1、轧钢棒材生产线的PLC控制系统轧钢棒材生产线的PLC控制系统在自动化操纵领域，PLC是一种重要的操纵设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车(23)，粮食加工(164%)、化学制药(146%)、金属矿山(115%)、纸浆造纸(113)等行业。上世纪80年代至90年代中期，是PLC进展最快的时期，年增长率一直保持为30%40%。在那个时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐步进入过程操纵领域，而且在某些应用上取代了在过程操纵领域处于统治地位的DCS系统。现今，PLC差不多具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗
2、干扰能力强，编程简单等特点。在可预见的今后，PLC在工业自动化操纵专门是顺序操纵中的主导地位，是其他操纵技术无法取代的。本文介绍了S7-200 PLC操纵系统在轧钢棒材生产中系统中的应用，着重描述了系统配置及冷床操纵功能。最后通过，通过测试和实验的成功说明本文研究成果的可行性和可靠性。关键词：PLC操纵系统；轧钢；棒材生产；冷床顺序操纵；ABSTRACTIn the area of Automation Control,Programmable Logic Controller is an important control equipment.Currently,there are over
3、 200 manufacturers that produce more than 300 varieties of PLC products,which are now applied in auto industry(23%),grain processing(16.4%),chemical&pharmacy(14.6%),metals&mine(11.5%),paper pulp and paper making(11.3%) and many other industries.The PLC develop fastest during the 1980s and the mid-19
4、90s,the value of gross output of PLC increase at the speed of 30%-40% per year.In this period,the PLC technology has developed rapidly in the field of analogy processing,digital quantity operation,man-machine interface,network service,gradually the PLC entered the field of process control because of
5、 these,and in some fields the PLC has token the place of Distributed Control System-the once king in the field of process control.And now,the PLC has been equipped with good commonality,ease of use,wide applicability,high reliability,good anti-interference,easy programmability and some other advanta
6、ges.In the foreseeable future,the PLC will dominate the industrial automation and control,especially Sequence Control,and it cant be replaced by other control technologies.This article will introduce how s7-200 PLC system works in rolling steel bar production,and it focus on describing System Config
7、uration and cooling bed control.Lastly,tests and experiments show that the research results this article describes are practical and reliable.Key words:PLC control system; steel rolling; bar production;sequence control of the cooling bed;第一章 绪论钢棒材是经济建设中必不可少的一种材料，钢棒材品种繁多，广泛应用于汽车制造、电气机械、船舶制造工业、大跨度桥梁、高
8、层建筑等社会生活各个方面。随着我国经济、社会的进展，对钢棒材的需求越来越大，对钢铁棒材的质量要求也越来越高。传统棒材轧制操纵系统所采纳的继电气操纵，操纵线路复杂、体积大、故障率高、爱护困难、可靠性不高、容易发生故障，从而轧钢难以达到轧钢厂期望的安全、稳固、可靠的差不多要求。PLC操纵系统自问世以来，以其高可靠的特点在工业自动化领域获得广泛的应用。近年来，随着超大规模集成电路技术和通信技术的进步，PLC操纵系统的性价比逐年提高。轧钢棒材生产操纵领域也逐步为PLC系统所主导。1.1 课题研究背景和意义进入21世纪以来，随着经济的不断进展，以及市场竞争的日益猛烈，我国的钢铁工业正在经历一个从高速增长
9、期到结构优化调整期的转变过程。市场对钢铁产品的需求逐步从原先的少品种、大批量走向多品种、小批量，同时要求高质量和高附加值的进展模式。在这种模式下，加速剔除落后产能、加快提升科技创新能力、降低消耗、降低成本、提高质量、提高生产率，逐步成为当前进展的重要特点。因此，企业必须改变以往单一化、笨重的进展模式，紧跟市场的脚步，按市场需求组织生产，进展以市场为中心的生产模式。这就要求企业必须加大科技投入，加速设备改造，促进技术进步，多渠道引进高科技人才，提高自身科研能力，进展市场经济，满足市场需求，向科技和时刻要效益。加入WTO以后，中国的钢铁工业更是面临着严肃的挑战。为了追求稳固进展和保持良好的经济效益
10、，钢铁企业纷纷开始采纳先进的工艺装备和操纵技术进行技术改造，通过降低能耗、降低成本、提高质量、提高效率来提高自身竞争力，以求在日益猛烈的国际市场竞争中站稳脚跟。因此在轧钢生产线上人们做着许多的努力，对生产线上的各个环节进行操纵。比如高速棒材连轧PLC操纵、棒材连轧加热炉PLC操纵系统、利用PLC系统对棒材线系统的提速、还有PLC在轧钢生产成组区的应用、基于PLC的倍尺剪电控系统设计与实践、PLC的冷床操纵等等。棒材打捆机也是在如此的形势下被设计制造出来，以适应市场对棒材的需求变化。随着社会生产对棒材需求的不断增加，许多棒材生产厂家的棒材年产量逐年递增，对棒材的打捆包装处理速度越来越跟不上生产的
11、速度，严峻的阻碍了棒材的运输和销售，从而导致生产跟不上市场的需求变化，也间接的阻碍了企业和社会的进展。棒材打捆机的产生实现了对棒材的全自动化打捆包装，高质量、高效率的完成打捆包装作业，是产品能够迅速投入市场，提高了企业生产流通速率，满足了社会进展的需要。目前在棒材生产线中飞剪机使用的型式有：摆动式剪、曲柄式剪、回转式剪和曲柄回转复合式剪等多种型式。其中摆动式剪剪切力大，但剪切精度较低，适用于轧件断面大、轧制速度低的场合；回转式剪剪切力比曲柄式剪小，剪切速度更高，适用于小断面、高速度的场合；曲柄式剪剪切力小于摆动式剪，大于回转式剪，而剪切精度高于摆动式剪，适用于轧制速度稍高、断面较大的场合；而回
12、转曲柄复合式综合了曲柄式和回转式的优点，低速轧制时用曲柄剪，高速轧制时用回转剪，用于产品范畴专门宽的成品分段剪切，比如在复合生产线中使用比较多。其中飞剪的剪切操纵方式有：离合器制动式和启停式两种。启停式，每剪切一次电机都要启动和停止，剪切精度高，工作可靠；传动电机的功率较大离合器制动方式，传动电机连续运转，飞剪的启动和停止靠离合器的断开和接通进行操纵。这种操纵方式电机能够小一些，但剪切精度差，离合器频繁地接通和断开，噪声大、易损坏、爱护困难。为了保证飞剪机工作稳固可靠，国内生产线多采纳启停式的操纵方式。棒材作为钢铁工业的重要产品，其轧制成品质量直截了当阻碍到其他行业的成品质量。轧制过程中的变形
13、历史及温度将会阻碍奥氏体再结晶、晶粒尺寸大小和随后冷却过程中的奥氏体相变行为，并最终决定轧件的组织和性能。通过对轧件轧制生产过程中的变形行为、微观组织演变、及轧后水冷过程中的相变过程进行模拟，能够建立温度和相变产物与这些工艺参量之间的关系，进而对轧制产品的组织性能进行推测，并可实现操纵轧制、操纵冷却过程工艺参数的制定和优化。棒材热轧过程中的温度变化直截了当阻碍变形和组织演变(再结晶、相变)。而相变产物的组成最终决定产品性能。因此对棒材热连轧过程的温度场及冷却过程的相变过程进行模拟研究，关于热连轧工艺的完善和改进具有重要的现实意义。启停式飞剪设备是目前热连轧机或棒、线材生产线中不可缺少的设备，对
14、生产线的连续无故障运行，轧制成品的成材率、定尺率有较大的阻碍。其要紧工作任务是对轧线上运动的轧件进行切头、切尾或定尺剪切。专门棒线材倍尺飞剪要求启动运行速度快、定位剪切精度高、工艺复杂，其自动化操纵不仅一直是轧线操纵的难点，其稳固性更是棒线材连续轧钢的一个重大课题。在相同的硬件配置条件下，自动化操纵水平越高的飞剪电气系统，在生产过程中就越能获得更好的成效，更合理的利用能源资源，其获得的经济效益就越大。相反，飞剪电气系统设计上的失误，会给生产带来庞大的缺失，带来生产成本的增加。专门在目前钢铁行业竞争日趋猛烈的买方市场，拥有一套可靠、先进的自动化操纵系统的生产线带来的企业经济效益更具现实意义。目前
15、国际、国内有许多的研究设计总院、自动化工程公司，以及设备制造商等，都十分重视棒线材飞剪电气操纵系统的开发研制工作，同时已研制出各自的飞剪电气操纵系统。其中有些开发商已将这套系统标准化、规格化，作为一个较成熟的产品推向市场。只有将其科学化、标准化，才能在某种程度上保证整条生产线在整个规划期内实现投资、运行费用尽可能小的目标，幸免由于设计上的缺陷给今后的运行遗留问题。将设计软件标准化，还可使得设计人员从整个繁琐的设计工作中摆脱出来，可直截了当依照实际系统的配置情形，通过人机界面的标准接口将系统参数输入，并运用系统仿真软件完成对实际系统的初步测试工作。1.2 国内外进展状况与进展趋势钢铁材料以其所具
16、有的特性较高的强度和韧性、易加工成型性、绿色可循环性在以后时期内仍将是重要的结构材料。随着世界汽车制造、电气机械、船舶制造工业的进展，板材、管材在钢材中所占的比例将逐步提高，线棒材所占比例将有所下降，但其绝对值仍在上升。而且线棒材生产结构将发生专门大的变化。我国目前线棒材生产有如下特点：产能高。我国线棒材不管是轧机数量,依旧产量均居世界第一位,而且其产量还在以较快速度增长(年平均增长速度为15%左右),目前我国线棒材占钢材总产量的48%50%。与此同时,美国同期线棒材产量占钢材总产量的22%左右,日本同期线棒材产量占钢材总产量的27%左右,而且几年来产量相对平稳。因此我国线棒材不管是所占钢材总
17、产量的比例依旧绝对产量均高于美国和日本。生产装备参差不齐。近年来我国小型轧机向连续化进展,线材生产那么趋向采纳高速线材轧机,到2002年6月底,全国共投产连续及半连续小型轧机70套,设计产能超过2100万t/a,其中国产化设备超过40%。到目前为止,全国共投产高速线材轧机约70台套(含线棒材复合轧机),设计产能超过1700万t/a。国产化设备最高精轧速度可达90m/s。与此同时,我国目前尚有一些落后的小型线材轧机再生产。据调查,约有40%的小型型钢(线棒材)生产线属于落后剔除设备,约30%的落后线材生产线应被剔除。治理水平逐年提高。近年来,我国线棒材厂总体生产治理水平不断提高,一样连续小型及高
18、速线材轧机投产后2年左右即能达到或超过设计产量。2000年以后,许多小型线材轧机的成材率达到97%,一些实行负偏差轧制的轧机,成材率约在98%以上。另外,由于注重产品质量的提高,开发了400MPa级带肋钢筋。同时,许多企业努力增加硬线生产比例,专门是在扩大高强度低放松预应力钢丝、钢绞线生产份额,改善冷墩钢质量,扩大产品规格上采取了多项措施。最近新投产的几套高速线材轧机,可提供525mm线材,直径公差达0.1mm,椭圆度达0.14mm,可满足不同用户的需求。高质量、高附加值的经济线材少。金属制品是高速线材的深加工产品,其使用价值优于热轧产品,可节约金属30%40%。据统计,发达国家金属制品的产量
19、已占线材产量的50%70%。我国尽管线材产量占钢材总产量的21.9%(居世界第一位),可用于金属制品的只占线材产量的30%,专门多高质量要求的产品仍靠进口。棒材生产技术的进展与进步：注重改进轧前工序。为了生产优质线棒材,第一要生产优质钢,因而采纳扩大转炉容量、增加精炼、在进加热炉前设置或预留抛丸-超声波探伤或磁粉探伤-修磨生产线。而采纳超高功率电炉、精炼、连铸供坯的生产企业,增加了300m3级别的高炉,将热铁水对入废钢中冶炼,不仅改善钢的制得纯洁度,同时能够节约能耗、缩短生产周期、降低氧化铁皮损耗、改进产品质量、提高金属收得率、降低生产成本。而采纳自供坯的小型、线材轧机多力求采纳热送钢坯,以降
20、低产品热耗。加热炉技术进步。步进式钢坯加热炉的普遍应用。20世纪80年代末到90年代初,建设的连续式高速线材轧机多采纳步进式加热炉;90年代中期以后建设的钢坯加热炉多采纳侧进侧出全梁式步进炉,步距可调,采纳新型的低NOX型烧嘴,侧烧嘴采纳带中心风的调焰烧嘴,调剂比可达1:10,长度大于12m的钢坯多设置端烧嘴,以使钢坯加热温度更平均。蓄热式加热炉技术得到重视。近年来,蓄热式燃烧技术在小型、线材车间逐步得到应用,蓄热式燃烧系统由蓄热室和换向装置组成,可将空气、煤气同时预热至1000左右,可使用高炉煤气等低热值燃料。蓄热式加热炉可节能约35%,缩短钢坯加热时刻,降低烧损。无头轧制工艺。20世纪90
21、年代中期,由日本NKK及意大利达涅利公司分别开发成功的无头轧制新技术,引起了轧钢技术的一场革命。该技术具有产量高、成材率高、轧制稳固、降低消耗等优点。无头轧制技术是指在加热炉出口侧将钢坯两端焊接起来,轧制一根无限长的钢坯。这种轧制方法由于排除了钢坯之间的时刻间隔,排除了轧件的切头切尾,排除了棒材生产线上的短尺/短尾或线材盘卷头尾修剪,可按用户需要生产不同重量的盘卷,减少咬钢次数,使堵钢的可能性更小,减少了停机时刻,而且稳固轧制使设备受的冲击减少,减少设备爱护和备件需求,延长了消耗件的寿命,因此可大大提高产量、降低成本。钢坯头尾采纳闪光焊连接,闪光焊接后用力将钢坯端头对接,焊接区的液态金属被挤出
22、来,保证了焊接区的质量。这种轧制方法由于排除了坯料间隔时刻,从而增加了纯轧时刻,提高了金属的收得率。目前我国已有唐钢、涟钢小型轧机及邢钢二高线厂高线轧机分别引进了DANIELI及NKK无头轧制技术,均取得了专门好的成效。线棒材生产的定径减径机组。被称为21世纪高线进展必经之路的定径减径机组,是20世纪90年代摩根公司开发成功的,通过几年的进展,技术更加成熟。目前具有代表性的机组有：摩根4机架RSM机组,达涅利的双模块机组TMB;考克斯/达涅利减径定径机组RSB。摩根4机架定径减径机组技术核心是：在精轧机组后面配置定径/减径机组,除了满足尺寸精度外,全线单一孔形系列,实现自由轧制。产品尺寸范畴扩
23、展到5.525mm,每隔0.1mm生产一种产品。机组紧凑布置,前两架为减径,辊径为230mm,可与精轧机辊箱互换,孔型为椭圆,金属减面率为10%20%。后两架为无导卫的定径机组,辊径150mm,中心距专门小,孔型为近似圆-圆。成品最小可到5.0mm。精轧后的在线测径仪与辊缝调剂系统配合,可精确调整成品尺寸。共用孔型极大地简化了换规格的程序,减少了辊环的库存量。单一孔型系统另一显著优点是,只要简单地略微调整RSM各架的辊缝,就能生产出比名义尺寸略大或略小的产品,能够为专门用户提供任意产品,即自由轧制。快速换辊、传动联轴器、流体管线都设计为快速对接,提高了生产率。达涅利摩加沙玛提供的TMB技术,可
24、使产量提高15%,用于生产专门钢线材。TMB技术基于使用160mm方坯为原料的线材轧机,粗中轧,为16机架,其后3机架打压下考克斯定径机组,一整架轧机警活性和提高产品的精度,后结双模块系统构成为预精轧机组有8/10架无扭轧机,和布置在吐丝机前的4道次无扭精轧机组。从第一架轧机到预精轧的最后一道,只采纳一套孔型,全部产品变化都在最后4道次的精轧机组完成,产品范畴为4.525mm。在3机架的大雅下定径轧机中,仅用一种规格的进料即可轧制尺寸范畴专门宽、公差精确的出口轧件,实现双模块机组的前导孔型所需要的变形量。在4架精轧孔型中采纳小变形量12%16%,可得到专门严格的公差。由于两组无扭轧机间安装了水
25、冷系统,全部产品都可采纳低温轧制工艺。考克斯/达涅利减径定径机组RSB为三辊考克斯轧机,开始用于无缝和焊管的张力减径轧制。1991年开发出的最新减径定径机组RSB,在轧制中材料处于三向压应力作用下,可充分发挥其塑性潜能,专门适合于轧制难变形金属。RSB机组的要紧优点有:能够获得好的产品质量(包括尺寸公差、表面质量和冶金性能);产品种类齐全,可在任何时刻生产任何规格的产品;能耗低,比常规轧制方法可降耗30%左右;后序加工费用低,表面削去量减少;采纳备用机架换辊,可提高有效作业时刻;提高了成材率。我国大冶钢厂和上钢五厂都引进了此种机型。低温轧制工艺。常规轧制的温度是在奥氏体区轧制,低温精轧是指在最
26、后几道次的形变发生在正火轧制工艺或热机精轧工艺对应的温度范畴内。由于RSM、TMB和RSB轧机的投入,使轧件进吐丝机前再进行一次低温轧制(750950),经低温变形后,可得到平均的细晶组织,有利于改善产品性能。该轧制方法还适用于轧制双相钢线材。为了得到平均的细晶组织,低终轧温度下形变率的操纵是一个关键因素。在更多道次中采纳大变形量的低温轧制会导致晶粒尺寸的不平均,这是由于超过了与应变能积存相关的总应变极限后,产生了部分动态再结晶。因此,两道次低温轧制的断面压缩率应在24%31%,四道次低温轧制的断面压缩率应在46%57%。而对一些低温轧制和正火轧制均不能改善其性能的钢种,如不锈钢、易切削钢等,
27、通过此机组生产,可使轧件从头至尾保持稳固的轧制温度,从而使产品的组织平均性及尺寸公差得到保证,生产效率显著提高。低温轧制的优点:结构组织的细化将生产细化的晶粒尺寸;幸免碳钢发生正火;改善了低温韧度;可获得良好的力学性能;提高疲劳强度;较好的表面质量;并通过操纵冷却工艺使钢材得到理想的内部组织结构。操纵冷却工艺。操纵冷却的任务是通过控冷辊道速度和集管水量的操纵实现轧件的加速冷却操纵及实现轧件所要求的开冷温度、终冷温度和冷却速率。操纵冷却的差不多策略是,依照轧件目标冷却速率,确定单位集管流量;依照目标开冷温度、终冷温度和冷却速率,迭代运算控冷辊道速度和开启的集管数目,其中辊道速度尽量大,以减少轧件
28、长度方向的开冷温度不平均性,但又需要考虑到控冷区前后辊道长度对轧件升降速的限制;开启的集管组数受到瞬时最大水量的限制。操纵冷却工艺的应用可在减少成本的同时,显著提高产品质量。控冷处理后的一般低碳钢就能够替代微合金钢及低合金钢通过穿水淬火,通过穿水冷却,在线棒材表面形成粗大马氏体,然后通过线材内部残余热量进行自回火,从中心到表面逐步扩散,最终在冷床上空冷。即通过3个热处理时期:淬火时期、回火时期、最终冷却时期。多种机型的运用。除传统轧机机型外,近年来线棒材轧机大量采纳了特色各异的多种机型。除了减定径机、双模块,轧机和考克斯轧机外,还有以下两种专门机型。无牌坊机架。该机架的特点是:机架由4根拉杆承
29、担轧制力,轧制力分布在专门短的回路内和较大的面积里。此外,为了保证轴承座的刚度和从圆柱轴承到拉杆的短距离,使机架和轴承座弯曲最小,对机架的拉杆位置进行了优化,无牌坊机架可靠性高,轴向径向刚度高,对实施低温轧制有利,且产品尺寸公差小,换辊时刻短。适用于中、精轧机组。悬臂式机架。悬臂式机架采纳芯轴加套NiCrCo热处理辊环,油膜轴承结构,有水平式机架、立式机架、平/立可转换式机架。这种机型的特点是:轧辊辊颈直径增大约30%,断面积增加约65%,增强了关键部位的强度,减少了应力集中;该机型有固定的轧制线;易于更换辊环,爱护及更换导卫方便;重量轻,可节约投资。这种机型适于作为小型或高线轧机的粗轧机架,
30、只需配置一种孔型即可。自动控测技术。线材尺寸小、长度大、运行速度快,因此极易产生振动、抖动和扭转等问题。这些问题的存在,给用常规检测方法对轧件和成品的尺寸、形状的检测带来专门大困难。从20世纪90年代中期开始,国外线材厂家开始借助于测径仪,对轧件和成品的尺寸形状进行动态检测。对检测的结果和检测结果所对应的轧制状态进行相关性分析、归纳整理,得出阻碍线材尺寸精度的内在规律,并在此基础上形成可有效指导操作的指导文件和可融于操纵、治理软件之中的应用软件,从而能更好地对操作人员的调整给予定性定量两方面的指导,以便操作人员在线材高速轧制时能及时把握轧件及成品的尺寸精度变化情形。国外有关提高线材尺寸精度的研
31、究与应用,目前已在原有的基础上,利用测径仪动态检测轧件、成品的形状尺寸,并对检测结果进行分析研究,得出符合现场生产工艺过程的规律并以此指导生产操作,从而向实现整条轧制线工艺过程调整的闭环操纵方向进展。TMCP技术。TMCP技术是以控轧控冷相结合为特点,也确实是低温轧制和在线热处理的综合处理手段。在操纵形变组织的基础上,又操纵随后的的冷却速度,从而获得理想的相变组织,使轧材具有所需要的强度和韧性,而这种性能是单独采纳操纵形变或单独采纳热处理所无法达到的。TMCP技术要点是:将铸坯低温加热到1000左右,在具有较小晶粒的奥氏体区开始轧制;在适当的Ar3温度邻近的亚稳态奥氏体区或+两相区变形;随后操
32、纵冷却,使加工后未再结晶组织进行恒温转变,通过晶粒内形变带上形成的大量晶核,实现细晶铁素体的转变。在同样的形变量下,横温转变温度越低,铁素体的形核率越高,组织晶粒越细,从而得到高强度化和高韧性化。如此,在材料的化学成分上就可相应地进行低碳化、低碳当量化,从而对改善轧件的焊接性和降低脆性转化温度专门有利。专门是通过低碳化,添加的微量元素Nb在低温下易于固溶,对改善材料性能更为有利。能够说,该技术在通过操纵轧制这一相变基础上,又增加了一个通过操纵冷却实现组织操纵的自由度。TMCP技术的实质,是使传统的形变热处理工艺在轧制生产中在线完成,从而轧制出高强度、高韧性、高焊接性的管线用钢和船板钢、高强度结构用钢。带肋钢筋表面淬火及自回火-OTB工艺。为了适应目前在轧制过程中通过采纳不同的工艺操纵生产不同级别的产品这一趋势,进展了一种表面淬火及自回火-QTB工艺。该工艺过程是在淬火时期,在棒材离开终轧机时,需剧烈水冷,在棒材表面形成冷硬层,冷却速度高于形成马氏体速度,以获得粗大马氏体;在回火时期,热量从温度仍专门高的棒材芯部传到已淬火表面,使在第一时期得到的马氏体得到
