冷帶軋機(jī)板厚自動(dòng)控制系統(tǒng)

王益群，楊 陽(yáng)，陳 剛

(燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

1 前言

在鋼鐵生產(chǎn)中，板帶比(板帶產(chǎn)品占鋼鐵總產(chǎn)量的比重)是表征國(guó)家鋼鐵生產(chǎn)水平的重要指標(biāo)。我國(guó)當(dāng)前的板帶比約為50%左右，發(fā)達(dá)國(guó)家達(dá)60%～70%甚至更高。板厚精度是板帶產(chǎn)品最重要的質(zhì)量指標(biāo)之一，是規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的標(biāo)識(shí)。在國(guó)內(nèi)外激烈的技術(shù)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，厚控技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)有了突破性進(jìn)步，燕山大學(xué)機(jī)電液綜合控制科研團(tuán)隊(duì)完成的1450 mm四/六輥五機(jī)架冷連軋機(jī)液壓厚度自動(dòng)控制(液壓AGC)系統(tǒng)，縱向相對(duì)板厚差達(dá)1%，絕對(duì)板厚差達(dá)±3 μm，軋制速度達(dá)21 m/s。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，對(duì)冷軋薄板高端產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量要求越來(lái)越高，故研發(fā)控制精度更高、速度更快、可靠性更強(qiáng)的板厚AGC系統(tǒng)，仍有不少理論與技術(shù)問(wèn)題需要不斷努力探索，以滿足生產(chǎn)需要。

2 板厚控制發(fā)展歷程

板帶軋機(jī)板厚控制的發(fā)展歷程是隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)板帶尺寸精度要求越來(lái)越高的市場(chǎng)推動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的。從當(dāng)初的手動(dòng)壓下、電動(dòng)壓下到現(xiàn)在的電液伺服壓下，從原來(lái)的計(jì)算機(jī)集中控制到現(xiàn)在分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制，板厚控制系統(tǒng)大體經(jīng)過(guò)下述幾個(gè)階段。

(1)人工操作階段。在20世紀(jì)30年代以前，軋機(jī)裝機(jī)水平較低，板厚控制是以手動(dòng)壓下或簡(jiǎn)單的電動(dòng)壓下來(lái)移動(dòng)輥縫控制板厚，軋制過(guò)程的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)完成。

(2)常規(guī)模擬式調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制階段。20世紀(jì)30年代到60年代，隨著經(jīng)典控制理論建立和技術(shù)進(jìn)步(PID控制技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用)，軋機(jī)板厚控制邁入常規(guī)模擬式調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制階段。

(3)液壓壓下計(jì)算機(jī)集中控制階段。20世紀(jì)60年代后期，在冷帶軋機(jī)的控制上逐步過(guò)渡到計(jì)算機(jī)設(shè)定并進(jìn)行數(shù)字過(guò)程控制階段。從70年代起液壓壓下逐步取代了電動(dòng)壓下，使板厚控制技術(shù)取得重大進(jìn)步，因液壓壓下的響應(yīng)速度遠(yuǎn)大于電動(dòng)壓下。液壓技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，使厚控產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量得以大幅提升。

(4)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)智能控制階段。從20世紀(jì)90年代至今，板厚自動(dòng)控制技術(shù)依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)量控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、圖形顯示技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展以及高可靠性集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和智能儀表應(yīng)運(yùn)而生，使板帶軋機(jī)厚控技術(shù)進(jìn)一步邁向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)智能控制階段。

3 板厚控制的功能結(jié)構(gòu)和工作原理

軋制設(shè)備屬單件生產(chǎn)的一類產(chǎn)品，不同產(chǎn)品種類、規(guī)格、批量的要求，與之對(duì)應(yīng)的厚控系統(tǒng)的復(fù)雜程度有很大差別，以高速、高精度冷連軋機(jī)板厚控制系統(tǒng)為例，闡述其基本構(gòu)成與控制原理。

3.1 功能結(jié)構(gòu)

板厚AGC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按其功能可以分為生產(chǎn)管理級(jí)(計(jì)劃管理、原料庫(kù)管理、成品庫(kù)管理、磨輥管理等)、過(guò)程控制級(jí)(物流跟蹤、軋制規(guī)范、數(shù)學(xué)模型設(shè)定、運(yùn)行控制、質(zhì)量控制等)、基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)(邏輯控制、設(shè)備控制等)。板厚AGC的過(guò)程控制級(jí)和基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)是指AGC以質(zhì)量控制為主的過(guò)程控制級(jí)和其基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)，同時(shí)AGC系統(tǒng)需要傳動(dòng)系統(tǒng)作為液壓AGC的控制平臺(tái)相配合。

AGC過(guò)程控制級(jí)又分過(guò)程優(yōu)化級(jí)(上位機(jī))和過(guò)程控制級(jí)(下位機(jī))。AGC上位機(jī)負(fù)責(zé)完成軋制工藝過(guò)程的計(jì)算機(jī)設(shè)定計(jì)算(來(lái)料規(guī)格:材質(zhì)、厚度、寬度、卷重等;成品規(guī)格:軋制速度、輥縫、張力、軋制力、彎輥力等相關(guān)力能參數(shù))和人機(jī)界面、過(guò)程跟蹤、軋制過(guò)程狀態(tài)顯示、產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)報(bào)表等，具有數(shù)據(jù)庫(kù)功能。AGC下位機(jī)根據(jù)其上位機(jī)給出的設(shè)定值和自動(dòng)化儀表檢測(cè)到的實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度多變量閉環(huán)控制和對(duì)原料質(zhì)量誤差、軋制設(shè)備及控制系統(tǒng)本身各種誤差的擾動(dòng)補(bǔ)償控制。AGC的基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)主要是高速響應(yīng)的液壓伺服系統(tǒng)，藉以實(shí)現(xiàn)液壓壓下、彎輥等高精度控制。

作為AGC控制平臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)亦有其相應(yīng)的過(guò)程控制級(jí)(上位機(jī)、下位機(jī))、基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)程控制級(jí)控制主傳動(dòng)系統(tǒng)的控制品質(zhì)和靜張控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性、根據(jù)軋制工藝設(shè)定相關(guān)工藝過(guò)程實(shí)施邏輯控制。傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)根據(jù)過(guò)程控制級(jí)傳來(lái)的指令完成上卷、活套充放、對(duì)中、送料、剪切、卷取、卸卷、潤(rùn)滑等主傳動(dòng)與輔助傳動(dòng)控制。AGC過(guò)程控制的上、下位機(jī)間與傳動(dòng)系統(tǒng)的上、下位機(jī)間以及相應(yīng)的基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)間的級(jí)間通訊，應(yīng)根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求不同，選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。

鑒于產(chǎn)品質(zhì)量定位和投資限制的不同，軋機(jī)厚控裝機(jī)水平相差很大，但高速冷連軋技術(shù)始終是該領(lǐng)域的制高點(diǎn)。液壓AGC系統(tǒng)是其核心技術(shù)，其基本點(diǎn)是控制生產(chǎn)的高精度、高速度和高可靠性。

3.2 工作原理

板厚控制原理指完成板厚質(zhì)量控制的主要工作方式，板厚控制的基本點(diǎn)是檢測(cè)到輸出板厚，再根據(jù)輸出板厚與設(shè)定板厚之差求得調(diào)節(jié)偏差，通過(guò)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)板厚質(zhì)量控制。根據(jù)板厚檢測(cè)方法的不同，主要有以下三種:

(1)直接測(cè)厚AGC(h-AGC)。采用高精度測(cè)厚儀檢測(cè)軋機(jī)出口板厚，反饋調(diào)節(jié)，實(shí)施板厚閉環(huán)控制。該方式簡(jiǎn)單可靠，但存在出口測(cè)厚儀檢測(cè)滯后，控制精度受制約。

(2)厚度計(jì)式AGC(GM-AGC)。利用軋機(jī)彈跳方程，計(jì)算出軋機(jī)輥縫的實(shí)際值，在忽略軋件彈性恢復(fù)的條件下，認(rèn)為輥縫值即為實(shí)時(shí)輸出板厚，將軋機(jī)看作測(cè)量板厚的厚度計(jì)，以此為準(zhǔn)求得調(diào)節(jié)量，實(shí)施閉環(huán)控制。該方法消除了測(cè)厚儀檢測(cè)滯后，并且可根據(jù)軋制工藝的不同(軋制或平整)要求，通過(guò)對(duì)軋制力補(bǔ)償量的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)變剛度控制，但此方法依靠的是彈跳方程計(jì)算，精度差，故控制精度難有較大提高。

(3)流量AGC。根據(jù)帶鋼在軋制變形區(qū)和連軋過(guò)程中皆遵循連續(xù)介質(zhì)秒流量相等的準(zhǔn)則，若能精確測(cè)出任一時(shí)刻軋機(jī)入口和出口的帶材厚度和速度，就可精確算出軋機(jī)輥縫處的輥縫值，以此為準(zhǔn)實(shí)施閉環(huán)控制。這種以精確檢測(cè)為基礎(chǔ)的控制方法可以有效提高板厚控制精度，但該方法受檢測(cè)水平的制約，隨著激光測(cè)速技術(shù)的日漸成熟，流量AGC日益推廣開(kāi)來(lái)。

為求得厚控的高精度，通常采用復(fù)合控制方式。即采用以厚度計(jì)AGC或流量AGC為內(nèi)環(huán)、以測(cè)厚儀外環(huán)監(jiān)控，再輔之以各種干擾量(來(lái)料質(zhì)量誤差、軋制設(shè)備和控制系統(tǒng)狀態(tài)變化造成的偏差)的補(bǔ)償控制構(gòu)成復(fù)合控制策略。

4 板厚自動(dòng)控制系統(tǒng)

4.1 復(fù)雜的機(jī)電液綜合控制大系統(tǒng)

軋機(jī)板厚控制是典型的機(jī)電液綜合控制大系統(tǒng)，其理論基礎(chǔ)是軋制理論、控制論、液壓伺服理論、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能儀表等多個(gè)學(xué)科的融合，有眾多子系統(tǒng)同時(shí)作用在同一受載體(軋制帶材)上，控制系統(tǒng)的不確定性、時(shí)滯性影響較大，其中任一子系統(tǒng)不能正常工作，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能和諧有序的進(jìn)行，甚至故障停車(chē)。

4.2 控制要求高

(1)高速控制。為達(dá)到系統(tǒng)高速控制，計(jì)算機(jī)CPU的控制周期要求為1～10 ms之內(nèi)。

(2)高速通信?？刂茝?qiáng)耦合的多個(gè)子系統(tǒng)，需要相互傳遞互補(bǔ)信息，數(shù)據(jù)更新速度要求為1～2 ms之內(nèi)。

(3)帶鋼縱向相對(duì)厚差可達(dá)1%以內(nèi)，絕對(duì)厚差可達(dá)1 ～3 μm。

(4)穩(wěn)定軋制速度可達(dá)20 m/min以上，甚至高達(dá)40 m/min以上。

5 板厚控制研究的熱點(diǎn)問(wèn)題

為推進(jìn)厚控AGC高精度控制、高速度軋制、高可靠性生產(chǎn)，可從相關(guān)學(xué)科的技術(shù)創(chuàng)新成果中加以推進(jìn)。在前述板厚復(fù)合控制系統(tǒng)中，當(dāng)前集中于下述幾個(gè)方面進(jìn)行探索。

5.1 智能控制策略的應(yīng)用

在控制論已發(fā)展到智能控制階段的今天，在大量生產(chǎn)設(shè)備上仍然采用PID經(jīng)典控制方法，主要是它的簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠，但適應(yīng)性差，這為把智能控制技術(shù)應(yīng)用到板厚自動(dòng)控制中提供了空間，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳控制、多變量魯棒控制、預(yù)測(cè)控制等眾多算法，當(dāng)前主要探索其實(shí)時(shí)性與可靠性得以保證。

5.2 干擾量的擾動(dòng)補(bǔ)償控制

干擾量主要來(lái)自于來(lái)料的質(zhì)量誤差，如厚度不均、硬度不均等和軋制設(shè)備及控制系統(tǒng)狀態(tài)變化，如輥系偏心、設(shè)備摩擦、磨損、溫度變化、潤(rùn)滑狀態(tài)、軋輥軸承狀態(tài)等，探索相應(yīng)的擾動(dòng)補(bǔ)償控制可增強(qiáng)厚控的有效性。

5.3 高精度虛擬軋制系統(tǒng)的研發(fā)

由于冷軋工藝的復(fù)雜性及在線實(shí)驗(yàn)的高成本，研發(fā)高精度可實(shí)用的虛擬系統(tǒng)作為研發(fā)平臺(tái)就成為研發(fā)新控制策略和試驗(yàn)軋制新工藝的重要手段。

虛擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)是構(gòu)建設(shè)備級(jí)精確模型，建立軋制設(shè)備級(jí)模型有兩種方法，其一是建立軋制設(shè)備的機(jī)理模型，即根據(jù)物理系統(tǒng)相關(guān)學(xué)科的數(shù)理方程建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而建立仿真系統(tǒng)的機(jī)理仿真模型，這種方法具有普適性，可以直接預(yù)測(cè)物理參數(shù)對(duì)輸出的影響，但模型精度難于做高。其二是辨識(shí)模型，即根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的實(shí)測(cè)輸入、輸出參數(shù)序列，應(yīng)用辨識(shí)理論，辨識(shí)出軋制設(shè)備的辨識(shí)模型，這種模型精度高，但無(wú)普適性，不能直接預(yù)測(cè)物理系統(tǒng)某一物理參數(shù)對(duì)輸出的影響。

利用虛擬軋制系統(tǒng)可大大提高新設(shè)備、新工藝的研發(fā)效率和節(jié)省開(kāi)發(fā)成本。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，板厚AGC系統(tǒng)必然借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷擴(kuò)展、充實(shí)其智能控制的內(nèi)容，從有限通訊向無(wú)線化過(guò)渡，進(jìn)一步提高網(wǎng)速，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程故障診斷、調(diào)試和維護(hù)。

(2)控制系統(tǒng)是為實(shí)施工藝過(guò)程服務(wù)的。隨著新的軋制工藝出現(xiàn)，為適應(yīng)各具特色的軋制工藝需要，板厚AGC系統(tǒng)將會(huì)有進(jìn)一步發(fā)展。例如怎樣適應(yīng)用鋼水直接軋制板帶的新工藝問(wèn)題。

(3)當(dāng)前的液壓AGC普遍采用液壓閥控系統(tǒng)。該系統(tǒng)雖然響應(yīng)快，精度高，但它效率低，環(huán)保性差。研制高效率，低噪聲，無(wú)泄漏的液壓AGC將是其發(fā)展的一個(gè)方向。

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