的IO，HMI组态软件为IFIX。PLC系统可通过I/O口、TC-NET网及以太网与自动化系统人机接口HMI相连接，以获取有关的生产数据、钢板数据、模型数据和控制命令，并通过网络和I/O对阀门进行相应控制，如阀门的开闭、调节等。新增电磁流量计、高温计、电动调节阀，控制信号都是模拟量信号，需要增加AI和AO模板，这些控制模板单独成柜，建立新的远程I/O站。原控冷系统的控制器（东芝PLC CPU）不变，新增一个控制器（东芝PLC CPU）和新增一个远程I/O站，对电动调节阀门的开口度进行控制，并对冷却水流量、钢板温度进行检测。
2）L1新增功能
L1基础自动化控制级PLC控制器是整个自控系统的基础部分，它完成最终的控制任务，L1新增功能包括：
每个集管的单独控制
原系统上集管两个喷头为一组，一组集管的两个喷头只能同时开闭，单个喷头气动阀不能单独开闭，改造后系统可以实现单个喷头的单独开闭控制，提高控冷钢板控制冷却温度的精确控制。
集管流量调节
该功能模块控制相应电动调节阀的开口度以控制集管流量。
集管流量标定
人工辅助对集管流量特性曲线定期进行标定，为电动调节阀的给定提供数据。
新增仪表阀门的信号采集
PLC采集由传感器送来的如温度、流量信号，并进行有效性检查，用于过程控制。
HMI画面完善
利用系统原有IFix平台，完成了HMI画面的设计和开发，新增画面完全嵌套入原系统中，操作方式与原系统一致，符合操作工的操作习惯。
3）过程控制
在原L2级基础上进行改进和完善，原有的数据交换和通讯保持不变，主要内容包括：配合系统新增的调节阀和流量计，对于水量和水比设定，重新定义模型的cfg_hdr，cfg_spy，cfg_rtxmp等配置文件、完成冷却策略重新的定义及嵌入、流量模式下水比的设定、模型参数papp、pagp、pspp、phht等表的优化、模型自适应算法及学习参数的调整、模型源程序的优化与完善、日志文件优化与完善和数据库文件优化与完善。
控冷L2模型的主要功能需要完善的内容包括：
厚度对称冷却策略
钢板上下表面合理的冷却水流量及其比例，是保证钢板厚度方向对称冷却及钢板平直度的关键。合理上、下流量比受冷却水流密度（或流量）、钢板厚度、冷却器类型等诸多因素影响，需要根据具体控冷设备的控冷工艺进行数值模拟和物理调试得到。
冷却速度及路径控制策略
为调整冷却速度必须开发出能适应现有设备条件的多种开启模式，如连续开水模式、1/2间隔开水模式、3/4间隔开水模式、随机开水模式等，满足不同冷却速度的生产需要。根据不同控冷工艺要求，可提供前段冷却、后段冷却、两端冷却的冷却策略。
可自定义冷却策略并保存，以满足新产品开发的需要。
长度方向温度均匀性控制
长度方向的温度不均匀原因有：加热过程中的水印；轧制过程不均匀冷却形成钢板头部低温。在轧后控制冷却过程中这种温差会扩大。在过程控制中采用下列冷却策略来控制：
头尾的控制策略
钢板头尾的低温通常采取时序控制：对钢板头部延迟开启集管，对尾部提前关闭集管的控制策略。还可以采取改变开启顺序，对钢板头部，对须开启的前几组集管逆轧向开启集管；对钢板尾部，顺向关闭集管。
4.结语
通过对现有炉卷轧机生产线层流冷却系统的改造与完善，满足钢种控冷板形、冷却速度及终冷温度精度的要求。改造后优于控冷设备改进前的相同品种、相同规格控冷钢板横向和纵向板形。提高了产品质量和竞争力。
参考文献：
[1]彭力，李擎.热轧带钢轧后层流冷却控制系统.北京.冶金工业出版社，2009：85-90.
[2]宁立国.热轧带钢层流冷却控制及其优化研究.中南大学.2007：25-34.
[3]王长会.热轧带钢层流冷却过程控制方法的应用研究.东北大学.2005：22-33.
【关键词】层流冷却系统；电动调节阀；电磁流量计；PLC
0.前言
近年来随着产品品种的增多和轧钢工艺的要求，需对整条生产线的自动化控制提高要求，为了满足生产工艺的要求，必须对影响钢品品质的设备进行优化，层流冷却系统在产品轧制过程中起着关键作用，所以要对现有层流冷却系统进行改造和完善。
1.现有层流冷却系统设备简介
位置：位于四辊可逆式精轧机和热矫直机之间的辊道处
功能：层流冷却系统由L2过程控制系统和L1基础自动化控制系统组成。L2级系统完成数学模型计算、自适应控制、动态设定、冷却策略的选择和冷却速率控制等功能；L1级系统完成头尾跟踪、故障阀设定、开关阀控制和头尾微冷控制等功能。
控制冷却设备：冷却区总长度54000mm，集管数上下各18组，该系统设计2区，主冷区15组集管，精调区3组集管；主冷区集管每组2个喷头，精调区集管每组2个喷头，上下喷头数分别有36个和108个喷头。现有供水能力有高位水箱为两个长28000mm，直径3000mm的罐体组成，罐体顶面标高为15000mm。系统供水能力为2400m3/h。
2.层流系统的主要问题
高强度钢板的控冷板形问题是由于钢板在冷却过程中钢板横向温度均匀性和厚度方向温度均匀性决定，温度不均匀导致相变过程不一致，冷却过程中残余应力过大，矫直温度低，钢板强度提高，导致热矫直机无法矫直；或矫直后钢板温度仍然不一致，在冷床上冷却至温度均匀时产生残余应力。
1）横向温度均匀性
为保证横向均匀冷却通常采取：集管流量在横向上采用不均匀的流量设计或调节、边部遮挡、侧喷等。现有的上集管流量在横向上均匀分布，这种布置方式不利于钢板的均匀冷却，尽管侧喷装置和边部遮挡装置的设计会对温度的横向均匀性有改善，但是部分边部遮挡不能正常投入运行，温度均匀性的问题仍然存在。
2）厚度方向冷却对对称性
保证厚度方向冷却对对称，主要是保证钢板在冷却过程中上下表面得到相同的冷却效果，在冷缩过程中、以及冷却的相变过程中，冷却时钢板变形对称，冷却后钢板的板形才不会发生变化。目前安钢中厚板控冷装置上、下集管流量没有调节手段只能靠人工进行配置，生产难度大，对不同厚度钢板无法实现厚度方向的对称冷却，导致控冷后钢板板形易于瓢曲。
3）控冷温度精度差
目前，控冷返红温度的控制主要靠人工根据生产经验来确定集管组数和辊道速度等，在现场观察实际生产时发现：由于不同的终轧温度同样的钢种同样规格的钢板在同样的冷却策略下返红温度的偏差比较大，并且板形的波动也比较大。目标温度控制精度取决与温度预报模型的计算精度和模型自学习的快慢。改进模型是提高目标温度控制精度的主要途径。
4）控制软件功能欠缺
原系统为日本东芝的PLC系统，远程I/O采用AB产品，L1级通讯网络采用TC-NET。层流冷却系统有自动和手动操作方式，自动层流冷却的控制由L1和L2控制系统共同实现控制。手动控制用于维护。一般情况下是自动操作状态，也允许手工操作。手工操作模式下，可以通过GE的iFix工具编程的一级HMI画面直接选择用于冷却的集管。
3.层流冷却自动化系统优化
1）新增设备构成
根据上面所反映出的问题，结合工艺的需要在原有基础自动化系统采用东芝 PLC和AB的IO，HMI组态软件为IFIX。PLC系统可通过I/O口、TC-NET网及以太网与自动化系统人机接口HMI相连接，以获取有关的生产数据、钢板数据、模型数据和控制命令，并通过网络和I/O对阀门进行相应控制，如阀门的开闭、调节等。新增电磁流量计、高温计、电动调节阀，控制信号都是模拟量信号，需要增加AI和AO模板，这些控制模板单独成柜，建立新的远程I/O站。原控冷系统的控制器（东芝PLC CPU）不变，新增一个控制器（东芝PLC CPU）和新增一个远程I/O站，对电动调节阀门的开口度进行控制，并对冷却水流量、钢板温度进行检测。
2）L1新增功能
L1基础自动化控制级PLC控制器是整个自控系统的基础部分，它完成最终的控制任务，L1新增功能包括：
每个集管的单独控制
原系统上集管两个喷头为一组，一组集管的两个喷头只能同时开闭，单个喷头气动阀不能单独开闭，改造后系统可以实现单个喷头的单独开闭控制，提高控冷钢板控制冷却温度的精确控制。
集管流量调节
该功能模块控制相应电动调节阀的开口度以控制集管流量。
集管流量标定
人工辅助对集管流量特性曲线定期进行标定，为电动调节阀的给定提供数据。
新增仪表阀门的信号采集
PLC采集由传感器送来的如温度、流量信号，并进行有效性检查，用于过程控制。
HMI画面完善
利用系统原有IFix平台，完成了HMI画面的设计和开发，新增画面完全嵌套入原系统中，操作方式与原系统一致，符合操作工的操作习惯。
3）过程控制
在原L2级基础上进行改进和完善，原有的数据交换和通讯保持不变，主要内容包括：配合系统新增的调节阀和流量计，对于水量和水比设定，重新定义模型的cfg_hdr，cfg_spy，cfg_rtxmp等配置文件、完成冷却策略重新的定义及嵌入、流量模式下水比的设定、模型参数papp、pagp、pspp、phht等表的优化、模型自适应算法及学习参数的调整、模型源程序的优化与完善、日志文件优化与完善和数据库文件优化与完善。
控冷L2模型的主要功能需要完善的内容包括：
厚度对称冷却策略
钢板上下表面合理的冷却水流量及其比例，是保证钢板厚度方向对称冷却及钢板平直度的关键。合理上、下流量比受冷却水流密度（或流量）、钢板厚度、冷却器类型等诸多因素影响，需要根据具体控冷设备的控冷工艺进行数值模拟和物理调试得到。
冷却速度及路径控制策略
为调整冷却速度必须开发出能适应现有设备条件的多种开启模式，如连续开水模式、1/2间隔开水模式、3/4间隔开水模式、随机开水模式等，满足不同冷却速度的生产需要。根据不同控冷工艺要求，可提供前段冷却、后段冷却、两端冷却的冷却策略。
可自定义冷却策略并保存，以满足新产品开发的需要。
长度方向温度均匀性控制
长度方向的温度不均匀原因有：加热过程中的水印；轧制过程不均匀冷却形成钢板头部低温。在轧后控制冷却过程中这种温差会扩大。在过程控制中采用下列冷却策略来控制：
头尾的控制策略
钢板头尾的低温通常采取时序控制：对钢板头部延迟开启集管，对尾部提前关闭集管的控制策略。还可以采取改变开启顺序，对钢板头部，对须开启的前几组集管逆轧向开启集管；对钢板尾部，顺向关闭集管。
4.结语
通过对现有炉卷轧机生产线层流冷却系统的改造与完善，满足钢种控冷板形、冷却速度及终冷温度精度的要求。改造后优于控冷设备改进前的相同品种、相同规格控冷钢板横向和纵向板形。提高了产品质量和竞争力。
参考文献：
[1]彭力，李擎.热轧带钢轧后层流冷却控制系统.北京.冶金工业出版社，2009：85-90.
[2]宁立国.热轧带钢层流冷却控制及其优化研究.中南大学.2007：25-34.
[3]王长会.热轧带钢层流冷却过程控制方法的应用研究.东北大学.2005：22-33.