基于壓下力控制模型的帶鋼平整分卷機組液壓控制系統自動化改造

楊莉華

(四川機電職業技術學院機械工程系，四川攀枝花617000)

0 引言

熱軋帶鋼具有良好的力學和表面質量，廣泛地應用于集裝箱、汽車、鐵路機車車廂、管道、鋼瓶等工業制作行業，也是冷軋板及其深加工產品的基材。熱軋帶鋼平整分卷機組液壓控制系統(HGC)是熱軋平整機機架控制的核心部分，它是在常溫下對熱軋后的帶鋼進行平整提供動力并進行控制，從而達到消除帶鋼的屈服平臺，調質帶鋼的力學性能，改善帶鋼的平直度，調整或控制成品帶鋼粗糙度的目的。某熱軋帶鋼廠液壓控制系統改造前，平整軋制組工藝參數的預設值主要是依靠簡單的圖表和現場操作人員的經驗相結合的方法進行人工設置，經常造成產品質量不合格的問題。

隨著科技的發展、技術的進步以及用戶要求的不斷提高，帶鋼平整機組生產方式逐漸趨于“模型化”、自動化［1］的方向發展。原來落后的調節方式已遠遠滿足不了現代生產技術要求。因此，為了提高熱軋平整分卷機組的自動化生產水平和控制精度，提升產品質量，減少人力資源成本，增加經濟效益，該廠結合現場生產實際，將原繼電器控制方式改為PLC 控制方式。整個液壓控制系統由泵站、蓄能器裝置、控制閥臺、壓下液壓缸、壓力傳感器、位置傳感器、壓力繼電器、連接管路、S7300PLC、WINCC 組態軟件等組成。該控制系統主要針對現場生產實際設計，采用了先進的技術及裝備，較好地提高板材的板形和表面質量，消除了板材橫折和浪形缺陷。

1 控制系統組成

某熱軋廠平整分卷機組壓下系統控制框圖如圖1所示。液壓系統中主油泵裝置、主油路和循環裝置上安裝電子壓力開關以供檢測油液壓力，信息傳給PLC進行運算并發出控制信號;在平整機下部的兩側(驅動側和操作側)安裝兩個帶自身安全保護的HGC 液壓缸，安裝壓力傳感器檢測兩側壓下缸的壓力，并通過電液伺服閥對HGC 液壓缸進行開環/閉環控制;兩個HGC 液壓缸內中心線上的位置傳感器，用于測量驅動側、操作側壓下缸的位置;由位移傳感器對驅動側、操作側壓下缸上極限位置進行檢測。整個控制系統采用S7-300PLC 和Profile Bus 通訊協議以及WINCC 組態軟件來完成，具有良好的HMI 人機操作界面［2］。

圖1 平整分卷機組壓下系統控制框圖

2 液壓壓下控制系統

2.1 輥縫控制

平整分卷機組液壓壓下系統的控制指對支承輥壓下液壓缸的控制。平整機在穿帶、甩尾、停車及分卷作業時，為防止軋輥的碰撞，在設計液壓壓下系統時工作于輥縫控制方式。輥縫控制通過安裝在壓下液壓缸上的位置傳感器反饋位置信號，并將位置信號傳遞給PLC 運算信息，實現閉環控制，從而提高控制精度。

2.1.1 液壓輥縫控制模式

平整機的液壓輥縫控制有兩種運行模式，即:位置控制、軋制力控制。相應地，液壓輥縫控制部分設置以下控制單元:位置控制單元、軋制力控制單元、傾斜控制單元、同步控制單元等［3］。輥縫打開時只能進行位置控制，當輥縫閉合時才能使用軋制力控制(軋制力應大于或者等于最小軋制力)。不論在任何時候，位置控制和軋制力控制這兩種控制方式都應能平穩地進行切換。所以要求控制系統在任何時間內，未被使用的控制回路通過比較實際值/基準值而得到的控制器輸出應實時對在線控制回路的輸出信號進行修正［4］。

輥縫計算:

式中:S—未考慮上修正的輥縫設定，mm;u1—機架剛度變形，mm;p'—低速軋制力，2.0 ×106N;K—機架剛度系數，默認值為3.5 ×106N/mm;u2—機架位移，默認值為2.5 mm;Kp—控制補償系數，根據帶鋼厚度分類CH 確定［5］。

2.1.2 位置控制

位置控制系統用于HGC 液壓缸的位置閉環控制，實際位置值由位于兩個HGC 液壓缸內中心線上的位置傳感器測量，在驅動側和操作側配備了單獨的位置控制系統和軋輥傾斜控制系統。

平整機作位置控制時，根據壓下缸位置偏差控制壓下缸伺服閥。在下列情況下使用位置控制:輥縫打開過程(軋制力F ＜0)時;輥縫關閉過程，直至軋制力達到最小軋制力或預設定軋制力;穿帶過程時;軋輥調零時;采用位置控制模式。換輥或重卷方式時，必須選擇位置控制方式;平整方式且當軋制力小于150 T 時，必須選擇位置控制方式，當軋制力大于150 T 時采用壓力控制方式［6］。

2.1.3 軋制力控制

平整生產中通常采用軋制力控制模式。輥縫關閉過程，當軋制力達到最小軋制力或達到預設定軋制力以后采用軋制力控制模式;軋輥調零時采用軋制力控制模式;軋制力控制模式將一直保持直至其他模式被選用。

軋制力控制系統設計為一個總的軋制力控制系統，包括在驅動側和操作側的單獨的軋制力控制系統，以及來自上一級軋輥傾斜控制系統的修正。軋制力控制以驅動側和操作側的總軋制力作為控制目標，取軋制力設定值和實際總軋制力形成閉環控制。單獨的軋制力控制器用于標定過程和測試操作。軋制力控制只可能在輥縫閉合的狀態下使用，如果軋制力下降低到設定的最小值就自動切換為位置控制［7］。

軋制壓力的計算:

式中:FOS—操作側軋制壓力。

式中:FDS—傳動側軋制壓力。

式中:D—缸徑;d—活塞桿徑;G—上工作輥和上撐輥和支撐輥的總重量;FBG—工作輥彎輥力，正彎時為負，負彎時為正。

平整機在位置控制和輥縫控制方式時，壓力PS為檢測反饋信號。在恒軋制壓力控制方式時，PS既是檢測反饋信號，又是被控量［8］。

2.1.4 傾斜/同步控制

傾斜控制控制驅動側和操作側的輥縫偏差，作為位置控制的補償使用;同步控制控制驅動側和操作側的軋制力偏差，作為軋制力控制的補償使用。

傾斜/同步控制系統疊加在位置/軋制力控制系統中，確保兩個HGC 液壓缸處于調平位置，它能夠實現上輥系調平于軋輥中心線，軋制力調整通過傾斜/同步控制系統直接作用于伺服閥的電流，而不是直接給出一個附加值，軋制時操作工手動進行傾斜調整［9］。

2.1.5 伺服閥特性補償

在壓下系統的壓力調節過程中，隨著壓力實際值逐漸接近設定值，伺服閥兩端液壓油壓力差相應減小，油流情況將發生變化，使伺服閥在控制系統中表現為一個非線性環節，并導致壓力伺服系統動態響應變慢［10］。

改善的方法是在壓力實際值接近設定值時，根據當前壓下缸的實際壓力，求得相應的補償系數。在目標設定值的基礎上疊加一個補償設定，使伺服閥在壓力接近時仍然保持足夠的開度，從而提高動態特性。伺服閥特性補償環節在整個系統中表現為一個可變增益環節。伺服閥特性補償曲線如圖2所示。

圖2 伺服閥特性補償曲線

2.2 液壓彎輥控制

在平整機上，工作輥和支承輥之間安裝有彎輥缸，正、負彎輥缸均采用比例調節閥控制其彎輥力的大小，每個比例閥都帶一個壓力傳感器，彎輥壓力傳感器信號接入自動化系統，以形成正、負彎輥力的閉環控制。彎輥壓力控制采用閉環補償控制，以補償比例調壓閥的非線性。彎輥力控制可改善平整帶鋼板型以及補償由于軋制力變化而引起的有載輥縫變化。同時，在平整過程中，操作人員可手動改變彎輥力的大小。液壓彎輥控制框圖如圖3所示［11］。

圖3 液壓彎輥控制框圖

彎輥設定值:包括預設定彎輥力和主操作臺手動彎輥力調整兩部分。本研究根據操作模式等邏輯條件對設定值進行選擇或綜合后所得到的基本設定值，經限幅器、斜坡函數發生器作進一步處理，得到彎輥控制器的實際設定值。設置限幅器的作用，是防止輸入過大或過小的彎輥力;而斜坡函數發生器則用于避免產生過大的沖擊。

彎輥控制器的實際設定值的確定原理圖如圖4所示。

圖4 彎輥控制器的實際設定值的確定原理圖

2.3 恒壓力控制

恒壓力控制亦稱恒軋制力控制，是平整機液壓壓下系統最重要控制方式之一。恒壓力控制設計為閉環控制，壓力反饋來自液壓壓下系統的壓力傳感器。本研究通過閉環控制，對液壓缸內的壓力進行調節，以達到控制的目的。目前熱軋平整機通常選擇恒壓力控制方式，其主要優點是可消除軋輥偏心的影響，提高產品的平直度，并且對帶鋼的表面光潔度和帶鋼的機械性能也有一定的改善［12］。

2.3.1 壓下力閉環控制框圖

壓下力閉環控制框圖如圖5所示。

圖5 壓下力閉環控制框圖

2.3.2 壓下力閉環控制簡化框圖

壓下力閉環控制簡化框圖如圖6所示。

圖6 壓下力閉環控制簡化框圖

2.3.3 開環傳遞函數

開環傳遞函數:

具體參數選擇此處略。

2.3.4 恒軋制壓力模型開發

在建模中不但要考慮軋輥的彈性變形，而且要考慮軋件的彈性變形，即在計算時不僅考慮軋輥彈性壓扁的塑性變形區長度，而且考慮軋件出入口彈性變形區長度，并計算與之對應的塑性變形區單位壓力及彈性變形區單位壓力，從而，建立較為準確的軋制壓力模型框圖如圖7所示。

圖7 軋制壓力計算框圖

總軋制壓力:

式中:Pn—塑性變形區軋制壓力，Pi—入口端彈性變形區軋制壓力，Po—出口端彈性變形區軋制壓力。

2.4 跟隨控制

熱軋平整機的輥縫控制方式與恒壓力控制方式是互相切換的，一些時候要采用輥縫控制(如穿帶)，但在另一些時候要采用恒壓力控制(如平整過程中)。跟隨控制的作用在于保證兩種控制方式之間的協調及無躍變平滑轉換。

在控制模式切換時，跟隨控制功能使激活使用的位置/軋制力控制以當前實際位置/軋制力為初始設定，其輸出則被匹配到當前的實際伺服閥開度。

2.5 調零控制

壓下系統的調零在每次換輥之后進行，目的在于對壓下系統液壓缸的位置傳感器進行重新定位。

調零過程中，首先壓下下輥使軋輥接觸并達到一定的壓力;然后用點動速度啟動主傳動系統，并在軋輥穩定轉動后使軋制壓力上升到調零壓力;達到調零壓力一定時間后，斷開傾斜及同步控制器;系統穩定后，將液壓缸當前位置設定為“0”;最后，液壓系統減壓，傳動系統停止，液壓缸調零完成。

3 液壓控制系統改造PLC 邏輯控制設計

本研究對某熱軋帶鋼廠平整分卷機組液壓控制系統自動化改造，實現全自動化過程控制，PLC 邏輯控制設計此處略。

4 采用PLC 控制后的實際效果分析

以常生產的兩種規格產品為例，本研究通過PLC自動控制改造后帶材的出口張應力、軋制壓力及輥間接觸壓力的橫向分布情況如圖8、圖9所示［13］。從圖中可以看出，控制系統改造后，帶材板形良好(帶材前張應力橫向分布更加均勻)，帶材邊部位置單位軋制力得到相應提高，減少了非平整邊缺陷。而且輥間接觸壓力橫向分布更加均勻，從而可起到均勻磨損、延長軋輥的使用壽命的作用。

圖8 改造前、后產品1 前張應力、軋制壓力和輥間接觸壓力橫向分布

圖9 改造前、后產品2 前張應力、軋制壓力和輥間接觸壓力橫向分布

5 結束語

本研究主要分析了基于壓下力控制模型的熱軋平整分卷機組液壓控制系統中壓下控制系統、液壓彎輥控制、恒壓力控制、跟隨控制、調零控制等5 個方面的功能。筆者將液壓控制系統中原有繼電器控制方式改造為PLC 邏輯控制后，提高了設備的自動化水平，控制功能更加完善，滿足了熱軋平整分卷機組生產中快速準確的要求。實踐表明，該液壓壓下控制系統實現PLC 過程控制后，具有技術性能穩定可靠，控制功能完善、先進。平整后的板材板形得到很好的控制，表面質量得到了提高，板材的機械性能得到了改善，在實際生產應用和技術推廣中有著十分重要的意義。

［1］康 義，陳海鵬，邸寶珠.液壓輥縫控制系統在平整機的應用［J］.河北冶金，2007，37(4):55-56.

［2］白振華，連家創，劉 峰，寶鋼2050 熱軋廠平整機輥型優化技術的研究［J］.鋼鐵，2002，37(9):35-38.

［3］李立新，四輥軋機輥型曲線的理論計算［J］.武漢冶金科社大學學報，1999，22(4):338-341.

［4］重慶鋼鐵設計院.平整機組工藝操作說明［Z］.重慶鋼鐵設計院，2002.

［5］白振華，14500 熱軋平整機輥型理論及工程應用研究［J］.冶金設備，2006，37(2):4-7.

［6］重慶鋼鐵設計院.平整機組研究與開發［Z］.重慶鋼鐵設計院，2002.

［7］LEGOUT A，LEGOUT，BIERSACK E W.Pathological Behaviors for RLM and RLC［C］.International Conference on Network and Operating System Support for Digital Audio and Video，Chapel Hill，NC，USA，2010:164-172.

［8］黃 成.攀鋼1450 熱軋平整機電液控制系統的研究與實現［D］.成都:西南交通大學機械工程學院，2006.

［9］CHO C，JUN S，PAIK E，et al.Rate Control for Streaming Services Based on Mobility Prediction in Wireless Mobile Networks［C］.in Proc.of IEEE WCNC05，2005.

［10］WALL R W，KING B A.Incorporating Plug and Play Technology into Measurement and Control Systems for Irrigation Management［C］.2004 ASAE Annual Meeting，Paper number，2004:236-251.

［11］戚向東，連家創.考慮軋件彈性變形時冷軋薄板軋制壓力分布的精確求解［J］.重型機械，2001，63(5):41-44.

［12］LIU Hong-min，ZHENG Zhen-zhong，PENG Yan.Streamline strip element method for analysis of the three-dimensional stresses and deformations of strip rolling［J］.International Journal for Numerical Methods in Engineering，2001(50):1059-1076.

［13］李俊洪.熱軋酸洗板平整機輥型曲線研究［C］.2007年全國塑性加工理論與新技術學術研討會，2005:5.