六輥可逆軋機(jī)板形閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

武維凱，梁 飛，石曉東，朱殿瑞（太原重工軋鋼設(shè)備分公司，山西 太原 030024）

六輥可逆軋機(jī)板形閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

武維凱，梁 飛，石曉東，朱殿瑞
（太原重工軋鋼設(shè)備分公司，山西 太原 030024）

對(duì)于高等級(jí)冷軋薄板的板形質(zhì)量控制問(wèn)題，本文在對(duì)六輥可逆軋機(jī)的設(shè)備組成、板形控制原理等進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)板形曲線(xiàn)制定、板形控制策略和板形反饋控制數(shù)學(xué)模型等進(jìn)行了充分研究，并編制了六輥可逆軋機(jī)板形閉環(huán)反饋的二級(jí)系統(tǒng)監(jiān)控軟件，軟件應(yīng)用效果良好，同時(shí)本文研究成果可為同類(lèi)型軋機(jī)的板形控制設(shè)計(jì)提供參考。

六輥可逆軋機(jī)；板形；閉環(huán)反饋；控制

近年來(lái)，我國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅猛，粗鋼產(chǎn)量已嚴(yán)重過(guò)剩，而高等級(jí)汽車(chē)板等精度和強(qiáng)度要求較高的薄板仍大量依賴(lài)進(jìn)口。同時(shí)，高精度板軋?jiān)O(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)也尚未完全獨(dú)立，多與日立、西馬克等國(guó)外廠家聯(lián)合制造。因此，切實(shí)提高我國(guó)高端軋鋼裝備的制造能力，以及提升高等級(jí)、高精度薄板的生產(chǎn)能力，已成為我國(guó)裝備制造業(yè)和鋼鐵工業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展過(guò)程中面臨的重大機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

由于單機(jī)架六輥可逆軋機(jī)設(shè)備成本低、投資見(jiàn)效快、故障率低，因此備受中小企業(yè)青睞，主要用于對(duì)原料熱軋卷進(jìn)行多道次可逆軋制，從而為制罐、家電等行業(yè)提供包裝原材料。為進(jìn)一步提高冷軋薄板的板厚、板形和粗糙度等加工質(zhì)量，需在測(cè)厚儀、板形儀等設(shè)備配置基礎(chǔ)上，通過(guò)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)板厚、板形的閉合反饋控制[1-3]。本文將對(duì)1420六輥可逆軋機(jī)板形反饋系統(tǒng)的構(gòu)建過(guò)程進(jìn)行研究，為同類(lèi)型機(jī)組的自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 六輥可逆軋機(jī)組成

如圖1所示，單機(jī)架六輥可逆軋機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，具體包括開(kāi)卷機(jī)、夾送輥、出入口卷取機(jī)、入口測(cè)厚儀、軋機(jī)本體、乳化液噴射裝置、出口測(cè)厚及板形儀等輔助設(shè)備。熱軋來(lái)料在夾送輥輔助下，從開(kāi)卷機(jī)打開(kāi)并送入軋機(jī)輥縫，隨后帶卷在軋機(jī)兩側(cè)卷取機(jī)的張力作用下，進(jìn)行奇數(shù)次的往復(fù)軋制，直到軋至設(shè)定厚度。在此過(guò)程中，軋機(jī)輥縫按照程序設(shè)定，在每道次軋制中調(diào)整輥縫開(kāi)口度，完成壓下操作；而出入口卷取機(jī)則負(fù)責(zé)建立軋制張力，減小帶鋼變形抗力。由于軋制速度較高，各處設(shè)備需緊密配合，而人工操作無(wú)法保證控制的精準(zhǔn)和及時(shí)，因此為使冷軋帶鋼具有穩(wěn)定的板形質(zhì)量，需在以上機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)上，建立一套反應(yīng)迅速、準(zhǔn)確可靠的板形閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。

圖1 單機(jī)架六輥可逆軋機(jī)主要設(shè)備組成

2 板形控制原理

帶鋼板形也稱(chēng)為平直度，是對(duì)帶鋼縱向相對(duì)變形程度的衡量。板形的產(chǎn)生是由于帶鋼在軋制過(guò)程中，來(lái)料截面形狀和實(shí)際輥縫形狀不相匹配，導(dǎo)致帶鋼縱向各條元的延伸率出現(xiàn)差異，進(jìn)而使其內(nèi)部出現(xiàn)橫向不均勻分布的殘余內(nèi)應(yīng)力，該內(nèi)應(yīng)力超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，對(duì)帶鋼外觀最直接的影響即是產(chǎn)生中浪、邊浪等宏觀可見(jiàn)的板形缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

板形控制方法一般分為前饋控制和反饋控制兩種，其中，前饋控制適合于對(duì)軋制參數(shù)的初始化；反饋控制則適用于在軋制過(guò)程中對(duì)板形相關(guān)軋制參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)控。板形反饋的目的是消除實(shí)際板形測(cè)量值與板形目標(biāo)曲線(xiàn)值之間的偏差，其控制原理是：首先，收集出口側(cè)板形儀測(cè)量數(shù)據(jù)，然后在設(shè)定的數(shù)學(xué)模型下將該數(shù)據(jù)與目標(biāo)板形進(jìn)行對(duì)比分析，并根據(jù)系統(tǒng)板形控制策略分別對(duì)傾輥、彎輥、分段冷卻等調(diào)控手段進(jìn)行指令下發(fā)，輥縫形狀發(fā)生相應(yīng)變化。該過(guò)程不斷往復(fù)循環(huán)，保證對(duì)帶鋼板形的連續(xù)、動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)反饋控制，最終獲得與目標(biāo)板形接近的冷軋帶鋼[4，5]。

3 板形閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 目標(biāo)板形曲線(xiàn)制定

目標(biāo)板形曲線(xiàn)是指連軋或可逆軋制中，每道次軋制后所希望獲得的在線(xiàn)板形分布曲線(xiàn)。由于目標(biāo)曲線(xiàn)是系統(tǒng)反饋計(jì)算中的參考標(biāo)準(zhǔn)，因此其參數(shù)制定的優(yōu)劣直接影響帶鋼的板形質(zhì)量。以往板形設(shè)定認(rèn)為，軋后帶材殘余應(yīng)力橫向分布為一條零直線(xiàn)即為板形良好，實(shí)際上，隨著板形控制思想的發(fā)展，獲得一定形狀的在線(xiàn)板形已成為實(shí)際生產(chǎn)中的最優(yōu)選擇，主要因?yàn)橐韵氯c(diǎn)：

（1）補(bǔ)償板形離線(xiàn)變化。一方面，在線(xiàn)軋制時(shí)，帶鋼橫向溫度分布不均，存在熱應(yīng)力；另一方面，帶鋼凸度對(duì)卷曲過(guò)程產(chǎn)生影響，造成卷曲內(nèi)應(yīng)力，開(kāi)卷后無(wú)法卸除，從而發(fā)生疊加變化；通過(guò)控制獲得相反的在線(xiàn)板形可對(duì)離線(xiàn)板形變化進(jìn)行補(bǔ)償。

（2）滿(mǎn)足后續(xù)工序?qū)Π逍蔚奶厥庖蟆Ｈ衾滠埡蟮膸Ь硇枰M(jìn)行罩式退火，為避免帶鋼層間粘接，一般要求冷軋后的帶鋼具有微雙邊浪；而需要進(jìn)行連續(xù)退火的帶鋼，為避免帶鋼中部與爐輥接觸過(guò)熱，則要求冷軋帶鋼具有微中浪。

（3）滿(mǎn)足各道次軋制的不同控制目標(biāo)。在多道次軋制中，一般前兩道次主要控制帶鋼的板凸度，因此選擇對(duì)凸度控制有益，而對(duì)板形控制無(wú)大害的目標(biāo)曲線(xiàn)；其后各道次則正好相反，尤其最末兩道次，以獲得最優(yōu)板形為目標(biāo)。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，為達(dá)到板形的快速分析和控制，一般采用偶數(shù)次冪函數(shù)來(lái)設(shè)定目標(biāo)曲線(xiàn)，如式（1）所示：

3.2 板形控制策略制定

板形控制策略是指將板形儀測(cè)得的數(shù)據(jù)與目標(biāo)曲線(xiàn)對(duì)比后，通過(guò)怎樣的調(diào)節(jié)手段進(jìn)行反饋控制。六輥可逆軋機(jī)常用的板形控制手段包括傾輥、彎輥、分段冷卻等，每種方法對(duì)輥縫形狀和軋后帶鋼板形具有不同方面和強(qiáng)度的影響。如圖2所示，傾輥的主要作用是調(diào)節(jié)帶鋼的一次板形分量，即通過(guò)分別調(diào)整兩側(cè)AGC液壓缸的壓上量來(lái)消除帶鋼的單邊浪等一次板形缺陷；彎輥包括中間輥彎輥和工作輥彎輥，對(duì)于兩種能力均配備的軋機(jī)，一般使用中間輥彎輥消除近帶鋼中部的中間浪等二次板形缺陷，而用工作輥彎輥消除靠近帶鋼邊部的二次雙邊浪或四次肋浪等板形缺陷；由于彎輥功能對(duì)四次及更高次板形的控制能力有限，因此增加了工作輥精密分段冷卻功能，可使工作輥產(chǎn)生特定的復(fù)雜形式的熱凸度，從而對(duì)高次板形缺陷進(jìn)行調(diào)控。

圖2 板形調(diào)控策略

另外，實(shí)際生產(chǎn)中，以上三種板形調(diào)控手段與板凸度調(diào)節(jié)的中間輥竄輥功能聯(lián)合使用，對(duì)板形和板凸度進(jìn)行有目的的綜合控制。

3.3 板形閉環(huán)反饋控制數(shù)學(xué)模型

六輥可逆軋機(jī)的板形控制一般采用PI比例積分反饋控制系統(tǒng)，配合軋機(jī)兩側(cè)的AGC伺服液壓缸和軋輥軸承座兩側(cè)的彎輥缸的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

其中傾輥值計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：△S*——傾輥值；

KSP——傾輥系統(tǒng)PI基本增益；

TSI——傾輥積分增益；

αs——非對(duì)稱(chēng)板形優(yōu)化增益；

S——傾輥傳遞函數(shù)計(jì)算符；

Ai——非對(duì)稱(chēng)目標(biāo)板形分量，i=1，3。

對(duì)二次和四次板形控制的彎輥計(jì)算值如式（3）所示：

式中：△F*——彎輥值；

KFP——彎輥系統(tǒng)PI基本增益；

TFI——彎輥積分增益；

αF——對(duì)稱(chēng)板形優(yōu)化增益；

F——彎輥傳遞函數(shù)計(jì)算符；

Ai——對(duì)稱(chēng)目標(biāo)板形分量，i=2，4。

4 二級(jí)系統(tǒng)板形監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)

在此研究基礎(chǔ)上，利用VB和C++混合編制完成了“六輥可逆軋機(jī)板形閉環(huán)反饋控制”的二級(jí)系統(tǒng)監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)，如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶鋼目標(biāo)板形曲線(xiàn)的設(shè)定、板形實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)和歷史數(shù)據(jù)回訪(fǎng)等功能。

5 實(shí)踐與應(yīng)用

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，該套系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)1420六輥可逆軋機(jī)板形控制系統(tǒng)中應(yīng)用，如圖4所示，經(jīng)過(guò)調(diào)試已投入生產(chǎn)，效果良好，板形精度≤10I達(dá)到95%以上，完全滿(mǎn)足其制罐帶鋼精度要求，同時(shí)極大提高了金屬收得率，為企業(yè)帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 板形監(jiān)控軟件工作界面

圖4 1420六輥可逆軋機(jī)板形控制系統(tǒng)組成及調(diào)試

6 結(jié)論

結(jié)合國(guó)內(nèi)高等級(jí)冷軋薄板的生產(chǎn)現(xiàn)狀，本文在對(duì)六輥可逆軋機(jī)的設(shè)備組成、板形控制原理等進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)板形曲線(xiàn)制定、板形控制策略和板形反饋控制數(shù)學(xué)模型等進(jìn)行了充分研究，并編制了六輥可逆軋機(jī)板形閉環(huán)反饋的二級(jí)系統(tǒng)監(jiān)控軟件，軟件應(yīng)用效果良好，為企業(yè)帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)效益。

[1]王曉晨，楊 荃，孫友昭.六輥冷軋機(jī)的彎輥力組合板形控制策略[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，（6）：824-829.

[2]馬 靜，黃景冬，商玉華，等.萊鋼1500 mm六輥可逆式冷軋機(jī)的板形控制技術(shù)[J].山東冶金，2008，（1）：36-38.

[3]宋曉云，馬 凈.萊鋼1500mm六輥可逆冷軋機(jī)的板形控制技術(shù)[J].一重技術(shù)，2008，（3）：34-36.

[4]閆沁太，張 杰，賈生暉，等.冷軋機(jī)板形調(diào)節(jié)能力分析方法的研究與應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，（4）：77-81.

[5]劉佳偉.冷軋帶鋼板形控制系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2010.

Development of closed loop feedback control system of plate flatness for six-high reversible rolling mill

WU Weikai，LIANG Fei，SHI Xiaodong，ZHU Dianrui
（Taiyuan Heavy Industry Steel Rolling Equipment Branch,Taiyuan 030024,Shanxi China）

Aiming at the flatness quality control issue of high-grade cold-rolled sheet,the equipment composition and the flatness control principle of the six-high reversible rolling mill have been analyzed in the text.The curve formulation of the target shape,the shape control strategy and control mathematical model of the shape control feedback have been fully studied.The secondary systemmonitoring software of plate-shaped closed-loop feedback for six-roller reversing rolling mill has been established.The effect of software application is good,and the research results can provide reference for the flatness control design of the same type rolling mill.

six-high reversible rolling mill；plateflatness；closed loop feedback；control

TG333.11

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.017

1672-0121（2017）02-0055-03

2016-11-09；

2017-01-20

武維凱（1989-），男，助工，從事軋鋼設(shè)備經(jīng)銷(xiāo)工作。

朱殿瑞（1985-），男，碩士，工程師，從事軋鋼設(shè)備制造研究。

E-mail：592652621@qq.com