CN105834232A - 高压水除鳞智能节能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高压水除鳞智能节能系统及其控制方法，该系统包括生产过程控制系统、除鳞智能模型控制器、除鳞控制器。生产过程控制系统向除鳞智能模型控制器发送除鳞计划、钢种信息、生产工艺计划，除鳞智能模型控制器对生产过程控制系统下发数据的筛选，并进行除鳞水需求量计算、初始给定频率计算、加减速控制补偿计算，优化计算鳞系统各电机的开停以及相应的速度设定，并将优化的速度设定值下发给除鳞控制器，除鳞控制器接受除鳞智能模型控器的速度给定值，以此控制除鳞电机的运行和加减速控制。

Description

高压水除鳞智能节能系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及高压水除鳞装置及方法，更具体地说，涉及高压水除鳞智能节能系统及其控制方法。

背景技术

热轧除鳞系统主要由高压电动机、泵体、平衡汽水罐、热保护阀及现场喷射阀等设备组成，其作用是通过高压水的强大冲击力，清除热轧钢坯在加热炉加热过程中产生的炉生氧化铁皮和轧制过程中再生的二次氧化铁皮,保证钢材成品表面质量。

高压除鳞泵通常为多级增压水泵，采用高压电机进行驱动，一般为2极高转速电机，电机的启动方式为带电抗器或串接电阻直接启动，电机的运行方式为长时间连续运行。整个高压除鳞系统通常由单台水泵供水或多台水泵并联供水，以满足除鳞时的最大用水量。

热轧生产线上通常配备四组喷射阀，除鳞点分别为粗轧除鳞箱入口、出口除鳞(HSBa+HSBb)、粗轧机入口除鳞(RMa)、出口除鳞(RMb)、精轧除鳞箱入口、出口除鳞(FSBa+FSBb)，精轧F1～F3机架间除鳞。由于在轧制不同产品和不同的轧制节奏下，其除鳞点的数量、位置、除鳞的流量在随时变化。故存在如下问题：

1、依据热轧生产工艺要求，高压除鳞系统在非除鳞时，各喷射阀处于关闭状态，除鳞电机为近于空载方式运行，水流通过热保护阀回流地沟；当系统在除鳞时，各除鳞喷射阀打开，系统压力急剧上升至额定压力，此时全部的水流经高压管道、除鳞泵、喷嘴射向待除鳞板坯以完成除鳞，每个周期内有好几个不同用水状况，每个用水状况持续的时间短，只有几秒或者几十秒，有的可能达几分钟，故通常的变频运行控制方法无法满足生产需求。

2、由于除鳞高压水泵为始终工频运行，流量恒定无法满足不同钢种除鳞对系统压力和空载情况下流量的不同要求等其它原因，导致大量电能浪费，主要有以下几方面：

a)热轧在轧制不同钢种的情况下，由于除鳞点的不同，所需流量差异很大，而系统在设计中往往按照最大需求流量设计，由于除鳞高压水泵为始终工频运行，造成在某些时段除鳞泵的供水能力远大于除鳞的用水量。

b)热轧生产线每天每天有多次10min左右的换辊，换辊期间不需要除鳞(即不需要水流量)，而在换辊期间除鳞泵通常是不停机的，即恒速运行在工频状态。

c)热轧生产线每年都有一定的故障时间，对于一些时间不确定的小故障，除鳞泵仍需工频运行。

3、除鳞系统水泵电机每次工频启动和喷水除鳞过程运行时，负载急剧变化产生冲击电流，对电机转子产生很大的冲击力，使电机内部受损，降低了电机的使用寿命，影响了轧线的正常运行。

发明内容

针对现有技术中存在的多个问题，本发明的目的是提供高压水除鳞智能节能系统及其控制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高压水除鳞智能节能系统，包括生产过程控制系统、除鳞智能模型控制器、除鳞控制器。生产过程控制系统向除鳞智能模型控制器发送除鳞计划、钢种信息、生产工艺计划，除鳞智能模型控制器对生产过程控制系统下发数据的筛选，并进行除鳞水需求量计算、初始给定频率计算、加减速控制补偿计算，优化计算鳞系统各电机的开停以及相应的速度设定，并将优化的速度设定值下发给除鳞控制器，除鳞控制器接受除鳞智能模型控器的速度给定值，以此控制除鳞电机的运行和加减速控制。

根据本发明的一实施例，除鳞控制器包括PLC和画面输出模块。

根据本发明的一实施例，除鳞控制器与位置传感器、变频器、除鳞泵、变送器、压力传感器、流量计相连接。除鳞智能模型控制器接受生产过程控制系统的下发数据，其连接PLC，PLC分别连接位置传感器、变送器和变频器，变频器连接除鳞泵，压力传感器和流量计检测除鳞泵出口的供水管路。

根据本发明的一实施例，还包括气水储能罐、粗轧除鳞箱除鳞点、粗轧机除鳞点、精轧除鳞箱除鳞点、精轧机架间除鳞点，粗轧除鳞箱除鳞点、粗轧机除鳞点、精轧除鳞箱除鳞点、精轧机架间除鳞点分别连接至气水储能罐。

为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：

一种高压水除鳞智能节能控制方法，包括以下步骤：周期激励；读取线上所有板坯信息；读取时间窗口内板坯鳞水流量需求值；读取策略数据；合并所有鳞水流量需求值；根据所有鳞水流量需求值及相关条件查询数据库以确定频率；发送除鳞水量及频率。

根据本发明的一实施例，板坯信息包括：采集每块板坯的位置信号、每个除鳞点除鳞设定信号、板坯到达各个除鳞点的时刻和离开时刻、各位置除鳞规程、实际水流量、粗轧轧制道次数、粗轧各道次间隔时间、粗轧咬钢及抛钢速度除鳞泵运行频率、除鳞管路压力。

根据本发明的一实施例，鳞水流量需求值的计算方法为：分别计算粗轧除鳞箱除鳞点、粗轧机除鳞点、精轧除鳞箱除鳞点、精轧机架间除鳞点的鳞水流量需求值；将所有鳞水流量需求值相加。

在上述技术方案中，本发明的高压水除鳞智能节能系统及其控制方法能够解决除鳞系统由于压力变化范围大、瞬间变化频次快、出口压力高等诸多不确定因素而导致的除鳞电机无法精确控制的问题，实现热轧生产过程中除鳞系统压力、流量的精确控制，大大节约除鳞系统的电能消耗，降低在轧制过程中，除鳞系统负荷急剧变化对除鳞电机的冲击，实现除鳞系统安全稳定运行。

附图说明

图1是本发明高压水除鳞智能节能系统结构示意图；

图2是除鳞模型控制功能框图；

图3是除鳞模型程序结构示意图；

图4是本发明高压水除鳞智能节能控制方法的流程图；

图5是除鳞模型控制流程图；

图6是除鳞水流量需求计算流程图；

图7是不锈钢1780热轧除鳞系统的一个实施例示意图；

图8所示是本发明另一实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，本发明公开一种高压水除鳞智能节能系统，其主要包括三级子控制系统，即生产过程控制系统1(可以简称为L2、L2服务器)、除鳞智能模型控制器2(又可以称为除鳞智能模型控制系统、模型控制器)、除鳞控制器3(又可以称为L1、L1控制器或现场控制器)，分别如虚线框所示。

其中，L2生产过程控制系统主实现向除鳞智能模型控制系统发送：除鳞计划、钢种信息、生产工艺计划等数据。除鳞智能模型控制器主要实现对L2下发数据的筛选，并按照L2下发的实际生产计划和钢种，生产节奏，粗轧道次计划，以及实际的除鳞配置的情况进行除鳞水需求量计算、初始给定频率计算、加减速控制补偿计算等，来优化计算鳞系统各电机的开停以及相应的速度设定。并将优化的速度设定值下发给除鳞L1控制器。除鳞L1控制器，接受除鳞模型控器的速度给定值，以此控制除鳞电机的运行和加减速控制。

本发明是通过除鳞智能模型控制器2将热轧产线生产过程控制系统与现场PLC、变频器、高压电机、传感器、电动执行机构等设备进行整合控制，建立智能高压水除鳞模型，结合轧制计划、道次计算、位置跟踪等相关数据，对除鳞系统供水量进行提前预测，根据专家经验确定最佳变频转速，实现对水量的优化利用。

同时，系统通过综合考虑除鳞水需求量、除鳞水提供量、系统管路压力、系统设定压力在控制过程中的导向作用，确定实际压力与设定压力的偏差在设定允许压力偏差和设定极限压力偏差间的相对位置，并利用钢坯位置信号、钢坯除鳞工艺信号、除鳞道次信号、钢坯除鳞状态信号等综合提前分析来选取合适的变频泵加速度，满足除鳞泵平稳的加减速控制，以达到除鳞系统节能运行的目的。

继续参照图1，整个系统由3级控制系统构成，生产过程控制系统1、除鳞智能模型控制器2、除鳞控制器3之间通过以太网进行通信。智能模型控制系统其上为L2控制系统，L2控制系统负责下发生产线各类报文，智能模型控制系统按照L2下发的实际生产计划和钢种schedule，生产节奏MPC，粗轧道次计划RSU，精轧道次计划计算FSU安排以及实际的除鳞配置的情况，来优化计算鳞系统各电机的开停以及相应的速度设定。除鳞控制器3包括PLC和画面输出模块

除鳞L1控制器负责除鳞系统各现场设备的数据的采集和控制，包含根据实际现场信号进行除鳞泵控制，压缩空气电机、各种保护等。除鳞L1控制器通过Profibus-DP网和硬接线与现场设备进行连接。

如图2所示，除鳞控制器与位置传感器、变频器、除鳞泵、变送器、压力传感器、流量计相连接。除鳞智能模型控制器接受生产过程控制系统的下发数据，其连接PLC，PLC分别连接位置传感器、变送器和变频器，变频器连接除鳞泵，压力传感器和流量计检测除鳞泵出口的供水管路。

如图3所示，系统模型程序设置在新增工程师站中，与L2服务器通过通讯电文进行数据交互。模型程序从除鳞数据管理、板坯跟踪信息管理获取到信息，经过处理后与专家数据进行预判比对，最终给出设定下发至L1。模型程序结合板坯跟踪信息和除鳞数据进行计算，根据配置文件中设定的时间窗口，从L2获得板坯跟踪信息及该板坯的除鳞计划，在板坯到达除鳞点之前独立计算将来的除鳞水需求量，同时考虑系统的压力设定，预测计算该窗口内各除鳞点的所需除鳞水总流量，根据水量和相关数据查询专家数据库，确定变频器的转速。时间段长度可依据不同生产情况在画面中进行修改。

此外，本发明还公开一种高压水除鳞智能节能控制方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤S1：周期激励。

步骤S2：读取线上所有板坯信息。

步骤S3：读取时间窗口内板坯鳞水流量需求值。

步骤S4：读取策略数据。

步骤S5：合并所有鳞水流量需求值。

步骤S6：根据所有鳞水流量需求值及相关条件查询数据库以确定频率。

步骤S7：发送除鳞水量及频率。

在图4中，板坯信息，即除鳞智能模型控制器2所采集的控制数据有以下几个：

1)每块板坯的位置信号(通过位置传感器)

2)每个除鳞点除鳞设定信号(L2服务器)

3)板坯到达各个除鳞点的时刻和离开时刻(L2服务器)

4)各位置除鳞规程(L2服务器)

5)实际水流量(流量计)

6)粗轧轧制道次数(L2服务器)

7)粗轧各道次间隔时间(L2服务器)

8)粗轧咬钢及抛钢速度(L2服务器)

9)除鳞泵运行频率(变频器)

10)除鳞管路压力(压力传感器)

如图5和图6所示，鳞水流量需求值的计算方法为：

1)各位置流量计算

分别计算粗轧除鳞箱除鳞点、粗轧机除鳞点、精轧除鳞箱除鳞点、精轧机架间除鳞点的鳞水流量需求值。除鳞智能模型控制器(系统)接收到板坯在不同位置传感器信号时，判断L2设定，延时一段时间(可简单自学习)后，将流量计入，喷射指令结束时流量清零。

2)总需求流量计算

将所有鳞水流量需求值相加，即将以上计入流量相加可计算出总流量：Qn＝QHSB+QR1+QFSB++QF1～F3

下面通过实施例来进一步补充说明上述技术方案。

如图7所示，粗轧除鳞箱除鳞(HSB)点、粗轧机除鳞(R1)点、精轧除鳞箱除鳞(FSB)点、精轧机架间除鳞(F1-F3)点分别连接至气水储能罐。热轧高压除鳞系统在生产过程中，低压水经过除鳞泵M1、M2、M3、M4加压成高压水，在气水储能罐E中进行储能，当从加热炉Fec1、Fec2、Fec3中出来的钢坯B1、B2到达粗轧除鳞箱除鳞(HSB)点、粗轧机除鳞(R1)点、精轧除鳞箱除鳞(FSB)点、精轧机架间除鳞(F1-F3)点时，按不同钢坯进行不同点的除鳞工艺处理，不同钢种在每个除鳞点的除鳞次数不一样，有的钢坯在某除鳞点需要除鳞，有的不需要除鳞，当需要除鳞时，由除鳞泵和气水储能罐进行给高压水。

图7所示的工作原理是：智能模型控制系统从L2服务器获得板坯跟踪信息及该板坯的除鳞计划，在板坯到达除鳞点之前计算将来的除鳞水需求量，同时考虑系统的压力设定，最终生成变频器的运行频率下发给除鳞L1控制器(PLC)，L1控制器根据实际现场信号及保护连锁，进行除鳞泵电机的变频控制。如：智能模型控制系统接收到批次除鳞工艺计划和板坯出炉信号后，根据辊道线速度测算出板坯到达各除鳞点所用时间，依据除鳞工艺计划要求，计算出该板坯在各除鳞点的除鳞水需求量，结合下级变频器实际设定的响应速度，计算出满足板坯到达除鳞点时所需的除鳞水量相对应的除鳞电机运行频率，下发给L1控制器，L1控制器将收到的运行频率依据现场信号及保护连锁进行处理后，下发给除鳞变频器运行频率，以实现除鳞电机的升降速控制，整个控制过程中智能模型控制系统依据生产工艺及板坯位置，在不断的计算后修正，而现场电机的运行频率随着控制模型的下发指令在不断的上升和下降，从而实现整个除鳞系统的智能节能运行。

如图8所示为模型加减速控制流程图，给定频率计数过程说明：依据前期流量需求值计算频率给定值

n＝Qn/QN*nN

式中：n－给定速度，Qn－总需求流量，QN－泵体设计流量，nN－电机额定功率

f＝n*p/60

式中：f－给定频率，n－给定速度，p－电机极对数，60－常数。

注：H1＝Href×(－10～－20)％；H2＝Href×(10～20)％

加减速量计算过程：

$\mathrm{ac}\left(\mathrm{sc}\right)=\sqrt{\mathrm{\λ}*\mathrm{\ΔH}}*p/60;$

式中：λ－管道消耗系数，p－电机极对数，as(sc)－加减速量，△H－压力偏差量

在生产过程中，除鳞智能模型控制器(系统)从L2服务器获得每块板坯的位置信号、每个除鳞点除鳞设定信号、板坯到达各个除鳞点的时刻和离开时刻、各位置除鳞规程、实际水流量、粗轧轧制道次数、粗轧各道次间隔时间、粗轧咬钢及抛钢速度除鳞泵运行频率、除鳞管路压力等信号，在板坯到达除鳞点之前计算将来的除鳞水需求量Qn(Qn＝QHSB+QR1+QFSB++QF1～F3)，同时考虑系统的压力设定，最终生成变频器的运行频率(n＝Qn/QN*nN；f＝n*p/60)下发给除鳞L1控制器(PLC)，L1控制器根据实际现场信号及保护连锁，进行除鳞泵电机的变频控制。

整个控制过程中智能模型控制器(系统)依据生产工艺中水的需求量不同和压力值的不同，不断对变频器的运行频率进行补偿和修正，从而实现整个除鳞系统的智能节能运行。

例如：在生产碳钢的过程中，除鳞智能控制器(系统)在接收L2生产过程信息后，得出该钢种的除鳞点为HSB、R1、FSB、F1～F3，即依据除鳞喷射阀设计流量得出除鳞水需求量为：Qn＝QHSB+QR1+QFSB++QF1～F3，系统依据得出的除鳞水需求量计算出系统初始给定频率f，(n＝Qn/QN*nN；f＝n*p/60)，同时依据给定频率计算出除鳞水压力值(Href＝n2)，除鳞泵电机以给定频率进行运转，过程中，除鳞模型控制器(系统)不断采集现场实际水流量和压力反馈值，通过计算比较得出加减速补偿量ac和sc()，并对给定运行频率进行加减修正，从而实现整个除鳞系统的智能节能控制。

如当前生产不锈钢过程中，除鳞智能控制器(系统)在接收L2生产过程信息后，得出该钢种的除鳞点为HSB、R1、即依据除鳞喷射阀设计流量得出除鳞水需求量为：Qn＝QHSB+QR1，系统依据得出的除鳞水需求量计算出系统初始给定频率f。其余计算和补偿过程与碳钢一样。

本发明将热轧产线生产过程控制系统与现场PLC、变频器、高压电机、传感器、电动执行机构等设备进行整合控制，建立智能高压水除鳞模型，结合轧制计划、道次计算、位置跟踪等相关数据，对除鳞系统供水量进行提前预测，根据专家经验确定最佳变频转速，实现对水量的优化利用，解决了除鳞系统由于压力变化范围大、瞬间变化频次快、出口压力高等诸多不确定因素而导致的除鳞电机无法精确控制的问题；实现了热轧生产过程中除鳞系统压力、流量的精确控制，大大节约除鳞系统的电能消耗；降低了在轧制过程中，除鳞系统负荷急剧变化对除鳞电机的冲击，实现除鳞系统安全稳定运行。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种高压水除鳞智能节能系统，其特征在于，包括：

生产过程控制系统、除鳞智能模型控制器、除鳞控制器；

所述生产过程控制系统向除鳞智能模型控制器发送除鳞计划、钢种信息、生产工艺计划；

所述除鳞智能模型控制器对生产过程控制系统下发数据的筛选，并进行除鳞水需求量计算、初始给定频率计算、加减速控制补偿计算，优化计算鳞系统各电机的开停以及相应的速度设定，并将优化的速度设定值下发给除鳞控制器；

所述除鳞控制器接受除鳞智能模型控器的速度给定值，以此控制除鳞电机的运行和加减速控制。

2.如权利要求1所述的高压水除鳞智能节能系统，其特征在于，所述除鳞控制器包括PLC和画面输出模块。

3.如权利要求2所述的高压水除鳞智能节能系统，其特征在于，所述除鳞控制器与位置传感器、变频器、除鳞泵、变送器、压力传感器、流量计相连接；

所述除鳞智能模型控制器接受生产过程控制系统的下发数据，其连接PLC，所述PLC分别连接位置传感器、变送器和变频器，所述变频器连接除鳞泵，压力传感器和流量计检测除鳞泵出口的供水管路。

4.如权利要求3所述的高压水除鳞智能节能系统，其特征在于，还包括气水储能罐、粗轧除鳞箱除鳞点、粗轧机除鳞点、精轧除鳞箱除鳞点、精轧机架间除鳞点，所述粗轧除鳞箱除鳞点、粗轧机除鳞点、精轧除鳞箱除鳞点、精轧机架间除鳞点分别连接至所述气水储能罐。

5.一种高压水除鳞智能节能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

周期激励；

读取线上所有板坯信息；

读取时间窗口内板坯鳞水流量需求值；

读取策略数据；

合并所有鳞水流量需求值；

根据所有鳞水流量需求值及相关条件查询数据库以确定频率；

发送除鳞水量及频率。

6.如权利要求5所述的高压水除鳞智能节能控制方法，其特征在于，所述板坯信息包括：

采集每块板坯的位置信号、每个除鳞点除鳞设定信号、板坯到达各个除鳞点的时刻和离开时刻、各位置除鳞规程、实际水流量、粗轧轧制道次数、粗轧各道次间隔时间、粗轧咬钢及抛钢速度除鳞泵运行频率、除鳞管路压力。

7.如权利要求5所述的高压水除鳞智能节能控制方法，其特征在于，所述鳞水流量需求值的计算方法为：

分别计算粗轧除鳞箱除鳞点、粗轧机除鳞点、精轧除鳞箱除鳞点、精轧机架间除鳞点的鳞水流量需求值；

将所有鳞水流量需求值相加。