X—Pact控制系統在熱軋機上的應用

余鳳智

摘 ?要：詳細描述了南南鋁1+1熱軋生產線引進的西馬克X-Pact一級自動化控制系統，深入介紹了一級系統的硬件和軟件平臺及自動化網絡架構，重點分析了軋制過程的工藝控制功能。機組的投產效果表明，X-Pact控制系統代表了復雜工業自動化控制的先進水平。

關鍵詞：鋁軋機;工藝控制;厚度及板型控制

一、引言

南南鋁“1+1熱軋機組”的電氣自動化引進了西馬克（SMS）的X-Pact電氣自動化系統，完備高效的鋁合金工藝模型、先進的系統硬件平臺架構和控制技術保證了生產的高質量和高效率。X-Pact電氣自動化系統集成了0級到3級系統的整體解決方案，完成現代化工廠自動化控制所需的各種任務。

二、一級自動化系統硬件和軟件

南南鋁“1+1熱軋機組”的一級系統采用了西馬克X-Pact電氣自動化新一代硬件平臺。嵌入式工業自動化控制器和工業實時以太網EtherCAT技術的應用，使得生產線配備了最先進的自動化控制技術。對比以往的VME系統，新平臺具有以下優點：（1）硬件體積減小，節省柜內空間。省掉了I/O板卡，現場對實時性要求較高的I/O直接接到就近的EtherCAT模塊，以總線的形式連接到主機的以太網口。（2）硬件接線和布線更方便簡單。（3）硬件成本大大降低

該“1+1熱軋機組”的一級系統共配備了10臺嵌入式自動化控制器和2臺西門子PLC。10臺嵌入式控制器分別用于：粗軋區域介質控制，粗軋機主令控制（順序控制，物料跟蹤，通訊協調等），粗軋機機架及立輥機架控制（厚度控制，寬度控制等），粗軋區域傳動控制（主速度控制，主傳動控制，輥道電機控制等），重型剪控制，輕型剪控制，精軋區域介質控制，精軋機主令控制，精軋機機架控制，精軋區域傳動控制。2臺西門子PLC分別用于粗軋及精軋區域的安全控制。

（一）一級自動化系統的硬件。一級自動化的硬件系統主要包括：嵌入式自動化控制器，人機界面計算機，軟件開發服務器及工程師站計算機，IBA PDA系統等。

嵌入式自動化控制器基于Intel ?Core 雙核技術，其強大的計算能力是獲得最佳控制性能的保證。其典型配置為：

● Intel 雙核CPU，主頻1.06Ghz或更高

● 最大可擴展到3G內存

● 1，3或5個板卡插槽，用于PCI/PCI-e板卡擴展

● 2個閃存插槽

● 5個USB2.0接口

● 2個10/100/1000M 以太網口

● 顯示器接口

● 24V直流供電

● 實時時鐘，有后備電池

● 備選CAN總線接口

（二）一級自動化系統的軟件。（1）系統軟件。為了保證工業控制的高實時性、穩定性、可靠性，X-pact 嵌入式控制器中運行的操作系統為VxWorks 6.x版本。VxWorks是美國風河公司（WindRiver）于1983年設計開發的一種嵌入式實時操作系統，以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中。應用軟件開發服務器、工程師站、人機界面計算機、IBA PDA服務器中運行的操作系統為Microsoft Windows。 根據不同的技術要求，主要應用了Windows 2008 server和Windows 7 兩個版本。（2）編程軟件。一級系統應用軟件的開發是在LogiCAD軟件（5.2版本）這一圖形化編程環境下進行的。 LogiCAD在Win

dows操作系統下運行，是一種基于IEC61131-3 標準的工業控制編程軟件，具有高效、靈活和開放的特點。主要編程方式包括功能塊圖形化編程（FBD）、順序功能圖形編程（SFC）、C語言功能塊編程等。

三、工藝控制功能

主要工藝控制功能包括厚度控制系統，板型控制系統，張力控制系統等。

（一）厚度控制系統。粗軋機的厚度控制系統包括自動厚度控制（AGC），液壓輥縫控制（HGC）和電動壓下控制（EMP），其中，EMP僅執行空載時輥縫的預設定，AGC根據軋制過程參數和模型預設定數據等進行在線厚度控制，產生的輥縫動態調節值實時發送給HGC，HGC執行軋制過程中軋機負載時的厚度調節任務。粗軋機的厚度控制概念如圖1所示，圖中的符號F代表軋制力，S為輥縫，P為壓力，h為厚度。

圖1 ?粗軋機厚度控制

厚度控制的具體執行順序為：在軋機輥縫經過標定過程（軋輥壓靠）已經調零以及實際測量了軋機彈跳曲線的前提下，軋機空載時，二級模型對每道次進行設定計算，厚度控制系統根據“軋制線最優位置”等策略對目標出口厚度進行輥縫分配，確保EMP和HGC液壓缸獲得最佳設定位置，然后EMP的位置控制器控制軋機兩側的電機驅動壓下螺絲裝置運行到目標輥縫位置，同時，HGC位置控制器驅動伺服閥控制液壓缸運動到設定輥縫位置;軋機咬入材料后，AGC產生將帶材控制到目標厚度所需的動態輥縫調節值實時發送給HGC的位置控制器。

自動厚度控制（AGC）

粗軋機采用的厚度計式AGC（GM-AGC），以軋機的實際彈跳曲線和彈跳方程為基礎，在軋制過程中，任何時刻的軋制力F和空載輥縫S0都可以檢測到，軋機的剛度系數Km也已由彈跳曲線測出（軋機標定過程中實測的彈跳曲線要經過修正才能應用在實際軋制過程中，這種修正主要與軋制材料的寬度有關），單位軋制力下軋輥不同寬度處的彈跳曲線及厚度計式

AGC的原理如圖2所示。

（a）軋輥不同寬度處的彈性變形

（b）厚度計式AGC的原理

圖2 ?軋機的彈性形變及厚度計式AGC的原理

可以用彈跳方程：

h =S0+F/Km ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

計算出任何時刻的實際出口厚度h與參考厚度進行比較，等于把整個機架作為測量厚度的“厚度計”。當軋件出現厚度偏差Δh時，由圖（b）所示的P-h相圖可以計算出輥縫調節量為：

Δs =（1+Cm/Km）* Δh ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，Cm 為軋件的塑形變形系數。Δh/Δs 的比值成為壓下效率，表示液壓輥縫的變化量到底有多大一部分能反應到軋件出口厚度的變化上。

輥縫調節量Δs 和動態擾動補償值（如軋輥熱膨脹，軋輥磨損）一起實時發送給HGC的輥縫位置控制器，以消除厚度偏差。

精軋機由于終軋產品厚度范圍更小、對產品質量要求更高，其厚度控制在GM-AGC的基礎上又引入了監控式厚度控制，即Monitor-AGC。精軋機的厚度控制原理如圖3所示。

圖3 ?精軋機帶有監控式AGC的厚度控制

在軋制過程中，安裝在精軋機出口（距離精軋機機架很近）的測厚儀實時測量軋件的厚度，并以報文的形式發送給一級AGC系統，實現厚度的閉環控制。實際生產結果表明，這種厚度控制策略完全達到了控制精度要求。

軋機調平控制（RAC）

實際軋制過程中操作側和傳動側的軋制力的偏差會引起輥縫的不對稱，而輥縫的不對稱是導致軋制材料出現楔形和鐮刀彎的主要原因。軋制力偏差可能源于：

●傳動側和操作側之間軋輥溫度偏差

●物料咬入輥縫時偏離了軋制中心線

●物料咬入輥縫時已經是非對稱鐮刀彎形狀

●物料咬入輥縫時為楔形形狀

圖4 ?RAC的必要性及其工作原理

RAC功能的必要性及其工作原理如圖4所示。一般情況下，RAC工作在“絕對模式”下，即兩側軋制力偏差的參考值為0，然后基于軋機傾斜模量和軋制過程中實測的軋制力偏差，RAC計算輥縫的調平參考值并實時發送給HGC執行輥縫位置控制。軋機調平在輥縫中心線附近進行，即軋機的一側輥縫關閉，另一側輥縫打開，因此其不會影響物料的出口厚度。

由于軋制過程的復雜性，操作人員可以在任意時刻對輥縫調平進行人工干預。

（二） 板型控制系統。二級設定模型計算每個道次橫向的板型及平整度。軋制道次的計算結果，例如軋制壓力、厚度、寬度和軋制速度，作為模型的基本數據。設定模型也要考慮工作輥的熱性能等特性（即，輥系在軋制周期內的歷史數據），以及輥系在負載情況下的彈跳性能（例如不同工作輥和支撐輥磨削及輥的位置）。每個道次CVC工作輥竄輥和彎輥以及軋輥多區冷卻的設定值也會被計算，目標是獲得合適的平直度而又不影響材料流量。

圖5 ?平直度的演變

板型控制系統的執行機構是工作輥彎輥和CVC工作輥竄輥（精軋機）。

工作輥彎輥（WRB）

WRB控制的功能：

軋機空載時，確保上工作輥與支承輥緊密接觸，防止打滑。

軋機負載時，控制軋制過程中輥縫的幾何形狀

圖6 ? WRB的功能

WRB可以補償軋輥熱凸度的變化，改善輥縫形狀從而改進軋制材料的平直度。WRB力控制器的參考值是二級模型預設定值、板型監測控制補償值、PGM補償值以及操作人員的手動干預的總和。

CVC工作輥竄輥

CVC工作輥獨特的磨削曲線使得其表面的凸度連續變化，再通過上下工作輥反方向的橫向竄動影響輥縫的輪廓從而改進軋制材料的板型，具體原理如圖7所示。

圖7 ?CVC工作輥竄輥

CVC工作輥竄輥的位置控制由伺服閥驅動液壓缸來實現，實際位置由裝在液壓缸內部的絕對值式傳感器測量，參考位置來自二級模型的設定值和操作人員的手動干預。

（三）張力控制系統。保持一定的張力是精軋機軋制過程順利進行的必要條件，軋線沒有張力測量裝置，因此采取的是調整卷取機主電機的轉矩限幅的方法來實現間接張力控制。張力參考值來自二級設定模型或操作人員進行人工設定，實時根據帶材在卷取機上的層數和帶材的厚度計算出卷材的直徑，進而設定出動態的轉矩限幅值并發送到卷取機主電機的變頻器中。

四、結 論

“1+1熱軋機組”應用的西馬克X-PACT自動化控制系統已于2014年底通過了最終驗收。從投產效果看，由嵌入式工業控制器構成的自動化系統運行穩定，功能完備，易于擴展，具備完整的監控和報警機制，快速的故障查詢極大減少了停機時間。性能測試中最重要的厚度差和板型精度均達到了合同保證值的要求。實踐表明，X-PACT自動化系統的新型硬件平臺和控制技術代表了復雜工業領域自動化控制的先進水平。

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