X—Pact控制系統(tǒng)在熱軋機(jī)上的應(yīng)用

余鳳智

摘 ?要：詳細(xì)描述了南南鋁1+1熱軋生產(chǎn)線引進(jìn)的西馬克X-Pact一級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，深入介紹了一級(jí)系統(tǒng)的硬件和軟件平臺(tái)及自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，重點(diǎn)分析了軋制過(guò)程的工藝控制功能。機(jī)組的投產(chǎn)效果表明，X-Pact控制系統(tǒng)代表了復(fù)雜工業(yè)自動(dòng)化控制的先進(jìn)水平。

關(guān)鍵詞：鋁軋機(jī);工藝控制;厚度及板型控制

一、引言

南南鋁“1+1熱軋機(jī)組”的電氣自動(dòng)化引進(jìn)了西馬克（SMS）的X-Pact電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，完備高效的鋁合金工藝模型、先進(jìn)的系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)和控制技術(shù)保證了生產(chǎn)的高質(zhì)量和高效率。X-Pact電氣自動(dòng)化系統(tǒng)集成了0級(jí)到3級(jí)系統(tǒng)的整體解決方案，完成現(xiàn)代化工廠自動(dòng)化控制所需的各種任務(wù)。

二、一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)硬件和軟件

南南鋁“1+1熱軋機(jī)組”的一級(jí)系統(tǒng)采用了西馬克X-Pact電氣自動(dòng)化新一代硬件平臺(tái)。嵌入式工業(yè)自動(dòng)化控制器和工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)的應(yīng)用，使得生產(chǎn)線配備了最先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)。對(duì)比以往的VME系統(tǒng)，新平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）硬件體積減小，節(jié)省柜內(nèi)空間。省掉了I/O板卡，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的I/O直接接到就近的EtherCAT模塊，以總線的形式連接到主機(jī)的以太網(wǎng)口。（2）硬件接線和布線更方便簡(jiǎn)單。（3）硬件成本大大降低

該“1+1熱軋機(jī)組”的一級(jí)系統(tǒng)共配備了10臺(tái)嵌入式自動(dòng)化控制器和2臺(tái)西門子PLC。10臺(tái)嵌入式控制器分別用于：粗軋區(qū)域介質(zhì)控制，粗軋機(jī)主令控制（順序控制，物料跟蹤，通訊協(xié)調(diào)等），粗軋機(jī)機(jī)架及立輥機(jī)架控制（厚度控制，寬度控制等），粗軋區(qū)域傳動(dòng)控制（主速度控制，主傳動(dòng)控制，輥道電機(jī)控制等），重型剪控制，輕型剪控制，精軋區(qū)域介質(zhì)控制，精軋機(jī)主令控制，精軋機(jī)機(jī)架控制，精軋區(qū)域傳動(dòng)控制。2臺(tái)西門子PLC分別用于粗軋及精軋區(qū)域的安全控制。

（一）一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件。一級(jí)自動(dòng)化的硬件系統(tǒng)主要包括：嵌入式自動(dòng)化控制器，人機(jī)界面計(jì)算機(jī)，軟件開(kāi)發(fā)服務(wù)器及工程師站計(jì)算機(jī)，IBA PDA系統(tǒng)等。

嵌入式自動(dòng)化控制器基于Intel ?Core 雙核技術(shù)，其強(qiáng)大的計(jì)算能力是獲得最佳控制性能的保證。其典型配置為：

● Intel 雙核CPU，主頻1.06Ghz或更高

● 最大可擴(kuò)展到3G內(nèi)存

● 1，3或5個(gè)板卡插槽，用于PCI/PCI-e板卡擴(kuò)展

● 2個(gè)閃存插槽

● 5個(gè)USB2.0接口

● 2個(gè)10/100/1000M 以太網(wǎng)口

● 顯示器接口

● 24V直流供電

● 實(shí)時(shí)時(shí)鐘，有后備電池

● 備選CAN總線接口

（二）一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)的軟件。（1）系統(tǒng)軟件。為了保證工業(yè)控制的高實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可靠性，X-pact 嵌入式控制器中運(yùn)行的操作系統(tǒng)為VxWorks 6.x版本。VxWorks是美國(guó)風(fēng)河公司（WindRiver）于1983年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)服務(wù)器、工程師站、人機(jī)界面計(jì)算機(jī)、IBA PDA服務(wù)器中運(yùn)行的操作系統(tǒng)為Microsoft Windows。 根據(jù)不同的技術(shù)要求，主要應(yīng)用了Windows 2008 server和Windows 7 兩個(gè)版本。（2）編程軟件。一級(jí)系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)是在LogiCAD軟件（5.2版本）這一圖形化編程環(huán)境下進(jìn)行的。 LogiCAD在Win

dows操作系統(tǒng)下運(yùn)行，是一種基于IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制編程軟件，具有高效、靈活和開(kāi)放的特點(diǎn)。主要編程方式包括功能塊圖形化編程（FBD）、順序功能圖形編程（SFC）、C語(yǔ)言功能塊編程等。

三、工藝控制功能

主要工藝控制功能包括厚度控制系統(tǒng)，板型控制系統(tǒng)，張力控制系統(tǒng)等。

（一）厚度控制系統(tǒng)。粗軋機(jī)的厚度控制系統(tǒng)包括自動(dòng)厚度控制（AGC），液壓輥縫控制（HGC）和電動(dòng)壓下控制（EMP），其中，EMP僅執(zhí)行空載時(shí)輥縫的預(yù)設(shè)定，AGC根據(jù)軋制過(guò)程參數(shù)和模型預(yù)設(shè)定數(shù)據(jù)等進(jìn)行在線厚度控制，產(chǎn)生的輥縫動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)值實(shí)時(shí)發(fā)送給HGC，HGC執(zhí)行軋制過(guò)程中軋機(jī)負(fù)載時(shí)的厚度調(diào)節(jié)任務(wù)。粗軋機(jī)的厚度控制概念如圖1所示，圖中的符號(hào)F代表軋制力，S為輥縫，P為壓力，h為厚度。

圖1 ?粗軋機(jī)厚度控制

厚度控制的具體執(zhí)行順序?yàn)椋涸谲垯C(jī)輥縫經(jīng)過(guò)標(biāo)定過(guò)程（軋輥壓靠）已經(jīng)調(diào)零以及實(shí)際測(cè)量了軋機(jī)彈跳曲線的前提下，軋機(jī)空載時(shí)，二級(jí)模型對(duì)每道次進(jìn)行設(shè)定計(jì)算，厚度控制系統(tǒng)根據(jù)“軋制線最優(yōu)位置”等策略對(duì)目標(biāo)出口厚度進(jìn)行輥縫分配，確保EMP和HGC液壓缸獲得最佳設(shè)定位置，然后EMP的位置控制器控制軋機(jī)兩側(cè)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓下螺絲裝置運(yùn)行到目標(biāo)輥縫位置，同時(shí)，HGC位置控制器驅(qū)動(dòng)伺服閥控制液壓缸運(yùn)動(dòng)到設(shè)定輥縫位置;軋機(jī)咬入材料后，AGC產(chǎn)生將帶材控制到目標(biāo)厚度所需的動(dòng)態(tài)輥縫調(diào)節(jié)值實(shí)時(shí)發(fā)送給HGC的位置控制器。

自動(dòng)厚度控制（AGC）

粗軋機(jī)采用的厚度計(jì)式AGC（GM-AGC），以軋機(jī)的實(shí)際彈跳曲線和彈跳方程為基礎(chǔ)，在軋制過(guò)程中，任何時(shí)刻的軋制力F和空載輥縫S0都可以檢測(cè)到，軋機(jī)的剛度系數(shù)Km也已由彈跳曲線測(cè)出（軋機(jī)標(biāo)定過(guò)程中實(shí)測(cè)的彈跳曲線要經(jīng)過(guò)修正才能應(yīng)用在實(shí)際軋制過(guò)程中，這種修正主要與軋制材料的寬度有關(guān)），單位軋制力下軋輥不同寬度處的彈跳曲線及厚度計(jì)式

AGC的原理如圖2所示。

（a）軋輥不同寬度處的彈性變形

（b）厚度計(jì)式AGC的原理

圖2 ?軋機(jī)的彈性形變及厚度計(jì)式AGC的原理

可以用彈跳方程：

h =S0+F/Km ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

計(jì)算出任何時(shí)刻的實(shí)際出口厚度h與參考厚度進(jìn)行比較，等于把整個(gè)機(jī)架作為測(cè)量厚度的“厚度計(jì)”。當(dāng)軋件出現(xiàn)厚度偏差Δh時(shí)，由圖（b）所示的P-h相圖可以計(jì)算出輥縫調(diào)節(jié)量為：

Δs =（1+Cm/Km）* Δh ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，Cm 為軋件的塑形變形系數(shù)。Δh/Δs 的比值成為壓下效率，表示液壓輥縫的變化量到底有多大一部分能反應(yīng)到軋件出口厚度的變化上。

輥縫調(diào)節(jié)量Δs 和動(dòng)態(tài)擾動(dòng)補(bǔ)償值（如軋輥熱膨脹，軋輥磨損）一起實(shí)時(shí)發(fā)送給HGC的輥縫位置控制器，以消除厚度偏差。

精軋機(jī)由于終軋產(chǎn)品厚度范圍更小、對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求更高，其厚度控制在GM-AGC的基礎(chǔ)上又引入了監(jiān)控式厚度控制，即Monitor-AGC。精軋機(jī)的厚度控制原理如圖3所示。

圖3 ?精軋機(jī)帶有監(jiān)控式AGC的厚度控制

在軋制過(guò)程中，安裝在精軋機(jī)出口（距離精軋機(jī)機(jī)架很近）的測(cè)厚儀實(shí)時(shí)測(cè)量軋件的厚度，并以報(bào)文的形式發(fā)送給一級(jí)AGC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)厚度的閉環(huán)控制。實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果表明，這種厚度控制策略完全達(dá)到了控制精度要求。

軋機(jī)調(diào)平控制（RAC）

實(shí)際軋制過(guò)程中操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)的軋制力的偏差會(huì)引起輥縫的不對(duì)稱，而輥縫的不對(duì)稱是導(dǎo)致軋制材料出現(xiàn)楔形和鐮刀彎的主要原因。軋制力偏差可能源于：

●傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)之間軋輥溫度偏差

●物料咬入輥縫時(shí)偏離了軋制中心線

●物料咬入輥縫時(shí)已經(jīng)是非對(duì)稱鐮刀彎形狀

●物料咬入輥縫時(shí)為楔形形狀

圖4 ?RAC的必要性及其工作原理

RAC功能的必要性及其工作原理如圖4所示。一般情況下，RAC工作在“絕對(duì)模式”下，即兩側(cè)軋制力偏差的參考值為0，然后基于軋機(jī)傾斜模量和軋制過(guò)程中實(shí)測(cè)的軋制力偏差，RAC計(jì)算輥縫的調(diào)平參考值并實(shí)時(shí)發(fā)送給HGC執(zhí)行輥縫位置控制。軋機(jī)調(diào)平在輥縫中心線附近進(jìn)行，即軋機(jī)的一側(cè)輥縫關(guān)閉，另一側(cè)輥縫打開(kāi)，因此其不會(huì)影響物料的出口厚度。

由于軋制過(guò)程的復(fù)雜性，操作人員可以在任意時(shí)刻對(duì)輥縫調(diào)平進(jìn)行人工干預(yù)。

（二） 板型控制系統(tǒng)。二級(jí)設(shè)定模型計(jì)算每個(gè)道次橫向的板型及平整度。軋制道次的計(jì)算結(jié)果，例如軋制壓力、厚度、寬度和軋制速度，作為模型的基本數(shù)據(jù)。設(shè)定模型也要考慮工作輥的熱性能等特性（即，輥系在軋制周期內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)），以及輥系在負(fù)載情況下的彈跳性能（例如不同工作輥和支撐輥磨削及輥的位置）。每個(gè)道次CVC工作輥竄輥和彎輥以及軋輥多區(qū)冷卻的設(shè)定值也會(huì)被計(jì)算，目標(biāo)是獲得合適的平直度而又不影響材料流量。

圖5 ?平直度的演變

板型控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是工作輥彎輥和CVC工作輥竄輥（精軋機(jī)）。

工作輥彎輥（WRB）

WRB控制的功能：

軋機(jī)空載時(shí)，確保上工作輥與支承輥緊密接觸，防止打滑。

軋機(jī)負(fù)載時(shí)，控制軋制過(guò)程中輥縫的幾何形狀

圖6 ? WRB的功能

WRB可以補(bǔ)償軋輥熱凸度的變化，改善輥縫形狀從而改進(jìn)軋制材料的平直度。WRB力控制器的參考值是二級(jí)模型預(yù)設(shè)定值、板型監(jiān)測(cè)控制補(bǔ)償值、PGM補(bǔ)償值以及操作人員的手動(dòng)干預(yù)的總和。

CVC工作輥竄輥

CVC工作輥獨(dú)特的磨削曲線使得其表面的凸度連續(xù)變化，再通過(guò)上下工作輥反方向的橫向竄動(dòng)影響輥縫的輪廓從而改進(jìn)軋制材料的板型，具體原理如圖7所示。

圖7 ?CVC工作輥竄輥

CVC工作輥竄輥的位置控制由伺服閥驅(qū)動(dòng)液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際位置由裝在液壓缸內(nèi)部的絕對(duì)值式傳感器測(cè)量，參考位置來(lái)自二級(jí)模型的設(shè)定值和操作人員的手動(dòng)干預(yù)。

（三）張力控制系統(tǒng)。保持一定的張力是精軋機(jī)軋制過(guò)程順利進(jìn)行的必要條件，軋線沒(méi)有張力測(cè)量裝置，因此采取的是調(diào)整卷取機(jī)主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩限幅的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)間接張力控制。張力參考值來(lái)自二級(jí)設(shè)定模型或操作人員進(jìn)行人工設(shè)定，實(shí)時(shí)根據(jù)帶材在卷取機(jī)上的層數(shù)和帶材的厚度計(jì)算出卷材的直徑，進(jìn)而設(shè)定出動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)矩限幅值并發(fā)送到卷取機(jī)主電機(jī)的變頻器中。

四、結(jié) 論

“1+1熱軋機(jī)組”應(yīng)用的西馬克X-PACT自動(dòng)化控制系統(tǒng)已于2014年底通過(guò)了最終驗(yàn)收。從投產(chǎn)效果看，由嵌入式工業(yè)控制器構(gòu)成的自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能完備，易于擴(kuò)展，具備完整的監(jiān)控和報(bào)警機(jī)制，快速的故障查詢極大減少了停機(jī)時(shí)間。性能測(cè)試中最重要的厚度差和板型精度均達(dá)到了合同保證值的要求。實(shí)踐表明，X-PACT自動(dòng)化系統(tǒng)的新型硬件平臺(tái)和控制技術(shù)代表了復(fù)雜工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化控制的先進(jìn)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張新明. 鋁熱連軋?jiān)砼c技術(shù)[M]，中南大學(xué)出版社.2010.12.

[2] 王祝堂. 鋁合金中厚板的生產(chǎn)、市場(chǎng)與應(yīng)用[J].輕合金加工技術(shù)，2005.

[3] 肖亞慶，等.鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M].冶金工業(yè)出版社，2005.

[4] 付垚，等. 高強(qiáng)高韌鋁合金厚板的蛇形軋制技術(shù)[J].鋁加工，2012.