板形自動控制在熱連軋中的應用

李成鋒

（山鋼股份萊鋼分公司 自動化部，山東 萊蕪 271104）

0 引言

隨著冶金鋼鐵工業的發展，特別是板材的發展，其板形的質量控制變得越來越重要了，因為板形指標是其市場競爭力的決定性因素。采用先進的板形測量裝置是實現板形自動控制的重要前提之一。板形測量裝置主要是利用傳感技術來實現對帶鋼板形的檢測，板形檢測主要分兩種：測量帶材橫向張力分布的隱含板形和測量帶材表面波浪度的宏觀波形。熱軋過程中使用的檢測裝置以測量宏觀板形為主，目前鋼鐵公司采用較多的是激光板形儀。

1 板形控制系統構成

帶鋼熱連軋板形質量控制的區域主要是在精軋區，在精軋區域的出口安裝凸度儀和平坦度儀是保證板形控制的關鍵。目前，熱連軋生產線大多采用四輥六機架連軋機組，對于每個機架來說都具備正負彎輥和竄輥的功能。系統設定彎輥力的最大調節值達4 000kN，機架F1、F2、F3的最大竄輥量為150mm，F4、F5、F6的最大竄輥量為200mm。彎輥控制是動態板形調控的重要手段，凸度控制、平坦度控制為反饋的輔助手段。

板形控制程序根據其系統結構圖設計編寫，如圖1所示。該系統中主要包含板形設定、彎輥力前饋控制、彎輥力正彎與負彎控制、凸度儀的反饋閉環控制、平坦度的反饋閉環控制、板形與板厚的解耦控制等手段。其中板形設定主要是由操作人員根據客戶的生產要求，按已設計好的數學模型計算設定，以達到工藝要求。彎輥力前饋控制的目的主要是對帶鋼在軋制生產中的軋制力波動進行預控制。凸度反饋控制與平坦度閉環反饋控制是為了得到理想板形的一種精細控制手段；采用板形與板厚解耦的控制方法，其目的是消除在軋制生產過程中厚度控制系統對板形質量控制產生的影響。凸度與平坦度控制，其實質是對輥縫閉環的精細調節，其和厚度控制系統的不同之處在于，厚度控制系統只對輥縫的中間部位的開度進行調節，而凸度與平坦度的控制是對整條輥縫的形狀與開度的調節。凸度與平坦度之間的控制是相互耦合、相互制約的，板形的凸度既是板形控制的根本目標，又是平坦度閉環控制的非常重要的因素之一。根據精軋區域各機架的實際情況，可以利用凸度與平坦度解耦控制方法，在精軋區域的前部機架F1、F2實行凸度控制，中部機架F3、F4同時進行凸度控制和平坦度控制，后部機架F5、F6進行平坦度控制。

圖1 板形控制系統結構

2 板形的自動控制系統

2．1 彎輥力前饋控制計算模式

彎輥力前饋控制的本質就是通過調節彎輥力來補償由于軋制力的擾動而引起的輥縫凸度的變化，進而保證良好的板形質量。彎輥力模型的構建是為了通過調節彎輥力來補償軋制力擾動對帶鋼凸度的影響，在此基礎上加入全機架板形調控策略，使各機架軋制力不僅僅作為完成帶鋼厚度變形的手段，同時將其納入整個板形調控體系，從而可以豐富板形調節手段，擴大機組對于帶鋼板形的綜合調控能力。

當軋制力發生變化時，承載輥縫凸度變化為：

其中：KRf＿C為軋制力對輥縫的影響系數為；ΔRf為軋制力變化量。

調整彎輥力后，承載輥縫凸度的變化為：

其中：KBf＿C為彎輥力對輥縫的影響系數；ΔBf為彎輥力變化量。

所以彎輥力要補償軋制力的波動對承載輥縫帶來的影響，則必須滿足：

由此可得軋制力對彎輥力的影響系數為：

在實際生產過程中，板形的設定中已經進行了熱凸度與磨損凸度的補償計算，然而在彎輥力的模型前饋控制中，由于彎輥力的變化而引起整體軋制力值的變化量是非常小的，在計算補償值時可以忽略其變化量的影響，由此可得到彎輥力的前饋控制模型為：

其中：ΔFBi為機架彎輥力調節量，機架號i＝1，2，3，4，5，6；kali為彎輥力的前饋控制調整系數；kFF為軋制力的變化量值；ΔFRi為彎輥力與軋制力的前饋模型系數。

在生產控制時，當帶鋼依次通過各機架時，控制系統將收到咬鋼信號并延時1s，先鎖定軋制力、彎輥力，然后再執行彎輥力的前饋控制模式，對彎輥力進行調整。

2．2 凸度反饋控制計算模式

在PI控制器的基礎上，凸度反饋控制計算模型根據實際計算的結果，控制F1～F6各機架同時參與調節；根據各機架凸度偏差，按照凸度比例恒定的原則，推導出相應的計算公式如下：

其中：k為控制周期的序號，k＝0，1，…；ei（k）為第k周期值在第i機架組的出口帶鋼的凸度偏差值，μm；ACm為入口凸度對出口凸度的影響系數；Caim為凸度的目標值；Cmes（k）為第k周期凸度的實測值，μm；hi為第i機架的帶鋼出口厚度值，mm；h6為精軋區出口帶鋼的厚度值，mm。

在凸度反饋的閉環控制過程中，其核心的控制器就是PI控制器，其控制模型與計算公式如下：

其中：ΔFBi（k）為第k周期的第i個機架彎輥力的調節計算值，kN；KPi為第i個機架的比例系數；KIi為第i機架的積分系數；AF為彎輥力對出口凸度的影響系數。

從現場的生產過程中看，AF系數對模型控制的控制精度影響非常大，根據本文中所得到的計算公式，經邏輯計算在鋼帶寬度不同情況下的AF系數列組，這些模型的AF系統會自動按層別與順序把它們存儲在存儲器中，以便能夠在精軋區的二次設定中，按照板形的設定值將其捆綁起來傳遞給控制系統。一般來說，可以按照來料鋼卷的規格調試，得到的數據組再用概率統計的辦法進行優化，最終得到最優參數。

2．3 平坦度的反饋控制與計算模型

結合從生產現場得到的生產數據以及理論數據來看，精軋區域的末尾機架F5、F6的彎輥力變化值對出口帶鋼板形的平坦度影響很大。然而，在F6調控能力達到該設備所能調控的極限時，平坦度的缺陷還不能得到消除時，F5也將會投入到平坦度控制當中來。在軋制過程中如有機架空過時，F5、F6兩個機架就會執行平坦度的反饋閉環控制模式。目前，平坦度閉環控制系統主要依賴于液壓彎輥的控制。雖然彎輥力對帶鋼的對稱浪形控制非常好，但是它對帶鋼的不對稱浪形的調節能力就非常有限了。對此，通過平坦度的反饋控制，引入不對稱浪形調節系數是非常重要的。

從平坦度反饋控制中可計算得到平坦度的偏差為：

其中：e（k）為第k周期平坦度偏差值；r（k）為目標平坦度值；yact（k）為第k周期實際平坦度值；ξ為浪型不對稱調節系數。

在平坦度反饋控制中也可以利用比例積分調節，即PI控制，其計算模型為：

其中：FF（k）為第k周期F6機架調整的彎輥力；ka3i為調整系數；KPF為比例系數；KIF為積分系數；KBF為彎輥力對平坦度的影響系數。

在平坦度閉環反饋控制模型中，一般取反饋控制的檢測周期T＝80ms，控制周期T′＝200ms。

3 總結

本文詳述了熱連軋機板形控制系統的構成與控制策略，從理論上對其模型計算公式進行了分析與推導，給出了理論彎輥力、凸度、平坦度反饋控制策略模型，并列出了彎輥力、凸度、平坦度的偏差模型；經對精軋區域的PLC系統的邏輯控制程序編寫以及相關電氣設備、機械設備、液壓設備的完整調試，完成了系統優化改造。實際的生產數據表明，板形自動控制系統投入后板形質量比以前有了很大的改善，提高了熱軋帶鋼產品在市場中的競爭力。

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