一種鋁冷軋機板形控制的實時仿真方法

陳曉璘

(蘇州有色金屬研究院有限公司,江蘇 蘇州 215026)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的日益發(fā)展,對鋁帶箔的質量要求越來越高。在鋁加工行業(yè)中，鋁冷軋機作為其中的關鍵加工裝備，在整個軋制過程中起著重要的作用。通過實現(xiàn)鋁冷軋機的板形控制，可以保障軋制產品的板形性能指標，使帶材板形偏差在允許范圍內，并且可以提高軋制速度，減少斷帶等故障的發(fā)生，保證鋁帶箔的平整度。

在進行板形控制的研究時，板形控制算法屬于其中的關鍵內容，其算法開發(fā)、調試的周期及效果好壞，直接影響到最終產品的板形性能和企業(yè)的經濟效益。在進行板形控制算法開發(fā)及測試過程中，常常需要進行實際軋制過程試驗，用于檢驗算法效果及調試某些關鍵參數(shù)。但是，進行實際軋制過程需要的設備較多，試驗費用昂貴，而且存在很多極限條件有可能損害設備，因此，通過仿真進行板形控制分析是當前一種常用的方法。仿真一般指使用程序在計算機中執(zhí)行代替實際現(xiàn)場試驗過程，具有投資小、時間快、可重復使用等優(yōu)點

1 板形控制的一般實現(xiàn)過程

板形控制的一般實現(xiàn)過程如圖1。板形控制器運行控制算法，控制量輸出到軋機壓下、彎輥、中間輥抽動及冷卻系統(tǒng)等執(zhí)行機構，然后執(zhí)行機構產生動作，對于軋機本體和帶材板形產生影響，帶材板形通過板形檢測機構后，檢測信號輸入到板形控制器中，形成板形閉環(huán)反饋控制回路。

圖1 板形控制的一般實現(xiàn)過程

2 板形仿真系統(tǒng)組成

當前板形控制的仿真主要分成兩種，使用有限元分析的仿真方法和使用動態(tài)模型的仿真方法。使用有限元分析時，主要采用物理學的靜態(tài)力學建模方法，在服務器或工作站中運行，為板形控制提供不同工況的分析結果。使用動態(tài)模型時，主要采用數(shù)學方程模型，使用C++等高級語言編程，在計算機中運行，為板形控制提供可參考的結果。

但是，這兩種仿真方法都屬于非實時仿真，其運行時間尺度與實際時間尺度并不一致，例如實際軋制過程需要幾十分鐘，使用有限元仿真可能需要幾天，而使用動態(tài)模型仿真可能需要幾秒鐘。

而且，當前的板形控制仿真方法，其仿真結果主要提供給工程師用于算法分析，并沒有與板形控制器直接自動連接。這樣在實驗室內進行板形控制算法調試時，由于缺乏實際軋機對象，只能進行開環(huán)調試，而閉環(huán)調試工作只能在軋制現(xiàn)場進行，使得板形控制算法開發(fā)周期一般較長。

本文提出的一種板形控制實時仿真系統(tǒng)組成如圖2。系統(tǒng)包括板形控制器和板形實時仿真計算器。板形控制器中運行板形控制算法，板形實時仿真計算器中運行板形控制對象模型。板形控制對象包括：壓下執(zhí)行機構、板形的壓下影響函數(shù)、彎輥執(zhí)行機構、板形的彎輥影響函數(shù)、中間輥抽動結構、板形的中間輥抽動影響函數(shù)、冷卻執(zhí)行機構、板形的冷卻影響函數(shù)、邏輯處理、板形測量等模型。板形的壓下影響函數(shù)指壓下量變化對于板形產生的影響，板形的彎輥影響函數(shù)指彎輥量變化對于板形產生的影響，板形的中間輥抽動影響函數(shù)指中間輥抽動量變化對于板形產生的影響，板形的冷卻影響函數(shù)指冷卻量變化對于板形產生的影響。

圖2 實時仿真系統(tǒng)示意圖

上述仿真方法的實時仿真計算器的時間尺度與實際時間尺度保持一致；板形控制器與實時仿真計算器都包括模擬量輸入輸出接口、數(shù)字量輸入輸出接口以及網絡通訊接口，兩者通過這些接口傳遞數(shù)據。實時仿真計算器采用PLC可編程控制器或其他計算單元實現(xiàn)；板形控制器采用PLC可編程控制器實現(xiàn)；板形控制對象模型可采用SIEMENS SIMATIC軟件、MATLAB軟件、LABVIEW軟件或者其他軟件進行建模。

3 板形仿真系統(tǒng)實現(xiàn)方法

在圖2中 ，壓下執(zhí)行機構模型3的輸出作為壓下影響函數(shù)模型7的輸入，表示壓下執(zhí)行機構的變化引起了板形的相應變化。彎輥執(zhí)行機構模型4的輸出作為彎輥影響函數(shù)8的輸入，表示彎輥執(zhí)行機構的變化引起了板形的相應變化。冷卻執(zhí)行機構模型5的輸出作為冷卻影響函數(shù)9的輸入，表示冷卻執(zhí)行機構的變化引起了板形的相應變化。中間輥抽動機構模型6的輸出作為中間輥抽動影響函數(shù)模型10的輸入，表示中間輥抽動機構的變化引起了板形的相應變化。各種不同機構同時對板形產生作用，經過板形測量模型11后，通過模擬量輸入輸出接口12、數(shù)字量輸入輸出接口13、網絡通訊接口14同板形控制器產生聯(lián)系，將計算出的板形值實時反饋到板形控制器中。邏輯處理模型2用于實現(xiàn)各種模型的資源調度、時序、邏輯控制等內容。執(zhí)行流程如下：

①使用建模軟件建立軋機壓下、彎輥與冷卻系統(tǒng)執(zhí)行機構的模型；

②如果控制對象是六輥軋機，還需要建立中間輥抽動機構的模型；

③使用建模軟件建立軋機壓下、彎輥與冷卻系統(tǒng)的影響函數(shù)模型；

④如果控制對象是六輥軋機，還需要建立中間輥抽動影響函數(shù)的模型；

⑤建立邏輯處理模型、板形測量模型，以及模擬量、數(shù)字量與網絡接口的模型，驅動通訊端口；

⑥進行模型轉換工作，使建立的模型在實時仿真計算器中實時運行；

⑦使板形控制算法在板形控制器中實時運行；

⑧建立板形控制器與實時仿真計算器的連接，兩者進行模擬量、數(shù)字量以及網絡的通訊，傳輸數(shù)據，實時運行，從而檢驗算法和模型的實際運行效果。

4 總結

建立板形執(zhí)行機構模型與板形影響函數(shù)模型，在實時仿真計算器中執(zhí)行，并與板形控制器通過模擬量、數(shù)字量及網絡通訊接口進行連接。首先，板形控制對象模型在仿真計算器中運行，提供了板形反饋值，這樣板形算法在實驗室內就可以實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而為板形算法的測試提供了閉環(huán)調試的工作基礎。其次，仿真計算器的時間尺度與實際時間尺度保持一致，更加真實的反映了板形的變化狀況，使得在實驗室內進行板形算法測試時可以暴露出更多問題，減少實際現(xiàn)場的工作時間，從而提高算法開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期。最后，由于現(xiàn)場試驗條件的限制，有些極限情況不能進行實際試驗，或者試驗代價過高，而通過實時仿真，可以進行任意試驗，并且可以多次重復測試，從而減少試驗代價，降低系統(tǒng)開發(fā)投資。

鋁冷軋機板形控制實時仿真方法，保障了板形控制算法進行閉環(huán)測試的基本條件，并且更真實的反映板形在實際軋制過程中的變化情況，有效地提高了開發(fā)效率，降低了開發(fā)投資，具有新穎性、創(chuàng)造性、實用性，市場前景廣闊。

[1]祝智敏.半實物仿真系統(tǒng)互聯(lián)中實時同步的研究[J].微電子技術,2006,04.

[2]王正林.帶鋼熱連軋AGC系統(tǒng)實時仿真[J].北京科技大學學報,2006，28(2)

[3]李興瑋. 通用計算機實時仿真技術[J]. 國防科技大學學報,2005, 27(2)

[4]譚樹彬.軋機輥縫控制建模及仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學報,18(6)

[5]蔣志文.基于RTX的建模與實時仿真軟件YH—RTSIM的設計[J]. 計算機應用,30(6)