关键词： 穿水冷却 控制系统 现场总线 工业过程控制 可编程控制器
1 引言
龙钢西安轧钢厂连续棒材生产线建于1997年，原设计生产能力17万吨/年，经过数年的改造，目前实际生产能力达到60万吨/年。为满足生产需要，工艺上采用加大强化加热提高轧制速度的等方法，直接导致氧化铁皮加大，钢材力学性能降低，而且经常出现表面气泡，采用低温轧制已成必然选择。穿水冷却是基于浊循环水中具有动能的重悬浮颗粒对炽热棒材表面蒸汽膜的破坏机理，对热轧带肋钢筋进行轧后冷却的一项技术，通过穿水冷却使钢材上冷床温度降低，改善三级钢的力学性能，提高产品质量及合格率，解决冷床冷却能力不足的问题。由西安重型机械研究所承担的龙钢西安轧钢厂穿水冷却自动控制系统，其控制系统采用交流变频电机及现场总线技术，系统稳定可靠。该设备控制系统为轧钢在降低成本、提高经济效益，节约能源，提高产品质量上提供了一种新的解决方案。
2 系统简介
龙钢西安轧钢厂穿水冷却自动控制系统主要采用西门子MM440变频调速控制装置、安装在变频器上的PROFIBUS通讯模板、西门子S7-300可编程序控制器、分布式I/O ET200M、研华工控机、西门子监控软件WINCC 6.0等产品，采用PROFIBUS-DP现场总线技术。其系统配置如图1所示。
图1 控制系统配置图
3 系统组成及功能
3. 1 系统组成
(1) 硬件配置
硬件配置主要是用西门子公司的S7-300 PLC与MM440变频器进行硬件连接及组态，建立PROFIBUS-DP现场总线网络。为了连接成PROFIBUS系统，必须选用PROFIBUS模板，这一模板是一个可选件，此模板安装在变频器的正面，通过串行接口与变频器连接，对MM440进行控制。PROFIBUS-DP是一个价格适当的高速串行通讯系统，采用这种简单的总线系统，可以把工程设计、可视化和PLC控制集成在一起。PROFIBUS-DP现场总线的主要特点是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络，是能支持双向、多节点总线式的全数字通讯。将MM440变频器通过PROFIBUS通讯模板连接到S7-300 PLC的现场总线网络中，从而实现了MM440与S7-300的网络通讯。变频器与S7-300 PLC的硬件连线如图2所示:
图2 变频器与S7-300的硬件连接图
3.2 硬件组态
组态PROFIBUS-DP现场总线步骤如下:
(1) 在西门子SIMATIC STEP7软件下新建一个工程(Project)，插入一个SIMATIC 300站，打开该站的Hardware硬件组态编辑器，组态315-2DP的PROFIBUS网络。
(2) 在PROFIBUS-DPSIMOVERTMICR．ｍａｓｔｅｒ4中插入MICR．ｍａｓｔｅｒ4到总线网络中，在MIC- R．ｍａｓｔｅｒ4下插入PPO1或PPO3即可。
(3) 分散I/O是按照所选的分散站形式(如ET200M)选择通讯模块(IM153)的型号添加到PROFIBUS-DP现场总线网络中去。
硬件组态如图3所示。
图3 硬件组态图
3.3 系统功能
(1) 变频调速控制系统功能
根据恒压供水的工艺要求，保证供水系统的压力稳定，采用变频调速装置，实现压力闭环控制，能够满足其1.2MPa恒压要求。对于泵类负载采用以压力为参量的双闭环串级调速控制系统，以速度为内环，压力为外环的双环控制系统。为了使被控压力维持在12公斤，当压力降低不能满足要求时，反馈信号(压力)减少，控制系统自动控制，使电机增速，使供水管道水流产生加速度，提高水压，以维持输水管道要求的供水压力。
水泵采用压力闭环控制时，调速范围必须按照水泵的压力与流量的变化关系确定，对单台水泵而言，水泵调速范围大约为电动机的额定转速的30%，当多台水泵并联运行时，且其中有恒速运IMATIC转的水泵时，流量变化范围要缩小，调速范围也要小。
(2) PLC控制站功能
穿水冷却自动控制系统的编程软件采用西门子SSTEP7 V5.3。PLC完成的主要控制功能有:冷却泵的恒压控制、钢温自动调节、高压开关控制等。整个控制过程实现全自动控制。关键的网络通讯控制采用了STEP7中的特殊功能块SFC14“DPRD-DAT”读取DP从站的连续数据，采用SFC15“DPWR-DAT”向DP从站写连续数据用PLC实现钢温自动调节，其原理为采用红外测温仪，逐根监测钢材在线温度，并送入上位监控站，然后根据存储在上位机的经验数据表查表，并把查得的水量值送到PLC中，在PLC中采用PID闭环调节，自动调节薄膜调节阀的开度，以自动调节穿水流量，调节钢温。同时根据反馈温度微调阀门开度，以进一步精调钢温。
(3) 上位监控功能
上位机监控系统采用研华工业控制机、西门子WINCC6.0监控软件。把PLC采集到的各种信号在监控画面上显示，并有人工参数设定，报警显示等功能。具体功能如下:
●实时位置监控:监控各个信号点的状态;
●信号采集:由变频器通过总线通讯采集过来的电机的转速、电流;
●钢材温度及调节阀开度的显示;
●温度曲线记录;
●人工参数的设定;
●报警系统变频器故障显示等。
上位机监控功能有利于进一步分析所取得的数据，达到更好的穿水效果。
主监控画面如图4所示。温度曲线记录如图5所示。
图4 主监控画面
图5 温度曲线记录
4 结束语
经过穿水冷却的钢材上冷床的温度平均降低了100-130℃，棒材铁素体晶粒度达到10级，晶粒度提高2级。改善了产品各项力学性能，抗拉强度平均提高了35~40MPa，表面气泡现象基本没有了，钢材性能合格率由96.5%提高到了99.8%。控制系统硬件结构合理，满足工艺要求;应用软件结构清晰，功能完整，运行可靠;整个系统完全满了生产需要，达到设计要求，取得了良好的社会和经济效益。
