포스코 기술연구소 - 열간압연공정에서의 스트립 폭방향온도 모니터링시스템

Author(s):
이성진 책임연구원 - 포스코 기술연구소

Industry:
Basic Materials - Steel/ Lumber/ Construction

Products:
LabWindows/CVI, LabVIEW, PXI/CompactPCI, Internet Toolkit

The Challenge:
균일한 온도를 확보하기 위해 스트립의 폭 방향온도 프로파일을 계측하고 평가할 수 있는 시스템을 개발하게 되었다.

The Solution:
온도계의 출력신호를 받아드리기 위해 사용된 두 대의 daq board 는 PCI-MIO-16E-4 이며 본 프로그램은 LABVIEW 6.1로 프로그래밍하였다.

목표
열연 코일을 생산하는 열간 압연공정에서의 압연 소재 온도는 열연제품의 강도 혹은 가공성 등을 결정하는 중요한 인자이다. 따라서 열간 압연공정에서는 라인 중간에 온도계를 설치하여 목표 온도에 맞도록 공정을 제어하고 있다. 최근에는 열연 제품에 있어서 전체 폭과 전체 길이에 대해 치수 및 기계적 성질이 균일하도록 노력하고 있다. 이를 위해서 균일한 온도를 확보하기 위해 스트립의 폭 방향온도 프로파일을 계측하고 평가할 수 있는 시스템을 개발하게 되었다.

온도프로파일 측정
스트립의 폭 방향온도는 열간 마무리압연기(finishing mill)의 출 측과 권취기(down coiler) 입측에 설치된 폭 방향온도계로 측정되어 진다.

Fig. 1 스트립 폭방향 온도모니터링 시스템

본 시스템에서 사용된 온도스캐너(temperature scanners)는 CCD linear array 를 사용한 스캐닝타입의 방사온도계로 CHINO사의 IR-N 모델과 LAND사의 LPU2 모델이다. 폭 방향의 검출소자 수는 2,048개이며 초당 90회(90 times/second)를 scan할 수 있다. 온도스캐너의 출력은 설정된 온도 범위에 대해 전압(혹은 전류)으로 나오며 scan 시 마다 연속적으로 출력된다. 또한 scan 시 마다 주사동기신호가 온도프로파일 데이터와 함께 출력되므로 이 channel 을 software trigger 가능을 이용하여 샘플링하면 일정위치의 폭 방향 온도 프로파일이 얻어질 수 있다. 이 때 샘플링 속도는 80,000 160,000 샘플/초 정도이며 한번에 읽어오는 데이터량은 1,000 2,000 포인터이다. 본 시스템은 main Vi 상의 한 loop 안에서 두개의 데이터 수집 task 를 운영하는 것으로 각각의 온도스캐너 의 온도데이터가 주사동기신호를 trigger channel로 하여 수집되어 진다. 온도계의 출력신호를 받아드리기 위해 사용된 두 대의 daq board 는 PCI-MIO-16E-4 이며 본 프로그램은 LABVIEW 6.1로 프로그래밍하였다.

운전자 화면
두 구간의 스트립의 폭 방향온도를 일정한 시간 간격으로 수집하여 온도 프로파일을 graph 로 보여 주는 화면(Fig. 2)과 스트립의 전체 폭과 전체 길이에 대하여 그림과 같이 보여주는 pseudo-color temperature profile 화면(Fig. 3)이 있다.
본 프로그램의 특징은 LabVIEW 6.1에서 지원되는 Tab Dialog 기능을 이용한 것인데 두 구간에서의 폭 방향온도프로파일 화면(FDT temp-profile, CT temp-profile)과 두 구간의 폭 방향온도 프로파일 intensity chart 화면 (color profile) 그리고 daq board의 샘플링 조건 및 스트립의 edge 검출 조건 등의 각종 파라미터를 설정하는 화면(parameter) 등으로 구성하였다.

스케일 필터링 (Scale Filtering)
폭방향온도 모니터링시스템의 또 다른 적용 예로서 미니밀 사상압연 입측 폭방향온도 filtering 시스템을 들 수 있다. 광양 미니밀 공장은 Finishing Mill Set Up(이하 FSU)을 위하여 crop shear 입측에 one-point pyrometer 로 사상압연 입 측 온도(이하 FET)를 측정하고 있다. 온도가 계측되는 위치는 uncoiling station으로부터 5.6m 떨어진 곳이며, 이 위치에서의 소재 표면상태는 holding furnace 내에서 생성된 Scale들이 소재로부터 완전히 분리되지 않아 그림 4의 열화상 측정결과에서 알 수 있듯이 그 일부가 표면에 불균일하게 붙어 있는 경우가 많다. 이로 인해 Bar 선단부로 부터 미단부까지 온도계를 통해 계측되는 측정값은 편차가 매우 심하게 발생하고 있으며, 특히 FSU 모델의 압연하중을 계산하는 기준값으로 사용되는 소재 선단부에서의 측정편차는 더욱 심한 경향을 보이고 있다.

그림 4에서도 알 수 있듯이 bar 표면에는 국부적으로 스케일이 부착되어 있으며 스케일이 박리된 부분도 면적으로 볼 때 50% 이상이 됨을 알 수 있다. 이러한 특징을 고려하여 열연 판에 부착된 스케일에 의해 온도가 오검출되는 문제점을 해결하기 위해서 다음과 같은 필터링 처리를 하였다.
본 시스템은 미니밀 사상압연 입측에 설치하여 Bar의 상부온도를 폭 방향으로 측정하여 1차적으로는 데이터 프로세싱 과정을 거쳐 scale 의 영향이 제거된 온도를 실시간으로 제공함으로써 FSU 설정에 필요한 사상압연 입측온도로 사용한다.
그림 5는 온도 프로파일 데이터를 처리하는 로직을 나타낸 그림으로서 function 을 사용하면 간단히 스케일이 제거된 온도 데이터가 얻어진다. 온도 데이터를 큰 순서대로 배열하고 상위 10%의 데이터를 추출하여 평균값을 계산한다.

Fig. 5 스케일 필터링 로직

그림 6은 One-point 방사온도계에서 측정한 온도 실적과 폭방향온도 데이터에서 처리된 최고온도, 전체 평균값, 상위 100점 평균값을 비교한 그림이다. 그림에서 one-point 방사온도계로 측정한 온도는 스케일의 영향으로 편차가 심하게 발생됨을 알 수 있으며 필터링 처리된 온도의 경우 국부적인 온도 변동 없이 안정된 온도 변화를 나타냄을 알 수 있다.

Fig. 6 필터링 처리된 온도데이터

서버 시스템(Server system)
온도프로파일 데이터는 열연공장의 상위컴퓨터(process computer)에서 부여 받은 코일번호를 파일명으로 스트립별로 컴퓨터의 하드디스크에 저장된다. 또한 local area network 를 통해 FTP로 제철소 상위컴퓨터에 전송하여 database에 저장되며 중앙컴퓨터에 접속된 어떤 컴퓨터에서도 이전 실적을 조회할 수 있도록 만들었다.
전송방법으로는 일정한 포맷의 온도데이터 파일을 binary 형식으로 서버에 전송(FTP Put File)하였으며 전송이벤트(string)를 동일 시점에 서버로 전송(TCP Write)하였다.

가동현황
스트립의 폭 방향 온도 프로파일을 측정하고 평가하기 위한 본 시스템은 현재 POSCO 광양제철소의 3 곳의 Hot Strip Mill에 적용되어 가동 중에 있으며 필터링 기능을 추가한 사상압연 입측 온도 모니터링시스템은 광양 미니밀 공장에 설치되어 테스트 중에 있다.

결론
열간압연공정에서 두 구간의 스캐닝타입 방사온도계의 온도신호와 주사동기신호를 두 대의 daq board를 이용하여 고속으로 수집하여 스트립의 온도 프로파일과 pseudo-color 온도 프로파일 등을 실시간으로 display하며 그 코일의 압연이 완료되는 시점에는 압연전장의 일정한 위치간격으로 데이터를 추출하여 코일명으로 자동 저장하는 스트립 폭 방향 온도 모니터링 프로그램을 개발하였다.
또한 스케일이 부착된 열연강판의 진온도 측정과 같이 현장의 특성상 발생되는 문제점을 간단한 로직만으로도 충분히 해결될 수 있음을 경험하게 되었다.
또한 측정 결과를 여러 사람이 공유하기 위해서 상위컴퓨터에 전송하여 database에 저장하며 일정기간 보관하기로 하였다. 본 시스템 개발에 있어서는 최신 버젼인 LABVIEW 6.1과 Internet Toolkit의 기능들을 활용하였으며 프로그램의 편리성과 화면의 미려함 등으로 사용자의 만족감을 얻어 낼 수 있었다.

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이성진 책임연구원
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