單機(jī)架可逆軋機(jī)板形自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用

賈鳳泳，王軍生，劉佳偉

（鞍鋼信息產(chǎn)業(yè)公司，遼寧 鞍山 114009）

隨著冷軋技術(shù)的快速發(fā)展，帶鋼趨向更寬更薄，寬厚比越來越大，各類板形問題愈加突出和復(fù)雜,特別是越來越多的冷軋帶材用于汽車和家用電器等行業(yè)中，并且對生產(chǎn)的需求正逐年增加［1-2］。板形和板厚是衡量帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量的兩個(gè)主要指標(biāo)。為了有效地完成冷軋帶鋼形狀參數(shù)設(shè)定和閉環(huán)控制，獨(dú)立開發(fā)了冷軋鋼板板形控制系統(tǒng)，并在鞍鋼1250 mm軋機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用，在高檔冷軋帶鋼的精細(xì)調(diào)控和系統(tǒng)升級(jí)方面均有很大程度的改善。本文對冷軋帶鋼板形控制系統(tǒng)底層自動(dòng)化控制部分進(jìn)行了介紹,重點(diǎn)對控制模型的結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能進(jìn)行了分析。

1 板形控制系統(tǒng)底層自動(dòng)化組成

底層自動(dòng)化系統(tǒng)是軋機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，也是過程控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分。底層自動(dòng)化系統(tǒng)分為若干個(gè)自動(dòng)化單元，每個(gè)單元完成相應(yīng)的功能。各自動(dòng)化單元之間通過總線連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以達(dá)到高效快速控制。單機(jī)架可逆軋機(jī)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接示意圖如圖1所示。

板形控制的底層自動(dòng)化采用SIEMENS S7-400和FM458控制模塊，分別用來控制邏輯順序控制和高速響應(yīng)要求的AFC閉環(huán)控制。板形計(jì)算機(jī)用來完成對板形輥檢測數(shù)據(jù)的處理和運(yùn)算功能，并將計(jì)算結(jié)果通過PROFIBUS網(wǎng)上的DP-COUPLER與S7-400進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，將板形偏差中的分段冷卻部分通過ET200站進(jìn)行控制，而其他執(zhí)行器的控制則由FM458來完成。

1.1 傾斜控制

帶鋼在軋制過程中,如果來料出現(xiàn)邊浪或瓢曲的缺陷,可通過傾斜手段來消除［3-4］。軋輥傾斜控制是板形控制中的一種重要手段,它是通過上位機(jī)給出設(shè)定值與軋輥實(shí)際位置相比較，液壓系統(tǒng)通過得出的差值來調(diào)整操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)液壓缸，實(shí)現(xiàn) 傾斜控制。

圖1 單機(jī)架可逆軋機(jī)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，伺服閥的調(diào)整滯后于控制器的輸出。這種控制系統(tǒng)的非線性部分，主要是由于油壓不但依賴于當(dāng)前的控制，還和伺服閥出口的油壓差有關(guān)。因此這種影響需要對閥的響應(yīng)值進(jìn)行補(bǔ)償，需要對控制器的增益進(jìn)行調(diào)整，以增加閥在壓差降低時(shí)的相應(yīng)速度。增益值和當(dāng)前軋機(jī)的軋制力有關(guān)，在開環(huán)和閉環(huán)情況下的增益計(jì)算公式分別為：

式中，gain為增益系數(shù)；FX為當(dāng)前軋制力；FRM為最大軋制力。

當(dāng)軋制方向改變時(shí)，控制器采用如圖2所示的曲線來修改增益。其中，一個(gè)為閉環(huán)增益，另一個(gè)為開環(huán)增益。最大軋制力和最小軋制力用來限制實(shí)際軋制力，以便更好的計(jì)算增益。當(dāng)實(shí)際傾斜值與設(shè)定傾斜值有偏差時(shí)，控制系統(tǒng)將不斷調(diào)整伺服閥開口度，使實(shí)際傾斜值最終達(dá)到設(shè)定值。傾斜值并不會(huì)穩(wěn)定在設(shè)定值，而是保持一種動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定，傾斜值與軋制力的波動(dòng)密切相關(guān)，伺服閥的開口度在零位附近上下晃動(dòng)，處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。在液壓缸、液壓配管、壓力傳感器、伺服閥設(shè)備及計(jì)算機(jī)硬件已經(jīng)確定后，增益選擇決定傾斜調(diào)整值在閉環(huán)控制過程中隨軋制力調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度、控制精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。對于不同的伺服閥要通過測試來選擇合適的增益系數(shù)范圍。

圖2 增益曲線

1.2 彎輥控制

液壓系統(tǒng)使工作輥發(fā)生彎曲，作用于工作輥軸承座上的壓力使工作輥產(chǎn)生不同程度的彎曲，從而改變工作輥的凸度和凹度，消除冷軋板的對稱誤差［5-6］。工作輥彎曲可以是正彎或負(fù)彎，通過底層自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)彎輥控制，在送到執(zhí)行器執(zhí)行時(shí)，還要考慮軋制力和中間輥竄輥對彎輥的影響，相應(yīng)的還要對其進(jìn)行補(bǔ)償，才能達(dá)到良好的控制效果。

軋制力前饋控制主要是用來補(bǔ)償軋制力波動(dòng)引起的輥縫形狀的變化。軋制力波動(dòng)補(bǔ)償計(jì)算公式為：

式中，ΔF是彎輥力調(diào)節(jié)量；αF為前饋調(diào)節(jié)比例系數(shù)；ΔFR為軋制力變化量的平滑值；K為前饋增益。

通過調(diào)整軋制力對板形的影響系數(shù)和前饋控制彎輥力對板形的影響系數(shù)，可以得到彎輥力對軋制力波動(dòng)的調(diào)節(jié)比例系數(shù)αF。軋制力前饋增益曲線如圖3所示，前饋增益K是關(guān)于帶鋼寬度的一個(gè)函數(shù)，根據(jù)軋機(jī)的設(shè)備及工藝參數(shù)，通過線性插值方法計(jì)算求得。

圖3 軋制力前饋增益曲線

中間輥竄輥可使輥間壓力分布發(fā)生變化，從而引起輥縫的變化。中間輥竄動(dòng)偏差可通過彎輥力進(jìn)行補(bǔ)償，竄動(dòng)量偏差補(bǔ)償因子公式為：

式中，αshift為竄動(dòng)量補(bǔ)償因子；dset為竄動(dòng)量設(shè)定值；dact為實(shí)際竄動(dòng)量；FWmax為最大彎輥力；16.384是根據(jù)軋機(jī)狀態(tài)和性能設(shè)定的常數(shù)。

工作輥彎輥共有4個(gè)控制器，在DS側(cè)和OS側(cè)分別有兩個(gè)控制器，這兩個(gè)控制器又分別為內(nèi)側(cè)控制器和外側(cè)控制器。內(nèi)側(cè)控制器提供負(fù)彎輥力，外側(cè)控制器在正常情況下提供正彎輥力。在內(nèi)側(cè)負(fù)彎輥力達(dá)到極限時(shí)，可通過外側(cè)控制器來提供負(fù)彎輥力。圖4為彎輥設(shè)定點(diǎn)和內(nèi)外側(cè)控制器參考值的關(guān)系。圖中P1為正負(fù)彎輥控制器預(yù)壓限制值；P2為內(nèi)側(cè)控制器的最大負(fù)彎輥力和外側(cè)控制器提供的負(fù)彎輥力之和；P3為外側(cè)控制提供的最大負(fù)彎輥力和通過P1+P2計(jì)算出來的最大負(fù)彎輥限制之和。

圖4 彎輥設(shè)定點(diǎn)和內(nèi)外側(cè)控制器參考值的關(guān)系

1.3 竄輥控制

六輥軋機(jī)中間輥橫移對改善成品形狀具有非常顯著的影響，同時(shí)具有均勻磨損軋輥的功能并改善軋件邊緣下降［7-8］。竄輥的控制方式有很多種，無論哪種竄輥方式，首先都是基于軋輥均勻磨損或邊緣下降控制模式。文中采用“經(jīng)驗(yàn)”竄輥方式，當(dāng)前竄輥位移設(shè)置見公式（5）。

式中，Lm為中間輥輥身長度；W1為當(dāng)前軋件寬度；ΔSOP為操作工修正量；δ為寬度相關(guān)的函數(shù)；Scurrent為當(dāng)前為竄輥位移。

2 應(yīng)用效果

這套板形控制系統(tǒng)已應(yīng)用在鞍鋼1250 mm單機(jī)架可逆軋機(jī)上，圖5為板形控制系統(tǒng)投入使用后，成品道次的板形控制效果圖，末道次帶鋼的一組沿帶鋼寬度方向上的板形測量值分布圖。其中，產(chǎn)品規(guī)格（厚×寬）為 1.8 mm×1 090 mm，材質(zhì)為ST12，軋制速度為500～600 m/min。

圖5 沿帶鋼寬度方向板形測量值分布圖（帶鋼厚度為1.8 mm）

由圖中數(shù)據(jù)分析可知，帶鋼橫斷面板形偏差基本上控制在6 I以內(nèi)。當(dāng)冷軋帶鋼厚度大于1.5 mm時(shí)，板形控制效果比較好，板形指標(biāo)可控制在2 I以內(nèi)如圖5所示；當(dāng)帶鋼在1.0 mm以下時(shí)，板形控制效果一般；如果當(dāng)帶鋼厚度小于0.5 mm時(shí)，產(chǎn)品規(guī)格（厚×寬）為 0.2 mm ×1 090 mm，材質(zhì)為 ST12，在正常的軋制速度（600～1 200 m/min）下，軋后鋼板的平均板形偏差控制在13 IU以下，在高速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，板形指標(biāo)控制在7 I以內(nèi)（標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品板形的合格指標(biāo)為10 I以下），其應(yīng)用效果如圖6所示。

圖6 帶鋼厚度0.2 mm應(yīng)用效果圖

3 結(jié)語

板形是冷軋成品質(zhì)量的重要指標(biāo)，板形控制系統(tǒng)作為控制冷軋成品道次的重要組成部分，其控制效果直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。

（1）通過現(xiàn)場應(yīng)用，軋制1.8 mm厚度鋼板時(shí)，板形偏差控制在2 I以內(nèi)；軋制0.2 mm薄鋼板時(shí)，板形偏差控制在7 I以內(nèi)，均達(dá)到了預(yù)期效果。

（2）該板形控制系統(tǒng)是完全自主研發(fā)的控制系統(tǒng)，目前已投入工業(yè)應(yīng)用，并取得良好的控制效果，提高了冷軋產(chǎn)品的成品質(zhì)量，對國內(nèi)板形控制系統(tǒng)的研發(fā)起到推動(dòng)作用，具有現(xiàn)實(shí)意義。