李冬阳
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摘要：在高速线材轧制过程中，温度是轧钢工艺要求中的一个重要指标。产品温度控制的精确与否直接决定了产品性能与质量的好坏。从钢坯到合格成品的轧制过程中，温度控制主要包括过加热炉加热和轧制过程控冷两个关键环节。其中，线材轧制过程中从加热炉出口至吐丝机吐丝之间，钢温主要是由ABB自动控制系统根据工艺设定值与现场高温计反馈温度模拟量值相比较，自动调节水箱控冷。本文着重介绍了ABB水箱自动控制在高速线材轧制中的系统分布、控制流程和控制原理，以及应用效果。该自动控制系统自从邢钢第一条高线投产运行以来，先后应用在五条高线、历经近十年的时间，效果一直稳定、可靠，对产品质量的稳定与提升具有重要作用。
关键词：水压 不冷头尾 温度 脉冲 控冷
0引言
在高速线材轧制过程中，线材产品的温度控制从钢坯到合格成品的生产过程，主要包括过加热炉加热和轧制过程控冷两个关键环节。其中，线材轧制过程中从加热炉出口至吐丝机吐丝之间，钢温主要是由ABB自动控制系统来调节水箱控冷。ABB水箱控冷系统的自动控制涉及水箱冷却水压力控制和不冷头尾长度控制两方面。水箱水压调节和快速阀动作必须高度准确、全程稳定。这是由于线材产品质量的好坏与水箱控冷系统的精确与否有着直接的联系。另一方面，由于钢在轧制中的速度非常快，精轧机出口钢的线速度可达105 m/s，如果水箱快速水阀动作过早或者过晚，会引起不冷头尾的长度不准确。高压快速水阀提前开水，会发生堆钢，开水过晚则直接导致产品的成材率下降，增加浪费和成本。所以，水箱的自动控制对高线产品的质量保证起到了至关重要的作用。水箱控冷系统通过对冷却水的压力和水阀的动作精确控制，使穿过水箱的产品得到均匀冷却，控制产品进入各轧机入口温度及吐丝温度，从而提高产品的质量和性能，同时有效地降低了因堆钢等引起的故障停车时间。
1水箱控冷系统组成元件及相关功能介绍
水箱一般分布在轧制生产线的各个区域，以五高线为例，水箱由预精轧前1#水箱WB1，预精轧后2#水箱WB2，精轧机后3#水箱WB3，减定径后4#水箱WB4，共四段水箱构成。每段水箱的管路均安装有SAMSON高压水比例阀、压力传感器、SAMSON高压水嘴快速阀、反吹水阀、反吹气阀等控制设备。每段水箱的入口与出口处，吐丝机前都安装有红外线检测仪即高温计。与控制水箱相关的设备还包括轧线上的热金属探测仪，CP2操作员站HMI人机交互界面电脑，主电室内的RMC控制柜，继电器KA柜，SAMSON PID调节器等。其功能如下：
①RMC控制柜：负责对现场压力及温度信号的接受、数值比较与逻辑运算、模拟量和数字量的输出；
②继电器KA柜：继电器柜内配有光电耦合器组成的控制电路，它可以将RMC控制柜中DSDP150模板发过来的脉冲信号通过光耦继电器组的逻辑控制，输出给现场水阀动作线圈；
③CP2操作员站： HMI人机交互界面上可以满足操作工设定工艺要求的水压、选择需要使用的水箱水嘴和不冷头尾的长度，这些数据将通过通讯线传送给RMC；
④ SAMSON PID调节器：PID调节器将接收自RMC的设定值与现场反馈的水压值作比较，自动调节现场高压水比例阀的开口度，实现调节水箱冷却水压力的大小，保证实际水压与设定水压一致；
⑤热金属探测仪（HMD）：它是用来检测轧件和为每个水箱发出延时开阀的信号。当HMD发出信号时，系统会根据轧件与水箱的距离和速度计算出每个水箱水嘴打开或关闭动作的时间，以此来控制轧件在每个水箱中不冷头尾的长度；
⑥高温计（PY）：主要用于检测轧件达到各区域是轧件的温度，并把数据传送到控制系统进行处理；
⑦SAMSON高压水比例阀：根据PID调节器的模拟量4～20mA输出来调节开口度变化，实现控制水箱总管路冷却水压力；
⑧压力传感器：将水压以模拟量4～20mA的形式传送给RMC和PID调节器，实现实际水压的反馈；
⑨ SAMSON高压水嘴快速阀：它的线圈失电与得电，是由KA柜控制继电器组控制，相应速度快，保证开关水动作的快速、准确；
⑩反吹水和反吹气阀：与水箱开关水的动作一致，一是用来清除轧件从水箱中带出的水，二是用来清除轧件表面的氧化铁皮。
2水箱冷却水压力的控制原理
如下图所示，水箱水压的控制是靠PID调节器控制来实现的。CP2操作员站HMI界面输入的水压设定值，经过RMC换算传送给PID调节器，现场反馈的模拟量压力值同样传送给PID调节器。PID调节器根据已经设定的参数，进行比例积分微分计算。将偏差以模拟量方式输出到现场高压比例阀线圈改变高压水比例阀的开口度，从而改变现场水压压力反馈值，使之不断趋近设定值。最终实现水箱水压的自动控制。通过对水压的准确控制，最终实现将产品在轧制过程中各个区域的温度都控制在工艺要求值±10度的误差范围内，满足生产要求。
SAMSON 水箱PID调节器功能介绍及参数设定
以邢钢五高线为例。五高线使用的水箱PID调节器的型号为TROVIS 6497 SAMSON牌。该PID调节器具有塑封的操作面板，可以通过操作实现需要调整的功能。操作分为三个简单逻辑级别：工作级别，参数级别和组态级别。在标准控制运行模式下，可以随时通过显示功能进入工作级别。但是要进参数和组态级别，就需要输入相应的选择代码。在参数级别，可以修改控制参数并可以对特定的程序进行理想调谐。在组态级别，可以实现选择不同的控制器功能。
PID调节器的输入主要包括：控制变量X，外部位置反馈YR，外部设定点WE，外部设定点转换，传导元件供电电源。输出主要包括：控制输出信号Y，模拟量输出AA，转换输出Y1和Y2。
3我们通过在PID面板上正确设定相关的参数，就可以实现工作中需要的功能，具体各个参数代表的含义以及代码对应的功能就不一一说明了。目前五高线水箱使用稳定，通过实践与经验，不断地优化设置，PID调节器的各参数设定值已经能够满足生产要求水箱快速阀控制原理与不冷头尾的计算
以五车间3#水箱WB3为例，现场水箱位置及热探等电气元件分布如下图所示：
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五高线WB3水箱现场位置图
水箱快速水嘴阀控制原理
WB3的快速水嘴阀的开水动作，是通过SH3前热探PR2_HMD对轧件头部产生信号即上升沿信号进行探测，一旦监测到轧件头部，将信号传送给RMC控制程序，程序根据设定的不冷头的长度，通过对轧件头部速度的积分计算，延时发出快速水嘴阀开水命令，这样就实现了轧件不冷头的控制。同样道理，通过SH3前热探PR2_HMD对轧件尾部的探测即热探信号产生下降沿，一旦热探信号消失，RMC程序根据设定的不冷尾的长度，开始对轧件尾部速度进行积分计算，延时发出快速水嘴阀关水命令，这样就实现了轧件不冷尾的控制。WB3水箱有多个快速水嘴阀，它们的控制原理相同，仅仅是因位置分布不同而在开关水时间上有所区别。
不冷头尾的计算
对水箱不冷头尾控制，实质上就是对水箱水嘴开关时机的控制。高速线材轧制中，钢的前进速度非常快，有时高达100多米/秒，不冷头尾的长度一般设定在3圈左右，大约10米长，换算成时间为100ms。可想而知，只有钢头钢尾位置脉冲的信号监测以及脉冲输出执行时间都只有控制在最短的时间内，才能够达到最精准的控制、满足生产要求。在程序中，控制水箱开关水脉冲触发的元素为PULSE-H1元素，该元素是一个程序块，对应DSDP150快速脉冲模板。它可以最快的速度将程序指令输出给现场执行元件，在ABB控制系统中广泛应用于飞剪切头、切尾和水箱开关水的控制程序中。
通过计算，我们可以得出WB3不冷头的脉冲触发延时时间。不冷尾的时间计算和不冷头的计算原理大致相同，只不过在考虑SH3切尾长度时，是将其减去而不是加上，从而保证不冷尾长度值。在保证现场信号检测元件功能完好的情况下，水箱的不冷头尾的长度控制准确、稳定。基本实现与设定值一致，误差不超过两圈，完全满足工艺技术要求，可靠地保证了生产的顺利、稳定，在提高产品质量和提高成材率方面发挥了重要作用。
4结束语
水箱自动控制系统的关键在于现场电气检测元件的可靠与稳定性。在研究其自动控制原理过程中，我们发现，其最可贵之处在于每一个环节都必须准确及时。ABB水箱自动控制系统先后应用在邢钢五条高速线材轧制生产线上，历经近十年的时间考验。至今效果良好，系统一直稳定、可靠，可以将轧制过程中产品的温度都控制在±10℃的误差范围内，这在过程控制中是相当满意的，它对我们高线产品的质量保证起到了至关重要的作用，特别是在质量就是品牌、质量就是市场的今天，该控制系统的稳定可靠，尤其显得重要。