双机架可逆冷轧机控制

1、双机架可逆冷轧机控制双机架可逆冷轧机控制2006.5 武汉武汉 主要内容1. 轧机设备及仪表轧机设备及仪表2. 计算机控制系统组成计算机控制系统组成 3. 计算机控制主要功能计算机控制主要功能1. 轧机设备及仪表轧机设备及仪表1. 轧机设备及仪表轧机设备及仪表 双机架可逆冷轧机是近年来国际上推出的很有特色的冷轧机机型，由于具有若干优点，已成为冷轧带钢领域的一种重要机型。可换双机架可逆冷连轧机的主要设备一般包括1#卷取机、1#张力辊、1#冷轧机、2#张力辊、2#冷轧机、3#张力辊、2#卷取机、卸卷小车等。主要仪表包括压力仪、张力计、测厚仪、激光测速仪、辊缝仪和板形仪，轧机主要设备和检测仪表如图1

2、所示。 设备主要特点是：(1)生产能力50100万ta，适合与薄板坯连铸连轧线配合提高冷轧生产效率；(2)可实现2、4、6道次轧制，更加灵活；(3)与2台单机架轧机相比，投资节约20，生产成本降低30；与1套5机架连轧机相比，投资节约50，生产成本相当；(4)可以配备先进齐全的自动化仪表和控制手段，实现全道次质量控制；(5)掌握双机架冷轧机技术可以覆盖到单机架和多机架连轧机。1. 轧机设备及仪表轧机设备及仪表2. 计算机控制系统组成计算机控制系统组成2. 计算机控制系统组成计算机控制系统组成 随着液压控制系统在压下、弯辊和窜辊机构的广泛应用，加上全部控制都将作用于轧辊轧件形成的变形区，所以冷连

3、轧计算机控制系统必须满足高速控制和高速通讯的要求。冷连轧机组除了一些顺序逻辑控制可以采用PLC外，大部分功能要求实现高速控制，控制周期为110 ms，因此需要大量采用高性能多CPU控制器(HPC)。由于厚度控制、张力控制和板形控制等多个质量控制功能最终都用于变形区，因此多个功能之间的相互传递数据的速度要求很快，一般数据交换时间要求为12 ms。目前能具有此能力也仅有美国GE、德国SIMENS等几家大电气公司，从系统结构来看可分为区域控制器群结构和超高速网结构两大类。图2为可逆冷连轧机的计算机控制系统结构之一。控制系统包括过程自动化级L2、基础自动化级L1和数字传动级L0。 数字传动控制装置全部

4、采用美国AVTRON公司生产的32位全数字直流传动控制装置ADD一32 过程自动化级采用两台小型机或微机加上必要的外设，其中一台在线运行，一台作为备用。这两台过程控制计算机通过100 Mb以太网与基础自动化级以及人机界面HMI服务器连接。近年来，随着PC机技术的快速发展，无论是硬件方面还是软件方面都在向PC技术靠拢，以便降低成本，因此该系统采用了两台PC机的方案。2. 计算机控制系统组成计算机控制系统组成2. 计算机控制系统组成计算机控制系统组成 基础自动化级采用了区域控制器群结构，即用于控制各机架的控制器用一个高速光纤内存映像网连成一个控制器群。基础自动化级控制器主要由PLC和HPC(高性能

5、控制器)组成，其中HPC为基于VME总线的多CPU控制器，主要用于快速控制，包括质量控制的自动液压压下AGC、自动板形控制ASC、液压传动数字控制(自动位置控制APC、液压弯辊AFC等)。PLC主要用于顺序控制和速度不太高的位置控制、速度控制、张力控制等。 区域控制器群的区域主管AM也采用PLC，主要功能为顺序控制，区域主管面向轧机负责与过程计算机联系，接收设定值并进行管理，同时收集IO值以及中间变量进行数据处理后发送给过程计算机。区域控制器群分为两层：上层为区域主管，包括质量控制(AGC、ASC)用的HPC；下层为数字传动，包括电气传动控制器和液压传动控制器。考虑到一台轧机中含有多个液压机构

6、(压下、弯辊、快速换辊等)，因此下层液压传动控制器又称为机架控制器(SC)，其中多个CPU分别控制本机架的各液压系统。 系统采用统一的人机界面系统HMI，即L1与L2使用同一个HMI系统，为此HMI系统的服务器通过主干网与过程计算机交换数据，定期更新服务器中的数据库，以便在任何一个客户或操作员站上显示L1或L2的画面。3. 计算机控制主要功能计算机控制主要功能 冷连轧机自动控制系统的主要任务是保证冷轧产品的产量和质量，其主要功能模块及系统软件结构如图3所示，控制功能主要包括模型设定、参数优化、模型自学习和模型自适应、带钢跟踪、速度控制、张力控制、厚度控制、板形控制、轧机运行控制等。31 过程自

7、动化级 主要任务是：进行带钢跟踪，实现相应的控制和数据功能；应用自适应数学模型为冷连轧机的控制与调节系统计算输出最佳设定值；记录和输出信息。主要功能模块包括：(1)带钢跟踪；(2)轧制程序计算；(3)测量值收集和处理。 （1）带钢跟踪 带钢跟踪是指以钢卷跟踪为基础的物流跟踪，主要包括：钢卷数据的输入与显示，机组内带钢跟踪。（2） 轧制程序计算 轧制程序计算是一个综合程序系统，包括轧制规范、设定值计算、设定值输出、数学模型自适应、数学模型自学习等模块。 1)轧制规范模块计算基础自动化计算机系统所需要的设定值，所需要的原始数据有带钢数据、轧辊数据、数学模型系数、轧制规程等。 2)设定值计算模块在轧

8、制规范模块准备好设定计算所需的数据、参数后，通过计算得到基础自动化系统所需要的设定值参数。 3)设定值输出模块在对设定值做极限检查后，实时发送给基础自动化级系统。 3. 计算机控制主要功能计算机控制主要功能 4)数学模型自适应模块用经过可靠性处理的测量值求解数学模型的系数，并不断地进行修正，以改善模型的精度。 5)数学模型自学习模块在自适应模块进行若干步自适应计算后，采用回归分析的方法，通过自学习改善同一钢种的材料变形抗力对模型精度的影响。（3） 测量值收集和处理 该模块从基础自动化级收集测量值，利用测量值通过自适应和自学习模块改善数学模型系数和材料影响系数。测量值处理程序由测量值收集程序启动

9、，处理收集的测量值数据，结果供自适应程序改善数学模型系数用。32 基础自动化级 基础自动化级配置了多CPU控制器和PLC，主要完成高速闭环控制以及与过程计算机的通信，GE90-70 PLC主要完成传动控制、顺序控制和操作台控制等功能。 基础自动化级由控制子系统CSS、驱动子系统DSS以及与设备和过程计算机进行数据通信的模块组成。 CSS功能主要包括：测量值处理、压下校正、压下调节、厚度调节、带钢映像、运行调节、主令速度、自动制动、调节切换。分为带钢映像系统、厚度控制系统、速度控制系统以及测量值和设定值处理系统。 DSS功能主要包括：轧制力调节、位置调节、张力调节、速度调节、可逆转换。与设备和过

10、程计算机进行数据传送的模块包括设定值处理、测量值收集、测量值发送。 双机架可逆冷连轧机AGC系统 轧机一般装有前、中、后测厚仪，激光测速仪，前、中、后张力计，压力传感器、辊缝仪，见图1。整套轧机系统检测元件的配置十分完善， 因而使得质量控制，如张力AGC、压力 、监控 、张力计直接反馈张力闭环控制、卷径记忆等得以保证。Gl和G2轧机均配置有液压压下和弯辊系统。 双机架可逆冷连轧机可采用2道次、4道次或6道次轧制， 比较灵活，其AGC控制策略也具有一定的灵活性。例如，4道次轧制时，G1机架可采用前馈AGC、监控AGC及粗调流量AGC，入口张力仪用于开卷机的直接张力控制，第4道次G2机架按精调流量

11、AGC方案(图4a)；6道次轧制时，G2机架往往作平整机用，此时，Gl机架采用前馈AGC及监控AGC (或粗调流量AGC)，G2机架为恒延伸率控制。3. 计算机控制主要功能计算机控制主要功能 图1 双机架可逆冷连轧机AGC系统结构圈 Gl一第1机架；G2一第2机架；APC一位置控制；AFC一压力内环(恒压力环)；TC一张力控制；SR一速度控制回路；TR一开卷机、卷取机张力控制回路；SM一测速仪；GM 一测厚仪；TM一张力计；LC一测压仪；M 一电机3. 计算机控制主要功能计算机控制主要功能（1）前馈AGC 由G1前的测厚仪测出带钢入口厚度ho，并与带钢的给定厚度hco曲进行比较，如有厚度偏差h

12、0，便预报本机架将要出现的带钢轧出厚度偏差hl，然后确定消除hl所需的辊缝调节量S1。根据带钢由检测点A到进入Gl以及压下螺丝移动Sl的距离总共所需的时间，由压下系统按Sl值提前移动压下螺丝，调节轧机辊缝当带钢的检测点A进入Gl时，辊缝正好调整完毕，带钢在A点的厚差就能在Gl基本消除。 （1）式中，M 为轧件塑性系数；Km 为轧机刚度系数。 前馈AGC是开环控制，其难点在于带钢检测点进入机架与辊缝正好调整完毕，在时间上必须配合准确，才能达到预期控制效果。采用激光测速仪，能够精确测量G1人口速度，准确计算检测点进入机架所需时间，所以可以有效地解决上述时间匹配问题。（2）监控AGC 监控AGC主要

13、是消除流量反馈控制不能消除的较小偏差和秒流量计算过程中的系统误差如测量辊的磨损、零漂等。通过对G1出口测厚仪所测得的h1进行积分，取得h1的趋势性变化，然后定期对液压压下进行修正。 由于测厚仪距离G1有一定距离，因此监控AGC是一个具有纯滞后环节的控制系统，对提高厚度精度具有局限性。（3）流量AGC控制原理 传统AGC具有以下缺点： (1)前馈AGC， 由于是开环控制，不能保证厚度偏差为零； (2)反馈AGC，用出口测厚仪信号进行反馈，系统滞后，不易稳定控制； (3)厚度计AGC，用轧制力通过弹跳方程计算变形区出口厚度，虽然不滞后，但测量精度低。 而流量AGC的基本原理：在任一瞬间，进入和离开

14、轧机各机架的带钢体积保持不变，即：3. 计算机控制主要功能计算机控制主要功能在冷轧过程中，带钢宽度几乎不变。即：所以有：如果考虑厚度偏差，则有：（2） 由于激光测速仪能够精确测量带钢入、出口速度，因此流量AGC即根据入口厚度、入口速度和出口速度计算出出口厚差并进行控制。粗调流量AGC 粗调流量AGC的主要任务是消除95的来料厚差。在轧制的前几道次， 由于带钢厚度波动较大，必须采用改变辊缝即调节液压压下的方法进行控制。其控制算法可由式(2)及辊缝传递函数得到：)(mmKMKhS辊缝传递函数：式中，hco为G1入口厚度设定值； ho为G1入口厚差；vo为G1人口速度；hc1为G1出口厚度设定值；

15、h1为G1出口厚差； v1为G1出口速度。精调流量AGC 在轧制的末道次，带钢经粗调流量AGC系统控制后的剩余偏差，由精调流量AGC系统来调控。根据带钢厚度和材质的不同，精调流量AGC可采取压下方式、极限张力方式和平整方式进行控制。 (a)压下方式：当轧制较厚且材质较软的带钢时，采用压下方式。其控制算法与粗调流量AGC相同，是利用G2前后激光测速仪及其前测厚仪信号来确定G2出口厚差，通过调节G2辊缝进行控制，即：式中，hc1为G2人口厚度设定值； h1为G2入口厚差； v1为G2人口速度；hc2为G2出口厚度设定值； h2为G2出口厚差； v2为G2出口速度。 并应控制G2速度以保持入口流量恒

16、定，即：3. 计算机控制主要功能计算机控制主要功能(b)极限张力方式：当轧制薄而硬的带材时，宜采用极限张力方式。其控制算法与压下方式相同，不同的是：当张力变动在15范围内时，张力信号不控制G2压下，而是通过G1、G2间张力变化来克服带钢的厚度偏差；仅当张力超出此范围时才控制G2压下，以使张力回到这一范围。由于带钢张力在极限范围内时，成品机架的轧制力保持不变，从而保持带钢的横向厚度分布不变，使成品带钢具有良好的板形。(c)平整方式：在轧末道次时，G2往往作平整机用，采用恒压力控制。G1、G2间张力信号不再控制G2压下，而是控制G1、G2速度来保持机架问张力恒定。3. 计算机控制主要功能计算机控制

17、主要功能双机架可逆冷连轧机板形控制 双机架可逆冷连轧机为了获得良好的板形 ，与五机架冷连轧一样配置了正负弯辊装置、HC技术等装置。尽管双机架可逆冷连轧机存在为所有道次设计合理原始辊形的不利条件，但由于各道次轧制都能获得入口和出口带钢的平坦度实测值进行反馈控制，以及在机架前后配置的有关板形的检测仪表和控制手段更为齐全，因此对板形控制来说双机架可逆冷连轧机反而具有一定优点，可利用反馈控制后的弯辊、窜辊参数对板形设定模型进行自适应以用于下一道次，并通过模型自学习以保存有用信息用于下一卷钢的控制。3. 计算机控制主要功能计算机控制主要功能双机架可逆冷连轧机的顺序控制 可逆轧机的顺序控制包括自动穿带、自动加速、自动减速、自动起停车及反转。其中频繁正反转是可逆轧制的特点。