鞍鋼1450 mm五機架冷連軋機過程控制系統

李紅雨，宋君，王奎越，曹忠華，李志鋒，金耀輝

（1.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧鞍山114021；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

鞍鋼1450 mm五機架冷連軋機過程控制系統

李紅雨1，宋君2，王奎越2，曹忠華2，李志鋒2，金耀輝2

（1.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧鞍山114021；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

簡要介紹了鞍鋼1450mm五機架冷連軋機組的工藝參數、儀表配置及過程控制系統。從整個機組的過程控制全線物料跟蹤、在線數學模型和模型自適應三方面對該冷連軋過程控制系統進行了分析。過程控制系統運行情況表明，全線的物料跟蹤、鋼卷跟蹤準確無誤，在線數學模型系統制定的軋制規程合理，模型自適應對模型起到了很好的修正作用，滿足了整個連軋機組在線控制的要求。

冷連軋；物料跟蹤；數學模型；過程控制；模型自適應

冷連軋計算機控制系統由于涉及到復雜數學模型和生產線的核心技術，一直以來都被外國企業所壟斷。目前，國內建成的成套冷連軋生產線的控制系統基本上依賴進口，這使得國內鋼鐵企業在引進冷連軋機生產線時，需要為控制系統支付高額費用；同時，國外公司在核心技術上對國內企業的技術封鎖也越來越嚴格，關鍵的冷軋數學模型、軋機負荷分配方法等工藝核心部分都以動態鏈接庫的形式出現，導致國內企業無法根據現場實際需求，實現對模型和算法的優化和改進，嚴重制約著后期的產品工藝優化和新產品的開發［1］。

2010年，鞍鋼集團在福建莆田新建了一條1450 mm冷軋生產線，生產線主要由1條酸洗軋機聯合機組、1條冷軋連續退火機組、1條熱鍍鋅機組、2條重卷機組、3條包裝機組及相應的配套公輔設施組成。本文詳細分析了1450 mm酸洗冷連軋機的過程控制系統，并對系統中的物料跟蹤、軋制工藝數學模型及模型自適應部分進行了分析研究。

1　機組工藝及過程系統

1.1機組主要工藝參數

該冷連軋機組設計年產量100萬t，主要以生產冷軋薄板和家電板為主，兼顧汽車和建筑用板。所軋制熱軋卷來料厚度范圍為1.8～6.0 mm，寬度范圍為850～1 350 mm；成品厚度范圍為0.20～ 3.0 mm，最高機組速度為1 200 m/min。鋼牌號包括碳素結構鋼、優質碳素結構鋼、IF鋼、低合金高強鋼等，同時可以為家電生產線提供高質量的冷軋家電板產品。

鞍鋼1450 mm冷連軋生產線的熱軋原料卷在經過開卷、拉矯、酸洗、切邊等生產流程后進入五機架冷連軋機組。冷連軋機組為五機架全六輥UCM軋機，為了能夠軋制出高質量的冷軋薄板產品，軋機線配備了6套ABB張力計、4套IMS測厚儀、4套激光測速儀和一套BFI板形輥。整個軋線儀表布置圖如圖1所示。

1.2過程控制系統

冷連軋機過程控制系統最主要的功能是為一級PLC計算出最優的軋制設定值參數，并通過自適應自學習對模型進行優化。除此之外，過程控制系統的功能還包括：與基礎自動化和酸洗過程機的通訊；鋼卷跟蹤；測量值采集與處理；成品數據及設備運行數據統計；原始數據及設備數據的管理；提供人機接口、報表輸出及班組管理等。為實現上述功能，過程控制系統應具有較高的可靠性和高速數據處理能力以滿足實時控制系統的要求，能夠靈活支持多種通信方式。同時，為了保證系統穩定運行、方便系統的開發和維護，過程控制系統還應具備強大的健壯性和通用性，系統中各功能模塊具有低耦合性［2］。

對過程控制系統要求是：可靠性高、具有實時控制系統的時間響應要求、能夠利用數據庫提供大量數據的存儲、具有強大的數據審計功能和運行軌跡跟蹤功能、能夠靈活支持多種通訊方式（特別是工業用標準通訊方式），能夠為設備提供生產設定值，如果有可能，應該進行智能優化。

整個二級過程控制系統包含三大部分：數據庫、過程控制系統和人機接口HMI系統。數據庫采用的是Oracle10g，過程控制系統采用的是Visual studio開發環境，HMI系統則由 Oracle forms開發完成。其中過程控制系統又分為四個模塊，分別是：鋼卷跟蹤、模型計算、數據通信、數據采集。整個系統功能流程圖如圖2所示。

2　鋼卷跟蹤

鞍鋼1450 mm連軋機為連續生產機組，從酸洗入口步進梁到軋機出口步進梁最多共有20卷鋼卷，為了跟蹤和控制冷連軋生產過程中的物料數據流和控制流，在任意時刻都必須能知道不同帶鋼或鋼卷所處的位置及其狀態，以便提供或接收準確的數據，控制其它進程的執行。

當熱軋原料卷放到酸洗入口步進梁上時，就被注冊到跟蹤系統中，并在生產線上全過程被跟蹤監視，直到由生成的成品卷從出口步進梁上吊走。

基礎自動化中的帶鋼跟蹤（MTR）使用現場檢測元件（速度編碼器或焊縫檢測儀）用來計算帶鋼在生產線上的準確位置，并將跟蹤信息以及現場實測數據傳輸給二級計算機和一級系統的其他功能單元。二級控制系統中的帶鋼跟蹤從一級系統中接收電文，跟蹤帶鋼或鋼卷的位置及狀態。

在整個冷連軋機區域內往往同時存在多卷帶鋼，為了協調冷連軋生產過程中的物料數據流和控制流，在任意時刻都必須明確軋機區域內鋼卷所處的位置及其狀態，以便提供或接收準確的數據，控制其它功能的執行，所有這些功能是由基礎自動化和過程自動化中的跟蹤功能協同完成的。

鋼卷跟蹤是過程控制系統的調度，它的主要功能是根據軋機L1循環上傳的焊縫位置、設備動作及事件信號等信息，維護從軋機入口到出口鞍座整條軋線上的鋼卷物理位置、帶鋼數據記錄及帶鋼狀態等信息，協調生產過程的順序與節奏，并且實現帶鋼斷帶及分卷等特殊情況的處理。同時，跟蹤還要根據事件信號啟動其它功能模塊，觸發數據采集與發送、軋機自動設定和模型自適應等功能。整個酸軋生產線涉及到的主要跟蹤點、觸發事件及相關數據流。冷連軋生產線全線跟蹤示意圖見圖3所示。

3　軋制過程數學模型

在冷連軋模型系統中，工藝數學模型是軋機設定計算的基礎。冷連軋軋制規程制定、軋機參數設定計算、基礎自動化控制參數及動態變規格參數計算中都將用到工藝數學模型。整個過程控制模型系統通過理論解析和現場測試數據回歸相結合的方法建立了在線控制工藝參數計算的數學模型，給出了軋制力參數的在線模型和迭代算法。系統中的數學模型均是經過在線控制使用的實用模型，可以用于生產實際控制［3］。

3.1軋制力模型

軋制力模型在模型系統中處于核心地位,它是輥縫設定值計算、軋制負荷分配、AGC增益系數計算及板形控制設定的基礎，軋制力模型的計算精度將直接影響厚度和板形的控制質量以及生產的穩定性。整個變形區包括入口彈性壓縮區、塑性變形區和出口彈性恢復區。帶鋼上承受的軋制力總和如公式1所示：

在塑性變形區內將各個微單元上的軋制力求和，就可以得到使帶鋼發生塑性變形的軋制力，計算公式為：

根據虎克定律，入口彈性區的軋制力為：

出口彈性區的軋制力為：

3.2軋制力矩與電機功率模型

在變形區內，由軋制力所產生的力矩為所有微單元對軋輥產生的力矩之和，計算公式為：

軋件在水平方向上受到前后張力的作用，因此總的力矩還應包括前后張力產生的力矩。其中，后張力力矩使軋制力矩增大，前張力力矩使軋制力矩減小。因此，考慮張力力矩后的軋制力矩為：

3.3摩擦系數模型

冷軋過程控制模型系統中的摩擦系數計算結果將影響軋制力和前滑計算。摩擦系數是反應摩擦程度的參數，它與工作輥和帶鋼之間的摩擦系數主要與機架軋制油的潤滑特性、工作輥表面狀態、工作輥材質以及機組運行速度等因素有關。摩擦系數計算公式如下：

4　模型自學習

在鞍鋼1450 mm酸軋過程控制系統中，軋制力模型、平直度模型等模型中存在的不精確性要通過模型自適應來修正。模型自適應要完成的任務就是對模型系數進行自適應計算，使模型的計算值經模型系數修正后逼近實際測量值［4］。

在自適應模塊中要計算的模型系數有：軋制力模型系數、前滑模型系數、壓下模型系數、軋制力矩模型系數、輥縫形狀（二次項和四次項）。

計算出的這些模型系數將被保存起來，并通過短期繼承過程將其應用于后續的相似帶鋼計算中，模型系數的長期繼承過程由神經網絡來完成。

模型系數自適應是對當前帶鋼進行的。在自適應模塊中，通過對比模型計算所得值與當前帶鋼的相應測量值，確定自適應系數。

以軋制模型為例：通過給軋制力模型提供經檢驗的測量值，計算出被稱作后計算設定值的量（在此為軋制力），將此計算值與相應的實際測量值進行比較，得到的比值定義為修正軋制模型的未經濾波的模型系數。

在自適應環節中，利用以上原則計算出的模型系數進一步劃分為速度因子、長時因子、日因子和短時因子，四種因子的乘積為總的模型自適應因子。在自適應過程中，速度因子、長時因子和日因子由相應的神經網絡獲得，自適應模塊的實際功能是計算總模型系數中的短時因子。

為了避免大的波動，要對計算出的短時模型因子進行濾波。未經濾波的模型因子與舊模型因子進行比較，并進行濾波，結果作為新的模型因子。濾波過程中的放大增益（加權因子）依賴于測量值的置信度，如果測量值檢驗結果良好，即置信度高，則放大作用強，否則，放大作用減至最小。整個模型公式的自適應如圖4所示。

5　現場實際應用效果

鞍鋼1450 mm冷連軋機過程控制系統已經在線穩定運行將近3年，完全滿足了生產質量控制要求，軋制力模型計算值與實測值的比較如圖5所示。

現場統計數據表明，通過模型自適應功能系統軋制力模型具有較高的控制精度，99.0%以上帶鋼的軋制力設定精度高達96.2%，達到了控制要求。為了提高電機功率的計算精度，根據現場測試數據擬合了各機架電機機械功率損耗模型參數，同時采用了模型自適應算法。通過對現場軋制數據的統計和分析可知，電機功率模型的計算偏差可控制在5%以內，滿足了控制要求。

6　結語

本文依托于鞍鋼莆田1450 mm冷連軋機組生產線新建項目，通過對冷連軋機過程控制物料跟蹤系統、模型設定系統中數學模型、模型自適應算法等核心功能的研究，掌握了冷連軋生產線的控制系統及關鍵工藝技術，為鞍鋼未來自主設計、集成和開發冷連軋機組自動化控制系統打下堅實基礎。整個過程控制系統自投入在線應用以來，程序控制穩定，設備運行良好，產品的各項性能指標均達到或超過規定的指標，具有較高的控制精度，創造了明顯的經濟效益。

［1］劉金剛，王文天，李志鋒，等.1450 mm冷連軋生產線過程控制系統功能分析［J］.鞍鋼技術，2009（1）：35-37.

［2］王國棟，劉相華，王軍生.冷連軋計算機過程控制系統［J］.軋鋼,2003,20（2）:42-43.

［3］白金蘭，王軍生，王國棟，等.提高冷軋過程控制軋制力模型的設定精度［J］.鋼鐵研究學報，2006，18（3）：22-24.

［4］陳樹宗，彭文，姬亞鋒，等.基于目標函數的冷連軋軋制力模型參數自適應［J］.東北大學學報，2013，34（8）：1128-1131.

（編輯 袁曉青）

Process Control System for Five-stand Tandem Cold Strip Mill in 1450 mm Production Line of Angang

Li Hongyu1，Song Jun2，Wang Kuiyue2，Cao Zhonghua2，Li Zhifeng2，Jin Yaohui2
（1.Cold Rolled Mill of Angang Steel Co.,Ltd.,Anshan 114021,Liaoning,China；2.Iron&Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning,China）

The technological parameters,configuration of instrument and process control system for the five-stand tandem cold strip mill in 1450 mm production line of Angang are briefly introduced.The process control system is analyzed with regard to the following three aspects such as materials tracking on the whole production line,on-line mathematical model and self-adaption of the model.The operational situation of the process control system shows that the materialstracing and steel coils-tracing are accurate with no failures,the rolling schedule based on the online mathematical model system is suitable and the self-adaption of the model plays a correct role in adjusting the model,which meets the requirements of the on-line control for the tandem cold strip mill.

tandem cold rolling;material-tracking;mathematical model;process control; self-adaptation of model

TG333

A

1006-4613（2015）03-0026-05

李紅雨，碩士，工程師，1999年畢業于北京科技大學鋼鐵冶金專業。

E-mail：lhy@ansteel.com.cn

2015-02-25