高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

摘要：高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠進(jìn)一步提高冷軋產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)集中體現(xiàn)了近年來(lái)冷軋生產(chǎn)工藝的技術(shù)創(chuàng)新，改變了我國(guó)只能通過(guò)引進(jìn)國(guó)外的高質(zhì)量冷軋機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)的情況。文章對(duì)高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，并對(duì)高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)中的技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：變形抗力；自動(dòng)控制系統(tǒng)；冷軋生產(chǎn)工藝；冷軋產(chǎn)品；基礎(chǔ)自動(dòng)化；過(guò)程控制 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG334 文章編號(hào)：1009-2374（2016）15-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.15.005

為了保障冷軋產(chǎn)品的質(zhì)量，必須積極研發(fā)冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)。高精度冷軋各自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠面向整個(gè)冷軋生產(chǎn)線，包括基礎(chǔ)自動(dòng)化（L1）和過(guò)程控制（L2）。生產(chǎn)過(guò)程中的工藝管理、機(jī)組生產(chǎn)管理、設(shè)備工藝參數(shù)優(yōu)化控制主要由過(guò)程控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)，制造執(zhí)行系統(tǒng)向過(guò)程控制系統(tǒng)下達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃之后，過(guò)程控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，然后向基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)傳遞各設(shè)備的最優(yōu)參數(shù)。基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)工藝控制、順序控制和厚度控制。

1 高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

在對(duì)高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，既要保障設(shè)計(jì)的合理性、簡(jiǎn)潔性、可靠性和先進(jìn)性，又要對(duì)冷軋生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)予以充分的考慮，同時(shí)考慮計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件和硬件的發(fā)展走向。冷軋對(duì)可靠性、通信和控制的速度具有較高的要求。

1.2 高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)中，過(guò)程控制系統(tǒng)（L2）發(fā)揮了重要的作用，這也是高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)中重要的軟件系統(tǒng)，其包含不同功能和層次的任務(wù)進(jìn)程，主要包括以下部分：應(yīng)用軟件、中間件、系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件。在應(yīng)用軟件中包含多項(xiàng)具有不同功能的功能模塊，中間件屬于核心支撐軟件，操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)軟件則選用微軟公司的相關(guān)軟件。

1.2.1 中間件系統(tǒng)。作為過(guò)程控制系統(tǒng)的核心支撐軟件，中間件的質(zhì)量對(duì)于整個(gè)高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果和冷軋產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量都有著直接的關(guān)系。本設(shè)計(jì)中使用了我國(guó)北京科技大學(xué)自主研發(fā)的過(guò)程控制開發(fā)平臺(tái)作為中間件系統(tǒng)，該中間件系統(tǒng)具有以下主要功能：外部接口、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、變量管理中心、外部通信管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件管理、日志報(bào)警管理、進(jìn)程間通信管理、數(shù)據(jù)庫(kù)連接器、進(jìn)程管理。其中進(jìn)程管理主要是對(duì)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用軟件的任務(wù)守護(hù)、停止、啟動(dòng)進(jìn)行管理。這些功能的作用在于對(duì)進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并上報(bào)異常情況，定位和保存出錯(cuò)信息，從而提高高精度冷軋自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。該中間件系統(tǒng)的具體架構(gòu)如圖1

所示：

1.2.2 應(yīng)用軟件。

第一，變形抗力自學(xué)習(xí)模型。制力模型計(jì)算的基礎(chǔ)是變形抗力模型，該軟件的作用是使系統(tǒng)能夠適應(yīng)新材質(zhì)，能夠有效地縮短調(diào)試周期。該模型能夠以軋件的初始變形抗力模型和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出相應(yīng)的軋制力，并對(duì)其偏差進(jìn)行不斷修正，直至符合實(shí)際情況。這樣一來(lái)模型的自學(xué)習(xí)效率能夠得到有效提高，產(chǎn)品合格率也能夠得到保障。

第二，板形/板厚設(shè)定計(jì)算解耦補(bǔ)償策略。在對(duì)板形/板厚進(jìn)行設(shè)定時(shí)，要以一定的策略為依據(jù)，對(duì)兩者之間的耦合影響關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償。為了對(duì)各道次板形/板厚控制執(zhí)行內(nèi)環(huán)設(shè)定值的計(jì)算精度進(jìn)行保障，可以使用板形/板厚分步計(jì)算解耦補(bǔ)償策略。要在對(duì)兩者的耦合影響關(guān)系進(jìn)行充分的考慮設(shè)定厚度，才能保障彎輥力和壓下設(shè)定的精度達(dá)到相應(yīng)的要求。

第三，集成多種變形抗力數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用一定的數(shù)學(xué)模型能夠確定冷軋中的變形抗力計(jì)算，大多情況下采用的是多項(xiàng)式模型或者指出模型，在本系統(tǒng)中運(yùn)用的是指數(shù)模型。針對(duì)冷軋鋁帶、電工鋼、不銹鋼、冷軋普碳鋼等不同材料，也應(yīng)該選擇不同的變形抗力模型。由于采用的工藝潤(rùn)滑介質(zhì)不同、軋制的金屬材質(zhì)不同，軋件變形抗力模型具有較大的差異。因此本系統(tǒng)的變形抗力模型能夠針對(duì)不同的工藝條件和金屬，盡量提高模型的計(jì)算精度。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的變形抗力數(shù)學(xué)模型。

第四，集成多種目標(biāo)的負(fù)荷分配模型。冷軋?jiān)O(shè)定計(jì)算的基礎(chǔ)是負(fù)荷的分配，負(fù)荷分配的合理性會(huì)對(duì)扎制設(shè)備的調(diào)整、產(chǎn)品的質(zhì)量和扎制過(guò)程的狀態(tài)特性產(chǎn)生直接的影響。以不同的生產(chǎn)線特點(diǎn)為依據(jù)，本模型系統(tǒng)融合了蟻群算法和遺傳算法，不僅能夠?qū)④堉埔?guī)格和材質(zhì)的多目標(biāo)優(yōu)化壓下規(guī)程數(shù)據(jù)結(jié)果提供給用戶，而且可以對(duì)負(fù)荷分配制度進(jìn)行人工干預(yù)。為了保障系統(tǒng)能夠正常工作，本系統(tǒng)中具有功率軋制力矩的校核、張力校核、軋制力校核等功能。

2 高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)的新技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

2.1 板形/板厚解耦控制策略

在高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)中，運(yùn)用了板形/板厚解耦控制策略。對(duì)軋機(jī)有載輥縫的控制是板形控制和厚度控制的核心。在調(diào)節(jié)和控制一塊帶鋼的板形和厚度時(shí)，難免會(huì)出現(xiàn)沖突，對(duì)板形調(diào)節(jié)和厚度控制的精度和效果都造成了一定的影響。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，彎輥力/輥縫、板形/板厚屬于對(duì)變量的控制，因此本系統(tǒng)中將二者耦合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)耦合控制。這樣一來(lái)運(yùn)用只需運(yùn)用控制器的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償將板形/板厚系統(tǒng)變?yōu)榉謩e控制的系統(tǒng)，使二者的耦合被消除。

2.2 卷芯偏心補(bǔ)償策略

穿帶啟動(dòng)、加工精度、設(shè)備老化等因素會(huì)對(duì)冷軋開卷機(jī)、卷取機(jī)的運(yùn)行造成一定的影響，可能會(huì)造成卷芯偏心的問(wèn)題。卷芯偏心會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成直接的影響，這是由于扎制過(guò)程中開卷機(jī)、卷取機(jī)大偏心，就會(huì)造成入口或出口帶鋼張力的波動(dòng)。隨著卷徑的增大，波動(dòng)的幅度和周期都會(huì)不斷減小。哪怕卷徑波動(dòng)比較輕微，也會(huì)影響張力，降低產(chǎn)品的質(zhì)量水平。在實(shí)際操作過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)卷芯的局部凸起或者偏心的現(xiàn)象，因此本系統(tǒng)使用了卷芯偏心補(bǔ)償策略，以改善這一狀況。卷芯偏心補(bǔ)償策略能夠?qū)π酒囊鸬膹埩χ芷谛宰兓M(jìn)行傅里葉變換分析，然后對(duì)卷取和開卷的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償，從而盡可能地降低卷取和開卷過(guò)程中的張力波動(dòng)和厚度波動(dòng)，對(duì)軋制的穩(wěn)定性進(jìn)行提高，保障產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.3 超薄規(guī)格動(dòng)態(tài)壓下技術(shù)

在薄規(guī)格帶鋼產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，要保障產(chǎn)品的質(zhì)量，就必須穩(wěn)定地啟動(dòng)連軋機(jī)組。在實(shí)際工作中，如果帶材的規(guī)格低于0.3毫米，在啟動(dòng)軋制時(shí)可能就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在啟動(dòng)連軋機(jī)組時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)張力的劇烈波動(dòng)，進(jìn)而造成失張、斷帶的情況出現(xiàn)，無(wú)法生產(chǎn)薄規(guī)格帶鋼。究其原因，這是薄規(guī)格張力控制允許偏差小、低速軋制精度低等因素共同造成的，要在非穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行薄規(guī)格帶鋼的生產(chǎn)非常困難。針對(duì)這種情況，本系統(tǒng)運(yùn)用了超薄規(guī)格冷軋帶材的動(dòng)態(tài)壓下技術(shù)。超薄規(guī)格冷軋帶材的動(dòng)態(tài)壓下技術(shù)具體指的是在進(jìn)行超薄規(guī)格帶鋼生產(chǎn)時(shí)，對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)下的兩組軋制力設(shè)定值進(jìn)行重新設(shè)定。一組設(shè)定值的目標(biāo)是保障穩(wěn)定啟動(dòng)厚度，另一組的目標(biāo)是保障最終的厚度。如果帶鋼具有較大的目標(biāo)厚度，那么在啟動(dòng)軋制并到達(dá)一定的厚度之后，就可以逐漸改變各機(jī)架的新的軋制力。例如要原料厚度為1.6毫米，要將其軋制為厚度為0.35毫米、0.2毫米的兩組成品，且具有相同的比變形率。此時(shí)可以先按照0.35毫米的規(guī)格進(jìn)行軋制，待厚度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，并獲得穩(wěn)定的張力之后，再逐漸向0.2毫米的目標(biāo)厚度過(guò)渡。該方法降低了薄規(guī)格帶鋼軋制的失敗率，提高了薄規(guī)格產(chǎn)品軋制的穩(wěn)定性。

2.4 高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)自投產(chǎn)以來(lái)，已經(jīng)在我國(guó)多條冷軋生產(chǎn)線上得到了實(shí)際運(yùn)用，例如宜昌三峽全通涂鍍板有限公司、河南萬(wàn)達(dá)鋁業(yè)有限公司、河南鴿瑞復(fù)合材料股份有限公司、重慶萬(wàn)達(dá)薄板有限公司、華西村冷軋帶鋼廠等，都運(yùn)用了高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)，并取得了較好的運(yùn)用成果，包括1450毫米五機(jī)架冷連軋機(jī)組、1850、1400毫米雙機(jī)架冷連軋機(jī)組、1850毫米單機(jī)架高精度鋁帶材冷軋生產(chǎn)線、1450毫米單機(jī)架超薄高精度20輥不銹鋼冷軋機(jī)組等。以宜昌三峽全通涂鍍板有限公司為例，其自主設(shè)計(jì)開發(fā)投產(chǎn)的八輥1450毫米五機(jī)架冷連軋機(jī)組，生產(chǎn)厚度為0.16毫米，能夠達(dá)到2微米以內(nèi)的控制精度，而且調(diào)試周期較短，應(yīng)用效果良好，對(duì)于提高企業(yè)生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益起到了積極的作用，產(chǎn)品的質(zhì)量和成材率也有了顯著的

提高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，該系統(tǒng)在冷軋生產(chǎn)線投入運(yùn)行之后獲得了良好的運(yùn)行效果，充分說(shuō)明高精度冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性，能夠有效地提高產(chǎn)品的質(zhì)量。該系統(tǒng)也是我國(guó)在對(duì)現(xiàn)有工藝控制策略進(jìn)行不斷改進(jìn)和完善的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的首套冷軋自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)的工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展有著非常積極的意義。

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作者簡(jiǎn)介：王克亮（1974-），男，遼寧鞍山人，供職于北京森源東標(biāo)電氣有限公司，中級(jí)職稱，研究方向：電氣傳動(dòng)自動(dòng)化方面的工程應(yīng)用。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）