寬幅鈦帶冷軋自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

黃　鑫

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司自動(dòng)化部，萊蕪 271104）

寬幅鈦帶冷軋自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

黃鑫

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司自動(dòng)化部，萊蕪 271104）

針對(duì)萊鋼冷軋寬幅鈦帶存在的問(wèn)題，本文對(duì)寬幅鈦帶的自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了在線檢測(cè)鈦帶厚度，完善了軋制過(guò)程中的AGC系統(tǒng)，優(yōu)化了張力系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該技術(shù)在萊鋼取得了很好的應(yīng)用效果。

寬幅鈦帶 厚度 AGC系統(tǒng) 張力系統(tǒng)

引言

萊鋼使用六輥軋機(jī)軋制鈦帶、65Mn等特殊合金材料。但是，因特殊合金材料測(cè)厚的合金補(bǔ)償與鋼有較大差距，測(cè)厚儀與特殊合金材料的實(shí)際厚度差距較大，導(dǎo)致試軋?zhí)厥夂辖鸩牧现荒懿捎煤丬堉屏δＪ?，控制系統(tǒng)全部開(kāi)環(huán)控制。由于鈦帶具有彈性大、塑性大、軋制力大的特點(diǎn)，因此只能預(yù)先控制好輥縫，減少輥縫傾斜干預(yù)，以保證軋件與軋線一致后進(jìn)行生產(chǎn)。但通過(guò)人工調(diào)整操作，易導(dǎo)致試軋效果不好，出現(xiàn)斷帶、板型差等問(wèn)題。由于厚度和板型精度是寬幅鈦帶材最主要的質(zhì)量指標(biāo)，所以其控制水平在很大程度上決定了鈦帶材的質(zhì)量。厚度自動(dòng)控制AGC和板型自動(dòng)控制AFC作為現(xiàn)代軋機(jī)的最基本的控制手段，在改善鈦帶產(chǎn)品質(zhì)量，使帶材沿軋制方向上厚度均勻及平直度等方面具有重要作用。因此，冷軋寬幅鈦帶材軋制過(guò)程中，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)有了更新更高的要求。

本文通過(guò)對(duì)測(cè)厚儀、AGC等系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性改造，開(kāi)發(fā)測(cè)厚儀的合金補(bǔ)償系數(shù)曲線，優(yōu)化AGC系統(tǒng)、板型系統(tǒng)及張力系統(tǒng)的耦合參數(shù)，利用鈦帶軋制過(guò)程中合金補(bǔ)償模型技術(shù)、AGC系統(tǒng)的功能拓展優(yōu)化及張力系統(tǒng)的自適應(yīng)技術(shù)，以滿足當(dāng)前鈦帶批量生產(chǎn)的要求，基本實(shí)現(xiàn)了鈦帶生產(chǎn)中厚度的自動(dòng)控制。

1　在線測(cè)量設(shè)備測(cè)厚儀檢測(cè)鈦帶厚度的實(shí)現(xiàn)

測(cè)厚儀鈦合金補(bǔ)償系數(shù)曲線模型的開(kāi)發(fā)，可通過(guò)分析合金成分，優(yōu)化合金代碼算法模型，計(jì)算理論厚度補(bǔ)償系數(shù)，完成規(guī)程的預(yù)設(shè)定。測(cè)量出樣品板的機(jī)械厚度、對(duì)測(cè)厚儀作全量程標(biāo)定、預(yù)吸收標(biāo)定，溫度補(bǔ)償，計(jì)算出鈦帶的附加補(bǔ)償系數(shù)；再根據(jù)計(jì)算的理論厚度補(bǔ)償系數(shù)，與之疊加得出最終鈦帶的實(shí)際厚度補(bǔ)償系數(shù)。

擬合曲線采用測(cè)建母表法，如圖1所示。首先，制作待測(cè)鋼種的厚度樣板，并精確測(cè)量其厚度，再使用x射線測(cè)厚儀進(jìn)行在線測(cè)量。如果合金樣板實(shí)測(cè)厚度為x，不經(jīng)合金補(bǔ)償?shù)膞射線厚儀讀數(shù)為XA，于是可得到對(duì)應(yīng)合金吸收指數(shù)：AI=（XA，X）／X。該表由于是通過(guò)直線插法來(lái)計(jì)算任何厚度對(duì)應(yīng)AI，所以厚度點(diǎn)應(yīng)覆蓋KV段整個(gè)厚度范圍。

測(cè)厚儀較寬的測(cè)量范圍一般被分成幾個(gè)段，每個(gè)段對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的線管KV電壓，較厚的厚度段對(duì)應(yīng)高KV電壓。x射線測(cè)厚儀在投入使用前必須進(jìn)行一次在線標(biāo)定，形成在線標(biāo)定曲線。在線標(biāo)定時(shí)，手動(dòng)將覆蓋整個(gè)測(cè)量范圍的不同厚度規(guī)格且已知確厚度的外部標(biāo)準(zhǔn)樣板（或組合）放置于在線位置（帶材通過(guò)線高度位置）進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量，然后由計(jì)算機(jī)記錄不同厚度對(duì)應(yīng)的x射線強(qiáng)度（Xn，In）。這里，Xn為不同樣板實(shí)際，In為對(duì)應(yīng)的探測(cè)器信號(hào)（已減去探測(cè)器原始信號(hào)）。每個(gè)KV段計(jì)算機(jī)將采樣點(diǎn)使用多項(xiàng)式，采用曲線擬合的辦法將其擬合成曲線，并記錄多項(xiàng)式系數(shù)。于是，就建立了射線強(qiáng)度I和厚度x的函數(shù)關(guān)系。通過(guò)曲線擬合能夠在一定程度上修正標(biāo)準(zhǔn)樣板的厚度測(cè)量誤差（主要是隨機(jī)誤差），從而保證測(cè)量精度。

圖1　擬合曲線表

2　鈦帶軋制過(guò)程中AGC系統(tǒng)的優(yōu)化完善

AGC系統(tǒng)優(yōu)化主要可以完成厚度、速度檢測(cè)濾波功、分段厚差分級(jí)、輥縫同步、壓力環(huán)、位置環(huán)調(diào)節(jié)參數(shù)自學(xué)習(xí)自適應(yīng)、壓力環(huán)、位置環(huán)無(wú)擾切換等控制功能；實(shí)現(xiàn)反饋AGC控制、前饋AGC控制、秒流量AGC等控制系統(tǒng)。

本控制系統(tǒng)中，在秒流量AGC控制的基礎(chǔ)上加入前饋AGC和監(jiān)控AGC，開(kāi)發(fā)了一種策略。該控制策略以秒流量AGC為控制核心部分，前饋AGC和監(jiān)控AGC作為輔助。前饋AGC主要用來(lái)消除來(lái)料厚差的影響，監(jiān)控AGC定期對(duì)秒流量AGC的控制效果進(jìn)行修正，以消除軋輥磨損等因素對(duì)帶材刃度偏差的影響，從而保證帶材的厚制精度。在軋制過(guò)程中，隨著軋制道次的增加，帶材的硬度逐漸增大，壓下效率逐漸減小，AGC的增益需要逐漸增大，以保證AGC系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。為適應(yīng)此硬度變化，根據(jù)測(cè)得的軋制力及帶材壓下率計(jì)算帶材的硬度系數(shù)，用以修正AGC的增益。

3　鈦帶軋制過(guò)程中張力系統(tǒng)的優(yōu)化

本系統(tǒng)在開(kāi)卷機(jī)及卷曲機(jī)和軋輥之間設(shè)有獨(dú)立的張力控制系統(tǒng)，以保證在整個(gè)機(jī)組穩(wěn)速軋制階段的張力穩(wěn)定。張力軋制的主要作用是：防止帶材跑偏；使帶卷保持板形平直；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。系統(tǒng)采用直接張力和間接張力兩種控制方式。在直接張力閉環(huán)故障時(shí)，自動(dòng)切換到間接張力控制方式。在穩(wěn)定軋制的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)加大軋制張力，適當(dāng)調(diào)整冷軋機(jī)主電機(jī)負(fù)荷，以防止帶卷跑偏，降低軋件的變形抗力，從而使帶卷保持板形平直。

張力控制的模型見(jiàn)圖2。

圖2　張力控制模型圖

張力軋制的核心技術(shù)是卷徑計(jì)算與張力力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。張力模型中的卷徑計(jì)算有2種方式，一種是線速度計(jì)算，另一種是厚度積分。該六輥軋機(jī)采用簡(jiǎn)單的線速度除以角速度的方式來(lái)計(jì)算卷徑。處理卷徑問(wèn)題時(shí)，為避免帶材在低速段造成較大的計(jì)算誤差，該系統(tǒng)設(shè)置了線速度低限，超過(guò)該線速度再計(jì)算卷徑。

張力控制模型中，對(duì)于閉環(huán)力矩極限控制，張力控制器對(duì)速度控制器的極限起作用，進(jìn)而維護(hù)所需要的帶張力。摩擦和慣性的補(bǔ)償力矩是預(yù)設(shè)好的，其帶有正確的標(biāo)記，并被加在力矩極限的前面。使用這種控制原理，通過(guò)輸入一個(gè)飽和的設(shè)定點(diǎn)來(lái)使速度控制器保持在力矩極限內(nèi)。當(dāng)選擇閉環(huán)速度校正控制時(shí)，張力控制器影響速度控制器設(shè)定點(diǎn)系統(tǒng)在基本的速度控制器后，加入補(bǔ)償力矩作為補(bǔ)充力矩設(shè)定點(diǎn)。

對(duì)于閉環(huán)張力控制的操作，控制器的增益可適應(yīng)T400上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變量，或是在傳動(dòng)整流器使用可參數(shù)化的多邊曲線，在啟動(dòng)時(shí)使用自動(dòng)優(yōu)化程序來(lái)設(shè)定控制器。為了做到增益自適應(yīng)，需要滿的和空的卷筒的Kp值。本系統(tǒng)在卷曲率大于3時(shí)，才調(diào)試Kp適應(yīng)，否則使用基本的設(shè)定。

圖3　力矩計(jì)算的程序框圖一

圖4　力矩計(jì)算的程序框圖二

系統(tǒng)用416CPU實(shí)現(xiàn)張力設(shè)定，動(dòng)態(tài)力矩、補(bǔ)償力矩、卷徑計(jì)算等，主程序的程序框圖如圖3、圖4所示。帶材張力設(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)。

4　實(shí)施效果

該項(xiàng)目自主開(kāi)發(fā)了特殊合金補(bǔ)償模型，引入了附加系數(shù)曲線修正技術(shù)，拓寬了測(cè)厚儀的檢測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)了特殊軋制材料的精確檢測(cè)。采用連續(xù)分段函數(shù)曲線控制的乳化液噴射技術(shù)，提高了軋輥分段噴液調(diào)溫控制及板型的控制精度。

4.1成品縱向厚度偏差

在來(lái)料厚差梯度、帶材的最大硬度差、帶材的凸度和其他要求符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 709-88、GB 710-91、GB 912-89的前提下，軋制速度達(dá)到300～1200m/min范圍后，對(duì)0.2～0.65不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)0.31～0.65的產(chǎn)品厚度縱向偏差能達(dá)到產(chǎn)品的±1%。

4.2自動(dòng)化系統(tǒng)的利用率

經(jīng)過(guò)連續(xù)720小時(shí)利用率測(cè)試，電氣自動(dòng)化設(shè)備的硬件利用率（包括主單元（CPU），過(guò)程輸入/輸出接口，主傳動(dòng)裝置）都大于或等于99%。

Research and Application of Wide Cold Rolled Titanium Strip of Automated Control Systems

HUANG Xin
(Shandong Laiwu Iron and Steel Co branch automation unit, Laiwu 271104)

Aiming at Lai wu Steel cold rolled titanium strip wide problems of paper with automatic control system wide titanium were studied to achieve the online testing titanium strip thickness, and improve the rolling proces s AGC system, optimized tension system. After field application, the technology in Laiwu Steel made a very good application effect.

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