包鋼冷軋過程控制系統及軋制力算法研究

內蒙古科技大學信息工程學院 李小東 邢東旭

1.簡介

由于冷連扎生產過程復雜、控制點多、設備分布比較廣，各工序各設備要求同時并行工作，實時性強，數據交換量大，產品的精度要求也比較高，因此，多采用分布式計算機過程控制系統進行生產控制。分布式計算機控制系統，就是將生產過程控制與企業生產管理結合起來，由并行的計算機來實現全面控制，包括：生產管理級(L3)，過程控制級(L2)和基礎自動化級(L1)。這種控制系統傳輸誤差低、可靠性高、運算和控制速度快、開發和維護方便，是冷連扎機控制系統的發展方向。包鋼冷連軋機過程控制系統作為冷軋薄板連續生產線的關鍵部分，負責完成數學模型設定計算、帶鋼跟蹤、測量值采集、報表統計、數據通訊和人機接口等工作，以便保證整條工藝生產線的連續生產，要完成如此復雜的工藝流程，其過程控制系統是非常重要的。做為當今世界非常完美的西門子計算機控制系統是完成邏輯控制任務和人機接口，通訊處理的最優選擇，也為我們過程控制系統提供了最佳解決方案。

2.過程控制級（L2）

過程控制級功能主要包括數學模型系統、帶鋼跟蹤、測量值采集、報表統計、數據通訊和人機接口等，具體功能如下：

(1)數學模型系統主要包括設定計算和自適應學習。設定計算是利用PDI數據通過冷軋工藝參數模型和相應的系統參數來計算各機架帶鋼目標厚度，同時計算出高速條件下的變形抗力、張力、摩擦系數、軋制力、電機功率等參數。自適應學習是采集過程控制中的實測數據，根據理論計算值與實測值的偏差，對模型進行修正，使模型計算值逼近相應條件下的實際情況，從而獲得更高的設定精度。

(2)帶鋼跟蹤包括帶鋼跟蹤和生產過程跟蹤。帶鋼跟蹤即以1個物理鋼卷和1個order鋼卷為對象進行跟蹤即入口為物理跟蹤，在線為order跟蹤；生產過程跟蹤由L1計算機微跟蹤和L2計算機宏跟蹤組成。L2計算機基于L1計算機發送的事件信號進行宏跟蹤，控制軋機的生產狀態，并在相應時刻觸發其他控制功能，如：自動設定和數據采集、通訊與交換等。跟蹤范圍包括：入口卷處理段、活套段、張力拉矯段、酸洗段、軋機入口段、軋機段、軋機出口段和出口卷處理段。

(3)測量值采集L1計算機在冷連軋過程中對實際數據進行采樣，對生產設備的實際數據進行收集和存儲，這些數據包括：軋制結果數據，如軋制力、軋制速度、輥縫、張力等；生產結果數據，如鋼卷長度、直徑、重量、生產日期等；設備消耗信息，如乳化液和軋輥相關信息；質量控制信息，如帶鋼厚度、帶鋼板形等。數據通過PLC經以太網發送到L2計算機，進行分析處理，處理后的結果用于自適應計算和新的設定值計算。

(4)報表統計根據處理后的實際生產數據、軋輥數據、停機數據等對生產報表和質量報表進行統計。

(5)數據通訊與L3和L1進行生產統計數據的收發、軋輥數據的收發、實際生產數據的接收及設定數據的發送。

(6)人機接口用于畫面顯示和操作。操作人員可以通過人機接口將操作發送到L1計算機。

3.冷軋軋制力模型

3.1 軋制力模型特點

(1)軋件幾何形狀更接近推導理論公式時所作的假設，即寬度比厚度大得多，寬展很小，可以認為是平面變形問題。軋件厚度小，可以認為平截面假設和滑動摩擦理論較符合實際，軋件內部不均勻變形可以忽略。從這一點看，根據力平衡關系推導出的微分方程式比較接近冷軋實際。

(2)冷軋時一般需采用潤滑劑，這是由于冷軋時軋輥和軋件接觸面上的摩擦力對軋制力等工藝參數的影響較大，采用不同的潤滑劑及軋制條件不同時(如軋制速度、軋件和軋輥的材質及表面狀態等)摩擦系數不同，這就給軋制力理論計算帶來很大困難。如何正確計算摩擦系數，對軋制力的精確計算至關重要。對于確定的設備和穩定生產條件，上述影響因素的變化不大，因此結合具體情況，通過現場實測統計，找出合適的計算公式或得到理論公式中的某些系數是完全可能的。

(3)冷軋板帶材的一個重要條件是采用較大的前后張力，軋件越薄，張力的作用越大。張力可減小軋制力，有利于冷軋的進行。當板形不好時，通過橫斷面上張力分配的作用，可在一定程度上自動改善板形。因此，大張力軋制亦是為了獲得平直板形所必須的，總之計算板帶材軋制力時，必須考慮前后張力的影響。

(4)冷軋時，由于軋件較薄較硬，因此接觸弧長中單位壓力大，使軋輥在接觸弧處產生壓扁現象，因而加長了接觸弧的實際長度。所以，冷軋薄板時，軋輥的壓扁現象不容忽視，在計算軋制力時必須加以考慮。

(5)軋件的變形抗力有加工硬化的影響，故各道次的變形抗力往往和前面各道次的加工率相關，而且對本道次來說，它也是沿著接觸弧變化的，軋件在出口處比入口處要硬，計算時應取平均值，一般按照累積壓下率來計算平均變形抗力。

3.2 軋制力模型算法

比較典型的軋制力數學模型有斯通(M.D.Stone)、亞歷山大-福特(Alexander-Ford)、布蘭特-福特(Bland-Ford)、采利柯夫、Bland-Ford-Hill等。Bland-Ford-Hill公式是最常用的制止力計算公式，本文以該模型算法為依據，對軋制力模型進行分析。

考慮到軋制力模型的特點，冷軋軋制力公式，一般采用下列形式：

Pm=Bml＇cQpKtK/1000式中：P—軋制力，kN；

Bm—軋制平均寬度，m；

l＇c—考慮壓扁后的變形區接觸面積和接觸弧長，mm；

R—軋輥半徑，mm；

R＇—壓扁后軋輥半徑，mm；

Pm—平均單位壓力，MPa；

Qp—考慮壓扁后的外摩擦應力狀態系數；

Kt—張力影響系數；

K—考慮寬度方向主應力影響系數后的變形阻力，寬展很小時，一般取K=1.5，MPa；

我廠軋制力模型公式采用下列形式：（其中包括軋制力公式、軋制力矩公式、軋制功率公式）：

Ws—帶鋼寬度；

R—工作輥半徑；

F—軋制力；

T—軋制轉矩；

P（x）—軋制壓力；

h（x）—帶鋼厚度；

Vr—工作輥圓周速度；

Xn—中性線位置；

P—軋制功率。

4.結束語

總之，過程控制系統在冷連軋機中的應用是一個非常成功的典范，為包鋼冷軋薄 板的連續生產，提高產量，降低成本，減少操作人員的勞動強度做出了許多貢獻，同時也為同行業的計算機控制提供了一種最佳自動化選擇方案。

[1]西門子控制系統手冊[M].北京:西門子(中國)有限責任公司自動化與驅動集團自動化系統部,1999,32.

[2]孫一康.帶鋼冷連軋計算機控制[M].冶金工業出版,2002.