基于過程與PLC 等多級控制對軋機系統(tǒng)的升級改造*

唐 俊

(四川工程職業(yè)技術(shù)學院，四川 德陽618000)

我國擁有以5000 mm 熱軋帶鋼為代表的先進軋鋼機和軋鋼生產(chǎn)線，其中各類熱帶鋼占鋼材總產(chǎn)量的50%以上。所謂熱帶鋼精軋機是指把板厚為30～50 mm 的中間坯料軋制成1.2～25 mm 成品的設(shè)備，如圖1 所示，它是川西南某大型央企的七機架板材精軋生產(chǎn)線(設(shè)備)。該生產(chǎn)線是由7 機架(單機)構(gòu)成的機組，能夠?qū)崿F(xiàn)對鋼坯進行連續(xù)7 次軋制，從而獲得所需的板材。其前段(坯料進口方向)4 個機架是電動壓下的四輥軋機，后段3 個機架是具有斷面控制性能良好的、軸向串動的圓柱輥(High Crown HC)軋機，因限于當時的設(shè)計水平與條件，其控制系統(tǒng)存在許多不足，已不能滿足生產(chǎn)要求，其不足概括為以下幾點:

(1)檢測傳感器太少，不能完全反映軋制的狀態(tài);

(2)因獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)不足，模型精度不高;

(3)維護高精度控制的結(jié)構(gòu)不完善;

(4)用于進行高精度控制的計算機功能不強;

(5)系統(tǒng)的可開發(fā)性不強，其功能不能合理分擔。為此，對連軋板材精軋生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進行全面升級改造是非常必要的。

1 基本依據(jù)及思路

這條七機架板材精軋生產(chǎn)線被列為該央企重點技改項目，其目標是要實現(xiàn)控制精細化，達到產(chǎn)品升級并節(jié)能減排等，除了對機械部分進行必要的修復(fù)或改造外，這里主要是針對控制精細化、產(chǎn)品升級進行技術(shù)性研究，并提出升級改造的基本方案:一是建立在被控對象準確的數(shù)學模型(即傳遞函數(shù)模型或狀態(tài)空間模型)基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)自動控制綜合設(shè)計;二是應(yīng)用模糊控制理論，采用過程控制進行主控制及各種質(zhì)量控制;三是采用可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller 簡稱PLC)對各執(zhí)行元件的動作進行精確控制;四是采用活套技術(shù)保持無張力軋制以實現(xiàn)控制精細化。

2 控制算法與動態(tài)分析

2.1 控制算法

由于軋機在實際軋制過程中，有很多不確定的因素導致很難建立起精確的數(shù)學模型。既然這樣，就不需要、也沒必要去建立預(yù)先無法知道的、過程精確的數(shù)學模型。自加利福尼亞大學控制論專家L. A. Zadeh提出的《Fuzzy Set》開創(chuàng)了模糊數(shù)學的歷史以來，到英國的E.H.Mamdani 成功地將模糊控制應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機的控制中，它為解決精軋線控制系統(tǒng)這類非精確的數(shù)學模型問題打開了一扇方便之門。其工作原理是:把由各種傳感器測出的精確量轉(zhuǎn)換成適合于模糊運算的模糊量，然后將這些量在模糊控制器中加以運算，最后再將運算結(jié)果中的模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，以便對各執(zhí)行器進行具體的操作控制［1-2］。因此，軋制前用傳感器實際測定的數(shù)據(jù)建立起初始模型，在軋制過程中當板材穿過時，再用傳感器所獲得的數(shù)據(jù)進行修正，這樣軋制中的動態(tài)控制就轉(zhuǎn)化成以傳感器數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)的前饋控制，所謂前饋控制就是指“通過傳感器所獲得數(shù)據(jù)，經(jīng)分析、預(yù)測趨勢及可能出現(xiàn)的問題，提前采取的措施”，因而可以把傳感器數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)進行模糊控制研究。

2.2 軋制負荷模型

軋制負荷包括軋制力、軋制力矩等。軋制力是其中最重要的一個。目前軋制壓力的理論計算法尚未建立適用于各種條件的統(tǒng)一模型(公式)［3］，用不同公式計算的軋制力數(shù)值不同，有的懸殊還很大。其主要原因是推導這些計算公式都是在一定假設(shè)條件下進行的，因此造成軋制負荷模型水平不高。

要提高軋制負荷模型水平，假設(shè)條件就要盡可能符合實際情況，這就是一大難點所在［4］。也就是說，要達到最終產(chǎn)品要求，特別是為了提高最前端的板厚精度，應(yīng)該設(shè)定各軋機的輥縫及軋輥轉(zhuǎn)速等參數(shù)，把精軋前的板材厚度、溫度實際值作為基礎(chǔ)，預(yù)測軋制負荷、軋機剛性、板材溫度等參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)來確定各設(shè)定值。在研究西姆斯(Sims)簡式的基礎(chǔ)上，根據(jù)奧羅萬(Orowan)理論，并考慮奧洛萬·西姆斯比(負荷比)，可以建立如下軋制負荷模型:

式中:P 為軋制負荷，N;fc為負荷比(奧洛萬·西姆斯比);Km為變形阻力，N/mm2;W 為板寬，mm;QS為壓下力函數(shù);R's為平輥直徑，mm;H 為軋制前板厚，mm;h 為軋制后板厚，mm。

負荷比是不同情況下的調(diào)節(jié)系數(shù)，對于變形阻力模型，還需考慮在高溫、變形速度低的精軋前段的動態(tài)軟化、低溫精軋后段的相變軟化等幾個因素對上游機架的殘余變形與本機架變形的累積變形量的影響，這些均可以通過負荷比進行調(diào)節(jié)，也就是軋制負荷更加接近于實際，提高了軋制負荷模型水平。

重要的是，負荷比可以利用實際軋制數(shù)據(jù)與軋制負荷模型逆運算的變形阻力值經(jīng)回歸而算出，這樣就利用了以前不能測定的機架間板厚實測值進行輥縫調(diào)整，以獲得比以前更高的板厚精度。

2.3 預(yù)測模型與動態(tài)分析

板坯軋制前，通過控制算法對各裝置進行初始設(shè)定即可建立預(yù)測模型［5］。不過，預(yù)測模型終究是預(yù)測，到軋制時，有可能會發(fā)生某些改變，因此將產(chǎn)生由預(yù)測模型的誤差引起的偏差。如將此偏差放任自流，就會在最終機架出口側(cè)得到偏離目標值的成品。鑒于此，嘗試用中間機架的實際數(shù)據(jù)來修正下游機架設(shè)定值的辦法，但仍不能獲得足夠的精度。為了能夠提高模型精度及獲得中間機架的板厚實測值，根據(jù)中間機架的實際數(shù)據(jù)，以前饋方式修正初始設(shè)定值，并按精軋機動態(tài)設(shè)定系統(tǒng)，合理設(shè)計上游機架數(shù)據(jù)采樣布局圖，提高預(yù)測模型的實用價值，如圖2 所示。

依據(jù)修正后的預(yù)測模型及板坯咬入前段各機架時的實測值，重新進行模型計算，然后依次對后面機架的初始設(shè)定值進行修正，使該系統(tǒng)具有前段機架動態(tài)設(shè)定功能。利用這個功能，可以修正從尾段直達前段各機架的動態(tài)誤差。

再根據(jù)板坯到達機架間測厚儀時的實測值，依次對后面機架的初始設(shè)定值進行修正，則使系統(tǒng)具有機架間測厚儀動態(tài)設(shè)定功能。在此，對精軋機進行動態(tài)設(shè)定及中間機架板厚測定，主要是對輥縫及軋輥轉(zhuǎn)速進行修正以使板厚誤差得到消除，其原理如圖3 所示。

在圖3 所示的各機架中，當實測第i機架入口側(cè)的板厚時，該機架輥縫修正量ΔS計算［6-7］如下:

式中:ΔS為輥縫修正量，mm;H為入口側(cè)板厚，mm;G為增益;P為軋制負荷，N;M為軋機剛性系統(tǒng)，N/mm;ΔHX為入口側(cè)板厚偏差，mm。

式(2)主要是測定后段3 個機架板厚誤差，但前段4 個機架板厚誤差對后面有一定影響，即使在上游側(cè)NO.1 單機進行了動態(tài)設(shè)定，下游側(cè)產(chǎn)生的板厚誤差也不能被吸收，故在后面3 個機架中設(shè)置測厚儀，在逐次進行壓下修正的過程中，板厚誤差便可得到修正。

3 過程計算機控制系統(tǒng)

過程控制(The process control)是要創(chuàng)建一個能滿足軋制產(chǎn)品生產(chǎn)工藝及質(zhì)量需求，并與電氣、測量系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)、高度集成、性能穩(wěn)定的計算機實時控制系統(tǒng)。主要內(nèi)容包括功能分擔、各應(yīng)用功能(包括控制功能、在線檢測功能、實時監(jiān)控功能等)的開發(fā)、數(shù)據(jù)拾取、接口與數(shù)據(jù)傳輸方式、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置等。精軋機實時動態(tài)過程控制計算機系統(tǒng)如圖4 所示。

3.1 主要目標值的動態(tài)控制

當板材咬入各機架之后，應(yīng)把板厚、張力及板材速度、負荷標準偏差等參數(shù)作為主要目標值由過程控制計算機進行過程動態(tài)控制。

在精軋控制系統(tǒng)中，開發(fā)了許多新技術(shù)，如各種自動控制系統(tǒng) (AutomaticGaugeControl System，簡稱AGC):液壓AGC、絕對值A(chǔ)GC(ABS - AGC)、監(jiān)控AGC、反饋AGC(GM-AGC)、前饋AGC (FF -AGC);各補償技術(shù):油膜補償、活套補償、寬度補償、彎輥補償、X-射線監(jiān)控、沖擊補償、偏心補償;各種測量技術(shù):厚度計、凸度計以及PLC。它們各自有不同的特點和用途，AGC 是根據(jù)設(shè)定厚度通過PLC 程序模型向液壓伺服系統(tǒng)給出相應(yīng)的信號，以達到想要的板材厚度值。

經(jīng)分析對比，現(xiàn)采用組合式AGC，即機架鎖定板厚目標值的絕對值A(chǔ)GC、用單機間板厚計監(jiān)控的AGC組合而成，以謀求更高的控制精度。為了維持機架間物流平衡，保持板帶張力恒定，在各機架間裝有活套，在活套控制及壓下補償中，所用計算機與AGC 相同，且控制周期也與AGC 相同，均為20 ms，可以控制壓下動作及其連動，使張力保持穩(wěn)定。

3.2 用PLC 對各執(zhí)行元件動作進行精確控制

軋機各執(zhí)行元件動作的精確程度直接影響板材質(zhì)量，現(xiàn)采用PLC 對它們進行精確控制，具體是:側(cè)導板位置控制、輥縫控制、軋輥冷卻控制、輥道控制、除鱗機控制、材料跟蹤和順序控制以及操作模式的協(xié)調(diào)等，其關(guān)鍵是要解決數(shù)據(jù)采樣周期的問題。由于液壓位置控制系統(tǒng)有很高的響應(yīng)頻率和嚴格的穩(wěn)態(tài)精度要求，要實現(xiàn)上述各種精確控制，這個問題就必須解決好。實驗表明，液壓APC 的控制周期應(yīng)小于5 ms，S7 -400西門子PLC 具有極高的處理速度、強大的通訊性能和卓越的CPU 資源裕量，其邏輯運算時間和定點加運算時間均為0.08 μs，浮點加運算時間為0.48 μs，最小定時中斷周期為1 ms，完全能滿足要求，控制周期不能太小，否則會導致振動加劇，在實際應(yīng)用中，確定液壓APC 的控制周期2 ms 較為合適，其它數(shù)據(jù)采樣周期據(jù)此適當調(diào)整即可滿足要求。

3.3 活套控制設(shè)計

為了保證精軋控制過程的穩(wěn)定性，采用活套控制(looping control)技術(shù)進行精細化控制。

在使用奧斯本檢核表檢核實驗方案時，可以圍繞實驗?zāi)康膶?個檢核項目進一步細化，拓展出多個不同的問題進行思考，通過小組討論合作探究，形成新的實驗思路或方案，具體檢核方法見表1。

用活套技術(shù)制成的掃描器(活套器)置于生產(chǎn)線活套架一側(cè)，在各機架之間設(shè)若干個活套器，并在相鄰機架間形成適合的套量，以保持無張軋制，其布置如圖5 所示，選定末機架為基準機架并保持速度不變作為基準速度設(shè)定，其上游各機架速度根據(jù)軋制工藝要求自動按比例設(shè)定。其工作原理是把設(shè)定值與活套器掃描檢測出來的紅鋼實際位置值相比較，利用其偏差由快速響應(yīng)控制系統(tǒng)保持活套高度在預(yù)設(shè)定的范圍內(nèi)，自動地凋節(jié)上游機架的速度，使偏差值逐漸趨于零，實現(xiàn)精細化控制，參照文獻［8-9］，其設(shè)計過程是:

(1)建立以張力、(角)速度為變量的活套模型;

(2)根據(jù)逆線性二次型(Inverse Linear Quadratic，ILQ)理論，構(gòu)造擴展矩陣，并求取狀態(tài)反饋矩陣;

(3)根據(jù)期望的閉環(huán)響應(yīng)極點求取ILQ 控制系統(tǒng)的各個參數(shù)值;

(4)通過閉環(huán)響應(yīng)系統(tǒng)，以偏差值趨于零為目標自動凋節(jié)上游各機架的速度及位移，實現(xiàn)精細化控制。

3.4 傳感器的配置

改造前，因檢測軋制狀態(tài)的各類傳感器較少，所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)自然就不充分，造成模型精度不高?，F(xiàn)在無論從傳感器數(shù)量的配備上，還是在傳感器種類、性能上均有突破，并采取了合理布局，如圖6 所示。在種類方面引進了先進的測寬儀、高溫計、板形儀等，從布局上看，在最終機架出口側(cè)配置兩臺掃描式測厚儀，以測定寬度方向中央部分的板厚及寬度方向板厚分布數(shù)據(jù)。

4 采用高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)跟蹤后備系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)控

高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)跟蹤后備系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng))主要任務(wù)是對全線的生產(chǎn)工藝過程進行跟蹤、設(shè)定和數(shù)據(jù)采集等。操作者可根據(jù)軋線情況和跟蹤系統(tǒng)的提示，對軋件進行跟蹤處理。每道次軋制完后，跟蹤系統(tǒng)都會根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)對模型進行自適應(yīng)和對后續(xù)道次所設(shè)參數(shù)進行修正［10］，并能快速適應(yīng)軋制條件的變化，達到實時監(jiān)控、提高鋼板軋制精度的目的。

5 系統(tǒng)綜合能力評估

(1)控制模型的效能

由以前難以建立的數(shù)學模型到模糊控制的轉(zhuǎn)變，通過前饋方式可以實現(xiàn)動態(tài)測定以前不能測的板厚并獲得很高的板厚精度;采用傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式實現(xiàn)聯(lián)機及二次開發(fā)［11］，實際負荷與計算負荷標準偏差由9%下降到3.5%，提高了控制模型的精度，對產(chǎn)品質(zhì)量的提高起到了很好的作用。

(2)過程控制與高速網(wǎng)絡(luò)交換提升了控制能力

利用過程計算機實現(xiàn)了全過程的控制，以前各功能間的傳遞滯后及重復(fù)處理情況皆可消除，產(chǎn)品質(zhì)量及維護性能均得到改善;在過程計算機與過程之間的信息完全采用高速網(wǎng)絡(luò)進行交換，因此可用開發(fā)機進行并行測試，尤其是在20 ms 內(nèi)動作的實時控制可以并行運行，提升了控制能力。

另外，由于采用了高速網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)跟蹤后備系統(tǒng)，可以實現(xiàn)實時信息快速交換與處理、過程監(jiān)控、在線參數(shù)調(diào)整，從而容易進行系統(tǒng)擴展、開發(fā)新的控制功能，縮短了開發(fā)周期。

(3)控制結(jié)果總測試

控制系統(tǒng)升級改造后，經(jīng)過總測試，自動軋制率由改造前不足67%上升到改造后的97%以上;板材(前端)厚度的標準偏差由56 μm 減小到20 μm，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高。

6 結(jié)語

上述連軋機系統(tǒng)的升級改造項目所研究、應(yīng)用的核心技術(shù)可以概括為“Process+PLC+looping”多級控制系統(tǒng)。它突破了原控制系統(tǒng)的能力界限，得益于理論及工藝的創(chuàng)新;引入了功能先進的(高性能過程計算機、高速網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)跟蹤后備系統(tǒng)等)控制裝置，不僅提高了控制模型的精度及自動化程度，更重要的是軋件及設(shè)備維護性能均得到了改善，取得了良好效果。

除此之外，還通過引入新模型(理念)、新傳感器(技術(shù))，開發(fā)了動態(tài)設(shè)定及機架間測厚儀監(jiān)控AGC;用PLC 進行傳動裝置與傳感器之間的接口轉(zhuǎn)換及模型研究，開發(fā)了軋制負荷等多種模型，這些對今后同類設(shè)備的升級改造提供了技術(shù)支持與借鑒。

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