某钢厂冷轧板形控制系统设计说明.doc

- 1 - 目 录 1板形定义、影响板形的因素和板形控制手段板形定义、影响板形的因素和板形控制手段 - 2 - 1.1带钢断面形状表示方法- 2 - 1.1.1凸度（cr）- 2 - 1.1.2楔形（ct）- 3 - 1.1.3边部减薄（e）- 3 - 1.1.4局部高点- 3 - 1.2坦度表示方法- 4 - 1.2.1纤维相对长度差表示法- 4 - 1.2.2波浪表示法- 5 - 1.2.3常见板形错误与带钢延伸的关系- 6 - 1.3影响板形的因素- 7 - 1.3.1轧辊的弹性弯曲变形- 9 - 1.3.2轧辊的热膨胀- 10 - 1.3.3轧辊的磨损- 10 - 1.3.4轧辊的弹性压扁- 11 - 1.3.5轧辊的原始辊型- 11 - 1.3.6轧辊的安装- 11 - 1.4控制板形的手段 - 13 - 21450 冷连轧控制系统中的板形控制系统冷连轧控制系统中的板形控制系统- 15 - 2.1系统总览 - 15 - 2.2基本测量原理 - 16 - 2.3板形测量设备 - 17 - 2.3.1bfi测量辊- 17 - 2.3.2pcm解码单元- 18 - 2.4实现、接口与通讯方式 - 19 - 2.5测量值处理 - 20 - 2.5.1测量值处理（轧制模式）- 20 - 2.5.2测量值处理（标定模式）- 21 - 2.6板形控制 - 21 - 2.6.1执行机构- 21 - 2.6.2板形分析- 22 - 2.7分段冷却控制介绍 - 23 - 2.8调试中所需要进行工作 - 24 - - 2 - 冷轧板形控制系统介绍 现在对冷轧带钢产品质量的要求越来越高，继纵向厚差由于使 用 agc 获得比较圆满的解决之后，横向厚差及板形的控制则成为重 点的研究课题。本文主要分为两个部分，第一部分介绍了板形的定 义、影响板形的因素和板形控制的手段，第二部分介绍了 1450 冷连 轧控制系统中的板形控制系统和调试工作中所做的工作。 1板形定义、影响板形的因素和板形控制手段 板形问题包括板带的横向厚差及板带的平直度两个方面，但由 于这二者又紧密相关，故把他们总称为板形问题。板形实际上包含 带钢横截面几何形状和在自然状态下带材的平坦度两个方面，因此 要定量描述板形就涉及到这两个方面的多项指标，包括：凸度、楔 形、边部减薄、局部高点和和平坦度。 1.1 带钢断面形状表示方法带钢断面形状表示方法 1.1.1 凸度（凸度（cr） 凸度是描述带材横截面形状的一项主要指标。凸度定义为在宽 度中点处厚度与两侧边部标志点平均厚度之差 crhc-1/2her+hel - 3 - 式中 her和 hel为右部及左部的标志点厚度。所谓标志点是指不 包括边部减薄部分的边部点，一般取离实际边部 40mm 左右处的点。 hc为带材宽度方向中心点的厚度。 1.1.2 楔形楔形（ct） 楔形：即左右标志点厚度之差 ctherhel he1 1.1.3 边部减薄（边部减薄（e） 边部减薄：即带钢与轧辊接触处的轧辊压扁在板边由于过渡区 而造成的带钢边部减薄。 er= her-her el= hel-hei 式中 her和 hel为带材实际右边部和左边部的厚度（上面各式中 右部一般指传动侧，左部为操作侧）。 - 4 - 1.1.4 局部高点局部高点 局部高点是指横截面上局部范围内的厚度凸起。对于宽冷轧带 钢，严格说，凸度可分为二次凸度 cr2和四次凸度 cr4（甚至还包括 更高次的）。从带宽中心点到两侧标志点范围内如测取多个点的厚 度值，并用这些点的厚度值拟合出一条曲线，往往是如下形式 h()=b0+b1+b22+b44+ b0 -b4为系数 由此可定义 cr1=2b1 cr2=(b2+b4) cr4=b4/4 其中 cr1实际上表现了带钢的楔形，cr2为二次凸度，亦即为前 面所说的凸度，cr4为四次凸度 w 图 125 局部高点 - 5 - 1.2 坦度表示方法坦度表示方法 平坦度指轧制后在不存在张力的状态下（自然状态）带材的平 坦性，由于对冷轧成品使用多种测量方法，平坦度可有多种表示方 法。 平坦度不良的主要表现为带钢（在自然状态下）的翘曲。翘曲 是由于带宽方向上各处延伸不均造成内部残余应力分布。 冷轧带钢时，对带钢前后将施加较大张力，因此轧制时从表面 上一般不易看出翘曲、起浪等现象，但当带钢无张力，自然地放在 平台上，常可看到带钢地翘曲（起浪、皱纹或局部凹凸）。 冷轧带钢地翘曲比热轧带钢复杂。不仅有侧弯、边浪、中浪， 而且存在 1/4 处的波浪以及复合浪，这是由于内应力的不同分布造 成。 1.2.1 纤维相对长度差表示法纤维相对长度差表示法 轧后带钢翘曲是由于边部或中部较大的延伸而产生严重边浪或 中浪。一个比较简单的方法就是取宽度方向上不同点的相对长度差 l/l 来表示平坦度。其中 l 是所取基准点的轧后长度，l 是其它 点相对基准点的轧后长度差，相对长度差也称为板形指数 w。 wl/l 这个值是非常小的，为了更好的表达和操作，我们引入了 i 单 位。 - 6 - 1 i-unit = 10-5 * l/l。 一般定义 i 为负时是边浪，i 为正时是中浪。 l l+ l l l+ l l l l l edge waves = strip edges are long, strip center is shortcenter waves = strip center is long, strip edges are short definition1_e.dsf 18.07.2000 1.2.2 波浪表示法波浪表示法 在翘曲的钢板上测量相对长度来求出长度差很不方便，所以采 用了更为直观的方法，即以翘曲波形来表示平坦度，称之为波浪度 dw。将带材切取一段置于平台之上，如将其最短纵条视为一直线， 最长纵条视为一正弦波，则如图 126 所示，可将带钢的波浪度表 示为 dw（rw/lw）100 式中 rw波高； lw波长。 平台 w lw - 7 - 波形表示法 dw 为波浪度，也叫陡度（steepness）。这种方法直观、易于测 量，所以许多工厂都采用这种方法。 设在波形表示法图中与长度为 lw 的直线部分相对应的曲线部分 长为 lw+lw，并认为曲线按正弦规律变化，则可利用线积分求出 曲线部分与直线部分的相对长度差。 因设波形曲线为正弦波，设：hw（rw/2）sin（2y/lw） 故与 lw 对应的曲线长度为： lw+lw 因此，曲线部分和直线部分的相对长度差为 wlw/ lw =(rw/2 lw)2=(2/4)d2w10-5 因此波浪度可以作为相对长度差的代替量。只要测出带钢波浪 度，就可以求出相对长度差。 1.2.3 常见板形错误与带钢延伸的关系常见板形错误与带钢延伸的关系 下图显示了典型的几种板形表现形式与板宽方向上延伸率的对 应关系。 - 8 - 但是，实际上在实际轧制完的带钢上，这些板形错误会同时出 现，带钢表现出来的是这几种板形的综合表现。下图演示了其中的 一种情况。 - 9 - 1.31.3 影响板形的因素影响板形的因素 通常冷轧带钢产品不允许有明显的浪形与瓢曲等板形缺陷存在， 因为板形不良将直接影响用户的使用。如带钢在长度方向在水平面 上向一边弯曲，会影响用户放样下料、自动进料或材料的利用率， 更为严重的是切不成材，无法使用。要不就是大材小用或积压待处 理。因此，板形是冷轧带钢产品标准中的保证项目之一。 根据冷轧带钢产品的规格、用途等不同，在板形质量方面的要 求程度亦各有异。我们平时所说的板形或有关标准中所规定的板形 要求一般是指“视在板形”，亦即指在轧制过程中或轧后即可用肉 眼或测量器具辨别的板形。而事实上，操作不当会产生一种在轧制 后不能立即发现往往要在后部加工工序中才会暴露的板形，即“潜 在板形”。例如，有时从轧机出来的带钢看起来并无浪形，但一旦 - 10 - 纵剪，即会出现旁弯或者浪形。因此，在生产中要将视在板形都控 制在所要求的范围内。 众所周知，带钢的横向厚度差取决于轧辊在轧制时辊缝的实际 大小及形状，带钢的板形则取决于与此有关的各部分的延伸的均匀 程度。因此，横向厚度和板形是两个不同的概念。但无论是横向厚 度差方面的缺陷或板形方面的缺陷，其根源都在于带钢在轧制过程 中的不均匀变形（不均匀 的压下与不均匀的延伸），实质是带钢内 部残余应力的分布。可见，横向厚度差与板形有着内在的关系。因 此，通过调整辊缝形状可以达到减小带钢的横向厚度差和改善板形 质量的目的。 研究证明，在冷轧过程中，由于带钢的宽展很小几乎可以忽略 不计。因此，压下变形基本都转为延伸，特别在待张力轧制的情况 下，可以相当准确的认为压下系数就等于延伸系数。如此，带钢在 轧制过程中由于某种原因而引起的各部分的压下不均将表现为这部 分的延伸不均，板形缺陷的出现就是来源于带钢宽度方向上各部分 的延伸不均，延伸较大的部分被迫受压，而延伸较小者则被迫受拉。 通常拉伸作用不会引起板形问题，但是当压缩力超过一定的临界值 时，该部分带钢在压缩力的作用下将产生不同形式的屈曲。 事实上，带钢在轧制时在尚未进入轧辊之前的部分其前进速度 沿宽度方向是均匀分布的，而刚从辊缝出来的带钢速度沿宽度方向 上的分布是不均匀的。为了区别于轧制时带钢的变形，通常把这种 - 11 - 离开辊缝以后由于纵向延伸不均而引起的附加变形称为“二次变形” ，带钢“二次变形”的结果导致带钢板形的不良。 如果认为“二次变形”等于零是确保带钢完全平直的理想条件， 就应设法使带钢各点延伸一致，即意味着带钢断面上各点的压下率 相同。当带钢在轧制前就已存在着一定的断面厚度差时，则依照带 钢断面上各点的压下率相同显然还不能保证纵向各点延伸完全一致。 如果料中部厚于边部的情况下，为了保证均匀延伸，就必须使中部 的压下率大于边部的压下率，这样才有可能使中部与边部的延伸差 等于零。 在实际生产中，经常会碰到这样一个情况，即有时轧出带钢板 形良好但厚度超出偏差，为了保证带钢横断面厚度偏差值，板形方 面的要求又可能满足不了，造成这种局面的根本原因就是原料断面 厚度的不均匀。 如前所述，带钢横向各部位延伸一致的标准是各点的压下率相同。 然而，只要轧前带钢的各点厚度差不等于零，所轧出的带钢厚度差 在保证板形良好的条件下是不可能等于零的。而且，在延伸相同的 条件下，轧前厚度差越大，那么在保证板形良好的情况下所轧出的 带钢横向厚差也越大。换句话说，只要轧前厚度差不等于零而想使 轧出的带钢厚度差等于零，就只有破坏均匀延伸条件，从而也破坏 了板形的平直。因此，为了尽可能兼顾板形与横向厚差的要求，重 - 12 - 要的问题在于努力保证冷轧带钢原料的厚度比较均匀，这点已为冷 轧带钢生产实践所证明。 上所述，影响板形不良的原因在于带钢在轧制过程中沿宽度方 向上各处的不均匀延伸。板形缺陷的产生，除了原料的厚度不均匀 等因素外主要是轧辊的辊缝变化。因此，板形的控制基本上可以说 是辊形的控制，而辊形的控制系指对实际轧制时工作辊缝形状的控 制。 众所周知，带钢在冷轧过程中，其横断面上各点的厚度取决于 轧辊在轧制时的实际辊缝；其平直度则取决于各部分延伸的均匀程 度，这同样也取决于轧制时的实际辊缝的形状与大小。由于轧辊的 弯曲而沿带钢宽度方向辊缝发生变化，使轧出的带钢沿宽度方向变 的不均匀，这就导致带钢板形的不良，而轧辊的弹性变形、辊温的 变化及轧辊的磨损乃是使轧辊弯曲、其实际工作辊缝发生变化的主 要因素。特别是轧辊的磨损，每时每刻都在破坏着正常的辊形，使 辊缝发生不均匀的变化。 归结起来，影响辊缝形状的因素主要有以下几点： 1.3.1 轧辊的弹性弯曲变形轧辊的弹性弯曲变形 从变形工具方面来看，如果轧制用的轧辊加工成严格的圆柱形， 那么在不过钢时，辊缝显然是平行的。在轧制带钢时，由于轧制压 力的作用，轧辊将产生弹性变形（如下图）。这些弹性变形沿辊身 长度方向是不均匀分布的，结果使轧制时的实际辊缝变成中间尺寸 - 13 - 大于边部尺寸的鼓形辊缝，所轧出的带钢断面形状自然也是鼓形的。 即带钢中部产生凸度，带钢边缘减薄。通常，轧制压力越大，轧辊 的弹性弯曲变形越大；轧辊直径越大，刚性就越好，则轧辊的弹性 弯曲变形越小。 1.3.2 轧辊的热膨胀轧辊的热膨胀 冷轧生产过程中，带钢的变形主要是压下与延伸变形，厚度方 面的压下几乎全部变成纵向的延伸。在变形过程中，带钢将产生大 量的变形热，带钢在轧制中产生的变形热是主要的热源。由于这种 变形热使轧辊热膨胀而改变原始辊形，实测表明，辊身各部分的温 度并不一致，由此引起的温度差将导致轧辊直径的热膨胀差。在多 数情况下，辊身中部的温度将高于其边部的温度，此时，假如轧辊 由于热膨胀所形成的凸度其值正好与轧辊产生的弹性弯曲所形成的 凹度值相互补偿，则辊身就能保持圆柱形，这时沿带钢横断面各处 的压下将都是一样的，那么带钢各点的延伸也就都相同（原料厚度 各点都相同的情况下），轧出的带钢板形自然是良好的；如果轧辊 的弹性弯曲所形成的凹度值大于轧辊热膨胀凸度值，则带钢两边的 压下将比中间大，那么带钢两边的延伸变形也相应的要大些，仪即 比中间部分伸长要大些；换一种情况，如果轧辊的弹性弯曲所形成 - 14 - 的凹度值小于轧辊热膨胀，则带钢中间部分的延伸大于两边部分的 延伸。可见，轧辊由于热膨胀所形成的凸度不管其大小都将影响原 始辊缝形状。 轧辊温度分析示意图 需提请注意的是辊温沿辊身长度上的分布往往也不是对称的。 1.3.3 轧辊的磨损轧辊的磨损 随着轧辊在换辊以后工作时间的逐渐增长，工作辊与带钢之间、 工作辊与支撑辊之间由于摩擦会使轧辊磨损，轧辊的磨损使辊缝形 状渐渐的变的不规则起来（如图所示）。影响轧辊磨损的因素也是 多方面的。例如，轧辊与带钢的材质、轧辊表面硬度和光洁度、轧 制压力和轧制速度。前滑和后滑的大小以及支撑辊与工作辊之间的 滑动速度都会影响轧辊磨损的快慢；另外，沿辊身长度方向轧辊磨 损也是不均匀的，这些都将影响辊缝的形状。 - 15 - 轧辊磨损示意图 1.3.4 轧辊的弹性压扁轧辊的弹性压扁 轧制时由于轧制压力的作用，带钢与工作辊之间、工作辊与支撑辊 之间均会产生弹性压扁。影响辊缝形状的不是轧辊的弹性压扁的数 值，而是压扁值沿辊身长度方向的不同大小，对于工作辊来说，如 果轧制压力沿带钢宽度是均匀分布时，则工作辊的弹性压扁分布也 是均匀的。由于工作辊与支撑辊之间的接触长度上各点的压力是不 同的，这就使辊与辊之间弹性压扁值沿辊身长度方向也是不均匀的， 工作辊与支撑辊之间的不均匀压扁引起了辊缝形状的变化。 1.3.5 轧辊的原始辊型轧辊的原始辊型 轧辊的原始辊型不同，就可以人为的使辊缝形状不同。在实际 生产中人们就是利用轧辊原始辊型这一因素来补偿上述因素对辊缝 所造成的影响。 1.3.6 轧辊的安装轧辊的安装 轧辊水平度和垂直投影不良时，也会使辊缝形状改变，显然这 是应该极力避免的。 - 16 - 除上述各因素对辊缝将产生一定影响外，在轧制过程中张力和 润滑等对辊缝同样将产生影响。张力，特别是后张力能使带钢对轧 辊的压力降低；工艺润滑可以使带钢与辊面间摩擦系数减小，同样 也能降低带钢对轧辊的压力。所有这些均使轧辊的弹性弯曲减小而 影响辊缝。 在实际生产中，轧辊的受力变形、热膨胀与磨损这三个因素是 综合的起作用的，他们一方面既是引起板形缺陷与横向厚差不合格 的根源；另一方面，如能进行适当调整和控制，却又可使这三大因 素成为改善板形和提高横向厚度均匀性的有效手段。例如，在轧制 过程中，由于变形热使轧辊热膨胀而改变原始辊型，致使板形受到 影响，此时，为保持原始辊形可通过沿辊身长度方向上的分段控制 冷却液的流量，以适当调节轧辊辊身两端与中部的温度差以及辊径 与轴承的温度，就有可能减小轧辊的凸度，从而达到原始辊缝的要 求。 综上所知，带钢的横向厚差和板形的变化是由辊缝形状的变化 而引起的，因此，在轧制过程中凡是对辊缝形状有影响的所有工艺 参数如轧制张力、工艺润滑等都将有可能对板形产生影响。可见影 响板形的因素与影响轧辊形状的因素有类同之处。即： 轧辊的原始辊型。 轧制张力。 张力。 - 17 - 冷却液的使用。 工艺润滑剂的使用。 轧辊的安装。 原料厚度及硬度的变化。 以上影响板形变化的因素除了原料和轧辊安装的因素外，主要 是轧辊的辊型变化，因此，可以这样认为。板形与“辊型”（系指 轧辊辊缝形状）的基本概念可以是一致的，即有什么样的“辊型” 就有什么样的板形。 如前所述，轧辊的弹性弯曲、弹性压扁、辊温的变化以及轧辊 的磨损乃是使轧辊辊缝发生变化的主要因素。其中，轧辊的磨损是 轧制时间的函数，它每时每刻都在改变着正常的辊型，使辊缝产生 不均匀的变化。根据所用轧辊的材质与工作条件不同，轧辊的磨损 （磨损的分布与磨损的速度）有其特定的规律，一般轧辊磨损与所 轧品种、规格、轧制计划的安排、轧制工艺制度、轧辊材质、原始 辊型与轧辊冷却、润滑条件等密切相关。通常，轧辊的磨损是很难 随意加以改变的，而辊温与轧辊的弹性变形则不然，通过采取适当 的措施是可以人为的随意加以改变，以达到控制辊缝形状的目的。 - 18 - 1.41.4 控制板形的手段控制板形的手段 板形控制要求有可靠的信息，这些信息要靠操作工人的实际经 验或板形检测仪提供。故板形检测是实现板形控制的重要前提之一。 在冷轧带钢生产中，板形检测以前是通过操作者的目测和经验 酌情判断板形好坏，有时操作者为掌握板形，用手去按压机架间绷 紧的带钢，根据各部分的松弛程度来判断板形的好坏，然后以人为 方式操纵弯辊装置或调整轧辊凸度以及调整压下量等来实现的。板 形的好坏都依赖操作者的熟练程度。用上述方法检测，显然是误差 大，只能对轧制过程中板形作粗略的估计，并且不能实现连续检测。 为了精密的进行板形控制，现代化的冷轧机对实际生产中板形 的变化、控制是依靠板形检测仪来测定的。通常，在不带张力轧制 的情况下，板形不良（例如出现浪形）可以在带钢表面上看出来， 在带张力特别是在大张力的条件下，带钢在轧制过程中看起来似乎 是很平直的部分，在张力消失后往往会出现浪形，因此，人们根据 板形缺陷产生的主要来源是沿带钢宽度上各处的不均匀延伸的原理， 研制出各种各样的板形检测仪。板形检测仪主要有接触式和非接触 式两大类。 最早板形控制的方法是在轧辊上磨削一定弧度的原始凸度，或 者用沿宽度不均匀冷却或润滑轧辊的方法来调整板形。随着轧制技 - 19 - 术的发展，逐渐研制出许多板形控制方法。例如：弯曲轧辊装置、 vc 可变凸度轧辊、hc 轧机或阶梯状支撑辊、cvc 轧机和 upc 轧机、 交叉轧辊技术（如 pc 轧机）、水平弯曲轧辊（如 ffc 轧机）和上述 技术的综合应用。 目前，在冷轧生产中普遍采用的板形控制方法有： “调温控制法”。 即采用合理控制辊温的辊型调整方法。如在辊身长度方向用改 变各段冷却液数量的方法来调整辊温，便可改变轧辊的凸度，从而 也就改变了轧辊的实际凸度，以达到调节辊缝的目的。此方法的优 点是采用的设备和控制方法都很简单，但它的调整不能令人满意， 因为使轧辊冷却需要较长的时间，并且不是经常能够保证热凸度的 对称性和稳定性，所以不能满足高速轧制的要求。 改变压下规程。 即采用改变轧制压力，以改变轧辊的实际挠度的方法。如带钢 产生对称边浪，通过减小压下量以减小轧辊本身的挠度就可缓和或 消除此缺陷。但这种方法很难进行精密的调节，用改变产品规格和 减小压下量来满足板形的要求，会使生产增加许多麻烦，如会导致 轧制道次的增加，降低生产率。 调节张力。 - 20 - 因张力是影响板形的一个重要因素，后张力有减小轧制力的作 用（压力大小对辊型有影响），前张力有明显改善板形的作用。但 张力调节法其调节范围有限。 采用润滑油（剂）。 即采用润滑油（剂）以减小摩擦系数的方法来达到调整轧制压 力的目的。这种方法其调整范围同样有限且不经济。 采用高性能轧辊凸度控制轧机如 hc 轧机、cvc 轧机等。 采用液压弯辊装置。 目的是为了能调节轧辊挠度。当采用这种方法时，轧辊（工作 辊或支撑辊）两端受一附加的弯曲力作用，可以加大或减小轧辊在 轧制过程中所产生的挠度，使轧辊实际挠度自动或人为的保持在最 佳数值上。液压弯辊的突出优点是快速、准确且调整幅度大，能满 足高速度、高精度轧制的要求，实现板形自动控制。采用液压弯辊 装置能使一种辊型适应多种规格的生产，便于磨辊，减少了换辊次 数，提高了作业率。此方法的不足之处是弯辊力使轧辊轴承本身增 加了附加负荷，因而影响了轧机能力的充分发挥。 综上所述，对板形的调节和控制有许多方法。在实际生产中对 板形的控制必须根据轧机装备情况，依据轧制时各种因素对板形的 影响程度来制定相关工艺方案。由于轧辊的磨损对板形的影响，是 轧制时间的函数，它每时每刻在改变着正常的辊型，使辊缝产生不 均匀的变化。鉴于对某一特定的轧机来说，轧辊材质、轧辊冷却、 - 21 - 润滑条件一般是变化不大，需要我们在日常生活工作中认真探索， 掌握所轧品种、规格及轧制工艺制度与轧辊磨损之间的规律，巧妙 的利用磨削原始辊型的施以合适的冷却、润滑方式，来达到控制板 形的目的。 - 22 - 21450 冷连轧控制系统中的板形控制系统 2.1 系统总览系统总览 板形是冷轧带钢最重要的质量因素之一，也是轧机控制过程中 的重要工艺参数。板形不好的带钢会引起张力的不均匀分布。在冷 轧带钢的轧制过程中，需要一个板形测量和控制系统。鞍钢 1450 冷 连轧生产线采用了 achenbach 的 bfi 接触式板形仪，它通过测 量带钢宽度方向的张力分布来测量板形，使用 simatic-tdc 运行 板形控制程序计算并调整第 5 机架轧机的斜倾、弯辊、串辊及分段 冷却来获得最佳板形。 下面的总览图中显示了板形控制系统是如何集成到自动控制系 统中的。 - 23 - e es sc cf f1 1f f2 2f f3 3f f4 4f f5 5f f6 6f f7 7f f8 8f f9 9f f1 10 0f f1 11 1f f1 12 2 ! ! 1 1 2 2 $ $ 4 4 % 5 5 6 6 ; “ “ . . ? ? / / t ta ab b s sh hi i f f t t c c t t r r l la al l t t c c a ap ps s l lo oc ck k a al l t tc c t t r r l l s sh hi i f f t t e en nt t e er r b ba ac ck k s sp pa ac ce e i i n n s s e e r r t th h o o mme ep p a a g g e e u u p p d d e e l le e t t e ee e n n d dp p a a g g e e d d o o w w n n | | 7 78 89 9 4 45 56 6 1 12 23 3 0 0. . n n u u mm l l o o c c k k h h o o mme ep p g g u u p p e e n n d dp p g g d d n n i i n n s sd d e e l l e e n n t t e e r r / /* * + + p p r r i i n n t t s s c c r r e e e e n n s s c c r r o o l ll l l l o o c c k k p p a a u u s s e e s s c c r r o o l ll l l l o o c c k k c c a a p p s s l l o o c c k k n n u u mm l l o o c c k k simatic-tdc flatness system pcm-unit fe bus tcp/ip bus measuring roll uebersicht_e.dsf 16.05.2000 wincc-server engineering station wincc electrical room wincc control pulpit hmi bus (tcp/ip) gdm simatic-tdc other automation profibus dp cooling valves 在该生产线控制系统中，pcm 单元和 simatic-tdc 框架都集 中在一个控制柜中摆放于控制室内，用于显示板形的 wincc 站同样 摆放在控制室内，分段冷却控制阀直接通过 profibus 总线连接到板 形控制系统中。其余的自动控制系统和板形控制系统通过 gdm（global data memory）连接。wincc 服务器和板形控制系统 通过快速以太网，交换数据，wincc 服务器使板形数据可以显示在 控制室或者控制台的 wincc 客户端上。 - 24 - 2.2 基本测量原理基本测量原理 当带钢以一定的包角从板形测量辊上通过时，由于受到张力的 作用，带钢对辊体施加了一个径向力。径向力由辊体上的多个压力 传感测量，如果各测量段上的径向力相同，说明板形是好的；如果 各测量段上径向力不同，就说明板形出现偏差。 ftension = 带钢上总的张应力 ft = 每个测量区域的带钢张应力 fr = 径向压力 每个测量段上的径向力由各个压力传感器转变成电信号，电信 号经放大、模数转换后，送至板形控制程序进行处理，最终输出与 板形相关的信息。 - 25 - 2.3 板形测量设备板形测量设备 2.3.1 bfi 测量辊测量辊 bfi 板形测量辊是一个拥有轴向空腔的整体辊，在空腔中每个 通道通过编码器连接电缆连接到各个压电式编码传感器来接收压力 测量值。压电式传感编码器在轴向方向上以一个预定的分布方式分 布在辊的圆周上。每一个压电式编码传感器被安装在辊表面的一个 由圆形密封插头密封的钻孔里。圆形密封插头通过一个特殊的张力 螺丝给压电式编码传感器建立了一个必要的预拉伸。这个操作保证 了该压电式编码传感器运行在一个线性区域。 在一个测量通道上最多可以连接 8 个该压电式编码传感器和一 个电荷放大器，这 8 个传感器是分布在辊身圆周上的各个角度上的， 不能有同一个角度的传感器接到同一个通道上。电荷由带钢张力的 径向分量产生，所以测量值是和带钢张力成比例的，而测量值所处 的位置是由 pcm 编码单元决定的。测量值的位置和辊的角度的关系 由一个增量型脉冲编码器来测量测量值以对应的角度间隔所对应的 时间间隔到达电荷放大器。pcm 编码单元对测量值进行线性修正和 正弦修正。被动单元（虚拟单元）可以因为测量元件或技术原因插 入到相应的区域，同时每个测量区域可以由不同的宽度，标准的尺 寸为 52 和 26 毫米，不同的区域宽度安装在板形测量辊上的目的是 为了提高带钢边部区域的测量精度。 - 26 - 电荷放大器出来的模拟信号经过一个 pcm 编码单元进行数字化 并且传输到板形辊上的一个固定的接口卡上，然后被串行传输到 pcm 解码单元上。pcm 解码单元在测量辊每转动一圈以后转换测 量值使其可以被 tdc 中板形测量值处理单元所使用。 上图反映了从压力传感器出来的信号如何一步一步处理直至在 主控面板上显示测量值的一个过程。电荷放大器、多路复用、a/d 转化器、pcm 编码器、位置编码器都安装在板形测量辊内部。 板形测量辊数据： 测量宽度：1404 毫米 测量区域数量：17/10/17 区域宽度：26/52/26 毫米 测量辊直径：313 毫米 - 27 - 2.3.2 pcm 解码单元解码单元 一个特殊的 pcm 解码和测量值预处理单元用来对从板形辊上的 pcm 编码单元传输过来的信号进行译码。这个测量数据集中包括有 效的测量值和无效的测量值（没有被带钢覆盖的区域），线性修正 和正弦修正的系数就通过无效单元的值来求得。这样，从测量通道 得到的原始数据就可以得到修正。当测量辊每转动一周时，pcm 解 码单元就会对测量值进行一些处理，并通过 tcp/ip 报文提供给 tdc 测量值处理进程使用，包括每个区域的径向压力和一些其他的 值。 2.4 实现、接口与通讯方式实现、接口与通讯方式 测量值处理和板形控制使用一个单独 simatic tdc 的 cpu 来 实现，它插在 5 机架 tdc 框架中，软件系统采用 step 7 和 d7- sys，编程语言使用 cfc。显示系统采用 simatic wincc，分段冷 却控制阀通过 profibus dp 接口连接。 下图显示了板形控制功能和其他自动控制功能数据交换的接口。 - 28 - flatness control flc hmi human machine interface material tracking mtr parameter storage and handling psh id: - mat-id - position - length setup data handling sdh actual data handling adh line coordinator lco id: - actual values - setpoint values - status signals id: - setpoint values id: - control signals id: - status signals id: - actual values - status signals wedge control wdg id: - actual values - status signals master ramp generator mrg id: - delta setpoint values - status signals id: - actual values - setpoint values - status signals roll bending system rbs modell server mos id: - delta setpoint values - status signals id: - actual values - setpoint values - status signals screw down system sds id: - delta setpoint values - status signals id: - actual values - setpoint values - status signals roll shifting system rss emulsion system emu id: - control signals - cooling flows id: - status signals id: - status signals id: - control signals - simulation value simulation logic sil 在程序中主要使用了 3 种重要的通讯手段： （1）tcp/ip 报文通讯方式 tcp/ip 报文通讯方式由位于 tdc 框架中的 cp5100 子模 块实现，主要包括 tdc pcm 解码单元、tdc hmi（wincc 服务器）、tdc simatic s7 的 emu（乳 化液）功能模块。 （2）profibus dp 连接 主要包括 tdc 冷却控制柜、 tdc 控制台功能。 （3）内部 tdc 通讯通过 gdm（共享数据内存） 主要包括和自动控制功能中的其他功能模块的通讯： adh 实际值处理、lco 线协调、mrg 主令斜坡发生器、 - 29 - mtr 物料跟踪、rbs 弯辊系统、rss 串辊系统、sdh 设定 值处理、sds 压下系统、thc 厚度控制系统、wdg 楔形控 制。 2.5 测量值处理测量值处理 在程序中测量值处理有两种处理模式：轧制模式和标定模式。 2.5.1 测量值处理（轧制模式）测量值处理（轧制模式） 当板形辊每转动一周以后，一个完整的数据集将通过 tcp/ip 报 文的方式从 pcm 解码单元传输给 tdc 中运行的测量值处理进程。 当主控打开板形测量的开关时，该数据将被读入进行进一步处理提 供给轧制模式。该数据集中包括用来进一步处理的每个测量段的径 向压力值和用于诊断目的的而选择的通道的 360 相位数据（可以显 示测量波形）。 测量值处理过程将使用静态标定得到的标定因子对测量值进行 修正。同时将根据带钢宽度、带钢偏移、板形辊安装所形成的几何 位置偏差、测量段的宽度、测量元件的直径等因素计算带钢边部区 域的测量段上的压电式传感器的覆盖率，用以对操作侧和传动侧第 一个覆盖的测量段所测回来的值进行修正。为了能够准确的控制板 形效果，经过修正的每个测量段的实际径向压力 f(i)将被转化成对 应测量段的带钢张力，平均值由下式求出：( ) i ) 1( )( zbszas i zas zbsi m - 30 - m: 所有测量段的带钢张力平均值 ( ) i : 各测量段的带钢张力值 zbs: 操作侧第一个有效覆盖的测量段编号 zas: 传动侧第一个有效覆盖的测量段编号 所有的控制都是根据测量值和其平均值的偏差来进行的。如果 这个偏差被消除，那么整个带钢在板宽方向的延伸率也就一致了， 所以板形控制的实质就是对带钢板宽方向上各区域张力分布的补偿。 其偏差由下式计算： a fi i z m m * )( )( ( ) i :各测量段张力偏差 zf :带钢张力 a:带钢横断面面积 根据带钢张力和延伸率的关系公式，测量值处理过程最终获得 了延伸率的偏差值。)(il em：弹性模数 me i l il)()( 2.5.2 测量值处理（标定模式）测量值处理（标定模式） 当一个新的测量辊被安装以后，我们需要对它进行标定，目的 是为了提高测量精度。标定时需要一个静态标定设备安装在板形测 量辊上。在标定过程中，板形辊是静止不动的。我们对每一个测量 - 31 - 区域段上的压电式传感器施加一个相同的压力（47.8 牛顿，该压力 由静态标定设备提供），测量回来的值各不相同，表明每个传感器 都有他自己的特性曲线，我