冷軋機(jī)的厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)分析

吳嘉

（ABB（中國(guó)）有限公司重慶分公司，重慶401121）

1 冷軋機(jī)厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成和硬件配置

研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行冷軋機(jī)厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)當(dāng)前硬軟件的發(fā)展進(jìn)行了考慮，通過各種先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用，增強(qiáng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的有效性和科學(xué)性。與此同時(shí)，還滿足了冷軋機(jī)的各種性能要求，主要包括通信、控制和可靠性，只有達(dá)成上述目標(biāo)，才能使冷軋產(chǎn)品的質(zhì)量得到保障。據(jù)了解得知，研究機(jī)構(gòu)所研發(fā)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)有如下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）自動(dòng)控制系統(tǒng)可以對(duì)在線雙機(jī)熱備進(jìn)行合理的配置，究其原因，主要是自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成包括過程控制和人機(jī)界面服務(wù)器，借助這些服務(wù)器，即可保障系統(tǒng)的運(yùn)行效果。以數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器為例，該服務(wù)器可以配制硬盤和電源冗余，使每臺(tái)服務(wù)器都能發(fā)揮應(yīng)有的作用；（2）過程控制系統(tǒng)和基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)會(huì)共同使用人機(jī)界面服務(wù)器和DEV。所謂的DEV，就是指軟件開發(fā)終端；（3）基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)在采用配置方案時(shí)，會(huì)將冷軋機(jī)組的機(jī)架數(shù)量作為依據(jù)，以此來滿足冷軋機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的效果，并控制投資成本；（4）以太網(wǎng)TCP 通信協(xié)議是連接自動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。為達(dá)成這一目的，研究人員將以太網(wǎng)卡分別放置在PCS 之中，促進(jìn)了數(shù)據(jù)之間的分流，提高通信的時(shí)效性；（5）基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)所采用的硬件設(shè)備為TDC、PLC 和FM458，從而使冷軋高速控制需求得到滿足；（6）TDC 機(jī)架應(yīng)用了GDM,以滿足信號(hào)間的數(shù)據(jù)交換速度需求；（7）遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，這些模塊的應(yīng)用，可以降低工作人員檢修和維護(hù)系統(tǒng)的難度。

2 過程控制系統(tǒng)的核心技術(shù)

過程控制系統(tǒng)屬于軟件系統(tǒng)，具有復(fù)雜程度高的特點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)方式為不同功能多個(gè)任務(wù)進(jìn)程相互協(xié)同，通常情況下，可以將過程控制系統(tǒng)分為三個(gè)部分：系統(tǒng)軟件、中間件和應(yīng)用軟件。其中操作系統(tǒng)為Windows 操作系統(tǒng)，同時(shí)選擇了中間件作為核心支撐軟件，而功能模塊是應(yīng)用軟件的構(gòu)成。

2.1 中間件

研究機(jī)構(gòu)所研發(fā)冷軋機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)選擇了過程控制開發(fā)平臺(tái)，并將其作為中間件，據(jù)了解得知，該平臺(tái)已經(jīng)在平整、橫切等系統(tǒng)中取得了良好的應(yīng)用。平臺(tái)功能相對(duì)較多，分別為進(jìn)程管理、日志報(bào)警管理、文件管理和通信管理等等，這些功能的實(shí)現(xiàn)，可以保存和定位出錯(cuò)信息[1]。

2.2 應(yīng)用軟件

2.2.1 負(fù)荷分配模型。冷軋?jiān)O(shè)定計(jì)算效果會(huì)受到負(fù)荷分配合理性的影響，如果無法保證負(fù)荷分配的合理性，冷軋產(chǎn)品的質(zhì)量就會(huì)下降。研究機(jī)構(gòu)所構(gòu)建的負(fù)荷分配模型，將生產(chǎn)線的實(shí)際情況作為依據(jù)，融合了蟻群算法和遺傳算法，這些算法的使用，有助于最佳負(fù)荷分配目標(biāo)的自動(dòng)化選擇，最后可以為使用者提供最優(yōu)負(fù)荷分配目標(biāo)的壓下數(shù)據(jù)，同時(shí)還能提供試算和干預(yù)接口，除自動(dòng)干預(yù)之外，人工干預(yù)亦可。

2.2.2 集成多種變形抗力數(shù)學(xué)模型。在計(jì)算變形抗力時(shí)需要借助數(shù)學(xué)模型，故這個(gè)數(shù)學(xué)模型為核心模型，目前多項(xiàng)式模型和指數(shù)模型是常用數(shù)學(xué)模型，本文選擇了指數(shù)模型。由于材料性質(zhì)的不同，因此需要采取不同的數(shù)學(xué)模型。為了使模型計(jì)算準(zhǔn)確性得到保證，研究機(jī)構(gòu)應(yīng)用了先進(jìn)儀器和模擬設(shè)備，完成了數(shù)學(xué)模型的開發(fā)[2]。

2.2.3 板形/板厚設(shè)定計(jì)算解耦補(bǔ)償策略。板形和板厚設(shè)定需要對(duì)雙方的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行使用，故在設(shè)定階段應(yīng)采取解耦補(bǔ)償策略，使二者之間的耦合影響關(guān)系得以消除。將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式作為依據(jù)，研究機(jī)構(gòu)采取的解耦補(bǔ)償策略為分布計(jì)算，簡(jiǎn)言之，就是分別計(jì)算板形和板厚，通過這種方式，提高計(jì)算的精度。在設(shè)定厚度時(shí)只有關(guān)注二者間的關(guān)系，方能在最大限度上確保彎輥力和壓下設(shè)定的精度，如圖1 所示。

圖1 補(bǔ)償策略

通過觀察圖1 可知，其補(bǔ)償流程為跟蹤料流- 規(guī)范軋制-分配負(fù)荷- 設(shè)定CPSC 張力- 設(shè)定CPSC 軋制壓力- 設(shè)定CPSC 軋輥速度、計(jì)算綜合輥形- 分配板形- 設(shè)定SSU 彎竄輥- 設(shè)定CPSC 壓下- 設(shè)定結(jié)果發(fā)送- 結(jié)束設(shè)定- 完成自動(dòng)化控制[3]。

2.2.4 變形抗力自學(xué)習(xí)模型

計(jì)算軋制力模型的前提條件就是變形抗力模型，為了增強(qiáng)機(jī)組的適用性，降低軋制時(shí)間，研究機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，將自學(xué)習(xí)模型與變形抗力模型相融合。其優(yōu)勢(shì)具體表現(xiàn)在以下方面：（1）該模型可以將軋制件測(cè)量數(shù)據(jù)作為依據(jù)，在測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)存在差距時(shí)，學(xué)習(xí)模型能夠自動(dòng)修正偏差，并在此基礎(chǔ)上完成迭代計(jì)算，直至測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相同為止。在初次軋制力計(jì)算完成后，方能進(jìn)行下一道軋制力的計(jì)算，在完成全部軋制力計(jì)算后，通過最小二乘法的使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)變形抗力模型的準(zhǔn)確計(jì)算；（2）初次材料前兩卷軋制階段，變形抗力自學(xué)習(xí)較為適用，但是在這個(gè)階段結(jié)束后，常規(guī)自動(dòng)學(xué)習(xí)會(huì)替代變形抗力自學(xué)習(xí)。實(shí)踐結(jié)果表明，該方法的應(yīng)用，有助于模型自學(xué)習(xí)效率的提升，檢驗(yàn)周期大大減少，產(chǎn)品合格率也會(huì)因此得到保障。

3 基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)工藝控制的新技術(shù)

3.1 超薄規(guī)格動(dòng)態(tài)壓下技術(shù)

想要實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼產(chǎn)品薄度的有效控制，必須要保證冷軋機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。但就實(shí)際情況而言，如果軋制材料為帶鋼材料，在實(shí)際軋制階段出現(xiàn)問題的概率較大，常見的問題為設(shè)備啟動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)劇烈的張力波動(dòng)，導(dǎo)致帶鋼材料的軋制質(zhì)量受損。問題產(chǎn)生的原因?yàn)閭鲃?dòng)精度不足，控制能力差等。

出于解決上述問題的考慮，研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)壓下技術(shù)。該技術(shù)是指在進(jìn)行超薄規(guī)格帶鋼生產(chǎn)時(shí)，過程控制系統(tǒng)的軋制力設(shè)定值為兩組，兩組厚度控制目標(biāo)的設(shè)定值有所差別，其中第一組的設(shè)定值，設(shè)置目標(biāo)為最終厚度，而第二組設(shè)定值的設(shè)置目標(biāo)為保障啟動(dòng)穩(wěn)定性。在厚度到達(dá)臨界值時(shí)，其設(shè)定值會(huì)由第一個(gè)機(jī)架向最后一個(gè)機(jī)架過渡。雖然這種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用階段會(huì)對(duì)成材率造成不利影響，但卻能保證薄規(guī)格產(chǎn)品軋制的穩(wěn)定性。

3.2 卷芯偏心補(bǔ)償策略

設(shè)備老化、加工精度會(huì)影響冷軋機(jī)組運(yùn)行的效果，容易導(dǎo)致卷筒偏心和局部突起問題的出現(xiàn)，這個(gè)問題就是所謂的卷芯偏心。其中，在軋制階段出現(xiàn)波動(dòng)在所難免，如果不加以控制，必然會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量受損。為解決卷芯偏心問題，研究機(jī)構(gòu)選擇了傅里葉變換法，預(yù)測(cè)了卷芯偏心引起的張力變化，并在此基礎(chǔ)上，通過補(bǔ)償開卷和卷取的轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償，消除張力，以實(shí)現(xiàn)控制波動(dòng)的目的，從而保證產(chǎn)品的加工精確度。

3.3 板形/板厚解耦控制策略

在控制板形和板厚的過程中，需要做好軋機(jī)有載輥縫的控制，這是控制二者的有效措施，故在實(shí)際控制階段，二者必然會(huì)產(chǎn)生干擾，帶鋼厚度的控制效果也會(huì)顯著下降。為了控制不良現(xiàn)象，研究機(jī)構(gòu)采取的方式為將板形和板厚解耦控制相分離，使二者互不干擾。

綜上所述，在新時(shí)期背景下各種先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備被應(yīng)用于工業(yè)加工領(lǐng)域，針對(duì)軋制系統(tǒng)存在的不足，研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種自動(dòng)化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由過程控制系統(tǒng)和基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)構(gòu)成，同時(shí)采取了超薄規(guī)格動(dòng)態(tài)壓下技術(shù)、卷芯偏心補(bǔ)償策略以及板形/板厚解耦控制策略，通過這些方法的應(yīng)用，對(duì)冷軋機(jī)常見的問題進(jìn)行控制，實(shí)踐結(jié)果表明，自動(dòng)化控制系統(tǒng)有利于保證產(chǎn)品的質(zhì)量和精度。