單機架可逆軋機板形自動化控制系統應用

賈鳳泳，王軍生，劉佳偉

（鞍鋼信息產業公司，遼寧 鞍山 114009）

隨著冷軋技術的快速發展，帶鋼趨向更寬更薄，寬厚比越來越大，各類板形問題愈加突出和復雜,特別是越來越多的冷軋帶材用于汽車和家用電器等行業中，并且對生產的需求正逐年增加［1-2］。板形和板厚是衡量帶鋼產品質量的兩個主要指標。為了有效地完成冷軋帶鋼形狀參數設定和閉環控制，獨立開發了冷軋鋼板板形控制系統，并在鞍鋼1250 mm軋機上進行了應用，在高檔冷軋帶鋼的精細調控和系統升級方面均有很大程度的改善。本文對冷軋帶鋼板形控制系統底層自動化控制部分進行了介紹,重點對控制模型的結構、控制系統結構和系統功能進行了分析。

1 板形控制系統底層自動化組成

底層自動化系統是軋機自動控制系統的重要組成部分，也是過程控制系統的執行部分。底層自動化系統分為若干個自動化單元，每個單元完成相應的功能。各自動化單元之間通過總線連接，并進行數據交換，以達到高效快速控制。單機架可逆軋機計算機網絡連接示意圖如圖1所示。

板形控制的底層自動化采用SIEMENS S7-400和FM458控制模塊，分別用來控制邏輯順序控制和高速響應要求的AFC閉環控制。板形計算機用來完成對板形輥檢測數據的處理和運算功能，并將計算結果通過PROFIBUS網上的DP-COUPLER與S7-400進行數據交換。同時，將板形偏差中的分段冷卻部分通過ET200站進行控制，而其他執行器的控制則由FM458來完成。

1.1 傾斜控制

帶鋼在軋制過程中,如果來料出現邊浪或瓢曲的缺陷,可通過傾斜手段來消除［3-4］。軋輥傾斜控制是板形控制中的一種重要手段,它是通過上位機給出設定值與軋輥實際位置相比較，液壓系統通過得出的差值來調整操作側和傳動側液壓缸，實現 傾斜控制。

圖1 單機架可逆軋機計算機網絡連接示意圖

在閉環控制系統中，伺服閥的調整滯后于控制器的輸出。這種控制系統的非線性部分，主要是由于油壓不但依賴于當前的控制，還和伺服閥出口的油壓差有關。因此這種影響需要對閥的響應值進行補償，需要對控制器的增益進行調整，以增加閥在壓差降低時的相應速度。增益值和當前軋機的軋制力有關，在開環和閉環情況下的增益計算公式分別為：

式中，gain為增益系數；FX為當前軋制力；FRM為最大軋制力。

當軋制方向改變時，控制器采用如圖2所示的曲線來修改增益。其中，一個為閉環增益，另一個為開環增益。最大軋制力和最小軋制力用來限制實際軋制力，以便更好的計算增益。當實際傾斜值與設定傾斜值有偏差時，控制系統將不斷調整伺服閥開口度，使實際傾斜值最終達到設定值。傾斜值并不會穩定在設定值，而是保持一種動態的穩定，傾斜值與軋制力的波動密切相關，伺服閥的開口度在零位附近上下晃動，處于動態穩定狀態。在液壓缸、液壓配管、壓力傳感器、伺服閥設備及計算機硬件已經確定后，增益選擇決定傾斜調整值在閉環控制過程中隨軋制力調節的響應速度、控制精度和動態穩定性。對于不同的伺服閥要通過測試來選擇合適的增益系數范圍。

圖2 增益曲線

1.2 彎輥控制

液壓系統使工作輥發生彎曲，作用于工作輥軸承座上的壓力使工作輥產生不同程度的彎曲，從而改變工作輥的凸度和凹度，消除冷軋板的對稱誤差［5-6］。工作輥彎曲可以是正彎或負彎，通過底層自動化系統實現彎輥控制，在送到執行器執行時，還要考慮軋制力和中間輥竄輥對彎輥的影響，相應的還要對其進行補償，才能達到良好的控制效果。

軋制力前饋控制主要是用來補償軋制力波動引起的輥縫形狀的變化。軋制力波動補償計算公式為：

式中，ΔF是彎輥力調節量；αF為前饋調節比例系數；ΔFR為軋制力變化量的平滑值；K為前饋增益。

通過調整軋制力對板形的影響系數和前饋控制彎輥力對板形的影響系數，可以得到彎輥力對軋制力波動的調節比例系數αF。軋制力前饋增益曲線如圖3所示，前饋增益K是關于帶鋼寬度的一個函數，根據軋機的設備及工藝參數，通過線性插值方法計算求得。

圖3 軋制力前饋增益曲線

中間輥竄輥可使輥間壓力分布發生變化，從而引起輥縫的變化。中間輥竄動偏差可通過彎輥力進行補償，竄動量偏差補償因子公式為：

式中，αshift為竄動量補償因子；dset為竄動量設定值；dact為實際竄動量；FWmax為最大彎輥力；16.384是根據軋機狀態和性能設定的常數。

工作輥彎輥共有4個控制器，在DS側和OS側分別有兩個控制器，這兩個控制器又分別為內側控制器和外側控制器。內側控制器提供負彎輥力，外側控制器在正常情況下提供正彎輥力。在內側負彎輥力達到極限時，可通過外側控制器來提供負彎輥力。圖4為彎輥設定點和內外側控制器參考值的關系。圖中P1為正負彎輥控制器預壓限制值；P2為內側控制器的最大負彎輥力和外側控制器提供的負彎輥力之和；P3為外側控制提供的最大負彎輥力和通過P1+P2計算出來的最大負彎輥限制之和。

圖4 彎輥設定點和內外側控制器參考值的關系

1.3 竄輥控制

六輥軋機中間輥橫移對改善成品形狀具有非常顯著的影響，同時具有均勻磨損軋輥的功能并改善軋件邊緣下降［7-8］。竄輥的控制方式有很多種，無論哪種竄輥方式，首先都是基于軋輥均勻磨損或邊緣下降控制模式。文中采用“經驗”竄輥方式，當前竄輥位移設置見公式（5）。

式中，Lm為中間輥輥身長度；W1為當前軋件寬度；ΔSOP為操作工修正量；δ為寬度相關的函數；Scurrent為當前為竄輥位移。

2 應用效果

這套板形控制系統已應用在鞍鋼1250 mm單機架可逆軋機上，圖5為板形控制系統投入使用后，成品道次的板形控制效果圖，末道次帶鋼的一組沿帶鋼寬度方向上的板形測量值分布圖。其中，產品規格（厚×寬）為 1.8 mm×1 090 mm，材質為ST12，軋制速度為500～600 m/min。

圖5 沿帶鋼寬度方向板形測量值分布圖（帶鋼厚度為1.8 mm）

由圖中數據分析可知，帶鋼橫斷面板形偏差基本上控制在6 I以內。當冷軋帶鋼厚度大于1.5 mm時，板形控制效果比較好，板形指標可控制在2 I以內如圖5所示；當帶鋼在1.0 mm以下時，板形控制效果一般；如果當帶鋼厚度小于0.5 mm時，產品規格（厚×寬）為 0.2 mm ×1 090 mm，材質為 ST12，在正常的軋制速度（600～1 200 m/min）下，軋后鋼板的平均板形偏差控制在13 IU以下，在高速穩定運行時，板形指標控制在7 I以內（標準產品板形的合格指標為10 I以下），其應用效果如圖6所示。

圖6 帶鋼厚度0.2 mm應用效果圖

3 結語

板形是冷軋成品質量的重要指標，板形控制系統作為控制冷軋成品道次的重要組成部分，其控制效果直接影響產品質量。

（1）通過現場應用，軋制1.8 mm厚度鋼板時，板形偏差控制在2 I以內；軋制0.2 mm薄鋼板時，板形偏差控制在7 I以內，均達到了預期效果。

（2）該板形控制系統是完全自主研發的控制系統，目前已投入工業應用，并取得良好的控制效果，提高了冷軋產品的成品質量，對國內板形控制系統的研發起到推動作用，具有現實意義。