平整機(jī)板形控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

李志鋒，李紅雨，曹忠華，高恩運(yùn)，秦大偉，張　巖

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧，鞍山114021）

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平整機(jī)板形控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

李志鋒1，李紅雨2，曹忠華1，高恩運(yùn)2，秦大偉1，張巖1

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧，鞍山114021）

摘要：介紹了鞍鋼冷軋1780單機(jī)架四輥平整機(jī)板形控制系統(tǒng)解決方案，包括平整機(jī)板形檢測(cè)、測(cè)量值采集、板形值計(jì)算原理等，并對(duì)平整機(jī)板形控制過程、軟件開發(fā)、應(yīng)用情況進(jìn)行了全面分析論述。

關(guān)鍵詞：冷軋機(jī)；平整系統(tǒng)；板形控制；徑向力

李志鋒，高級(jí)工程師，2005年7月畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。E-mail：xiao_yuan08@163.com

現(xiàn)代冷軋帶鋼通常需要進(jìn)行退火處理，通過平整機(jī)改善其力學(xué)性能、消除屈服應(yīng)力，控制帶鋼板形及表面形狀。由于平整處理是許多冷軋成品帶鋼加工的最后一道工序，因此，提高平整機(jī)的板形控制能力，對(duì)于改善冷軋帶鋼板形質(zhì)量具有非常重要的意義［1］。2012年，鞍鋼對(duì)冷軋1780平整機(jī)組進(jìn)行了技術(shù)改造，應(yīng)用鞍鋼自主擁有的AnShaper?板形控制技術(shù)以及相應(yīng)配套的硬件設(shè)備，著重對(duì)平整機(jī)組板形控制技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)，應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)研發(fā)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，效果良好。本文圍繞AnShaper?板形控制技術(shù)在鞍鋼1780平整機(jī)組的研發(fā)過程與應(yīng)用情況論述，重點(diǎn)對(duì)平整機(jī)板形檢測(cè)原理、板形控制技術(shù)、控制系統(tǒng)軟件開發(fā)及應(yīng)用效果進(jìn)行了全面分析論述。并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用效果，提出了進(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化平整機(jī)板形控制系統(tǒng)的新思路。

1　板形檢測(cè)

1.1板形輥

AnShaper?系鞍鋼冷軋機(jī)板形控制核心技術(shù)研發(fā)成功的重要標(biāo)志，于2011年形成AnShaper?注冊(cè)商標(biāo)，該技術(shù)已在鞍鋼進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用推廣。鞍鋼單機(jī)架四輥平整機(jī)板形控制系統(tǒng)開發(fā)正是在此背景下展開的，機(jī)組板形輥是根據(jù)鞍鋼1780平整機(jī)工藝特點(diǎn)量身定制。輥身長(zhǎng)度1786mm，具有33個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器有效測(cè)量寬度為52 mm，板形輥總檢測(cè)寬度為1716 mm。板形輥采用整輥鑲塊式結(jié)構(gòu)、內(nèi)嵌式信號(hào)處理系統(tǒng)，在線實(shí)時(shí)板形檢測(cè)由此套板形輥完成，發(fā)送到板形控制系統(tǒng)做進(jìn)一步處理。

1.2檢測(cè)原理

板形檢測(cè)是完整板形控制系統(tǒng)的重要組成部分。由于板形缺陷主要是板帶在寬度方向上內(nèi)應(yīng)力不均引起的，因此通過獲取帶鋼在沿寬度方向的內(nèi)應(yīng)力分布，進(jìn)而可以以應(yīng)力來表征、判斷板形缺陷大小及類型［2］。在冷軋機(jī)和卷取機(jī)之間張力作用下，潛在板形缺陷極不明顯，而沿帶鋼寬度方向會(huì)出現(xiàn)張力分布不均勻，表現(xiàn)為顯在板形，即帶鋼平直部分張力較大，有波浪部分張力較小，所以用張應(yīng)力差來表征板形是可行的［3］。

2　板形控制

2.1測(cè)量值采集

在軋制過程中，難以在線測(cè)量軋后帶鋼各條縱向的不均勻延伸，但帶鋼張力作用于板形測(cè)量輥上的徑向壓力可以在線測(cè)量。通過對(duì)徑向壓力進(jìn)行力學(xué)換算，能夠得到沿帶鋼長(zhǎng)度方向上的張應(yīng)力和殘余應(yīng)力分布，進(jìn)而用來表征板形［2-3］。板形測(cè)量值信號(hào)正是基于此原理獲取的。AnShaper?板形測(cè)量值采用基于DSP高精度信號(hào)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)板形輥檢測(cè)得到的原始板形信號(hào)進(jìn)行一系列處理(放大、濾波、鎖相、補(bǔ)償?shù)?，完成板形信號(hào)的有效值采集，并為板形控制系統(tǒng)提供相應(yīng)的板形控制信號(hào)及觸發(fā)信號(hào)［4］。板形控制系統(tǒng)測(cè)量值采集的任務(wù)就是把板形檢測(cè)到的信號(hào)通過相應(yīng)的算法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為易于計(jì)算機(jī)處理和用戶識(shí)別的板形信號(hào)(如徑向力值)。

2.2板形值計(jì)算

板形值計(jì)算主要是根據(jù)板形輥實(shí)測(cè)值，根據(jù)一定算法設(shè)計(jì)得到板形徑向力值。徑向力計(jì)算示意圖如圖1所示，在張力作用下，帶鋼以一定的包角通過板形輥，會(huì)在輥上面產(chǎn)生徑向壓力。

圖1　徑向力計(jì)算示意圖

國(guó)際上通常以I表示板形基本單位。一個(gè)I單位表示相對(duì)長(zhǎng)度差為10-5。則板形表示為：

式中，Δ為沿帶鋼寬度方向最長(zhǎng)與最短縱向變形長(zhǎng)度差；＇和分別為沿帶鋼寬度方向最長(zhǎng)和最短縱向變形的長(zhǎng)度。

在帶張力軋制時(shí)，殘余應(yīng)力的橫向分布表現(xiàn)為前張應(yīng)力的橫向分布：式中，Δ()為殘余應(yīng)力分布；()為前張應(yīng)力分布；為平均前張應(yīng)力。

2.3板形控制

板形控制是一個(gè)閉環(huán)(帶反饋)控制過程，控制目標(biāo)是為了消除板形實(shí)際測(cè)量值和板形控制目標(biāo)曲線間的偏差［5］。板形閉環(huán)控制是在穩(wěn)定軋制工況下，以板形輥實(shí)際測(cè)得的板形信號(hào)用作反饋信息，計(jì)算實(shí)際板形值與目標(biāo)板形值之間的偏差，進(jìn)而進(jìn)行板形控制模型分析，計(jì)算出能夠消除這些板形偏差所必需的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)量，連續(xù)地對(duì)軋機(jī)各種實(shí)際板形執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出調(diào)控指令，以使軋機(jī)能實(shí)時(shí)對(duì)軋制過程中的板形進(jìn)行動(dòng)態(tài)、連續(xù)調(diào)節(jié)，使帶鋼板形良好、穩(wěn)定。板形控制的基本流程為：采集、傳輸實(shí)際板形信號(hào)到控制系統(tǒng)，分析板形偏差原因，根據(jù)實(shí)際板形信號(hào)采取相應(yīng)的控制策略來調(diào)整板形［6-8］。

根據(jù)1780平整機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工藝綜合研究，設(shè)計(jì)由傾斜和工作輥彎輥兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)來動(dòng)態(tài)調(diào)整板形。實(shí)際研發(fā)過程中，根據(jù)平整機(jī)組的固有特點(diǎn)(小壓下量)，按照實(shí)際板形要求設(shè)定板形控制目標(biāo)曲線，對(duì)邊部測(cè)量段板形值進(jìn)行修正，將實(shí)際板形曲線控制到目標(biāo)曲線上，消除兩者之間的差值，有效地控制板凸度，以滿足用戶對(duì)板形的要求。

1780平整機(jī)控制流程示意圖如圖2所示。安裝在平整機(jī)軋機(jī)出口的板形輥產(chǎn)生的板形檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，DSP(數(shù)字信號(hào)處理)后，板形信號(hào)到達(dá)板形控制計(jì)算機(jī)，在板形控制計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行板形控制信號(hào)進(jìn)一步處理，形成板形控制信號(hào)發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)(傾斜、彎輥)以此來在線實(shí)時(shí)調(diào)整板形。同時(shí)板形控制計(jì)算機(jī)把板形相關(guān)的信息發(fā)送到板形HMI客戶端。在HMI客戶端上用戶可以觀察實(shí)時(shí)板形控制狀態(tài)，并發(fā)送控制命令(目標(biāo)曲線調(diào)整、執(zhí)行器使能等)給板形控制計(jì)算機(jī)。

圖2　1780平整機(jī)控制流程示意圖

3　板形控制系統(tǒng)開發(fā)

板形控制是一個(gè)閉環(huán)控制，包括板形設(shè)定控制和平直度控制。板形控制系統(tǒng)中這兩部分同時(shí)存在，不可相互替代，而先決條件是板形設(shè)定控制，平直度閉環(huán)控制是實(shí)現(xiàn)板形設(shè)定控制實(shí)施過程［6-7］。

在充分研究分析板形檢測(cè)機(jī)理及平整機(jī)板形控制方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)了平整機(jī)板形控制軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)包括平整機(jī)板形控制系統(tǒng)(通訊及控制算法)和平整機(jī)板形控制人機(jī)接口系統(tǒng)(HMI系統(tǒng))。

平整機(jī)板形控制系統(tǒng)的硬件組成主要有：板形測(cè)量輥、信號(hào)采集單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、PROFIBUS-DP控制單元、板形計(jì)算機(jī)(嵌入式)、板形控制計(jì)算機(jī)(HOST機(jī))、SIMADYN-D控制器等部分組成。軟件部分主要包括運(yùn)行在板形控制計(jì)算機(jī)上的實(shí)時(shí)控制程序和運(yùn)行在HOST計(jì)算機(jī)上的接口通信程序。HOST機(jī)上運(yùn)行的板形控制程序，主要是進(jìn)行板形數(shù)據(jù)的處理、控制量計(jì)算和通信工作，使用C語言開發(fā)。

冷軋平整機(jī)板形控制HMI系統(tǒng)是平整機(jī)板形自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分。板形HMI實(shí)時(shí)顯示帶鋼運(yùn)行參數(shù)和用于優(yōu)化板形的必須信息給用戶。結(jié)合AnShaper?板形控制技術(shù)及平整機(jī)板形控制特點(diǎn)，在W indows操作系統(tǒng)下以VC6.0SP6開發(fā)完成了平整機(jī)板形控制人機(jī)接口系統(tǒng)(HMI系統(tǒng))。該人機(jī)接口系統(tǒng)集板形檢測(cè)、板形控制于一起，為用戶提供了一個(gè)操作及監(jiān)視的圖形界面。HMI系統(tǒng)以圖像化界面形式將板形控制中軋制線帶鋼的基本信息，控制狀態(tài)信息、重要參數(shù)、各類調(diào)控曲線、控制流程圖等顯示給用戶，實(shí)現(xiàn)了在線故障報(bào)警功能，同時(shí)提供了基本的操作控制功能：執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使能控制、目標(biāo)曲線的設(shè)定、控制參數(shù)的編輯等。平整機(jī)板形控制HMI畫面見圖3。

圖3　平整機(jī)板形控制HMI畫面

4　實(shí)際應(yīng)用

平整機(jī)板形控制系統(tǒng)投入使用后，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)反饋，對(duì)板形控制程序進(jìn)行了充分的調(diào)試、優(yōu)化，確保了控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定有效運(yùn)行，實(shí)際應(yīng)用后板形控制效果良好。

(1)板形質(zhì)量得到改善。經(jīng)生產(chǎn)線反饋，因板形不良導(dǎo)致的二次平整量明顯降低。在板形控制系統(tǒng)投入使用1個(gè)月后，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)因板形不良而重新平整量降低了59 ％。

(2)工作輥彎輥力(W RB)的調(diào)整量減小，輥形質(zhì)量提高。由于實(shí)現(xiàn)了工作輥彎輥閉環(huán)反饋控制，工作輥彎輥調(diào)節(jié)效率提高，調(diào)幅多在±200 kN以內(nèi)；平整機(jī)采用平輥軋制后，降低了工作輥輥形的加工處理難度，輥形質(zhì)量提高，平整機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性提高。

(3)系統(tǒng)在線運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定率大于97％，可實(shí)現(xiàn)平整生產(chǎn)過程板形閉環(huán)控制，同現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)技術(shù)人員的實(shí)時(shí)觀測(cè)及重卷的帶鋼控制結(jié)構(gòu)實(shí)際板形統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)板形控制準(zhǔn)確率大于95％。通過附加傾斜和附加工作輥彎輥，板形偏差控制在5I以內(nèi)。

5　結(jié)論

通過對(duì)鞍鋼1780平整機(jī)板形控制技術(shù)的研發(fā)與實(shí)際應(yīng)用，使得鞍鋼人更進(jìn)一步掌握了冷軋帶鋼板形控制技術(shù)，提高了平整機(jī)帶鋼板形質(zhì)量，提高了平整機(jī)板形控制自動(dòng)化水平。同時(shí)，在應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)可以對(duì)本套板形控制系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，以形成成型的產(chǎn)品供技術(shù)輸出。在未來實(shí)施過程中，可以從以下三點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)：

(1)繼續(xù)研究板形輥硬度對(duì)板形質(zhì)量的影響，根據(jù)實(shí)際需要提出板形輥硬度要求，聯(lián)系板形輥生產(chǎn)廠家，訂購合理硬度的板形輥，以適應(yīng)不同工藝要求的冷軋生產(chǎn)線。

(2)研究板形控制目標(biāo)板形算法及控制工藝，能夠根據(jù)來料規(guī)格和成品目標(biāo)，不斷優(yōu)化設(shè)定值層疊表，目標(biāo)板形曲線能自動(dòng)設(shè)定，并通過自學(xué)

習(xí)自動(dòng)修正，進(jìn)一步提高自動(dòng)化水平。

(3)拓展軟件系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，使用如VisualStudio開發(fā)平臺(tái)編程實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的通訊、模型開發(fā)及人機(jī)接口界面開發(fā)，使得通訊接口更加標(biāo)準(zhǔn)化。

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(編輯袁曉青)

修回日期：2015-07-03

Developm ent and Application of Flatness Control System for Tem per M ill

Li Zhifeng1,Li Hongyu2,Cao Zhonghua1,Gao Enyun2,Qin Dawei1,Zhang Yan1
(1.Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning China; 2.Cold Rolled Strip Steel Mill of Angang Steel Co.,Ltd.,Anshan 114021,Liaoning,China)

Abstract:The solution to the flatness control system for the 1780 mm cold rolled singlestand temper mill with four-rolls was introduced,which includes the flatness-detecting system, measured values collecting system and the calculation principle for flatness values.And also the flatness control process for the tempermill,development of software and applications of operation of tempermillwere also analyzed and discussed.

Key words:cold rolled mill;temper system;flatness control;radial force

中圖分類號(hào)：TG333

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-4613（2016）01-0025-04