矯直機二級控制系統的研究

馮金剛

(太原重型機械集團軋鋼分公司，山西 太原 030024)

0 前言

矯直機是現代軋鋼生產過程中的重要設備之一，它對改善鋼材外形、提高成材率具有重要意義。

寬厚板生產中，盡管有液壓AGC 等高精度控制手段的應用，鋼板在經過精軋機軋制后也難免會出現如邊浪、中心浪、貫穿浪、或翹曲等不同類型的缺陷，矯直機作為傳統設備對鋼板表面質量的進一步提高起著重要作用。某鋼廠的生產線為開發新鋼種的需要，設置了快速冷卻裝置，經過這樣處理的鋼板的屈服強度增加，屈強比降低，這對矯正和平直度的處理增加了難度，同時也對矯直機提出了更高要求，這就需要矯直機采用二級控制系統，以達到好的矯直效果。

1 二級控制系統

二級控制系統首先在Windows Server 操作系統的基礎上開發了過程控制系統平臺軟件，然后在平臺軟件基礎上進行各個過程控制系統模塊功能的開發。

二級控制系統具有穩定性好、維護簡單、移植性強、復雜性低、開發周期短、利于系統的二次開發等優點。

二級系統主要由兩大部分組成。

1.1 平臺軟件部分

平臺軟件包括進程管理模塊，TCP 通訊管理模塊，IPC 通訊管理模塊，OPC 通訊管理模塊。

1.2 應用程序部分

應用程序包括原始數據管理模塊，高精度數學控制模型，自學習功能模塊，軋件跟蹤模塊，矯直輥管理模塊，質量分析管理模塊，質量報表系統，離線開發模塊。過程控制系統應用程序如圖1 所示。

圖1 過程控制系統應用程序Fig.1 Process control system applications

二級控制系統主要完成根據待矯鋼板的幾何尺寸及鋼種等數據，通過高精度矯直模型計算并進行矯直能力極限校核后，確定最優的矯直道次和矯直規程，下發給PLC 基礎自動化控制系統，實現矯直過程的自動控制。

2 工藝要求及特點

矯直過程控制系統需要包括:跟蹤系統、二級模型計算部分、一級自動控制部分、人機界面和數據庫。矯直過程控制系統是中厚板生產線自動化的一個重要環節，對于提高板形質量、穩定生產有重要意義。

二級控制系統涉及基礎自動化、過程模型設定和人機界面，系統結構和通信管理如圖2 所示。

根據板形要求，通過二級模型運算，確定出滿足要求的矯直規程，傳給矯直基礎自動化執行設定計算的規程，實現矯直過程的計算機自動控制。

從控制方法上看，矯直過程控制系統主要實現前饋控制和自適應優化控制功能。具體通過跟蹤、數據通訊和過程模型設定計算三大模塊來實現這兩項功能。

圖2 系統結構和通訊管理Fig.2 System structure and communication management

3 二級系統

工藝模型為矯直二級模型系統核心，它包括以下三個部分:

(1)策略層。根據材料規格、工藝要求等，計算矯直機的設定值:出入口輥縫、矯直速度;同時預測矯直力、矯直力矩、殘余應力等。策略層根據從自學習的材料模型數據庫計算的鋼種材料參數和來料的規格參數，采用矯直計算理論模型計算確定矯直工藝參數。在這個過程通過調整采用不同的計算參數和模型，使計算值符合預設限制條件，如上輥系傾斜角度、塑性層厚度比例、最大矯直力、最大功率等。

(2)矯直理論模型?？紤]中性層偏移、彈性能損失、提前接觸、輥間摩擦力等因素的彈塑性理論和壓彎量模型。

(3)自學習模型。由于中厚板彎曲變形有其特殊之處，任何一種熱模擬實驗方法都難以精確確定其彎曲工況。本模型以溫度為變量的彈性模量數學模型和多系數的變形抗力數學模型為基礎，為每個鋼種建立材料模型數據庫。其中系統采用多系數的變形抗力數學模型，具有自學習功能，運用最優化原理，對現場數據處理，從而得到符合現場的最優的變形抗力。在自學習過程中消除了輥系磨損、機架彈跳等因素對矯直過程的影響，把這些不確定因素歸于變形抗力模型的系數中。采用這個變形抗力模型計算的數值可能不是這種材料的真正的數值，但用它確定的矯直工藝參數卻是最好的、最優的。

三個部分有機的結合為系統提供矯直工藝參數，同時通過自學習功能提高矯直質量，使矯直工藝參數達到最優，為自動化提供必要條件。

圖3 過程控制系統基本結構Fig.3 The basic structure of the process control system

4 二級系統的原理

矯直機是對多值原始曲率的鋼板進行矯正，它是采用交變彎曲變形以消除其原始曲率的不均勻度，再逐漸將鋼板矯平，即鋼板上不同方向、不同數值的原始曲率，經過同一個反彎曲率的彈塑性反彎后，其殘余曲率趨向一致。總體而言，第2、3 輥上的反彎曲率最大，設定的壓下量也是最大的，以產生大的變形，迅速消除鋼板的原始曲率不均勻度。矯直模型采用大變形方案。

在矯直模型中，以使軋件發生的塑性變形比率來衡量矯直效果和殘余應力消除的水平。塑性變形比率Pf指在軋件厚度上已發生塑性變形的厚度(hp)與軋件厚度h 的比值，表達式如下:

式中，Ke、Kp分別為彈性變形曲率、塑性變形曲率。

通常為達到較好的矯直效果，塑性變形率在65%～90%之間取值。

矯直模型建立的基礎是彈塑性力學的彎曲理論。為消除鋼板的板形缺陷，在矯直過程中，必須保證鋼板發生塑性變形。

鋼板在受力時的變形情況分為彈性變形和塑性變形，如圖4 所示。

圖4 鋼板的受力變形Fig.4 Steel deformation

(1)壓彎量計算。自矯直機入口至出口，各矯直輥的壓彎量采用線性遞減原則的矯直方案，壓彎量的計算與反彎曲率半徑有關系。

式中，Svi為 壓彎量;σ為屈服極限;H為鋼板厚度;η為 塑性變化率;E為彈性模量;t為輥距。

(2)矯直力矩計算模型。根據各矯直輥的壓彎量及微張力，各矯直輥的力矩計算模型為

式中，B為鋼板寬度;H為鋼板厚度;Svi為壓彎量;η為塑性變形率;σ為屈服極限;T為張力。

(3)矯直力計算模型如圖5 所示。

圖5 矯直輥上的矯直力Fig.5 Force of the levelver roller

式中為Pi為各輥的矯直力;Mi為各輥的矯直彎矩。

(4)彎輥量計算模型。二級模型設定的彎輥量主要用于補償因軋件對輥系反作用力造成的輥系撓度變形，以及消除邊浪、中間浪、四分之一浪等板形缺陷。

式中，B為鋼板寬度;H為鋼板厚度;t為 輥距;E為 彈性模量;σ為屈服極限;Qs為板形。

5 二級控制系統實現

二級設定模型可以根據跟蹤系統傳送的鋼板基本信息(鋼板長度、寬度、厚度、鋼種和溫度等)，調用在線設定模型，對輥縫進行一次自動預設定(可人工修正)，在線給出基礎輥縫、輥系傾斜量、彎輥量、邊輥調整量、速度等設定值、矯直力和矯直扭矩等預測值。

一級控制系統負責控制執行機構，同時在矯直過程中動態調整。在矯直跟蹤系統的基礎上，根據二級控制系統的設定數據實時進行輥縫控制、速度控制和彎輥控制等，自動完成預設定的矯直過程。

在道次矯直完成之后，由操作人員根據板形情況決定是否需要再次矯直，如果不需要則完成本次鋼板矯直，自動系統處于下塊鋼板矯直的等待狀態。

矯直在線設定系統數據流，如圖6 所示。

圖6 在線設定系統數據Fig.6 Online setting system data stream

二級控制過程主要步驟如下有:

(1)輸入預處理。設定計算的輸入值如表1所示。設定計算允許操作員干預，當表2 中各項有操作員干預值時，將優先使用操作員干預值。

表1 設定計算輸入數據表Tab.1 Setting the calculation input data

表2 操作員干預值列表Tab.2 Operator intervention value list

綜合表1 表2 的輸入數據，形成后續設定計算的原始數據。

(2)設定計算。設定計算是指在輸入預處理原始數據的基礎上完成矯直規程的提前設定。采用調用數據庫在線調整參數層別的預設定方式，獲得壓下調整數據，然后進行力能校核、速度計算、彈跳補償、咬入和預設定校驗，最終形成預設定規程。計算流程如圖7 所示。

圖7 模型計算流程圖Fig.7 Model calculation process

(3)設定值輸出。將預計算的矯直規程設定值傳送至基礎自動化、人機界面、存入數據庫以及報表形式輸出，包括:壓下制度及前后傾斜量、入口和出口邊輥的調整量、矯直速度、彎輥量和左右傾斜量、殘余應力和板形的預測值、塑性變形率。

(4)設定值執行。在線設定是在生產模式下把設定數據用于每個液壓缸，主要給出位置設定的具體執行策略。

6 結論

該二級控制系統在應用于南鋼熱處理矯直機后，在矯直機能力范圍內的鋼板矯直后基本都滿足用戶要求。該系統在矯直機上應用后能夠極大的提高矯直機的自動化水平及矯直效果，實踐證明系統穩定、可靠，保證了正常的生產，對同行業具有較高的應用和參考價值。

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