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【摘 要】随着时代的进步和科技的发展，传统的生产设备逐步被现代化的生产设备所取代。自动化设备将成为生产型企业的主导，自动化的生产工艺也将逐步被推广。
【关键词】穿水；自动化；恒压控制；棒材轧制
引言
随着近几年迅速崛起的房地产行业，螺纹钢在建筑行业的需求量大量增加，各地的小型钢厂犹如雨后春笋。然而传统的热轧工艺为了满足特定的材料力学性能要求，都要加入一些特殊的合金元素，靠化学方法来满足最终力学的性能要求，这不仅仅使钢坯生产过程复杂化，而且还会因为添加合金使得碳当量增加，从而影响到材料的焊接性能。这就使得传统的热轧工艺有了一定的劣势。近些年，通过对穿水工艺的研究和反复实践，轧钢加入穿水工艺不仅仅可以提高钢筋的力学性能，降低成本，而且能够改善产品的表面质量，消除氧化气泡，同时能够减少弯头的数量，提高产品合格率，因此穿水工艺在轧钢行业大步推进。但是传统的穿水设备由于没有智能的检测器件，迅速的压力调节和精准的温度控制，完全靠人工调节控制，导致产品的质量稳定性很差。管理者为了降低更多的成本，获取更大的利润，提高产品质量稳定性，穿水设备的自动化控制已成必然趋势。
1.穿水工艺要求
为了实现穿水设备的自动化，首先要简单了解一下穿水的工艺要求。以φ12螺纹钢的轧制过程为例。
1.1原料成分要求
要求转炉炼钢成分基本均匀、纯净度、偏析度符合国际标准。
原料牌号：HRB335
目标牌号：HRB400
原料各化学成分要求如下：
C（%）0.20～0.25，
SI（%）0.4～0.8，
Mn（%）1.2～1.6，
S、P（%）<0.04，
Ceq（%）>0.42，
1.2各点温度控制要求
加热炉出钢温度：1100℃±30℃
粗轧温度：1100℃±20℃
精轧温度：1050℃±30℃
穿水入口温度：1050℃±30℃
穿水出口温度：420℃±30℃
冷穿回火温度：650℃±30℃
1.3冷却水及反吹气参数的控制要求
冷却水温度要求：<40℃
冷却水总流量要求：900m3/h
冷却水压力要求：（到穿水压力、压力稳定）不小于1.0MPa
供气要求：供气点到穿水旁，每处供气压力大于0.5MPa
压缩空气的总最大耗量：小于7m3/h，压力范围0.4～0.6MPa
1.4钢材速度
穿水入口速度：14m/s
穿水时间：0.9s
1.5轧制过程中工艺要求
依据工艺技术参数的要求，确保泵组、供气的正常使用。
依据工艺技术参数的要求，确保轧线各节点温度在工艺要求范围内调节粗、中、精轧制的推拉关系，确保粗、中微张力状态，精轧无张力状态。
1.6成品力学性能检测实验
取20支样品，其中10支应马上检验，另外10支过三个月时效后进行检验。
依据GB1499.2-2007标准中HRB400的力学性能和工艺性能要求进行检测：轧后屈服强度Rel≥460MPa；抗拉强度Rm≥570 MPa；延伸率A≥17%视为合格。三个月时效后，力学性能应高于国际：屈服强度Rel≥435MPa；抗拉强度Rm≥560 MPa；延伸率A≥17%视为合格。
2.穿水系统的构成
根据穿水工艺的要求，首先总结一下穿水系统设备由哪些组成：
2.1供水系统
穿水的供水系统一般是独立于轧机水处理站以外的冷却水处理系统，有自己的高压水泵，水箱，冷却器，水池，供水泵，自成一套系统。
2.2冷却水箱
冷却水箱装置由内部冷却器、箱体、横移小车及替换辊道组成。小断面的棒材一般采用套管冷却器，根据棒材的规格，一般安装2-4段。水箱一般采用盖板密封。替换辊道是根据生产需要配置的，当不使用穿水时，通过小车横移将冷却器移离轧制线。
2.3控制系统
控制系统分为手动控制系统，半自动控制系统，全自动控制系统。
手动系统中无智能检测器件，完全靠人工憑经验控制阀门的开度，来调节系统的压力。产品的稳定性较差。
半自动系统中有大部分的智能检测器件，根据检测的数据自动调节阀门的开度，水泵的转速，但压力的设定，温度的监控，由人工通过上位机的人机界面进行干预。系统的稳定性较高，产品的稳定性也较高。
全自动控制系统中，全部由智能检测器件检测，根据检测的数据自动调节阀门的开度，水泵的转速，控制穿水的压力，没有人工的干预。由于没有人工干预，系统运行过程中的不确定因素很多，系统的稳定性反而不高，一般不采用。
综上穿水工艺的要求，为了实现穿水设备的自动化，自动化系统应满足以下数据的采集：
2.3.1穿水各节点的钢的温度要实时采集。
2. 3.2穿水水的温度要实时采集。
2. 3.3穿水的水流流量要实时采集。
2. 3.4穿水的总管压力要实时采集。
2. 3.5穿水的分管压力要实时采集。
3.自动控制系统的组成
穿水自动控制系统一般由检测仪表，执行机构及PLC组成，为一闭环控制系统。
3.1检测原件包括：电磁流量计，测量总管的流量；热电阻，测量水的温度；压力传感器，测量总管及分管的压力；红外温度测量仪，测量钢的温度。
3.2执行机构包括：电动调节阀，可以调节阀门的开度；泄压阀，压力过高时自动打开；气动开闭阀，自动控制阀门的开关。 3.3PLC系统主要由以下几部分组成：
3.3.1CPU315PN/DP（6ES7 315-2EH14-0AB0）整个系统的大脑，负责通讯，运算，控制整个系统。
3.3.2DI32（6ES7 321-1BL00-0AA0）采集系统中开工量输入点。
3.3.3DO32（6ES7 322-1BHL00-0AA0）开关量输出，控制执行机构动作。
3.3.4AI8（6ES7 331-7KF02-0AB0）采集系统中的模拟量信号。
3.3.5AO2（6ES7 332-5HB01-0AB0）控制电动调节阀的开度。
3.3.6变频器（ATV61FHC22N4Z）配PROFIBUS通讯板。
3.3.7上位机（研华工控机）利用WINCC7.0组态软件组态人机界面。
4.自动控制系统的配置及功能
4.1系统的配置
系统选用的是西门子公司S7-300系列的PLC，其中DI，DO，AI，AO与PLC为一系列产品，不需要做过多的配置，直接连在一个机架上即可。主要是PLC与施耐德ATV61变频器进行硬件的连接及组态，建立PROFIBUS-DP现场总线网络。将变频器通过PROFIBUS通讯模板连接到S7-300 PLC的现场总线网络中，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，实现了变频器与S7-300的网络通讯，从而实现PLC可以通过总线控制变频的启停、速度给定和监控变频器的状态。
利用S7-300上的以太网接口，通过RJ-45，超5类网线连接到上位机的以太网接口上，将PLC的IP地址和上位机的IP地址设置在同一网段，从而实现PLC与上位机的以太网通讯。可以在上位机上组态人机界面，监控温度，设定压力等。
4.2系统压力的调节
穿水系统要求供水压力稳定，调节迅速。
根据穿水供水的工艺要求，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设定压力，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，进步水压，以维持输水管道要求的供水压力。当一台水泵不能达到设定的压力要求时，另外一台水泵自动投入运行，进行变频调速，第一台水泵切换到工频40Hz运行。
程序由STEP7 V5.5编辑，PID控制块为FB41。调用FB41需要背景数据块，假设为DB100。
其主要管腳为：
MAN_ON BOOL TRUE MANUAL VALUE ON如果设置输入"启用手动值"，将中断控制回路。手动值作为操作值进行设置。
PVPER_ON BOOL FALSE PROCESS VARIABLE PERIPHERAL ON如果从I/O读取过程变量，必须将输入PV_PER连接到I/O，且必须设置输入"启用过程变量外设"。一般置0。
P_SEL BOOL TRUE PROPORTIONAL ACTION ON可以在PID算法中单独激活或取消激活PID操作。如果设置输入"启用比例作用"，将启用P操作。一般置1。
I_SEL BOOL TRUE INTEGRAL ACTION ON可以在PID算法中单独激活或取消激活PID操作。如果设置输入"启用积分作用"，将启用I操作。 DEADB_W REAL >= 0.0 （%）或物理值1） 0.0 DEAD BAND WIDTH将死区应用于出错。"死区带宽"输入决定死区的大小。一般设0.05。
LMN_PER WORD W#16#0000 MANIPULATED VALUE PERIPHERAL将I/O格式的操作值连接到"操作值外设"输出的控制器。设给变频器速度的地址。
程序编写好以后，在OB1中调用，启动系统，根据上位机上设定的压力值和系统反馈的压力值作为系统的给定值和反馈值，调节系统比例系数和积分时间，直到系统快速稳定的达到设定的压力值。经过一段的时间的调试后得出P=0.004，I=0.25，系统稳定。
5.结束语
由于穿水设备的大量安装调试，以前旧的控制工艺，逐渐暴露出它的很多缺点和不足。这套穿水控制系统具有反应快速，稳定，可靠，调节精度高，人工成本底，维护简单，系统配置增减灵活，性价比高等优点，必将逐步代替传统的穿水控制系统。
参考文献：
[1]《棒材生产线及穿水冷却系统》程知松，余伟，刘涛等北京科技大学高效轧制国家工程研究中心
[2]《HRB335螺纹钢筋穿水冷却金相组织分析》 物理测试[J]2008，26（2）：23-25
【关键词】穿水；自动化；恒压控制；棒材轧制
引言
随着近几年迅速崛起的房地产行业，螺纹钢在建筑行业的需求量大量增加，各地的小型钢厂犹如雨后春笋。然而传统的热轧工艺为了满足特定的材料力学性能要求，都要加入一些特殊的合金元素，靠化学方法来满足最终力学的性能要求，这不仅仅使钢坯生产过程复杂化，而且还会因为添加合金使得碳当量增加，从而影响到材料的焊接性能。这就使得传统的热轧工艺有了一定的劣势。近些年，通过对穿水工艺的研究和反复实践，轧钢加入穿水工艺不仅仅可以提高钢筋的力学性能，降低成本，而且能够改善产品的表面质量，消除氧化气泡，同时能够减少弯头的数量，提高产品合格率，因此穿水工艺在轧钢行业大步推进。但是传统的穿水设备由于没有智能的检测器件，迅速的压力调节和精准的温度控制，完全靠人工调节控制，导致产品的质量稳定性很差。管理者为了降低更多的成本，获取更大的利润，提高产品质量稳定性，穿水设备的自动化控制已成必然趋势。
1.穿水工艺要求
为了实现穿水设备的自动化，首先要简单了解一下穿水的工艺要求。以φ12螺纹钢的轧制过程为例。
1.1原料成分要求
要求转炉炼钢成分基本均匀、纯净度、偏析度符合国际标准。
原料牌号：HRB335
目标牌号：HRB400
原料各化学成分要求如下：
C（%）0.20～0.25，
SI（%）0.4～0.8，
Mn（%）1.2～1.6，
S、P（%）<0.04，
Ceq（%）>0.42，
1.2各点温度控制要求
加热炉出钢温度：1100℃±30℃
粗轧温度：1100℃±20℃
精轧温度：1050℃±30℃
穿水入口温度：1050℃±30℃
穿水出口温度：420℃±30℃
冷穿回火温度：650℃±30℃
1.3冷却水及反吹气参数的控制要求
冷却水温度要求：<40℃
冷却水总流量要求：900m3/h
冷却水压力要求：（到穿水压力、压力稳定）不小于1.0MPa
供气要求：供气点到穿水旁，每处供气压力大于0.5MPa
压缩空气的总最大耗量：小于7m3/h，压力范围0.4～0.6MPa
1.4钢材速度
穿水入口速度：14m/s
穿水时间：0.9s
1.5轧制过程中工艺要求
依据工艺技术参数的要求，确保泵组、供气的正常使用。
依据工艺技术参数的要求，确保轧线各节点温度在工艺要求范围内调节粗、中、精轧制的推拉关系，确保粗、中微张力状态，精轧无张力状态。
1.6成品力学性能检测实验
取20支样品，其中10支应马上检验，另外10支过三个月时效后进行检验。
依据GB1499.2-2007标准中HRB400的力学性能和工艺性能要求进行检测：轧后屈服强度Rel≥460MPa；抗拉强度Rm≥570 MPa；延伸率A≥17%视为合格。三个月时效后，力学性能应高于国际：屈服强度Rel≥435MPa；抗拉强度Rm≥560 MPa；延伸率A≥17%视为合格。
2.穿水系统的构成
根据穿水工艺的要求，首先总结一下穿水系统设备由哪些组成：
2.1供水系统
穿水的供水系统一般是独立于轧机水处理站以外的冷却水处理系统，有自己的高压水泵，水箱，冷却器，水池，供水泵，自成一套系统。
2.2冷却水箱
冷却水箱装置由内部冷却器、箱体、横移小车及替换辊道组成。小断面的棒材一般采用套管冷却器，根据棒材的规格，一般安装2-4段。水箱一般采用盖板密封。替换辊道是根据生产需要配置的，当不使用穿水时，通过小车横移将冷却器移离轧制线。
2.3控制系统
控制系统分为手动控制系统，半自动控制系统，全自动控制系统。
手动系统中无智能检测器件，完全靠人工憑经验控制阀门的开度，来调节系统的压力。产品的稳定性较差。
半自动系统中有大部分的智能检测器件，根据检测的数据自动调节阀门的开度，水泵的转速，但压力的设定，温度的监控，由人工通过上位机的人机界面进行干预。系统的稳定性较高，产品的稳定性也较高。
全自动控制系统中，全部由智能检测器件检测，根据检测的数据自动调节阀门的开度，水泵的转速，控制穿水的压力，没有人工的干预。由于没有人工干预，系统运行过程中的不确定因素很多，系统的稳定性反而不高，一般不采用。
综上穿水工艺的要求，为了实现穿水设备的自动化，自动化系统应满足以下数据的采集：
2.3.1穿水各节点的钢的温度要实时采集。
2. 3.2穿水水的温度要实时采集。
2. 3.3穿水的水流流量要实时采集。
2. 3.4穿水的总管压力要实时采集。
2. 3.5穿水的分管压力要实时采集。
3.自动控制系统的组成
穿水自动控制系统一般由检测仪表，执行机构及PLC组成，为一闭环控制系统。
3.1检测原件包括：电磁流量计，测量总管的流量；热电阻，测量水的温度；压力传感器，测量总管及分管的压力；红外温度测量仪，测量钢的温度。
3.2执行机构包括：电动调节阀，可以调节阀门的开度；泄压阀，压力过高时自动打开；气动开闭阀，自动控制阀门的开关。 3.3PLC系统主要由以下几部分组成：
3.3.1CPU315PN/DP（6ES7 315-2EH14-0AB0）整个系统的大脑，负责通讯，运算，控制整个系统。
3.3.2DI32（6ES7 321-1BL00-0AA0）采集系统中开工量输入点。
3.3.3DO32（6ES7 322-1BHL00-0AA0）开关量输出，控制执行机构动作。
3.3.4AI8（6ES7 331-7KF02-0AB0）采集系统中的模拟量信号。
3.3.5AO2（6ES7 332-5HB01-0AB0）控制电动调节阀的开度。
3.3.6变频器（ATV61FHC22N4Z）配PROFIBUS通讯板。
3.3.7上位机（研华工控机）利用WINCC7.0组态软件组态人机界面。
4.自动控制系统的配置及功能
4.1系统的配置
系统选用的是西门子公司S7-300系列的PLC，其中DI，DO，AI，AO与PLC为一系列产品，不需要做过多的配置，直接连在一个机架上即可。主要是PLC与施耐德ATV61变频器进行硬件的连接及组态，建立PROFIBUS-DP现场总线网络。将变频器通过PROFIBUS通讯模板连接到S7-300 PLC的现场总线网络中，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，实现了变频器与S7-300的网络通讯，从而实现PLC可以通过总线控制变频的启停、速度给定和监控变频器的状态。
利用S7-300上的以太网接口，通过RJ-45，超5类网线连接到上位机的以太网接口上，将PLC的IP地址和上位机的IP地址设置在同一网段，从而实现PLC与上位机的以太网通讯。可以在上位机上组态人机界面，监控温度，设定压力等。
4.2系统压力的调节
穿水系统要求供水压力稳定，调节迅速。
根据穿水供水的工艺要求，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设定压力，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，进步水压，以维持输水管道要求的供水压力。当一台水泵不能达到设定的压力要求时，另外一台水泵自动投入运行，进行变频调速，第一台水泵切换到工频40Hz运行。
程序由STEP7 V5.5编辑，PID控制块为FB41。调用FB41需要背景数据块，假设为DB100。
其主要管腳为：
MAN_ON BOOL TRUE MANUAL VALUE ON如果设置输入"启用手动值"，将中断控制回路。手动值作为操作值进行设置。
PVPER_ON BOOL FALSE PROCESS VARIABLE PERIPHERAL ON如果从I/O读取过程变量，必须将输入PV_PER连接到I/O，且必须设置输入"启用过程变量外设"。一般置0。
P_SEL BOOL TRUE PROPORTIONAL ACTION ON可以在PID算法中单独激活或取消激活PID操作。如果设置输入"启用比例作用"，将启用P操作。一般置1。
I_SEL BOOL TRUE INTEGRAL ACTION ON可以在PID算法中单独激活或取消激活PID操作。如果设置输入"启用积分作用"，将启用I操作。 DEADB_W REAL >= 0.0 （%）或物理值1） 0.0 DEAD BAND WIDTH将死区应用于出错。"死区带宽"输入决定死区的大小。一般设0.05。
LMN_PER WORD W#16#0000 MANIPULATED VALUE PERIPHERAL将I/O格式的操作值连接到"操作值外设"输出的控制器。设给变频器速度的地址。
程序编写好以后，在OB1中调用，启动系统，根据上位机上设定的压力值和系统反馈的压力值作为系统的给定值和反馈值，调节系统比例系数和积分时间，直到系统快速稳定的达到设定的压力值。经过一段的时间的调试后得出P=0.004，I=0.25，系统稳定。
5.结束语
由于穿水设备的大量安装调试，以前旧的控制工艺，逐渐暴露出它的很多缺点和不足。这套穿水控制系统具有反应快速，稳定，可靠，调节精度高，人工成本底，维护简单，系统配置增减灵活，性价比高等优点，必将逐步代替传统的穿水控制系统。
参考文献：
[1]《棒材生产线及穿水冷却系统》程知松，余伟，刘涛等北京科技大学高效轧制国家工程研究中心
[2]《HRB335螺纹钢筋穿水冷却金相组织分析》 物理测试[J]2008，26（2）：23-25