沈 昊

(寶鋼不銹鋼有限公司，上海 200431)

寶鋼1780熱軋除鱗智能節(jié)能控制技術(shù)

沈 昊

(寶鋼不銹鋼有限公司，上海 200431)

為滿足除鱗泵平穩(wěn)地加、減速控制，實現(xiàn)除鱗系統(tǒng)安全、節(jié)能運行，研究了熱軋除鱗智能節(jié)能控制技術(shù)。運用流體力學(xué)原理、工業(yè)智能化理論，結(jié)合生產(chǎn)軋制計劃、道次計算、位置跟蹤等相關(guān)數(shù)據(jù)，對除鱗系統(tǒng)供水量進行提前預(yù)測，并根據(jù)專家經(jīng)驗確定最佳變頻轉(zhuǎn)速；綜合考慮了除鱗水需求量、提供量、管路壓力、設(shè)定壓力在控制過程中的導(dǎo)向作用，實現(xiàn)了對除鱗系統(tǒng)流量、壓力的精確控制。

變頻系統(tǒng)； 節(jié)能控制； 智能控制

高效節(jié)能用電越來越受工廠、企業(yè)的青睞[1-3]。作為用電能耗頗高的大電機，對其進行升級改造，在保證生產(chǎn)工藝需要的情況下，降低電耗，既可實現(xiàn)經(jīng)濟效益，又可實現(xiàn)社會和環(huán)境效益。

熱軋除鱗系統(tǒng)[4]是軋鋼過程中的重要耗電設(shè)備。長期以來由于壓力變化范圍大、瞬間變化頻次快、出口壓力高等諸多不確定因素，一直無法實現(xiàn)對熱軋除鱗系統(tǒng)[5]的安全節(jié)能控制。

本文研究的寶鋼不銹鋼1780熱軋除鱗智能節(jié)電控制技術(shù)是將熱軋生產(chǎn)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場PLC、變頻器、高壓電動機、傳感器、電動執(zhí)行機構(gòu)等設(shè)備進行整合控制[6-9]，運用流體力學(xué)原理、工業(yè)智能化理論，根據(jù)生產(chǎn)計劃、軋制工藝、板坯跟蹤、多鋼種除鱗工藝、設(shè)備健康判斷等相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)[10-12]，綜合考慮了除鱗水需求量和供水量、系統(tǒng)管路壓力、設(shè)定壓力在控制過程中的導(dǎo)向作用，模擬專家經(jīng)驗確定除鱗電動機最佳變頻轉(zhuǎn)速，進行實時動態(tài)頻率控制，實現(xiàn)對水量的優(yōu)化利用。同時，系統(tǒng)通過反復(fù)比較、計算歷史存儲數(shù)據(jù)和運行動態(tài)偏差，進行自適應(yīng)修正補償，通過不斷自學(xué)習(xí)，實現(xiàn)最優(yōu)的模擬專家系統(tǒng)，從而實現(xiàn)熱軋除鱗系統(tǒng)的智能節(jié)能控制。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)工藝

寶鋼不銹鋼1780熱軋除鱗系統(tǒng)主要由高壓電動機、泵體、平衡汽水罐、熱保護閥及現(xiàn)場噴射閥等設(shè)備組成。其作用是通過高壓水的強大沖擊力，清除熱軋鋼坯在加熱爐加熱過程中產(chǎn)生的爐生氧化鐵皮和軋制過程中再生的二次氧化鐵皮, 保證鋼材成品表面質(zhì)量。圖1給出了1780熱軋除鱗系統(tǒng)示意圖。

整個系統(tǒng)為多點除鱗系統(tǒng)。粗軋線上有8個高壓除鱗點，分別為除鱗箱入口(HSBa)、除鱗箱出口(HSBb)、粗軋入口(R1a)、粗軋出口(R1b)、精軋入口(FSBa)、精軋出口(FSBb)、精軋出口(F1)、精軋出口(F3)。各除鱗點用水的流量需求如下：除鱗箱入口、出口除鱗噴嘴分別為3 630 L/min;粗軋機入口噴嘴3 250 L/min、粗軋機出口噴嘴為3 250 L/min; 精軋機入口、出口除鱗噴嘴分別為4 200 L/min。正常情況下，3爐運行軋鋼時，從爐后除鱗箱HSB至精軋FSB范圍內(nèi)有3塊鋼坯在除鱗或等待除鱗(其平均軋制時間約為125 s)，即當軋制節(jié)奏不同時，會出現(xiàn)多點除鱗、單點除鱗和不除鱗的現(xiàn)象。

1-閘閥；2、4-自潔式過濾器；3-排污閥；5-加藥閥；6、除鱗泵組(含馬達)；7-最小流量閥；8-出口電動閥；9-壓力傳感器；10-蓄能器；11-最低液面閥；12-空壓機；13-壓力傳感器；14-除鱗點噴射閥

1.2 系統(tǒng)組成

圖2給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。由圖可見，整個系統(tǒng)由3級控制系統(tǒng)構(gòu)成(見圖中虛框)，分別為L2生產(chǎn)控制系統(tǒng)、除鱗智能模型控制器(系統(tǒng))、除鱗L1控制器(PLC)，系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)進行通信。

L2控制系統(tǒng)負責(zé)下發(fā)生產(chǎn)線各類報文，智能模型控制系統(tǒng)按照L2下發(fā)的實際生產(chǎn)計劃和鋼種schedule、生產(chǎn)節(jié)奏MPC、粗軋道次計劃RSU、精軋道次計劃計算FSU安排以及實際的除鱗配置的情況，來優(yōu)化計算除鱗系統(tǒng)各電動機的開停以及相應(yīng)的速度設(shè)定。除鱗L1控制器負責(zé)除鱗系統(tǒng)各現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制，包含根據(jù)實際現(xiàn)場信號進行除鱗泵控制、各種保護等。L1控制器通過Profibus-DP網(wǎng)和硬接線與現(xiàn)場設(shè)備進行連接。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)控制功能

2.1 系統(tǒng)控制功能

在除鱗泵智能系統(tǒng)運行過程中，先從L2服務(wù)器獲得板坯跟蹤信息及該板坯的除鱗計劃，在板坯到達除鱗點之前計算將來的除鱗水需求量；同時考慮系統(tǒng)的壓力設(shè)定，最終生成變頻器的運行頻率下發(fā)給除鱗L1控制器；L1控制器根據(jù)實際現(xiàn)場信號及保護連鎖進行除鱗泵電動機的變頻控制。即智能模型控制系統(tǒng)接收到批次除鱗工藝計劃和板坯出爐信號后，根據(jù)輥道線速度測算出板坯到達各除鱗點所用的時間，依據(jù)除鱗工藝計劃要求計算出該板坯在各除鱗點的除鱗水需求量，結(jié)合下級變頻器實際設(shè)定的響應(yīng)速度，計算出滿足板坯到達除鱗點時所需除鱗水量相對應(yīng)的除鱗電動機運行頻率，并下發(fā)給L1控制器；L1控制器將收到的運行頻率依據(jù)現(xiàn)場信號及保護連鎖進行處理后，下發(fā)給除鱗變頻器，以實現(xiàn)除鱗電動機的升、降速控制。整個控制過程中，智能模型控制器(系統(tǒng))依據(jù)生產(chǎn)工藝及板坯位置，不斷地計算、修正運行頻率從而實現(xiàn)整個除鱗系統(tǒng)的智能節(jié)能運行。圖3給出了除鱗系統(tǒng)控制功能框圖。

圖3 系統(tǒng)控制框圖

頻率給定值信號以及變頻泵運行狀態(tài)信號通過I/O硬接線方式與PLC進行交互，閉環(huán)反饋壓力信號送入節(jié)能PLC進行PID運算[13-16]。通過對水壓設(shè)定值與壓力傳感器反饋信號的比較、運算，最后計算結(jié)果作為給定值送至變頻器。

2.2 系統(tǒng)控制過程

除鱗智能模型控制器(系統(tǒng))結(jié)合軋制計劃、道次計算、位置跟蹤等數(shù)據(jù)，對除鱗系統(tǒng)供水量進行提前預(yù)測，根據(jù)專家經(jīng)驗確定最佳變頻轉(zhuǎn)速，并以除鱗管網(wǎng)最遠端的壓力及鋼坯跟蹤信號控制、流量控制為主要手段，建立流量、壓力、速度控制模型，實現(xiàn)整個除鱗系統(tǒng)流量、壓力的精確控制和對除麟水的優(yōu)化利用，從而達到軋線除鱗節(jié)能的目的。圖4給出了除鱗模型程序的結(jié)構(gòu)。

圖4 模型程序結(jié)構(gòu)示意圖

在控制過程中，系統(tǒng)綜合考慮了除鱗水需求量、工頻泵除鱗水提供量、系統(tǒng)管路壓力、系統(tǒng)設(shè)定壓力在控制過程中的導(dǎo)向作用，同時通過確定實際壓力與設(shè)定壓力的偏差在設(shè)定允許壓力偏差與設(shè)定極限壓力偏差間的相對位置，來選取合適的變頻泵加速度，以便實現(xiàn)平穩(wěn)的加、減速控制。變頻除鱗系統(tǒng)的控制策略由以下3個部分組成：① 根據(jù)L2對生產(chǎn)線各除鱗點的預(yù)設(shè)定，結(jié)合板坯在生產(chǎn)線上的實際位置，計算出此時除鱗系統(tǒng)對除鱗水的需求量；根據(jù)現(xiàn)場實際投入工頻泵的數(shù)量計算出工頻泵可提供的除鱗水量。② 測量并計算除鱗系統(tǒng)的實際壓力與設(shè)定壓力的偏差，根據(jù)設(shè)定的壓力偏差值選擇合適的除鱗泵加速度。③ 將除鱗水的需求量與工頻泵的提供量進行比較，結(jié)合現(xiàn)場的操作情況及設(shè)備的保護狀況選擇合適的輸出下限值。

根據(jù)系統(tǒng)實際壓力的變化，以選擇的加速度計算變頻泵的加、減速設(shè)定，經(jīng)限幅后輸出給變頻器。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

整個系統(tǒng)存儲了當前熱軋系統(tǒng)各類鋼種的生產(chǎn)工藝信息和除鱗工藝數(shù)據(jù)，通過對實際軋制板坯工藝數(shù)據(jù)的比對和篩選，結(jié)合開發(fā)除鱗控制模型，輸出最優(yōu)的除鱗控制運行參數(shù)來控制除鱗電動機的運行頻率；同時，系統(tǒng)不斷累加新鋼種軋制、除鱗工藝模型參數(shù)，通過加權(quán)平均達到最優(yōu)的輸出控制參數(shù)，并反復(fù)計算和比較歷史存儲數(shù)據(jù)和運行動態(tài)偏差，進行自適應(yīng)修正補償，通過不斷自學(xué)習(xí)，實現(xiàn)最優(yōu)的模擬專家系統(tǒng)，即在板坯還未入爐加熱前，通過核對板坯鋼種、規(guī)格等信息，完成板坯軋制過程中除鱗控制參數(shù)的計算，從而實現(xiàn)除鱗系統(tǒng)電動機運行的智能控制。圖5給出了除鱗控制流程。

圖5 除鱗模型控制流程圖

3.1 除鱗泵調(diào)節(jié)加速度計算

除鱗泵調(diào)節(jié)的加速度是根據(jù)現(xiàn)場反饋的實際壓力與設(shè)定壓力之差，結(jié)合設(shè)定壓差和設(shè)定極限壓差做出的線性計算而得。設(shè)加、減速時的加速度分別為ACC、ACC1；實際壓力與設(shè)定壓力之差的絕對值為ΔP；系統(tǒng)允許壓力偏差為ΔP1，本文取ΔP1=40 kPa；系統(tǒng)設(shè)定加速壓力偏差為ΔP2，本文取ΔP2=0.5 MPa；加速時最快和最慢的加速時間為t1和t2，本文取t1=15 s，取t2=60 s；減速時最快和最慢減速時間為t3和t4，本文取t3=25 s，t4=60 s。

(1) 加速時:當ΔP<ΔP1時，ACC=0；當ΔP1≤ΔP<ΔP2時，

ACC=

(2) 減速時：當ΔP<ΔP1時，ACC1=0；當ΔP1≤ΔP<ΔP2時，

ACC1=

3.2 除鱗智能模型優(yōu)化控制

除鱗水節(jié)能模型實現(xiàn)主要有兩方面：① 繪制除鱗水量預(yù)測圖；② 優(yōu)化除鱗水量預(yù)測圖，減少變頻器變換頻率的次數(shù)。

(1) 繪制除鱗水量預(yù)測圖。利用熱軋除鱗節(jié)能模型對板坯在軋線上的運動進行精確預(yù)測，可得到板坯到達和離開各除鱗點的時刻，從而生成對應(yīng)時刻點的水量使用分布圖。即當板坯出爐時，先準確計算出軋制過程中板坯到達HSB、RM、FSB、FM等各除鱗點的時刻T0和離開時刻T1，如圖6所示。圖6中虛線框就是該時刻點所需的水量，為板坯A、B、C在除鱗點RM11、F12、FSB所需水量之和。這樣可以得到各時刻軋線上除鱗點所需的總水量，即除鱗水量預(yù)測圖，如圖7所示。

圖6 板坯除鱗點時序圖

圖7 除鱗水量預(yù)測圖

(2) 優(yōu)化水量預(yù)測圖。由圖7可見，除鱗水的水量波動比較頻繁，尤其是a、b、c 3點是水量波動較大的3個時刻。若直接用于水量設(shè)定，將導(dǎo)致變頻器頻繁地變更設(shè)定頻率，這不僅增加了變頻器的負荷，增大了變頻器發(fā)生故障的概率，也會由于預(yù)測存在的誤差而導(dǎo)致除鱗效果變差。因此，需要對預(yù)測水量進行優(yōu)化，將諸如a、b、c點的水量歸并到就近的最高點?？赏ㄟ^相鄰柱狀圖的面積差ΔS和持續(xù)時間Δt來判斷相鄰柱狀圖是否可以歸并，ΔS和Δt可以通過配置文件來設(shè)定。若某單位水量持續(xù)時間小于Δt，則再判斷與其相鄰的水量差是否小于ΔS，若是，則將小于ΔS的水量歸并入ΔS。其中，Δt為范圍值，步長為1 s，如設(shè)定Δt為3～10 s，則水量歸并時需循環(huán)計算7次。歸并優(yōu)化處理后除鱗水水量如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后的除鱗水量預(yù)測圖

由圖可見，歸并優(yōu)化后的水量變化穩(wěn)定了不少，這在保證除鱗效果和節(jié)水的前提下，盡量延長了單位水量的持續(xù)時間，優(yōu)化了變頻器頻率設(shè)置最大限度地保證了變頻器的安全使用。

4 結(jié) 語

本文研究了熱軋除鱗智能節(jié)能控制技術(shù)，運用流體力學(xué)原理、工業(yè)智能化理論，結(jié)合生產(chǎn)軋制計劃、位置跟蹤等相關(guān)數(shù)據(jù)，對除鱗系統(tǒng)供水量進行提前預(yù)測，確定最佳變頻轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對水量的優(yōu)化利用。該技術(shù)于2014年6月運用于寶鋼不銹鋼有限公司熱軋廠，實現(xiàn)了熱軋生產(chǎn)過程中除鱗系統(tǒng)壓力、流量的精確控制，大大節(jié)約了除鱗系統(tǒng)的電能消耗，降低了負荷急劇變化對電動機的沖擊，實現(xiàn)了熱軋除鱗系統(tǒng)安全節(jié)能運行。

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Intelligent Energy-Saving Control of Baosteel 1780 Hot Rolling Descaling System

SHENHao

(Baosteel Stainless Steel Co., Ltd., Shanghai 200431， China)

Descaling intelligent energy-saving is a technique that uses PLC, inverter, high voltage motors, sensors and actuators in the process control. The system can achieve descaling pump smooth acceleration and safe descaling. By using fluid mechanics, production rolling plan, and through calculations and location tracking, water supply can be predicted in advance to achieve an optimal use of water. The expert experiences show that the system can acquire the best frequency conversion speed. The system takes into account the leading role of descaling water supply, demand pressure, and setting pressure to realize accurate control of the descaling system and pressure.

frequency conversion system; energy control; intelligent control

2016 -11 -22

沈 昊(1979-)，男，工程師，主要研究方向為自動控制，E-mail:499011707@qq.com

2095 - 0020(2017)02 -0120 - 05

TP 273

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