摘要：在热连轧超快冷系统工业应用中，冷却集管流量大小直接影响工艺温度控制精度，进而影响产品组织性能。因此，控制系统需要实现对流量的精确控制。本文通过对冷却水压力与流量耦合关系的分析与研究，结合控制仪表的特性，开发了一种通过PLC实现对系统水压以及水量进行解耦控制的方法，实现压力和流量的精确控制。该策略应用于工业现场，可将冷却水压力控制在目标值±0.05MPa范围之内，流量控制在目标值±0.5m3/h范围之内，为产品的稳定生产提供了技术支撑。
关键词：超快冷；PLC；水压控制；流量控制
1 基本控制思路
与传统层流冷却系统相比, 超快速冷却可以有效打破带钢表面气膜, 对热轧板带钢实现高效率、高均匀性的冷却效果, 冷却速率远高于传统层流冷却[1]。常规层流采用高位水箱方式供水，压力低且稳定，生产过程中阀门开闭对系统压力波动影响较小，因此，各冷却集管流量控制相对简单。而超快冷控制系统压力高、冷却过程中阀门开闭直接影响系统压力大小，压力的波动同时又影响各冷却集管流量，因此，控制策略开发过程中需要充分研究压力和流量的耦合关系，实现精确控制。
超快冷所需水压以及水量由L2过程自动化系统根据工艺模型计算而来，通过以太网通讯下发至L1基础自动化执行。基础自动化的PLC接收到来自L2过程自动化的数据后，根据仪表反馈的数据，控制气动阀门的动作，完成整个控制过程。
压力调节由旁通管路完成，旁通管路上配有气动调节阀，通过旁通管路气动调节阀的开口度变化调节旁通管路的出水量，进而调节分流集水管内部的水压。超快冷系统分流集水管上接有多组集管，每组集管上配有手阀、流量计、气动调节阀、气动开闭阀，在冷却过程中各根集管单独调节，实现集管的水量控制。
2实现方法
2.1压力控制
供水压力的稳定性是实现带钢温度精确控制的前提[2]，超快冷系统要求在管路水压出现变化时，系统水压能够以尽可能短的时间与尽可能小的超调量调节至设定值。
生产中冷却水的压力波动范围通常要求不大于±0.05MPa[3]，又因为超快冷系统是一个不断变化的流体模型，所以普通的PID调节方法很难找到一套固定的PID系数来满足设备所有工况的调节要求。在这里采用的方法是，对设定压力与实际的管路压力的压力差进行分段处理，每一段压力差区间对应旁通阀不同的增大/减小量，并在现场调试时不断调整旁通阀的增大/减小量，直至找到满足现场使用需求的调整量组合。在配有多个旁通管路的大型超快冷系统中，对不同位置的旁通调整量进行阶梯式的配置，效果更佳。这种方法类似于单纯的比例调节，但是比普通的比例调节更加灵活可控。
2.2集管标定
集管标定的目的是得到工况压力下集管的管路特性，从而能够在冷却过程开始的时候对集管进行快速的开环调节。以西门子300/400系列PLC为例，集管标定的实现方法为：1.将水压调节至超快冷工艺需求的压力；2.将集管调节阀开口度归零；3.每过一个标定间隔时间将集管调节阀增大一定的开口度，直至100%；4.每根集管不同开口度下对应的流量计读数即是集管标定结果，将标定结果存入相应的DB块中。
需要注意的是，为了避免对热轧线整体供水造成太大影响，超快冷标定需分组进行。标定间隔时间视压力闭环控制效果而定，如果压力闭环效果理想，则标定间隔时间可以设置得短一些，如果压力闭环控制效果不理想，则标定间隔时间需要设置得长一些。
日常生产中不需要经常进行标定工作，集管标定一般在以下情况下进行：超快冷系统还没有进行过标定的时候；因故障导致PLC中DB块内容丢失的时候；更换集管或者其他外因导致管路特性发生变化的时候。
2.3开环控制
开环控制是根据标定结果使用查表法进行的。在带钢将要进入冷却区的时候，PLC需要对每根集管的数据进行判断，判断L2发送过来的水量对应在标定结果中的哪两个开口度之间。
在找到目标水量对应的开口度区间之后，先假定该区间内开口度与流量的关系是纯线性的，然后以两端开口度为x值，流量为y值，可求出该区间内开口度与流量的近似线性方程。将L2下发的目标流量带入该方程，即可求出一个开口度的值，这个开口度的值便是开环控制的输出值，将该值输出给气动调节阀执行，即完成了流量的开环控制。现场实际应用效果表明，开环控制的误差最大可达±15m3/h，不满足超快冷精确控制流量的要求。
2.4闭环控制
为了减小开环控制的误差，需要根据反馈的流量对集管流量进行闭环控制。同时为了避免水流的紊动度对压力调节速度和精度的不良影响，需要对压力闭环控制投入时刻进行调整[4]。
流量闭环的实现方法与压力闭环的实现方法类似，也是将目标流量与实际流量做差，再对流量差分段，每段区间对应不同的调节阀调整量。初始的调节量可以设置得小一些，通过现场调试，逐渐增加调整量，直至找到最适合该系统的参数。如图1所示，最开始开环调节时流量偏差略大，但是在加入闭环控制后流量误差可以控制在±0.5m3/h以内，能够满足超快冷工艺的流量精度要求。
图 1 某现场闭环流量调节趋势曲线
3总结
在实际的现场应用中，通过使用本文所开发的控制策略，可以将系统冷却水压力偏差控制在目标值±0.05MPa以内，集管流量偏差控制在目标值±0.5m3/h以内，为钢铁产品的稳定生产提供了保证。该控制策略不仅适用于超快冷控制系统，也对其他需要精确控制管路水压力与流量的工况提供了技术参考。
参考文献:
[1]李振垒.热轧板带钢的超快速冷却控制系统[J].东北大学学报:自然科学版,2012,30(10):1436-1439.
[2]石建辉.包钢CSP生产线后段超快冷系统水压控制方法[J].东北大学学报:自然科学版,2015,36(4):474-478.
[3]李旭东.热连轧超快冷系统水压控制策略的开发与应用[J].轧钢,2016,33(4):49-52.
[4]江连运.热连轧线超快冷泵站与轧线联合控制方法[J].冶金自动化,2014,38(2):44-47.
论文作者:汤洋,孙梓健,黄晓润,张程
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/6
标签：流量论文; 压力论文; 闭环论文; 水压论文; 开环论文; 管路论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第12期论文;