摘要：钢材在高温轧制加热过程时，加热炉内的氧气、水分、二氧化碳等与钢材表面的铁元素会发生氧化反应，在表面会形成大量的氧化铁皮（鳞皮）。在钢材进入下道工序或冷拔工序前，需要在常温下将这层表面氧化皮去除，这就是常温除鳞或冷态除鳞。目前国内常温钢材除鳞采用的方法有酸洗、抛丸、喷丸、捌皮、光亮退火等工艺。抛丸和喷丸会产生比较严重的粉尘污染，还会使钢材表面产生变形和硬化，并且很容易覆盖钢材表面缺陷。扒皮处理的材料浪费较大，产量也比较慢慢并且成本费用较高。光亮退火工艺要在密闭的还原气氛中加热并冷却，设备总体投资大，且运行费用也比较高。因此在目前除鳞工艺中还是广泛采用酸洗工艺，然而酸洗产生的废酸和废气严重污染环境，越来越受到国家环保的限制。所以新型的高压水磨料射流除鳞方法逐渐开始应用于市场，由于它除鳞总体相对成本低，且没有工业污染，所以引起了广泛重视。而高压水磨料射流除鳞喷嘴是该工艺中最关键和核心的技术要点，它是决定系统使用效果、生产效率及运营成本的关键。
关键词：高压水磨料；射流除鳞；电气自动化；优化设计；
1.电气自动化系统设计
高压水磨料射流除鳞系统是由高压泵站、循环水沉淀池、循环水多级过滤系统、砂水分离循环回收系统、除鳞箱装置喷射系统、以及上料、下料风干等诸多子系统组合而成的综合型生产模式。由于系统占地面积大，涉及范围广，为保证生产的连续性，保障生产效率，很有必要开发一套实时检测控制系统，对整套系统实现连锁监控集中操作，各子系统通过各种检测手段，一旦出现故障或其它原因及时报警，避免产生其它附加性重大损失。
2.电气自动化硬件组成
整个自动化系统控制部分采用德国SIEMENS公司的S7－300系列PLC控制器，CPU选用315-2DP以及相应的DI、DO、AI、AO模块组成。以及现场ET200M、西门子MP277触摸屏组成工作从站，对系统检测信号进行采集后通过Profibus-DP协议与PLC完成通讯。驱动部分采用250KW ABB变频器控制高压泵电机的启停及速度调节。
电控柜由ABB变频启动柜、PLC控制柜、MCC柜及配电柜组成，集中放置于电气控制室，现场专门设一集中控制操作台，在台面上安装HMI(西门子触摸屏)进行泵站操作，如：控制各泵的起停、系统间连锁实现和压力设置以及润滑部件油系统温度、压力参数的安全保护、砂浆浓度、供砂压力、水射流压力等的连锁和控制，事故等自诊断系统功能等。主高压泵电机采用变频启动控制方式，变频器与操作台HMI通过Profibus-DP协议与PLC进行通讯数据交换，在操作台HMI触摸屏上设定不同的参数达到远程调节高压往复泵的输出流量，控制系统喷嘴处射流水压的目的。对不同钢种的除鳞对象，设定合适的除鳞压力。变频器的应用不但可以调节高压泵流量及系统压力，还可以实现节能降耗，减少高压泵动力部件的磨损，减少泵柱塞及吸排阀的工作频率，延长高压泵的使用寿命。
SIMATIC S7-300可编程序控制器，采用STEP7 V5.5编程软件。该软件我们采用梯形图进行编程。编程界面友好，简便易学，软件具有在线诊断功能。操作界面HMI采用Wincc flexible sp4编程软件。通过人机界面完成整套系统的操作、参数设置及监控功能。
检测元件采用多种功能元件，如采用超声波浓度计、位移传感器、音叉式液位开关，带远传信号磁翻板液位计、德国IFM压力传感器、PT100铂热电阻，以及各类位置检测开关，对射开关、流量计等，将检测信号传送给现场从站，通过Profibus-DP通讯协议与PLC、HMI人机界面进行数据交换，实现对各子系统检测信号进行监控操作。在各检测元件选型时充分考虑现场工作环境，例如潮湿、局部震动、高温及电磁干扰都可能引起传感器失效，所有选型时注意对灵敏度、耐腐蚀性、抗干扰性等指标充分考虑，并对安装位置及安装方式特别注意，尽量避免传感器受到非必要性干扰。。
3.系统软件设计及连锁控制条件
现场操作界面HMI采用Wincc flexible sp4编程软件，是西门子（SIEMENS）公司工业全集成化（TIA）的子产品，是一款专门基于触摸屏的组态软件，用于组态用户界面以操作和监视机器与设备，提供了对面向解决方案概念的组态任务的支持。
该系统设计通过1个主画面及5个子画面实现对整套系统的监控和操作设置，系统画面设计如图3.1所示。
通过系统画面可以监控整套除鳞系统各设备的运行情况，如高压泵的具体开启数量及对应台数，各阀门的开闭情况，各电机运转情况，各子系统运转情况，各部位运行状态是否正常，若有异常情况可在系统图中对故障部位报警显示，然后通过子监控画面，清晰的确认具体的故障点，便于及时准确的对故障进行排除，此画面可以很宏观的观察监控整套系统的运转情况。
图3.1高压水磨料射流除鳞系统主监控画面
系统操作画面实现整个系统的远程及就地操作切换，各高压泵、污水泵、砂浆泵、管道增压泵、搅拌桶等主设备启停，以及相关阀门、辅助油泵、风机等设备的启停手动控制，各设备可根据操作顺序手动逐个启停操作进入自动化生产模式。为了简化操作系统，将各操作部位集中分解为主泵和辅机2部分，可以通过选择自动运行，通过程序控制各设备及相关阀组自动按顺序运行，进一步简化了操作流程，系统操作画面如图3.2所示。
图3.2高压水磨料射流除鳞系统操作画面
设备启动连锁顺序：各设备启动采用PLC对信号进行联锁控制，主电机与油泵电动机，风扇电机，压力开关、油温开关联锁，并与管道上的压力开关、阀门限位开关等进行联锁。
1)允许启动高压泵条件：
进口阀门打开到位，出口阀门打开到位，油泵电机工作正常，风扇电机工作正常，管道增压泵开启，循环沉淀池水位正常，水箱水位正常，入口压力正常，各净化清洗设备工作正常。
2)在以下情况下报警：
润滑油及系统所有低压供水压力<0.2MPa，除鳞系统出口压力超过高压泵额定压力，泵的油温>75℃。水箱液位、循环水池液位低于低水位，各阀门到位信号异常等。
3)在以下情况下自动停车：
润滑油及系统进口压力<0.15MPa时，延时30秒停车。除鳞泵的出口压力超过额定压力1.1倍，泵的油温>80℃时，水箱及水池液位低于最低限位时。
参数设置画面可实现对所有数字量及模拟量传感器的反馈数值显示，可准确的观察各检测点温度、压力、各电机工作频率，并可随时根据除鳞钢种直径的不同对各电机频率参数进行设置调整，具体画面见图3.3所示。
图3.3高压水磨料射流除鳞系统参数设定画面
通过参数设定画面可监控各油温、油压及供水压力等具体数值，以及各电机电流数值有无过流等，也可从数值反应出各设备的运行状态，通过各台高压水泵的运转频率设定来实现不同的射流压力，通过设定供砂渣浆泵的运转频率来调节供砂管路压力，达到调整喷嘴供砂量的目的。
辊道液位设定画面实现对来料速度及规格参数的给定，实现喷嘴靶距的调整，以及各液位水位的液位反馈。根据不同的钢种调整除鳞对象的运行速度，得到满意的除鳞效果，可实现手动及自动切换模式，在自动模式下可通过各位置传感器控制自动上料及自动下料，以及根据除鳞坯料的规格及设定的靶距，将参数输入画面后可通过位移编码器实现靶距的自动调整。画面见图3.4所示。
图3.4高压水磨料射流除鳞系统辊道液位设定画面
画面中的沉淀水池通过液位传感器信号检测，即可保证除鳞系统的连续性工作要求，也可在液位到达低位时报警后自动打开补水阀门，对循环水进行补充。回收桶液位传感器通过反馈信号来控制回收渣浆泵的工作频率，程序采用闭环控制模式，即高液位时增大污水泵工作频率加快污水的排放，液位到达低液位时减小污水泵的工作频率，使液位保持在一定范围内随砂水循环系统保持常开状态。水箱液位检测为保证高压水泵的正常工作，在低液位时报警停车，最高液位时通过PLC控制关闭补水阀门，实现供水过滤系统节能运行。
结束语：
本电气控制系统，结合了目前市场主流的硬件配套设施，实现了整套高压水磨料射流除鳞系统的功能作业，从现场运行实际操作结果看，有着便捷先进的操作控制模式，也产生了较高的生产效率。
目前高压水磨料射流除鳞系统应用于钢铁行业常温除鳞，还处在初级阶段，其理论研究与实践结合的市场业绩还较少，还需要持续不断的改进调整，其中电气控制自动化系统的不断进步，对提高设备运行的经济效益及提高生产作业率有着决定意义，后期的研究应该继续突破，增加对各检测点的抗干扰措施研究，以及加大对子系统视觉监控功能的实现，减少设备点检人员的活动范围及工作量，并可以有效提高设备运行状态稳定性，及发现处理故障的时效性。
参考文献：
[1]任启乐, 郭宏彬, 庞雷, 陈正文, 韩彩红, & 苏吉鑫. (2012). 大直径旋转磨料水射流除鳞除锈技术研究. 流体机械, 40(12), 11-14.
论文作者:梁宝辉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/2/13
标签：系统论文; 射流论文; 液位论文; 水磨论文; 画面论文; 压力论文; 高压论文; 《电力设备》2018年第25期论文;