軋機(jī)立輥寬度自動(dòng)控制（AWC）系統(tǒng)在鋼廠的應(yīng)用

郝麗霞，常淑鳳，王紅光

HAO Li-xia, CHANG Shu-feng, WANG Hong-guang

（河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050026）

0 前言

傳統(tǒng)型熱軋帶鋼生產(chǎn)過程中，為減少板坯的寬度偏差，粗軋機(jī)組大多采用立輥實(shí)現(xiàn)板坯的在線調(diào)寬功能。板帶側(cè)壓時(shí)，由于塑性變形難以深入到板坯中部，容易造成軋后板寬斷面頭尾失寬，水平軋制后頭尾寬度偏差進(jìn)一步增大，造成帶鋼全長(zhǎng)的寬度偏差。從上世紀(jì)70年代開始，在熱軋寬帶鋼生產(chǎn)線開始采用自動(dòng)寬度控制（AWC）技術(shù)，隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，現(xiàn)在，在國(guó)內(nèi)外多條帶鋼生產(chǎn)線上， AWC技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。但是直到今天為止，對(duì)帶鋼寬度、成熟度和應(yīng)用深度，遠(yuǎn)不及厚度及溫度控制。AWC系統(tǒng)的不斷更新和日臻成熟，為粗軋帶鋼寬度控制，提供了有力地技術(shù)保證。由于可以降低帶鋼切邊損耗，提高帶鋼成材率，給熱軋生產(chǎn)創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益，越來(lái)越受人們重視。

1 粗軋立輥AWC自動(dòng)調(diào)寬技術(shù)原理

熱軋帶鋼的生產(chǎn)工藝希望軋后板寬沿其全長(zhǎng)方向的寬度精度在允許的公差范圍之內(nèi)。然而由于各種原因，板寬會(huì)時(shí)常出現(xiàn)波動(dòng)，為補(bǔ)償板寬的這種波動(dòng)，要求自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)于各種擾動(dòng)能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，由此而產(chǎn)生了自動(dòng)寬度控制系統(tǒng)。

在世界范圍生產(chǎn)線安裝的自動(dòng)寬度控制系統(tǒng)在配置上各不相同，但從控制原理角度來(lái)看，大多數(shù)都使用較為類似的方法，一般都采用兩種獨(dú)立的控制策略，來(lái)控制軋件頭尾和中部，即頭尾部的短行程控制和軋制過程的寬度自動(dòng)控制系統(tǒng)（包括前饋控制、軋制力反饋控制、寬度動(dòng)態(tài)設(shè)定等）。

2 AWC的控制方式

所謂AWC就是在指定的時(shí)刻，將被控對(duì)象的寬度自動(dòng)地調(diào)節(jié)到預(yù)先給定的目標(biāo)寬度上，調(diào)節(jié)后的寬度與目標(biāo)寬度之差保持在允許的誤差范圍內(nèi)，這個(gè)調(diào)節(jié)過程稱為自動(dòng)寬度控制，簡(jiǎn)稱AWC。它是針對(duì)水印和板坯缺陷清理帶來(lái)的寬度缺陷，對(duì)帶鋼全長(zhǎng)上寬度進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正的一種控制方法，AWC控制屬于一種反饋控制修正法。

一般來(lái)講，自動(dòng)寬度控制（AWC）包括以下幾部分：

1）頭部和尾部短行程控制（SSC）：是以大側(cè)壓調(diào)寬時(shí)板坯頭尾收縮的輪廓線為基準(zhǔn)，在頭尾軋制中控制軋機(jī)輥縫，不斷跟蹤基準(zhǔn)輪廓曲線 ，并按與之反向?qū)ΨQ的變化曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償側(cè)壓變形量，經(jīng)水平軋制后變形量產(chǎn)生的偏差減至最小。

SSC控制的實(shí)質(zhì)是在板坯到達(dá)立輥前熱金屬探測(cè)器HMD時(shí)，液壓伺服閥開度開始自動(dòng)調(diào)節(jié)，按事先設(shè)定好的曲線，調(diào)整開口度。達(dá)到預(yù)期效果。

2）軋制力控制（RFAWC）：板坯咬入立輥后，延遲一段時(shí)間（以獲得正確的頭部信息，存儲(chǔ)軋制力F0和位置S0）后啟動(dòng)RFAWC，通過對(duì)軋制力精確測(cè)量，并控制其恒定來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)板坯的寬度反饋控制。

RFAWC本質(zhì)上就是對(duì)立輥輥縫開度校準(zhǔn)值的計(jì)算，是基于軋制力偏差和輥縫開度偏差來(lái)求得的。具體方法如下：

軋制力偏差： ΔF =F-F0

式中：F為立輥軋制力，采用壓力傳感器實(shí)測(cè)值；F0為立輥軋制力存儲(chǔ)值。

輥縫開度偏差：ΔS =S-S0

式中：S為立輥輥縫，采用磁尺實(shí)測(cè)值+絕對(duì)編碼器實(shí)測(cè)值；S0為立輥輥縫存儲(chǔ)值。

然后依次可求得寬度偏差為：

式中：M為立輥軋機(jī)剛度；α為調(diào)節(jié)率（來(lái)自二級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)定）。

立輥輥縫校準(zhǔn)值：

式中：GRF為來(lái)自L2的RFAWC增益。

式中：M為立輥軋機(jī)剛度；Q為寬度縮變系數(shù)；α為調(diào)節(jié)率；G為RFAWC增益。

一級(jí)PLC系統(tǒng)在原來(lái)控制給定值的基礎(chǔ)上，增加S*最終達(dá)到控制寬度的目的。

3）前饋控制（FFAWC）：對(duì)于某些變化較陡的寬度偏差，反饋控制效果較差，為此采用前饋控制來(lái)補(bǔ)償。為實(shí)現(xiàn)FFAWC，需在立輥前設(shè)置測(cè)寬儀，在某些偶道次軋制完后，獲得實(shí)際寬度偏差分布，而奇道次軋制時(shí)，控制立輥開口度，以補(bǔ)償寬度偏差。

前饋控制的原理是利用設(shè)置在立輥軋機(jī)前的測(cè)寬儀檢測(cè)入口寬度偏差，求出立輥輥縫的校準(zhǔn)值，再對(duì)立輥的開口度進(jìn)行前饋調(diào)節(jié)以提高出口寬度的均勻性。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

立輥輥縫校準(zhǔn)值 ：

式中：GFF為FFAWC增益。 KW為入口寬度偏差的影響系數(shù)；KE為立輥輥縫偏差的影響系數(shù)；ΔW為寬度偏差；TPR為錐度校準(zhǔn)值。

ΔW=RDW-（DWAV+REWST） （FFAWC 標(biāo)志 =0）

ΔW=RDW-RDW*（FFAWC 標(biāo)志 =1）

式中：RDW為RM 出口反饋值；DWAV為寬度鎖存值；REWST 為RM寬度儀最后一道次寬度目標(biāo)設(shè)定值；RDW*為入口目標(biāo)寬度。

TPR=0（M＜=ISRTP）

TPR=(M-ISRTP-1)*TPCR（M＞ISRTP）

式中：M為采樣計(jì)數(shù)；ISRTP為錐度校準(zhǔn)開始點(diǎn)；TPCR錐度校準(zhǔn)系數(shù)。

4）動(dòng)態(tài)自學(xué)習(xí)功能：一般是2級(jí)計(jì)算機(jī)根據(jù)1級(jí)基礎(chǔ)傳送的軋制時(shí)的實(shí)測(cè)參數(shù)，對(duì)AWC模型進(jìn)行自學(xué)習(xí)，并下達(dá)設(shè)定的控制方式。

為了提高設(shè)定精度，利用水平可逆軋機(jī)后的測(cè)寬儀，對(duì)倒數(shù)第二個(gè)奇道次軋制的板坯進(jìn)行寬度實(shí)測(cè)，利用此實(shí)測(cè)信息，根據(jù)自學(xué)習(xí)模型，重新計(jì)算末道次的立輥開口度，以保證粗軋出口寬度的控制精度。

寬度控制中，要充分考慮由于立輥壓縮所造成的“狗骨頭”現(xiàn)象，在接著進(jìn)行的水平輥軋制時(shí)，將產(chǎn)生“再展寬”的現(xiàn)象，即水平輥軋制后的寬度要比一般寬度計(jì)算值要大，這就需要在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期收集大批數(shù)據(jù)加以統(tǒng)計(jì)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和歸納，以求得考慮“再展寬”情況下的實(shí)用擬和公式。

5）縮頸補(bǔ)償功能：縮頸（寬度變窄）是由于精軋機(jī)在活套起套時(shí)對(duì)帶鋼沖擊以及卷取機(jī)咬入帶鋼后由速度控制切換到張力控制切換不當(dāng)所造成的。

縮頸補(bǔ)償控制的策略是根據(jù)精軋后測(cè)寬儀的實(shí)測(cè)值不斷地傳送到L2過程計(jì)算機(jī)，通過模型的連續(xù)自學(xué)習(xí)而得到的補(bǔ)償值傳達(dá)到PLC進(jìn)行控制。

3 國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)線AWC控制應(yīng)用情況

縱觀國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)的熱軋帶鋼生產(chǎn)線，尤其是大型傳統(tǒng)軋機(jī)，大部分都具備寬度控制功能。例如

3.1 攀鋼熱軋生產(chǎn)線寬度控制

攀鋼熱軋生產(chǎn)線粗軋區(qū)核心采用自動(dòng)寬度控制（AWC），它的軟件和主要控制硬件均由VAI_CLECIM公司提供，其長(zhǎng)行程液壓控制技術(shù)，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，自動(dòng)控制核心由 PCS(過程控制2級(jí)系統(tǒng))和TCS(工藝控制1級(jí)系統(tǒng))組成。

由于攀鋼粗軋機(jī)為可逆式軋機(jī)，它的寬度控制有條件采用“奇道次壓下，偶道次測(cè)量”的方式。

奇道次，HMD 探測(cè)到帶鋼后，首先從加熱爐2級(jí)獲得板坯數(shù)據(jù)，按照模型，PCS傳輸給定值到一級(jí)，跟蹤啟動(dòng)。當(dāng)板坯頭部到達(dá)立輥時(shí)，立輥出口側(cè)長(zhǎng)度定義為零，開始按速度計(jì)算出口長(zhǎng)度，便于測(cè)寬裝置定位，同時(shí)啟動(dòng)AWC。

偶道次，無(wú)側(cè)壓，TCS進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)板帶頭離開測(cè)量設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)采集結(jié)束。采集的數(shù)據(jù)用于下一道次的板型和溫度補(bǔ)償。

攀鋼AWC功能的實(shí)現(xiàn)包括立輥輥縫預(yù)設(shè)定和在線控制兩部分，其中在線控制又包括短行程、板型補(bǔ)償控制、溫度補(bǔ)償控制三項(xiàng)功能。

3.2 太鋼熱軋生產(chǎn)線寬度控制

太鋼1549mm生產(chǎn)線自動(dòng)寬度控制設(shè)計(jì)由控制1級(jí)或2級(jí)共同完成：

過程控制2級(jí)，主要是對(duì)進(jìn)鋼前粗軋帶鋼的寬展進(jìn)行預(yù)計(jì)算，產(chǎn)生初步立輥和水平輥壓下的設(shè)定值；然后把設(shè)定值傳到1級(jí)，1級(jí)以此作為寬度附加值進(jìn)行控制。

寬度2級(jí)設(shè)定系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)過程：1）預(yù)設(shè)值

在鋼坯出爐后，在粗軋除鱗箱以及有操作員請(qǐng)求的情況下都對(duì)粗軋機(jī)組進(jìn)行預(yù)設(shè)定，主要是確定軋制策略和道次設(shè)定，力求是盡可能少的道次軋成要求目標(biāo)寬度精度的成品。

Level2根據(jù)軋制入口變量、目標(biāo)變量、工藝條件和遺傳系數(shù)確定軋制策略數(shù)據(jù)，其中：

入口變量主要包括板坯尺寸、板坯的溫度、化學(xué)成分。

目標(biāo)變量主要指預(yù)期達(dá)到得目標(biāo)寬度和厚度。

工藝條件即預(yù)計(jì)算得到的各立輥道次的“狗骨頭”，各水平輥軋制的寬度以及精軋機(jī)組的寬展等，還包括操作員輸入的修正附加值。

遺傳系數(shù)主要包括長(zhǎng)期遺傳系數(shù)和短期遺傳系數(shù)，當(dāng)下一塊板坯與上一塊板坯相比其厚度、寬度、硬度發(fā)生變化時(shí)，即使用長(zhǎng)期遺傳系數(shù)，當(dāng)下一塊板坯與上一塊板坯厚度、寬度、硬度相同并間隔時(shí)間不太長(zhǎng)的情況下，使用短期遺傳系數(shù)。

另外，過程自動(dòng)化還為基礎(chǔ)自動(dòng)化的AWC以及SSC控制提供基準(zhǔn)參考值，主要為立輥提供輥縫位置設(shè)定值，壓力設(shè)定值以及放大因子等。

2）后計(jì)算

每道次軋制后，都會(huì)對(duì)軋件的寬度進(jìn)行測(cè)量，并啟動(dòng)后計(jì)算數(shù)學(xué)模型，后計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果一方面?zhèn)髦辆垍^(qū)，另一方面與實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差系數(shù)，該系數(shù)返回來(lái)用于修正預(yù)計(jì)算模型，以保證板坯的寬度得以較精確的控制。

如果該系數(shù)過大超限，那么模型將判斷是否啟動(dòng)新計(jì)算，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整軋制策略，消除帶鋼目標(biāo)值與測(cè)量值之間的偏差，逼近給定值。

3）新計(jì)算

新計(jì)算就是根據(jù)當(dāng)前粗軋道次的測(cè)量結(jié)果和后計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，重新分配寬度壓下量，修正已檢測(cè)到的寬度偏差。

新計(jì)算發(fā)生的原因主要是由于平輥機(jī)架不正確的壓下，立輥機(jī)架不正確的壓下，道次間的時(shí)間延長(zhǎng)，提供的材料硬度不準(zhǔn)確等。

寬度1級(jí)AWC系統(tǒng)

主要是根據(jù)立輥軋機(jī)液壓缸壓力傳感器檢測(cè)軋制時(shí)壓力的變化，進(jìn)而推出板坯實(shí)際寬度的變化?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)這個(gè)反饋數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整立輥控制給定，進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，以抵消寬度不勻造成的影響。

其控制原理用公式表述：

W＝Wset+(F+ΔF)/M

其中，W為軋件目標(biāo)寬度；

Wset為立輥輥縫設(shè)定值；

F為預(yù)設(shè)軋制力；

ΔF為軋制力波動(dòng)變化量；

M為立輥軋機(jī)剛度系數(shù)。

AWC系統(tǒng)的作用就是克服ΔF的影響，適時(shí)修正Wset值，進(jìn)而保證板帶寬度的均勻性。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，粗軋機(jī)前立輥的控制，國(guó)內(nèi)外相繼采用基于西門子S5/S7/SIMADYN D/TDC，日本和美國(guó)控制軟件平臺(tái)的先進(jìn)的熱連軋寬度控制設(shè)備和技術(shù)，針對(duì)各生產(chǎn)線的特點(diǎn)，綜合各種對(duì)寬度的影響的因素，構(gòu)造出多種粗軋寬度設(shè)定模型和經(jīng)驗(yàn)公式，開發(fā)了各具特色的自動(dòng)寬度控制技術(shù)，在實(shí)踐中不斷完善和提高，并取得了較好的效果。

到目前為止，我國(guó)包括寶鋼、本鋼、太鋼、攀鋼等幾家大的熱軋廠實(shí)現(xiàn)了AWC技術(shù)，基本是引進(jìn)和吸收國(guó)外成型的工藝和技術(shù)，本身創(chuàng)新不多，因此，借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)具有我國(guó)特色的AWC技術(shù)，勢(shì)在必行。

[2]周沛,林吉海,熱軋帶鋼軋機(jī)自動(dòng)寬度控制(AWC)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電氣傳動(dòng),2006.

[3]王剛,太鋼 1549mm 熱連軋機(jī)寬度控制系統(tǒng)的改造[J].寶鋼技術(shù),2003,(4)： 24-29.