寬帶鋼粗軋機控制系統(tǒng)升級改造的研究與應(yīng)用

趙春佳

（山東鋼鐵股份有限公司 萊蕪分公司 自動化部，山東 萊蕪 271104）

0 引言

鋼鐵產(chǎn)能的過剩加劇了市場的競爭，產(chǎn)品質(zhì)量成為競爭制勝的主要因素。隨著計算機和自動控制技術(shù)的快速發(fā)展，萊鋼寬帶鋼粗軋系統(tǒng)原有的控制功能已不能滿足當前客戶對鋼坯質(zhì)量的要求。為提高寬帶鋼鋼坯質(zhì)量，為后續(xù)軋機軋制提供良好的鋼坯條件，須對粗軋機的基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)進行軟件升級改造，以降低控制不穩(wěn)定的情況，提高成品率。

1 系統(tǒng)升級改造方案設(shè)計

系統(tǒng)升級改造分為控制系統(tǒng)方案設(shè)計、硬件系統(tǒng)設(shè)計、程序設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試4個階段。

1.1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

在此階段里，經(jīng)過一系列的研究和論證，決定對原基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)進行改造，并增加過程自動化控制系統(tǒng)。新的設(shè)計方案比原控制系統(tǒng)更安全、更可靠、更穩(wěn)定，并能減少系統(tǒng)故障時間，降低工人勞動強度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過總結(jié)、分析影響設(shè)備穩(wěn)定性及產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的因素，并結(jié)合現(xiàn)場的實際情況對生產(chǎn)工藝進行深入的分析，最終確定了自動控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，編制了《1 500mm粗軋機功能規(guī)格要求書》。

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

通過對各廠家產(chǎn)品的綜合對比分析，以及與現(xiàn)場其他區(qū)域的連接，最后確定基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7-400控制系統(tǒng)，并確定了所需模板的類型、型號和數(shù)量，畫面監(jiān)控機采用HP臺式工控機；過程自動化控制系統(tǒng)采用惠普服務(wù)器（DL580）作為粗軋二級服務(wù)器。

1.3 程序設(shè)計

在熟悉西門子硬件和軟件資料的基礎(chǔ)上，對基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)進行組態(tài)。采用Step提供的編程語言進行用戶程序的編寫，通過指令、功能塊、數(shù)據(jù)塊、組織塊和中斷處理的靈活運用，對邏輯控制、前饋控制和反饋控制等功能進行了程序的編寫，以達到系統(tǒng)的控制目的。L2服務(wù)器的操作系統(tǒng)選用了Windows Server2008，通過對L2與L1和HMI的通訊接口設(shè)計，對粗軋寬度控制及厚度控制的數(shù)學(xué)模型進行了編程實現(xiàn)，包括預(yù)設(shè)定計算、修正設(shè)定計算和自學(xué)習(xí)模塊。

1.4 系統(tǒng)調(diào)試

在完成了現(xiàn)場與L1系統(tǒng)的信號電纜的鋪設(shè)、各設(shè)備所需電源電纜的鋪設(shè)、接地電纜的鋪設(shè)，以及L1、HMI和L2服務(wù)器3者之間通訊電纜的鋪設(shè)等工作之后，下裝PLC程序，同時運行L2程序和HMI程序。先對各子系統(tǒng)進行單獨測試，然后對整個大系統(tǒng)進行通訊測試和綜合測試，在測試過程中，不斷完善和改進系統(tǒng)的設(shè)計，直到控制效果達到要求為止。

2 粗軋模型軟件升級研究

2.1 粗軋規(guī)程計算

根據(jù)鋼坯軋制工藝，鋼坯從爐內(nèi)到粗軋軋制的完成這段時間內(nèi)需要進行多次規(guī)程設(shè)定計算，每次的計算條件、目的和方法均不相同，一般分為預(yù)計算、再計算、后計算和模型自適應(yīng)幾部分。系統(tǒng)在軋制規(guī)程再計算、后計算、模型自適應(yīng)過程中會對處理后的實測值進行可靠性判斷。當數(shù)據(jù)不可靠時，系統(tǒng)會自動進行特殊處理，以避免隨機、偶發(fā)的擾動對系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及模型精度造成不利影響。

2.1.1 規(guī)程預(yù)計算

規(guī)程預(yù)計算的啟動時刻是在軋件進入設(shè)備之前，根據(jù)當前設(shè)備狀態(tài)和軋件參數(shù)對后續(xù)設(shè)備進行預(yù)設(shè)定。在設(shè)定計算過程中，程序需要根據(jù)PDI中的產(chǎn)品質(zhì)量要求和軋制策略中的工藝條件對軋制規(guī)程的負荷分配、軋制速度、帶鋼冷卻等進行優(yōu)化計算，并對設(shè)備和工藝的極限參數(shù)進行校核，最終得到符合當前軋制工況的相對最優(yōu)的一組設(shè)定數(shù)據(jù)。L1接收到設(shè)定數(shù)據(jù)后，在條件允許的情況下提前執(zhí)行該設(shè)定參數(shù)，做好軋制準備。

2.1.2 規(guī)程后計算

規(guī)程后計算在每軋制道次的相關(guān)測量數(shù)據(jù)收集并處理完成后被啟動。由于實際軋制條件（比如實際變形量和變形溫度）與預(yù)設(shè)值有一定的差異，因此不能將預(yù)設(shè)定中所預(yù)測的過程值（軋制力、軋制力矩、軋件溫度、軋件尺寸等）直接與實測數(shù)據(jù)進行比較來確定模型的精度。規(guī)程后計算就是根據(jù)每軋制道次的實測數(shù)據(jù)采用與預(yù)計算類似的方法來重新計算這些過程值，然后由模型自適應(yīng)功能來修正模型。因此，后計算出來的過程值與實測值是相對于同一軋制工況，具有可比性，是模型自適應(yīng)的前提。

2.1.3 規(guī)程再計算

規(guī)程再計算（粗軋道次間修正）的目的是采用自適應(yīng)后的模型系數(shù)，并考慮當前軋制的偏差，對后續(xù)軋制規(guī)程進行修正計算，以提高軋制規(guī)程的精度。對于粗軋階段，軋制規(guī)程再計算是在每道次軋制收集到一定合理的測量值數(shù)據(jù)后被啟動，其目的是通過修正后續(xù)軋制道次的設(shè)定參數(shù)，以糾正前一軋制道次產(chǎn)生的控制偏差。

2.2 粗軋數(shù)學(xué)模型升級

新一代模型系統(tǒng)大量采用了精確的解析模型來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的簡化模型以提高預(yù)報精度，同時采用模糊的自學(xué)習(xí)算法提高了模型的適應(yīng)能力。

2.2.1 負荷分配模型

新的粗軋道次負荷分配模型采用相對壓下率的方式表示，具體的分配參數(shù)可由后臺工藝表確定，也可由操作人員從HMI上修改。為了能獲得精確的中間坯目標厚度，負荷分配模型能自動按照同一比例縮放各道次的壓下率參數(shù)，因此，在制定和修改工藝表以及修改中間坯目標厚度時，可以更加靈活和方便。另外，負荷分配模型可以自動優(yōu)化各道次水平壓下率和側(cè)壓量，確保軋機軋制能力及設(shè)備運行的穩(wěn)定性。

2.2.2 輥系變形在線快速計算模型

傳統(tǒng)模型采用壓靠實驗的彈跳曲線確定軋機彈性形變，軋鋼時的工況與實驗下工況相比環(huán)境相差較大，軋機彈跳形變相對誤差較大。為提高計算精度對其分兩部分進行計算：輥系的彈性變形和軋機牌坊及其他部分的彈性變形。

當前軋機新模型系統(tǒng)中采用在線控制的輥系變形快速計算方法，該模型以影響函數(shù)法為基礎(chǔ)，本系統(tǒng)對其迭代算法進行了改進，以提高計算效率?？焖佥佅底冃斡嬎懔鞒炭驁D如圖1所示。圖中，ywb為輥系的彈性變形，ε為常數(shù)。

圖1 快速輥系變形計算框圖

2.2.3 基于帶鋼頭尾形狀預(yù)測的短行程曲線模型

由于帶鋼頭尾部處于無應(yīng)力狀態(tài)，沒有一個力矩能回牽帶鋼，立輥（特別是大立輥側(cè)壓量較大時）在軋制帶坯頭部及尾部時將出現(xiàn)兩個非穩(wěn)定段，圖2表示了側(cè)壓后的帶鋼端部形狀。經(jīng)隨后的水平軋制后，帶鋼端部和尾部的失寬現(xiàn)象加劇，從而造成帶鋼頭尾寬度超差，需要通過立輥變化開口度（即短行程曲線）進行控制。傳統(tǒng)模型主要是采用查表方式來確定短行程曲線，適應(yīng)性較差，需要人工干預(yù)。

圖2 側(cè)壓后帶鋼的端部變形

新模型系統(tǒng)中采用解析模型，根據(jù)每道次軋制規(guī)程預(yù)測軋后的帶鋼頭尾形狀，根據(jù)補償原理可確定出短行程曲線，在新模型系統(tǒng)中采用兩段二次多項式來描述短行程曲線。

3 結(jié)語

經(jīng)過粗軋控制系統(tǒng)的改造，運行8個月以來，1 500帶鋼熱連軋生產(chǎn)線現(xiàn)場的故障率大大降低，提高了帶鋼產(chǎn)量，同時粗軋機控制精度的提高改善了產(chǎn)品的質(zhì)量和軋機設(shè)備的各種性能，帶來了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，完全達到了預(yù)期的效果。

［1］孫一康.帶鋼熱連軋數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1979.

［2］孫一康.帶鋼熱連軋的模型與控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2002.