基于過程與PLC 等多級控制對軋機系統的升級改造*

唐 俊

(四川工程職業技術學院，四川 德陽618000)

我國擁有以5000 mm 熱軋帶鋼為代表的先進軋鋼機和軋鋼生產線，其中各類熱帶鋼占鋼材總產量的50%以上。所謂熱帶鋼精軋機是指把板厚為30～50 mm 的中間坯料軋制成1.2～25 mm 成品的設備，如圖1 所示，它是川西南某大型央企的七機架板材精軋生產線(設備)。該生產線是由7 機架(單機)構成的機組，能夠實現對鋼坯進行連續7 次軋制，從而獲得所需的板材。其前段(坯料進口方向)4 個機架是電動壓下的四輥軋機，后段3 個機架是具有斷面控制性能良好的、軸向串動的圓柱輥(High Crown HC)軋機，因限于當時的設計水平與條件，其控制系統存在許多不足，已不能滿足生產要求，其不足概括為以下幾點:

(1)檢測傳感器太少，不能完全反映軋制的狀態;

(2)因獲得的監測數據不足，模型精度不高;

(3)維護高精度控制的結構不完善;

(4)用于進行高精度控制的計算機功能不強;

(5)系統的可開發性不強，其功能不能合理分擔。為此，對連軋板材精軋生產線的控制系統進行全面升級改造是非常必要的。

1 基本依據及思路

這條七機架板材精軋生產線被列為該央企重點技改項目，其目標是要實現控制精細化，達到產品升級并節能減排等，除了對機械部分進行必要的修復或改造外，這里主要是針對控制精細化、產品升級進行技術性研究，并提出升級改造的基本方案:一是建立在被控對象準確的數學模型(即傳遞函數模型或狀態空間模型)基礎上的傳統自動控制綜合設計;二是應用模糊控制理論，采用過程控制進行主控制及各種質量控制;三是采用可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller 簡稱PLC)對各執行元件的動作進行精確控制;四是采用活套技術保持無張力軋制以實現控制精細化。

2 控制算法與動態分析

2.1 控制算法

由于軋機在實際軋制過程中，有很多不確定的因素導致很難建立起精確的數學模型。既然這樣，就不需要、也沒必要去建立預先無法知道的、過程精確的數學模型。自加利福尼亞大學控制論專家L. A. Zadeh提出的《Fuzzy Set》開創了模糊數學的歷史以來，到英國的E.H.Mamdani 成功地將模糊控制應用于鍋爐和蒸汽機的控制中，它為解決精軋線控制系統這類非精確的數學模型問題打開了一扇方便之門。其工作原理是:把由各種傳感器測出的精確量轉換成適合于模糊運算的模糊量，然后將這些量在模糊控制器中加以運算，最后再將運算結果中的模糊量轉換為精確量，以便對各執行器進行具體的操作控制［1-2］。因此，軋制前用傳感器實際測定的數據建立起初始模型，在軋制過程中當板材穿過時，再用傳感器所獲得的數據進行修正，這樣軋制中的動態控制就轉化成以傳感器數據作為基礎的前饋控制，所謂前饋控制就是指“通過傳感器所獲得數據，經分析、預測趨勢及可能出現的問題，提前采取的措施”，因而可以把傳感器數據作為基礎進行模糊控制研究。

2.2 軋制負荷模型

軋制負荷包括軋制力、軋制力矩等。軋制力是其中最重要的一個。目前軋制壓力的理論計算法尚未建立適用于各種條件的統一模型(公式)［3］，用不同公式計算的軋制力數值不同，有的懸殊還很大。其主要原因是推導這些計算公式都是在一定假設條件下進行的，因此造成軋制負荷模型水平不高。

要提高軋制負荷模型水平，假設條件就要盡可能符合實際情況，這就是一大難點所在［4］。也就是說，要達到最終產品要求，特別是為了提高最前端的板厚精度，應該設定各軋機的輥縫及軋輥轉速等參數，把精軋前的板材厚度、溫度實際值作為基礎，預測軋制負荷、軋機剛性、板材溫度等參數，并以此為基礎來確定各設定值。在研究西姆斯(Sims)簡式的基礎上，根據奧羅萬(Orowan)理論，并考慮奧洛萬·西姆斯比(負荷比)，可以建立如下軋制負荷模型:

式中:P 為軋制負荷，N;fc為負荷比(奧洛萬·西姆斯比);Km為變形阻力，N/mm2;W 為板寬，mm;QS為壓下力函數;R's為平輥直徑，mm;H 為軋制前板厚，mm;h 為軋制后板厚，mm。

負荷比是不同情況下的調節系數，對于變形阻力模型，還需考慮在高溫、變形速度低的精軋前段的動態軟化、低溫精軋后段的相變軟化等幾個因素對上游機架的殘余變形與本機架變形的累積變形量的影響，這些均可以通過負荷比進行調節，也就是軋制負荷更加接近于實際，提高了軋制負荷模型水平。

重要的是，負荷比可以利用實際軋制數據與軋制負荷模型逆運算的變形阻力值經回歸而算出，這樣就利用了以前不能測定的機架間板厚實測值進行輥縫調整，以獲得比以前更高的板厚精度。

2.3 預測模型與動態分析

板坯軋制前，通過控制算法對各裝置進行初始設定即可建立預測模型［5］。不過，預測模型終究是預測，到軋制時，有可能會發生某些改變，因此將產生由預測模型的誤差引起的偏差。如將此偏差放任自流，就會在最終機架出口側得到偏離目標值的成品。鑒于此，嘗試用中間機架的實際數據來修正下游機架設定值的辦法，但仍不能獲得足夠的精度。為了能夠提高模型精度及獲得中間機架的板厚實測值，根據中間機架的實際數據，以前饋方式修正初始設定值，并按精軋機動態設定系統，合理設計上游機架數據采樣布局圖，提高預測模型的實用價值，如圖2 所示。

依據修正后的預測模型及板坯咬入前段各機架時的實測值，重新進行模型計算，然后依次對后面機架的初始設定值進行修正，使該系統具有前段機架動態設定功能。利用這個功能，可以修正從尾段直達前段各機架的動態誤差。

再根據板坯到達機架間測厚儀時的實測值，依次對后面機架的初始設定值進行修正，則使系統具有機架間測厚儀動態設定功能。在此，對精軋機進行動態設定及中間機架板厚測定，主要是對輥縫及軋輥轉速進行修正以使板厚誤差得到消除，其原理如圖3 所示。

在圖3 所示的各機架中，當實測第i機架入口側的板厚時，該機架輥縫修正量ΔS計算［6-7］如下:

式中:ΔS為輥縫修正量，mm;H為入口側板厚，mm;G為增益;P為軋制負荷，N;M為軋機剛性系統，N/mm;ΔHX為入口側板厚偏差，mm。

式(2)主要是測定后段3 個機架板厚誤差，但前段4 個機架板厚誤差對后面有一定影響，即使在上游側NO.1 單機進行了動態設定，下游側產生的板厚誤差也不能被吸收，故在后面3 個機架中設置測厚儀，在逐次進行壓下修正的過程中，板厚誤差便可得到修正。

3 過程計算機控制系統

過程控制(The process control)是要創建一個能滿足軋制產品生產工藝及質量需求，并與電氣、測量系統相互協調、高度集成、性能穩定的計算機實時控制系統。主要內容包括功能分擔、各應用功能(包括控制功能、在線檢測功能、實時監控功能等)的開發、數據拾取、接口與數據傳輸方式、網絡系統配置等。精軋機實時動態過程控制計算機系統如圖4 所示。

3.1 主要目標值的動態控制

當板材咬入各機架之后，應把板厚、張力及板材速度、負荷標準偏差等參數作為主要目標值由過程控制計算機進行過程動態控制。

在精軋控制系統中，開發了許多新技術，如各種自動控制系統 (AutomaticGaugeControl System，簡稱AGC):液壓AGC、絕對值AGC(ABS - AGC)、監控AGC、反饋AGC(GM-AGC)、前饋AGC (FF -AGC);各補償技術:油膜補償、活套補償、寬度補償、彎輥補償、X-射線監控、沖擊補償、偏心補償;各種測量技術:厚度計、凸度計以及PLC。它們各自有不同的特點和用途，AGC 是根據設定厚度通過PLC 程序模型向液壓伺服系統給出相應的信號，以達到想要的板材厚度值。

經分析對比，現采用組合式AGC，即機架鎖定板厚目標值的絕對值AGC、用單機間板厚計監控的AGC組合而成，以謀求更高的控制精度。為了維持機架間物流平衡，保持板帶張力恒定，在各機架間裝有活套，在活套控制及壓下補償中，所用計算機與AGC 相同，且控制周期也與AGC 相同，均為20 ms，可以控制壓下動作及其連動，使張力保持穩定。

3.2 用PLC 對各執行元件動作進行精確控制

軋機各執行元件動作的精確程度直接影響板材質量，現采用PLC 對它們進行精確控制，具體是:側導板位置控制、輥縫控制、軋輥冷卻控制、輥道控制、除鱗機控制、材料跟蹤和順序控制以及操作模式的協調等，其關鍵是要解決數據采樣周期的問題。由于液壓位置控制系統有很高的響應頻率和嚴格的穩態精度要求，要實現上述各種精確控制，這個問題就必須解決好。實驗表明，液壓APC 的控制周期應小于5 ms，S7 -400西門子PLC 具有極高的處理速度、強大的通訊性能和卓越的CPU 資源裕量，其邏輯運算時間和定點加運算時間均為0.08 μs，浮點加運算時間為0.48 μs，最小定時中斷周期為1 ms，完全能滿足要求，控制周期不能太小，否則會導致振動加劇，在實際應用中，確定液壓APC 的控制周期2 ms 較為合適，其它數據采樣周期據此適當調整即可滿足要求。

3.3 活套控制設計

為了保證精軋控制過程的穩定性，采用活套控制(looping control)技術進行精細化控制。

在使用奧斯本檢核表檢核實驗方案時，可以圍繞實驗目的將9個檢核項目進一步細化，拓展出多個不同的問題進行思考，通過小組討論合作探究，形成新的實驗思路或方案，具體檢核方法見表1。

用活套技術制成的掃描器(活套器)置于生產線活套架一側，在各機架之間設若干個活套器，并在相鄰機架間形成適合的套量，以保持無張軋制，其布置如圖5 所示，選定末機架為基準機架并保持速度不變作為基準速度設定，其上游各機架速度根據軋制工藝要求自動按比例設定。其工作原理是把設定值與活套器掃描檢測出來的紅鋼實際位置值相比較，利用其偏差由快速響應控制系統保持活套高度在預設定的范圍內，自動地凋節上游機架的速度，使偏差值逐漸趨于零，實現精細化控制，參照文獻［8-9］，其設計過程是:

(1)建立以張力、(角)速度為變量的活套模型;

(2)根據逆線性二次型(Inverse Linear Quadratic，ILQ)理論，構造擴展矩陣，并求取狀態反饋矩陣;

(3)根據期望的閉環響應極點求取ILQ 控制系統的各個參數值;

(4)通過閉環響應系統，以偏差值趨于零為目標自動凋節上游各機架的速度及位移，實現精細化控制。

3.4 傳感器的配置

改造前，因檢測軋制狀態的各類傳感器較少，所獲得的監測數據自然就不充分，造成模型精度不高。現在無論從傳感器數量的配備上，還是在傳感器種類、性能上均有突破，并采取了合理布局，如圖6 所示。在種類方面引進了先進的測寬儀、高溫計、板形儀等，從布局上看，在最終機架出口側配置兩臺掃描式測厚儀，以測定寬度方向中央部分的板厚及寬度方向板厚分布數據。

4 采用高速網絡數據跟蹤后備系統，實現實時監控

高速網絡數據跟蹤后備系統(跟蹤系統)主要任務是對全線的生產工藝過程進行跟蹤、設定和數據采集等。操作者可根據軋線情況和跟蹤系統的提示，對軋件進行跟蹤處理。每道次軋制完后，跟蹤系統都會根據實際測量數據對模型進行自適應和對后續道次所設參數進行修正［10］，并能快速適應軋制條件的變化，達到實時監控、提高鋼板軋制精度的目的。

5 系統綜合能力評估

(1)控制模型的效能

由以前難以建立的數學模型到模糊控制的轉變，通過前饋方式可以實現動態測定以前不能測的板厚并獲得很高的板厚精度;采用傳感器網絡結構模式實現聯機及二次開發［11］，實際負荷與計算負荷標準偏差由9%下降到3.5%，提高了控制模型的精度，對產品質量的提高起到了很好的作用。

(2)過程控制與高速網絡交換提升了控制能力

利用過程計算機實現了全過程的控制，以前各功能間的傳遞滯后及重復處理情況皆可消除，產品質量及維護性能均得到改善;在過程計算機與過程之間的信息完全采用高速網絡進行交換，因此可用開發機進行并行測試，尤其是在20 ms 內動作的實時控制可以并行運行，提升了控制能力。

另外，由于采用了高速網絡及數據跟蹤后備系統，可以實現實時信息快速交換與處理、過程監控、在線參數調整，從而容易進行系統擴展、開發新的控制功能，縮短了開發周期。

(3)控制結果總測試

控制系統升級改造后，經過總測試，自動軋制率由改造前不足67%上升到改造后的97%以上;板材(前端)厚度的標準偏差由56 μm 減小到20 μm，產品質量顯著提高。

6 結語

上述連軋機系統的升級改造項目所研究、應用的核心技術可以概括為“Process+PLC+looping”多級控制系統。它突破了原控制系統的能力界限，得益于理論及工藝的創新;引入了功能先進的(高性能過程計算機、高速網絡、數據跟蹤后備系統等)控制裝置，不僅提高了控制模型的精度及自動化程度，更重要的是軋件及設備維護性能均得到了改善，取得了良好效果。

除此之外，還通過引入新模型(理念)、新傳感器(技術)，開發了動態設定及機架間測厚儀監控AGC;用PLC 進行傳動裝置與傳感器之間的接口轉換及模型研究，開發了軋制負荷等多種模型，這些對今后同類設備的升級改造提供了技術支持與借鑒。

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