六輥可逆冷軋機(jī)組自控系統(tǒng)的應(yīng)用

朱琳琳

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司自動(dòng)化部）

0 前言

萊鋼單機(jī)架冷軋機(jī)組自控系統(tǒng)的核心是自動(dòng)厚度控制（automatic gauge control，AGC）、自動(dòng)板型控制（automatic flatness control，AFC），為實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)全自動(dòng)軋鋼功能，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對系統(tǒng)功能進(jìn)行了完善設(shè)計(jì)。自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)采用前饋 AGC、監(jiān)控AGC、流量AGC有機(jī)結(jié)合，高速響應(yīng)閉環(huán)控制的方式，消除了基本的厚度偏差，保證了最終成品的厚差精度。板型控制采用壓磁式板型檢測技術(shù)，板型控制的執(zhí)行部分主要采用調(diào)溫控制法和彎輥傾斜控制法，分段調(diào)溫控制，作為彎輥傾斜控制的輔助手段，保證了高精度板型控制方案的實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及網(wǎng)絡(luò)方案

1.1 系統(tǒng)概述

單機(jī)架冷軋機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由順序邏輯控制系統(tǒng)、AGC控制系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、板型控制系統(tǒng)、測速測厚系統(tǒng)等部分組成，其中順序邏輯控制系統(tǒng)選用S7-400 系列414-2DP CPU模塊（CPU1）作為處理器，完成整個(gè)機(jī)組的信號采集及邏輯順序控制；AGC控制系統(tǒng)由另一塊414-2DP CPU（CPU2）和FM458共同實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)M458配有EXM438I/O擴(kuò)展模板，用于高性能閉環(huán)控制任務(wù)，并可以獲得高速計(jì)算。系統(tǒng)通過D7-SYS和STEP7/CFC軟件進(jìn)行編程調(diào)試；張力控制系統(tǒng)與直流傳動(dòng)裝置完成直接張力閉環(huán)控制；板型控制系統(tǒng)除完成精細(xì)調(diào)溫控制功能外，還通過CPU2實(shí)現(xiàn)彎輥傾斜控制功能；測速測厚系統(tǒng)通過以太網(wǎng)通訊參與液壓AGC運(yùn)算及張力控制。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，最上一層是由PC組成，作為操作監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面，用于自動(dòng)編排軋制計(jì)劃、自動(dòng)生成生產(chǎn)記錄和統(tǒng)計(jì)報(bào)表、實(shí)時(shí)動(dòng)畫監(jiān)控、顯示各種設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)、顯示和記錄設(shè)備的故障報(bào)警。

第二層是由多套 PLC、傳動(dòng)裝置及特殊儀表組成。I/O單元分散安置在各相關(guān)設(shè)備附近，使連接的信號線減到最少，大大減少了信號傳輸過程中受到干擾的機(jī)會(huì)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)從提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高成材率、優(yōu)化基礎(chǔ)控制方面，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)軋鋼、液壓AGC自動(dòng)控制、板型自動(dòng)控制、系統(tǒng)保護(hù)等功能，關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)主要有：

液壓AGC系統(tǒng)，創(chuàng)新采用厚度、速度檢測濾波技術(shù)；激光測速與碼盤測速在線切換技術(shù)；分段厚差分級控制技術(shù)；預(yù)估補(bǔ)償器技術(shù)；壓力環(huán)、位置環(huán)調(diào)節(jié)參數(shù)自學(xué)習(xí)自適應(yīng)技術(shù)；直接張力環(huán)控制技術(shù)；機(jī)組加減速補(bǔ)償技術(shù)；AGC加權(quán)分配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了精確厚差控制和必要的系統(tǒng)保護(hù)功能。

AFC自動(dòng)板型控制系統(tǒng)檢測采用壓磁式接觸板型輥，解決了板型檢測的難題，保證了實(shí)時(shí)板型檢測的準(zhǔn)確性與可靠性。

2.1 液壓AGC技術(shù)[1]

液壓AGC系統(tǒng)是單機(jī)架可逆冷軋機(jī)組的核心控制系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)乎冷軋產(chǎn)品的質(zhì)量與成材率。

液壓AGC系統(tǒng)主要由一套SIMADYN D控制裝置、檢測儀表（包括位移、壓力、厚度、速度的檢測）、伺服系統(tǒng)、液壓推上缸等設(shè)備組成，其實(shí)質(zhì)是通過改變輥縫實(shí)際位置來實(shí)現(xiàn)板帶材厚度自動(dòng)控制，液壓AGC可分為內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制兩部分。

2.1.1 內(nèi)環(huán)控制

內(nèi)環(huán)控制是軋機(jī)的軋輥輥縫控制系統(tǒng)，在軋制過程中負(fù)責(zé)輥縫的調(diào)節(jié)和控制。若內(nèi)環(huán)控制以壓下裝置的位移傳感器反饋?zhàn)鳛榭刂颇繕?biāo)，稱之為自動(dòng)位置控制（automatic position control，APC）；若內(nèi)環(huán)控制以壓下裝置的壓力傳感器反饋?zhàn)鳛榭刂颇繕?biāo)，稱之為AFC。內(nèi)環(huán)控制是單機(jī)架可逆軋機(jī)輥縫控制系統(tǒng)的核心，完成人工手動(dòng)和自動(dòng)輥縫調(diào)整。通過改變軋機(jī)輥縫來控制板帶材厚度。

2.1.2 外環(huán)控制

外環(huán)控制是軋機(jī)質(zhì)量控制系統(tǒng)，在軋制過程中負(fù)責(zé)帶鋼厚度控制，包括監(jiān)控AGC、金屬秒流量AGC、前饋 AGC，通過運(yùn)算厚度偏差，向內(nèi)環(huán)輸出厚度控制調(diào)整信號，調(diào)整液壓壓下位置控制成品厚度。

2.2 AFC自動(dòng)板型控制技術(shù)

板型是指板帶材的平直度，是對浪形、瓢曲或旁彎的有無及程度而言。在來料板型良好的條件下，它決定于延伸率沿寬度方向是否相等，即壓縮率是否相同。若邊部延伸率大，則產(chǎn)生邊浪；中部延伸大，則產(chǎn)生中部浪形或瓢曲；一邊比另一邊延伸大，則產(chǎn)生“鐮刀彎”。板型嚴(yán)重不良會(huì)導(dǎo)致勒輥、軋卡、斷帶、撕裂等事故的出現(xiàn)，使軋制操作無法正常進(jìn)行。

板型控制的執(zhí)行部分主要采用調(diào)溫控制法和彎輥傾斜控制法。本系統(tǒng)采用以工作輥彎輥、中間輥彎輥、輥縫傾斜控制為主，分段調(diào)溫控制為輔的手段，并配合精細(xì)冷卻流量控制模型、輥溫分布供乳模型，保證了高精度板型控制方案的實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 調(diào)溫控制技術(shù)（精細(xì)冷卻）

調(diào)溫控制法即利用分段冷卻技術(shù)對板型進(jìn)行控制，人為地向軋輥某些部分進(jìn)行冷卻或供熱，改變輥溫的分布，以達(dá)到控制輥型的目的。通過對沿輥身長度上布置的乳化液流量進(jìn)行分段控制，達(dá)到調(diào)整輥型的目的。本系統(tǒng)采用精細(xì)冷卻技術(shù)提高了冷卻效率，作為彎輥控制的輔助手段起到了很好的控制效果。

本系統(tǒng)調(diào)溫控制功能分兩種情況：單道次軋制時(shí)由板型儀自控系統(tǒng)控制機(jī)前冷卻噴射梁各部分的通斷；雙道次軋制時(shí)板型儀冷卻部分停止工作，人工設(shè)定機(jī)后冷卻梁各冷卻段的通斷，由 PLC進(jìn)行聯(lián)鎖控制。

2.2.2 彎輥控制技術(shù)

為了及時(shí)有效地控制板材平直度和橫向厚度公差，需要一種反應(yīng)迅速的輥縫調(diào)整方法，即彎輥控制法。彎輥控制是一種無滯后的輥型控制的有力手段，通過控制軋輥在軋制過程中的彈性變形以達(dá)到控制板型的目的，即利用液壓缸施加壓力使工作輥或中間輥產(chǎn)生附加彎曲，以補(bǔ)償由于軋制壓力和軋輥溫度等因素變化而產(chǎn)生的輥縫形狀變化，保證生產(chǎn)出高精度的產(chǎn)品。

中間輥和工作輥彎輥控制系統(tǒng)包括：中間輥正彎控制和工作輥正負(fù)彎輥控制。中間輥彎輥及平衡系統(tǒng)用于中間輥的正彎輥及中間輥軸承座的支撐與導(dǎo)向；中間輥彎輥結(jié)合中間輥竄動(dòng)系統(tǒng)用于得到最合適的輥縫，起到控制板凸度，改善帶材中部波浪、兩肋波浪板型的作用，并且可以降低軋制壓力。工作輥彎輥用以改變軋輥撓度，有效地控制板型。

本控制系統(tǒng)可以根據(jù)HMI軋制規(guī)程表中生成的彎輥力自動(dòng)進(jìn)行本道次彎輥控制，也可以由操作人員根據(jù)板型狀況手動(dòng)聯(lián)調(diào)或單調(diào)，還可以參與板型儀控制信號的聯(lián)調(diào)，非常靈活的滿足了生產(chǎn)工藝要求。

2.3 輥縫控制技術(shù)[2]

本系統(tǒng)從抗干擾性能方面考慮，輥縫監(jiān)測儀表采用磁感應(yīng)型位移傳感器，以保證該傳感器的抗干擾能力，并且從抗震角度選擇一體式大索尼磁尺。

輥縫控制包括：手動(dòng)輥縫調(diào)節(jié)，AGC輥縫調(diào)節(jié)，輥縫同步和傾斜控制。本系統(tǒng)的特色是：輥縫傾斜不受手動(dòng)調(diào)節(jié)干擾，不至于引起系統(tǒng)震蕩；輥縫傾斜即可由操作人員根據(jù)板型狀況手動(dòng)聯(lián)調(diào)或單調(diào)，還可參與板型儀控制信號的聯(lián)調(diào)。

2.4 全自動(dòng)軋鋼控制功能的實(shí)現(xiàn)

全自動(dòng)軋鋼控制功能的實(shí)現(xiàn)，除自動(dòng)AGC控制、自動(dòng) AFC板型控制的核心技術(shù)外，主要是實(shí)現(xiàn)軋制過程中的恒張力控制及自動(dòng)上卷、自動(dòng)建張、自動(dòng)升速、自動(dòng)減速、準(zhǔn)確停車、自動(dòng)換輥等功能。

2.4.1 恒張力控制

本系統(tǒng)在開卷機(jī)及卷曲機(jī)和軋輥之間設(shè)有獨(dú)立的恒張力控制系統(tǒng)，保證在整個(gè)機(jī)組穩(wěn)速軋制階段張力恒定。

恒張力軋制的主要作用是：防止帶鋼跑偏；使帶鋼保持板型平直；降低軋件的變形抗力；適當(dāng)調(diào)整冷軋機(jī)主電機(jī)負(fù)荷。防止跑偏是冷軋操作中軋制能否穩(wěn)定的重要問題，跑偏將破壞正常的板型，引起操作事故甚至設(shè)備事故。為保持恒定張力，在軋制過程中隨前卷取機(jī)帶卷直徑的增大，前卷曲機(jī)應(yīng)減速，而后卷取機(jī)應(yīng)隨著帶卷直徑的減小而加速。

恒張力軋制的核心技術(shù)是卷徑計(jì)算與張力力矩的計(jì)算，此計(jì)算在直流傳動(dòng)裝置的T400工藝板中實(shí)現(xiàn)。根據(jù)工藝要求，開卷機(jī)采用上開卷方式，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速nact由電機(jī)上所帶碼盤測出傳給CUVC板，再由CUVC板傳給T400板；由激光測速儀測出線速度Vact后，通過Profibus DP網(wǎng)傳給T400板；張力給定Zset由操作臺(tái)設(shè)定傳給S7-400，S7-400通過Profibus DP網(wǎng)傳給T400板。T400板接收到這些數(shù)據(jù)后，首先由板中的直徑計(jì)算模塊計(jì)算出鋼卷的實(shí)際直徑D，然后再根據(jù)直徑計(jì)算出開卷機(jī)的轉(zhuǎn)矩M，作為開卷機(jī)的轉(zhuǎn)矩限幅傳給 CUVC板，從而保證張力的恒定。具體的計(jì)算公式有：

帶鋼張力設(shè)定值由操作站自動(dòng)預(yù)設(shè)定，操作人員也可以人工干預(yù)。

2.4.2 自動(dòng)上卷控制

上卷時(shí)，通過安裝在上卷小車行走裝置上的編碼器及光電管，完成帶材寬度測量及寬度中心的確定。通過安裝在卷徑測板上的編碼器測得鋼卷卷經(jīng)；通過上卷小車升降裝置上的編碼器計(jì)數(shù)，計(jì)算出鋼卷的高度中心。根據(jù)測得的寬度中心和高度中心，完成高度及寬度的自動(dòng)對中。

小車升降行走的實(shí)際距離由 FM350-2高速計(jì)數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)，保證了自動(dòng)上卷功能的精確性與穩(wěn)定性。

2.4.3 自動(dòng)建張、自動(dòng)升速、自動(dòng)減速、準(zhǔn)確停車、自動(dòng)換輥功能

本系統(tǒng)應(yīng)用德國 POLYTEC LSV-6200型高精度激光測速儀用于帶長計(jì)算，在軋制到帶材尾部時(shí)，根據(jù)軋制速度自動(dòng)計(jì)算出減速點(diǎn)和停車點(diǎn)，在達(dá)到減速點(diǎn)時(shí)自動(dòng)減速；并在停車點(diǎn)準(zhǔn)確停車，以獲得最小的預(yù)留量，提高成材率。

斜楔、階梯板調(diào)整控制作用是換輥后保持軋制線標(biāo)高恒定，并補(bǔ)償輥徑變化，它是自動(dòng)換輥功能中的關(guān)鍵技術(shù)。每次在換完工作輥或支承輥后，根據(jù)新的工作輥或支承輥的實(shí)際直徑計(jì)算出所需調(diào)整的高度，完成軋線自動(dòng)調(diào)零功能。斜楔板調(diào)整量30 mm，階梯板調(diào)整分5級6個(gè)位置，每級調(diào)整量30 mm，當(dāng)輥徑變化量大于30 mm時(shí)，階梯板調(diào)整級數(shù)為變化量除以30 mm的商數(shù)，剩余變化量由移動(dòng)斜楔板調(diào)整。

自動(dòng)換輥功能的投入，提高了設(shè)備的安全運(yùn)行系數(shù)。

2.4.4 系統(tǒng)保護(hù)

系統(tǒng)保護(hù)分為液壓系統(tǒng)保護(hù)和電氣系統(tǒng)保護(hù)。包含失張、斷帶保護(hù)，系統(tǒng)急停、快停，壓力保護(hù)，傾斜保護(hù)等。其中失張、斷帶保護(hù)功能的完善是本系統(tǒng)的特色。

3 結(jié)論

萊鋼六輥可逆冷軋生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了全部設(shè)備的計(jì)算機(jī)控制管理，達(dá)到了較高的全自動(dòng)軋鋼控制水平，成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)厚度控制和AFC自動(dòng)板型控制的有機(jī)耦合。系統(tǒng)功能的完善設(shè)計(jì)對提高軋線生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量和成材率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，延長設(shè)備使用壽命，確保軋線安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。

[1] 王益群,王海芳,高英杰,等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軋機(jī)液壓 AGC系統(tǒng)自適應(yīng)辨識(shí)[J].中國機(jī)械工程,2004,15(5):450-453.

[2] Zhang Wei,Sun Menghui,Wang Yiqun. Research of automatic gauge control model in hydraulic screw2down system of strip mill [R]. Hangzhou, China: Proceedings of the Sixth International Conference on Fluid Power Transmission and Control, 2005:717-721.