西馬克冷連軋機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

孟　帥

(山東鋼鐵集團(tuán) 日照有限公司，山東　日照　276800)

0　引言

冷軋帶鋼的軋制是鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中的重要課題之一。冷軋帶鋼厚度一般為0.1 mm～3 mm，寬度為100 mm～2 000 mm，產(chǎn)品規(guī)格多，尺寸精度高，表面質(zhì)量好，機(jī)械性能及工藝性能要求均高于熱軋板帶鋼。為了使冷軋生產(chǎn)做到低成本、高質(zhì)量，國內(nèi)外一直都在冷軋機(jī)的設(shè)計(jì)和制造上不斷地研究和優(yōu)化。酸洗與連軋機(jī)聯(lián)合式機(jī)組的出現(xiàn)是冷軋生產(chǎn)發(fā)展上的一個(gè)飛躍，它不但可以節(jié)省許多重復(fù)設(shè)備和車間面積，同時(shí)縮短了生產(chǎn)周期，從而提高了冷軋的生產(chǎn)率，年產(chǎn)量可達(dá)100萬噸～250萬噸。

1　酸軋機(jī)組的生產(chǎn)工藝

當(dāng)今主流酸軋聯(lián)合機(jī)組普遍由3段噴流紊流酸洗配合5機(jī)架6輥冷連軋機(jī)組成，完成熱軋鋼卷的連續(xù)酸洗和冷軋?zhí)幚磉^程。

酸洗部分的工藝是將鋼卷通過焊機(jī)將前一帶卷的尾部和后一帶卷的頭部焊接在一起，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)酸洗。焊接在一起的連續(xù)帶鋼經(jīng)張矯破鱗機(jī)對(duì)帶鋼進(jìn)行機(jī)械破鱗以大幅度提高酸洗效率，并改善帶鋼板形，隨后進(jìn)入酸洗工藝段。3個(gè)酸洗槽串級(jí)逆流酸洗，通過化學(xué)反應(yīng)去除掉帶鋼表面氧化鐵皮，再經(jīng)4級(jí)漂洗清洗掉殘余酸液。

帶鋼完成酸洗后進(jìn)入軋機(jī)部分。軋機(jī)為5機(jī)架六輥軋機(jī)，裝備有工作輥正負(fù)彎輥、中間輥正彎輥、中間輥串輥。5#機(jī)架裝備有工作輥分段冷卻，出口裝備有板型輥，可實(shí)現(xiàn)5#機(jī)架對(duì)帶鋼板型的在線閉環(huán)控制，同時(shí)還可通過軋輥傾斜來動(dòng)態(tài)控制帶鋼楔形，中間輥串輥則由自動(dòng)預(yù)設(shè)定系統(tǒng)根據(jù)帶寬進(jìn)行設(shè)定。軋機(jī)裝備有液壓AGC(Automatic Gauge Control，自動(dòng)厚度控制)技術(shù)，對(duì)帶鋼厚度進(jìn)行精確控制：1#機(jī)架進(jìn)行前饋及反饋控制，使帶鋼厚度偏差得到大幅度糾正，還可檢測(cè)并補(bǔ)償支撐輥的偏心；2#～5#下游機(jī)架則根據(jù)末架出口測(cè)厚儀測(cè)得的厚度偏差進(jìn)行反饋及秒流量控制。整個(gè)液壓壓下系統(tǒng)可以補(bǔ)償加減速所造成的摩擦力的變化。當(dāng)變換軋制規(guī)格時(shí)，F(xiàn)GC(Flying Gauge Change)系統(tǒng)可保持各架的協(xié)調(diào)性，使張力波動(dòng)最小、過渡段最短。軋后帶鋼經(jīng)飛剪分卷，之后進(jìn)入卡羅塞爾卷取機(jī)進(jìn)行卷取，完成整個(gè)機(jī)組的生產(chǎn)過程。

2　西馬克CVC軋機(jī)工藝

CVC軋機(jī)是德國西馬克—德馬格公司于1980年開發(fā)的。CVC的原意是連續(xù)可變凸度(即Continuously Variable Crown的縮寫)，它的設(shè)計(jì)理念是將上、下中間輥輥身磨削成相同的S形CVC曲線，并倒置180°放置，形成等距的S形平行輥縫，通過軋輥竄動(dòng)機(jī)構(gòu)使上、下CVC軋輥相對(duì)同步竄動(dòng)，就可在輥縫處產(chǎn)生連續(xù)變化的正、負(fù)凸度；工作輥設(shè)有正負(fù)彎輥及竄輥，通過適當(dāng)改變中間輥和工作輥的接觸長度來補(bǔ)償軋輥彈性變形，再輔以彎曲力，從而改變作用于中間輥和工作輥壓力的分布規(guī)律，改變實(shí)際輥縫凸度，從而達(dá)到在不同條件下能迅速、連續(xù)、任意改變輥縫凸度的要求。

3　西馬克冷連軋機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)硬件配置

西馬克軋機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)硬件主要有: APC控制器、映射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡(luò)、EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)和檢測(cè)大儀表。

3.1　APC控制器

西馬克的PLC硬件采用貝加萊硬件—APC控制器(西馬克稱之為X-pact)，控制器內(nèi)置因特爾CPU處理單元、獨(dú)立內(nèi)存卡、固態(tài)硬盤等高性能硬件，運(yùn)行及處理響應(yīng)能力超過西門子PLC硬件。同時(shí)硬件可兼容市面上主流的編程軟件，如Simatic、LogiCad等，在編程和使用的過程中十分方便高效，滿足連軋機(jī)控制系統(tǒng)的快速控制和響應(yīng)要求。

3.2　映射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡(luò)

西馬克采用GE VMIACC系列映射內(nèi)存交換機(jī)，它的通訊方式區(qū)別于其他常規(guī)的通訊方式，是一種無需軟件參與而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的通訊方式。反射內(nèi)存網(wǎng)中的每個(gè)反射內(nèi)存節(jié)點(diǎn)(任何5565反射內(nèi)存卡)以菊花鏈的形式用光纖線互聯(lián)。第一塊卡的發(fā)送端必須連接到第二塊卡的接收端，第二塊卡的發(fā)送端連接到第三塊卡的接收端，以此類推，直到再連接到第一塊卡的接收端完成一個(gè)完整的環(huán)形連接。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存網(wǎng)主要是由網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存卡通過光纖連接而成的，其讀寫響應(yīng)速度更快，各節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸只需400 ns，實(shí)際應(yīng)用于機(jī)架間APC的高速數(shù)據(jù)交換。

3.3　EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)

西馬克采用倍福EtherCAT用于現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。EtherCAT是直達(dá)I/O級(jí)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)所有的傳感器、輸入輸出、驅(qū)動(dòng)器等都可以位于同一個(gè)總線上，無需下掛子系統(tǒng)，同時(shí)傳輸速率可達(dá)2×100 Mbaud(全雙工)。EtherCAT配置容易、使用及維護(hù)方便，更多使用于西馬克現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。

3.4　檢測(cè)大儀表

(1) 測(cè)厚儀4套：1機(jī)架前、后各1套(1#、2#測(cè)厚儀)，5機(jī)架后2套，一用一備。1#、2#測(cè)厚儀分別起前饋和反饋?zhàn)饔?，?gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保1#機(jī)架出口厚度滿足目標(biāo)要求。

(2) 張力計(jì)：檢測(cè)軋機(jī)入口、出口及機(jī)架間張力，確保帶鋼穩(wěn)定軋制，并反饋軋后板型情況，以便操作工及時(shí)調(diào)整。

(3) 板型儀：板形儀所檢測(cè)到的信號(hào)為動(dòng)態(tài)信號(hào)，其連續(xù)地將信號(hào)反饋給前面的機(jī)架，指示前面的機(jī)架進(jìn)行工作輥正負(fù)彎輥、中間輥彎輥、工作輥冷卻、機(jī)架軋輥調(diào)平等控制，保證鋼帶獲得更好的板形。

4　西馬克冷連軋機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)控制功能

對(duì)于厚度和板型控制有如下幾個(gè)比較重要的控制功能。

4.1　AGC(自動(dòng)厚度控制)

AGC控制是一種較為典型的厚度自動(dòng)控制方式，即在軋制過程中軋制力和輥縫可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到，然后將該厚度與設(shè)定值進(jìn)行比較，再經(jīng)過AGC運(yùn)算得到消除厚度偏差Δh所需的輥縫調(diào)節(jié)量，通過HGC液壓輥縫控制改變壓下位置，將厚度控制在允許的偏差范圍內(nèi)，從而計(jì)算出實(shí)際帶鋼厚度。AGC包含以下幾個(gè)重要的控制策略：

(1) 后饋AGC：測(cè)厚儀安裝在軋機(jī)出口側(cè)，測(cè)量出實(shí)際軋出厚度，并與給定厚度值相比較，當(dāng)有厚度偏差時(shí)，便計(jì)算出所需的輥縫調(diào)節(jié)量ΔS，然后由執(zhí)行機(jī)構(gòu)作相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以消除厚度偏差。由于帶鋼從輥縫至出口測(cè)厚儀存在時(shí)間延遲，因此在算法中考慮引入了速度，輥縫和測(cè)厚儀間的距離越短，系統(tǒng)滯后時(shí)間越短，反饋厚度控制質(zhì)量就越好。

(2) 前饋AGC：測(cè)厚儀安裝在軋機(jī)入口側(cè)，測(cè)量出其入口厚度H，并與給定厚度值H0相比較，當(dāng)有厚度偏差ΔH時(shí)，便預(yù)先估計(jì)出可能產(chǎn)生的軋出厚度偏差Δh，確定為消除此Δh值所需的輥縫調(diào)節(jié)量ΔS，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成調(diào)節(jié)時(shí)，檢測(cè)點(diǎn)正好到達(dá)輥縫處，厚差消失。這種超前的控制手段用來控制入口厚度波動(dòng)引起的軋出厚度波動(dòng)，與后饋AGC配合使用，互相修正、互相優(yōu)化，得到更精確的計(jì)算和更準(zhǔn)確的厚度控制。

(3) 偏心補(bǔ)償：軋輥的偏心補(bǔ)償計(jì)算是為了彌補(bǔ)軋輥熱膨脹、磨損、彈性變形造成的軋輥偏心對(duì)輥縫的周期性影響，使軋輥在受力和受熱軋制時(shí)仍能保持平直的輥縫。偏心信號(hào)有3種方式：①入口張力，將張力通過轉(zhuǎn)換系數(shù)(DF_DT)轉(zhuǎn)換成軋制力參與計(jì)算得到偏心信號(hào)；②出口厚度；③直接選擇軋制力作為偏心輸入信號(hào)來參與計(jì)算。

4.2　機(jī)架間張力控制(ITC)

本文以1#與2#機(jī)架間張力控制為例進(jìn)行論述。當(dāng)穿帶進(jìn)入2#機(jī)架后，1#與2#機(jī)架之間設(shè)定為穿帶張力，采用張力連續(xù)方式，使帶鋼保持恒定，防止帶鋼跑偏。穿帶進(jìn)入3#機(jī)架后，1#與2#機(jī)架間張力為設(shè)定張力，采用張力極限方式進(jìn)行控制，當(dāng)實(shí)際張力位于張力上下限內(nèi)時(shí)，控制器不調(diào)節(jié)；當(dāng)張力波動(dòng)至張力上下限以外時(shí)，控制器投入調(diào)節(jié)。開始軋制后，輥縫張力模式下，采用張力極限方式，實(shí)際張力位于張力上下限內(nèi)時(shí)，控制器被保持。

4.3　板形自動(dòng)控制(ASC)

西馬克板形控制系統(tǒng)由一個(gè)板形測(cè)量輥、一個(gè)信號(hào)處理電路、一個(gè)板形計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和控制電路、液壓和冷卻控制系統(tǒng)構(gòu)成。主要控制有：5#機(jī)架的工作輥彎輥、5#機(jī)架的中間輥彎輥、1#到4#機(jī)架的工作輥/中間輥彎輥、1#到4#機(jī)架的中間輥串輥、5#機(jī)架的中間輥串輥等。

由板形輥測(cè)量的每一測(cè)段上的帶鋼實(shí)際應(yīng)力與計(jì)算機(jī)中給出的每一測(cè)量段上的帶鋼應(yīng)力設(shè)定值進(jìn)行比較，如果相等，則表示實(shí)際板形與給定板形一致，否則兩者之間有一個(gè)調(diào)節(jié)偏差值，該偏差值通過一定的數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)方法可以回歸成一個(gè)高次多項(xiàng)式，這個(gè)多項(xiàng)式的不同次數(shù)反映了帶鋼板形的不同缺陷。

由于板形控制系統(tǒng)是多變量的，這就需要建立一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。通過對(duì)諸多精密控制裝置的調(diào)節(jié)，使各點(diǎn)板形與實(shí)測(cè)板形偏差最小，從而達(dá)到對(duì)板型的優(yōu)化控制，這可以用最優(yōu)控制理論來解決。

4.4　秒流量控制(MASS FLOW CONTROL，MFC)

秒流量恒定原理是冷軋軋制理論的基本原理，它指機(jī)架入口的帶鋼流入量必須等于機(jī)架出口的流出量。以1#機(jī)架為例，計(jì)算公式為：

(Δh0+h0)v0=(Δh1+h1)v1.

其中：h0為來料入口厚度；Δh0為來料厚度偏差；Δh1為1#機(jī)架后厚度偏差；h1為1#機(jī)架后目標(biāo)厚度；v0和v1分別為張緊輥的速度給定值，會(huì)根據(jù)厚度變化不斷修正。

由于來料厚度偏差導(dǎo)致了1#機(jī)架后厚度偏差Δh1，則該系統(tǒng)就自動(dòng)來調(diào)節(jié)張緊輥的速度v0以消除厚度偏差，調(diào)節(jié)量Δv0為：

Δv0=-v1×Δh1/(Δh0+h0).

這樣(Δh0+h0)(v0+Δv0)=h1×v1，就可以達(dá)到目標(biāo)厚度h1了。

5　結(jié)語

最近十幾年來國內(nèi)新建的大型冷連軋機(jī)設(shè)備絕大多數(shù)都是引進(jìn)日本三菱日立公司的UCM系列冷軋機(jī)或德國西馬克的CVC系列冷軋機(jī)，其關(guān)鍵的核心技術(shù)還是需要從國外先進(jìn)公司引進(jìn)。因此如果想在鋼鐵精密自動(dòng)控制系統(tǒng)上有所突破，還需要進(jìn)一步從引進(jìn)的系統(tǒng)上深入鉆研、不斷剖析，逐步趕上國際先進(jìn)控制技術(shù)的腳步。

參考文獻(xiàn)：

[1]張杰.CVC軋機(jī)輥型及板型研究[D].北京：北京科技大學(xué)，1990：2.

[2]婁燕雄．軋制板型控制技術(shù)[M]．長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1993.

[3]黃慶學(xué)，梁愛生．高精度軋制技術(shù)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2004.