熱裝率自動(dòng)測量裝置及其控制方法研究

魏金輝 姜海罡 趙憲義

(承德鋼鐵集團(tuán)有限公司自動(dòng)化中心，河北 承德 067102)

有效利用連鑄坯的固體顯熱，實(shí)行連鑄坯熱送熱裝軋制，一方面可以降低鋼坯在加熱爐中加熱過程的氧化燒損和煤氣消耗，另一方面還可以緩解煤氣的供應(yīng)不足和減少生產(chǎn)中的待熱時(shí)間、提高產(chǎn)量、促進(jìn)效率和效益的最大化，使企業(yè)的噸鋼綜合能耗下降到新的水平，是鋼鐵企業(yè)為實(shí)現(xiàn)節(jié)能和增產(chǎn)雙贏的一項(xiàng)措施。

熱裝率是在加熱爐的入爐鋼坯中熱鋼、溫鋼、冷鋼各占入爐鋼坯總數(shù)的百分比，它是衡量入爐鋼坯冷熱程度的指標(biāo)。與熱裝率相關(guān)的在爐時(shí)間指一塊鋼坯從裝鋼機(jī)裝入爐內(nèi)開始計(jì)時(shí)，到這塊鋼坯被出鋼機(jī)放置到出爐輥道上所需的時(shí)間。與熱裝率相關(guān)的出鋼節(jié)奏是指平均出一塊鋼坯所需的時(shí)間，通常從裝鋼機(jī)裝鋼信號到來開始，到裝鋼機(jī)推正、裝鋼機(jī)裝鋼鋼坯進(jìn)入爐內(nèi)、裝鋼機(jī)下降到位后判斷能裝鋼的允許裝鋼信號到來為止的一段時(shí)間。傳統(tǒng)的熱裝率、在爐時(shí)間和出鋼節(jié)奏是由人工手動(dòng)統(tǒng)計(jì)的，統(tǒng)計(jì)人員根據(jù)入爐鋼坯測溫儀的溫度數(shù)值分別統(tǒng)計(jì)出熱鋼、溫鋼和冷鋼的數(shù)量，再統(tǒng)計(jì)出入爐鋼坯總數(shù)，手動(dòng)計(jì)算得出熱裝率，同時(shí)手動(dòng)統(tǒng)計(jì)鋼坯在爐時(shí)間和出鋼節(jié)奏。手動(dòng)方法誤差大，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，受人為因素的影響較大。

但是熱裝率的測量是熱送熱裝工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對軋鋼的生產(chǎn)至關(guān)重要。因此，筆者利用PLC或DCS系統(tǒng)，通過鋼坯軋制單位號和本單位塊數(shù)輸入單元、裝鋼信息采集單元、在爐時(shí)間計(jì)算單元、裝鋼溫度判定單元、熱裝率自動(dòng)計(jì)算單元、動(dòng)作順序控制單元各軟件單元，設(shè)計(jì)熱裝率自動(dòng)測量控制方法，以減少鋼坯的氧化燒損和煤氣消耗，保證加熱爐爐況的穩(wěn)定。

熱裝率自動(dòng)測量裝置包括裝鋼機(jī)、入爐輥道、入爐前輥道、加熱爐、出鋼機(jī)、出爐輥道、測溫儀、1#冷金屬檢測器、2#冷金屬檢測器、現(xiàn)場控制站和操作員站[1]。現(xiàn)場控制站由輸入模件、輸出模件、電源模件、CPU控制器件、接口模件和總線底板模件組成，還包括鋼坯軋制單位號和本單位塊數(shù)輸入單元、裝鋼信息采集單元、在爐時(shí)間計(jì)算單元、裝鋼溫度判定單元、熱裝率自動(dòng)計(jì)算單元及動(dòng)作順序控制單元等軟件單元，這些軟件單元安裝在CPU控制器件上。熱裝率自動(dòng)測量裝置的硬件組成如圖1所示。

裝鋼機(jī)安裝在入爐輥道的側(cè)面，將位于入爐輥道上的鋼坯送入加熱爐；入爐輥道位于加熱爐爐門前，用于輸送停放進(jìn)入加熱爐的鋼坯；鋼坯在加熱爐內(nèi)加熱后，由出鋼機(jī)將鋼坯輸送到安裝在加熱爐的另一側(cè)的出爐輥道上運(yùn)走，出鋼機(jī)安裝在出爐輥道的側(cè)面；測溫儀安裝在入爐前輥道的側(cè)面，用于檢測進(jìn)入加熱爐的鋼坯溫度；1#冷金屬檢測器安裝在入爐前輥道的側(cè)面，控制入爐前輥道動(dòng)作并判斷有、無鋼坯和測溫儀測溫的取數(shù)信號；2#冷金屬檢測器安裝在入爐輥道的側(cè)面，檢測和控制有、無鋼坯和裝鋼機(jī)和入爐輥道動(dòng)作。裝鋼機(jī)、入爐輥道、入爐前輥道、加熱爐、出鋼機(jī)、出爐輥道、測溫儀、1#冷金屬檢測器和2#冷金屬檢測器的輸入信號和控制信號分別與現(xiàn)場控制站的輸入模件和輸出模件連接，輸入模件、輸出模件、電源模件、CPU控制器件和接口模件通過總線底板模件連接并安裝在總線底板模件上，并組成現(xiàn)場控制站。現(xiàn)場控制站可為標(biāo)準(zhǔn)的PLC或DCS系統(tǒng)?，F(xiàn)場控制站的接口模件與操作員站連接，接口模件為工業(yè)交換機(jī)、以太網(wǎng)模板及現(xiàn)場總線等；操作員站為工業(yè)計(jì)算機(jī)或工業(yè)觸摸屏。

圖1 熱裝率自動(dòng)測量裝置硬件組成框圖

2 熱裝率自動(dòng)測量方法

熱裝率自動(dòng)測量步驟如下：

a. 每一種鋼坯都有一個(gè)軋制單位號和鋼坯塊數(shù)，此項(xiàng)由工藝生產(chǎn)鋼坯軋制表給出。在操作站人機(jī)界面由操作工輸入“鋼坯軋制單位號和本單位塊數(shù)”，當(dāng)軋制鋼坯塊數(shù)超過輸入的鋼坯總數(shù)時(shí)，操作站人機(jī)界面提示“請輸入下一種軋制單位號和本單位塊數(shù)”，用于鋼坯定位使用。

b. 利用“裝鋼信息采集單元”進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集。鋼坯裝鋼信息采集單元采用裝鋼機(jī)下降位置到位信號上升沿進(jìn)行觸發(fā)，當(dāng)裝鋼機(jī)下降到位上升沿為1時(shí)，在相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊中記錄軋制單位號信息、裝鋼位置、裝鋼時(shí)間及鋼坯裝鋼溫度等與鋼坯相關(guān)的信息。當(dāng)加熱爐步進(jìn)梁移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)數(shù)據(jù)塊內(nèi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)畫面數(shù)據(jù)的跟隨移動(dòng)。

c. 利用“在爐時(shí)間計(jì)算單元”計(jì)算鋼坯在爐時(shí)間。用軟件編制一個(gè)1min脈沖，當(dāng)此脈沖為1時(shí)，給每一塊鋼的在爐時(shí)間加1，也就是時(shí)間每經(jīng)過1min每一塊鋼的在爐時(shí)間增加1，這樣可以求得所有在爐鋼坯的在爐時(shí)間和出鋼節(jié)奏。

d. 利用“裝鋼溫度判定單元”進(jìn)行鋼坯數(shù)量統(tǒng)計(jì)。測溫儀輸出的4～20mA溫度信號經(jīng)輸入模件引入PLC或DCS的現(xiàn)場控制站，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度值顯示在操作員站上。鋼坯根據(jù)溫度信號分成幾個(gè)區(qū)域，熱鋼(大于500℃，小于700℃)顯示為粉色、溫鋼(大于300℃，小于500℃)顯示為藍(lán)色、冷鋼(小于300℃)顯示為淡綠色、返回鋼(溫度大于700℃)顯示為紅色，當(dāng)溫度在相應(yīng)的范圍內(nèi)就自動(dòng)記錄一下數(shù)量和相應(yīng)的鋼種(熱鋼、溫鋼、冷鋼和返回鋼)，統(tǒng)計(jì)出相應(yīng)的鋼坯數(shù)量。

e. 利用“熱裝率自動(dòng)計(jì)算單元”計(jì)算熱裝率。分別利用熱鋼、溫鋼、冷鋼和返回鋼的塊數(shù)除以鋼坯總數(shù)，即可得到熱鋼、溫鋼、冷鋼和返回鋼的百分?jǐn)?shù)，熱鋼、溫鋼的百分?jǐn)?shù)之和即為熱裝率，此數(shù)值會顯示在操作員站上。

f. 利用“動(dòng)作順序控制單元”進(jìn)行各種動(dòng)作順序控制。溫度信號，當(dāng)鋼坯行進(jìn)到安裝在入爐前輥道側(cè)面的1#冷金屬檢測器處，檢測到有鋼時(shí)，入爐前輥道停止運(yùn)行，測溫儀檢測鋼溫并存入數(shù)據(jù)寄存器；軋制單位號和本單位塊數(shù)，由操作工在本塊鋼裝鋼入爐時(shí)，裝鋼機(jī)的下降到位信號上升沿為1之前，從操作員站上輸入，信息存入數(shù)據(jù)寄存器；軋制單位塊數(shù)由操作工輸入，當(dāng)所裝鋼坯數(shù)大于等于所輸入的鋼坯數(shù)時(shí)，即從操作員站上彈出提示框，提示操作工輸入鋼坯信息和相應(yīng)塊數(shù)，操作工若忘記輸入塊數(shù)會繼續(xù)累加，操作工也可推算出裝鋼塊數(shù)；在爐時(shí)間，產(chǎn)生一個(gè)1min脈沖，當(dāng)脈沖上升沿到時(shí)給相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器顯示數(shù)值加1，也就是時(shí)間每經(jīng)過1min每一塊鋼的在爐時(shí)間增加1，這樣可以求得所有在爐鋼坯的在爐時(shí)間和出鋼節(jié)奏；移動(dòng)，所有信號的移動(dòng)問題均取裝鋼機(jī)的下降到位信號上升沿為1作為同一個(gè)移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。

3 熱裝率自動(dòng)測量方法實(shí)施

本例中，測溫儀選用的是單色SN21*Y型，測溫范圍250～1 300℃；控制核心為S7-300 PLC，輸入模件為6ES7 331-7KF02-0AB0型和6ES7 321-1BL00-0AA0型，輸出模件為6ES7 332-7KF02-0AB0型和6ES7 322-1BL00-0AA0型，電源模件為6ES7 307-1KA01-0AA0型，CPU控制器件為6ES7 315-2AH14-0AB0型，接口模件為Moxa EDS-G205、6ES7 343-1EX30-0XE0型和6ES7 153-1AA03-0XB0型，總線底板模件為6ES7390-1GF30-0AA0型。

熱裝率自動(dòng)測量畫面的說明如圖2所示，熱裝率自動(dòng)測量畫面的拷貝如圖3所示，熱裝率自動(dòng)測量工藝流程如圖4所示。

在鋼坯軋制單位號和本單位塊數(shù)輸入單元操作工進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。操作工在操作站上的人機(jī)界面輸入鋼坯軋制單位號和本單位塊數(shù)，操作工輸入的軋制單位號為2365，本單位塊數(shù)為465。

圖2 熱裝率自動(dòng)測量畫面的說明

圖3 熱裝率自動(dòng)測量畫面的拷貝

圖4 熱裝率自動(dòng)測量工藝流程

利用裝鋼信息采集單元進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集。鋼坯裝鋼信息采集單元采用裝鋼機(jī)下降位置到位信號上升沿進(jìn)行觸發(fā)；當(dāng)裝鋼機(jī)下降到位上升沿為1時(shí)，在相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊中記錄下軋制單位號信息、裝鋼位置、裝鋼時(shí)間及鋼坯裝鋼溫度等與鋼坯相關(guān)的信息。當(dāng)加熱爐的步進(jìn)梁移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)數(shù)據(jù)塊內(nèi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)畫面數(shù)據(jù)的跟隨移動(dòng)。例如：記錄下軋制單位號信息為2365，裝鋼位置為屏幕左邊第2列、裝鋼時(shí)間為3月11日16時(shí)40分9秒，鋼坯裝鋼溫度為251℃等與鋼坯相關(guān)的信息。

利用在爐時(shí)間計(jì)算單元計(jì)算鋼坯在爐時(shí)間。用軟件編制一個(gè)1min脈沖，當(dāng)此脈沖為1時(shí)，給每一塊鋼的在爐時(shí)間加1，也就是時(shí)間每經(jīng)過1min每一塊鋼的在爐時(shí)間增加1，這樣可以求得所有在爐鋼坯的在爐時(shí)間和出鋼節(jié)奏。例如：本軋制單位號第一塊鋼的在爐時(shí)間為3min，以后每次加1min。

利用裝鋼溫度判定單元進(jìn)行鋼坯數(shù)量統(tǒng)計(jì)。測溫儀輸出的4～20mA溫度信號經(jīng)輸入模件引入PLC或DCS的現(xiàn)場控制站，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度值顯示在操作員站上。

鋼坯根據(jù)溫度信號分成熱鋼、溫鋼、冷鋼和返回鋼；當(dāng)溫度在相應(yīng)的范圍內(nèi)就自動(dòng)記錄一下數(shù)量和相應(yīng)的鋼種，統(tǒng)計(jì)出相應(yīng)的鋼坯數(shù)量。本例中統(tǒng)計(jì)出的小于300℃的支數(shù)19支，總鋼數(shù)19支。

利用熱裝率自動(dòng)計(jì)算單元計(jì)算熱裝率。分別利用熱鋼、溫鋼、冷鋼和返回鋼的塊數(shù)除以鋼坯總數(shù)，即可等到熱鋼、溫鋼、冷鋼和返回鋼的百分?jǐn)?shù)，熱鋼、溫鋼的百分?jǐn)?shù)之和即為熱裝率，并將數(shù)值顯示在操作員站上。例如本例中統(tǒng)計(jì)出的小于300℃的百分比為100%。

利用動(dòng)作順序控制單元進(jìn)行各種動(dòng)作順序控制。

溫度信號，當(dāng)鋼坯行進(jìn)到安裝在入爐前輥道側(cè)面的1#冷金屬檢測器處，檢測到有鋼時(shí)，入爐前輥道停止運(yùn)行，測溫儀檢測鋼溫并存入數(shù)據(jù)寄存器。例如DB901.DBD0中，當(dāng)1#冷金屬檢測器檢測有鋼信號的下降沿為1時(shí)，轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)寄存器DB901.DBD4中，此時(shí)鋼坯已經(jīng)處于加熱爐裝鋼側(cè)爐外等待裝鋼位置，裝鋼機(jī)動(dòng)作；當(dāng)裝鋼機(jī)的下降到位信號上升沿為1時(shí)，取此溫度信號作為裝鋼溫度存入數(shù)據(jù)寄存器DB902.DBD0中，并且將該數(shù)據(jù)寄存器移動(dòng)一次，也就是說，第一塊鋼溫存在數(shù)據(jù)寄存器DB902.DBD4中，第二塊鋼溫在數(shù)據(jù)寄存器DB902.DBD8中，依此類推。軋制單位號和本單位塊數(shù)，由操作工在本塊鋼裝鋼入爐時(shí)，裝鋼機(jī)的下降到位信號上升沿為1之前，從操作員站上輸入，信息存入數(shù)據(jù)寄存器。軋制單位塊數(shù)由操作工輸入，當(dāng)所裝鋼坯數(shù)大于等于所輸入的鋼坯數(shù)時(shí)，即從操作員站上彈出提示框，提示操作工輸入鋼坯信息和相應(yīng)塊數(shù)。操作工若忘記輸入，塊數(shù)會繼續(xù)累加，操作工也可推算出裝鋼塊數(shù)。例如DB907中的從dbx0.0開始的10個(gè)字節(jié)中，并且移動(dòng)到db907中的從dbx10.0開始的10個(gè)字節(jié)，也就是說，第一塊信息在DB907中的從dbx10.0中，第二塊鋼溫在DB907中的從dbx20.0，依此類推。

4 結(jié)束語

通過以上各功能的實(shí)現(xiàn)，加熱爐操作工可以很清楚地看到每一個(gè)加熱段內(nèi)有多少塊冷鋼、溫鋼和熱鋼，并且了解各塊鋼坯的在爐時(shí)間，有利于操作工了解板坯裝爐時(shí)的溫度情況，從而根據(jù)各加熱段不同鋼坯分布的情況采取不同的燃燒方案；有利于操作工根據(jù)各加熱段燒嘴的分布情況，用最少的煤氣消耗、最短的在爐時(shí)間燒出符合要求的板坯送給軋機(jī)。熱裝率自動(dòng)測量裝置自動(dòng)計(jì)算出加熱爐的入爐鋼坯中熱鋼、溫鋼和冷鋼的百分比，自動(dòng)計(jì)算出鋼坯在爐時(shí)間和出鋼節(jié)奏。自動(dòng)測量的實(shí)現(xiàn)，減少了人為因素的影響，可以準(zhǔn)確指導(dǎo)鋼鐵企業(yè)加熱爐的熱送熱裝的生產(chǎn)，減少鋼坯的氧化燒損和煤氣消耗，有利于加熱爐爐況的穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

[1] 魏金輝,楊中方,趙憲義,等.一種熱裝率自動(dòng)測量裝置[P].中國:ZL 2013205441181,2013-09-04.