酸洗軋機(jī)聯(lián)合機(jī)組中多閉環(huán)控制的運(yùn)用研究

趙昆 張巍

（河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼公司，河北 邯鄲 056000）

前言

邯鋼邯寶冷軋廠酸軋機(jī)組選用德國(guó)SMS 公司的酸洗-軋機(jī)聯(lián)合機(jī)組。電氣控制采用德國(guó)Siemens 自動(dòng)化公司S7-400 以及SIMATIC TDC 控制器。為保證焊機(jī)在焊接的過(guò)程中酸洗段能夠正常運(yùn)行以及開(kāi)槽機(jī)和圓盤(pán)剪在開(kāi)槽或者進(jìn)刀時(shí)酸洗段和軋機(jī)能正常運(yùn)行，加入了入口活套、1 號(hào)出口活套和2 號(hào)出口活套來(lái)儲(chǔ)存帶鋼，用以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。其中冷連軋機(jī)選用CVC+五機(jī)架六輥串列冷連軋機(jī)組，板形自動(dòng)控制技術(shù)。

一、機(jī)組概況

該機(jī)組采用德國(guó)最先進(jìn)的米巴赫激光焊機(jī)對(duì)帶鋼頭尾部分進(jìn)行焊接，酸洗工藝選用鹽酸淺槽紊流酸洗，其中酸槽入口設(shè)有破鱗機(jī)，酸洗出口采用高精度轉(zhuǎn)臺(tái)式切邊剪，加入三個(gè)活套用以存儲(chǔ)帶鋼，用以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。其中流程之間都安裝了一個(gè)KELE張力計(jì)來(lái)對(duì)所產(chǎn)生的張力進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，確保整個(gè)酸洗流程能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)奏的有效控制，實(shí)現(xiàn)帶鋼的穩(wěn)定輸送[1]。機(jī)組冷軋機(jī)選用六輥5 機(jī)架串列冷連軋機(jī)組，其中除了每個(gè)機(jī)架的工作輥正負(fù)彎輥功能之外，6 輥軋機(jī)中間輥還配備了自動(dòng)竄輥功能。其中帶鋼在進(jìn)入軋機(jī)之前要經(jīng)過(guò)測(cè)厚儀、焊縫檢測(cè)儀，然后通過(guò)軋機(jī)前入口段的帶鋼糾偏裝置以及三輥張緊穩(wěn)定裝置，隨后才進(jìn)入軋機(jī)軋制。其中可通過(guò)測(cè)厚儀對(duì)帶鋼進(jìn)行厚度、寬的固定周期，測(cè)量帶鋼的凸度情況。在1 機(jī)架前后還通過(guò)設(shè)置激光帶鋼測(cè)速儀來(lái)實(shí)現(xiàn)帶鋼的秒流量控制，5 機(jī)架出口處安裝板形輥實(shí)現(xiàn)對(duì)成品帶鋼的板型控制。

二、酸洗軋機(jī)聯(lián)合機(jī)組中的多種閉環(huán)控制

在酸洗軋機(jī)聯(lián)合機(jī)組的生產(chǎn)過(guò)程，需要滿足生產(chǎn)過(guò)程中多樣化的生產(chǎn)需求（酸洗效果、成品厚度、板型）等，同時(shí)需要保證在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，涉及目標(biāo)多、要求多樣化，故而需要用到多閉環(huán)控制，用以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化。從整個(gè)酸洗過(guò)程看，整個(gè)過(guò)程可分為酸洗段控制與軋機(jī)段控制，酸洗段控制主要依靠電機(jī)傳動(dòng)、酸洗液流量與加熱實(shí)現(xiàn)；軋機(jī)段控制主要依靠電機(jī)傳動(dòng)、液壓壓下、乳化液噴淋等多種手段綜合實(shí)現(xiàn)[2]。實(shí)現(xiàn)酸洗冷連軋機(jī)組中的多閉環(huán)控制，有助于在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的良好運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制環(huán)節(jié)處于一種相互依存，又相互影響狀態(tài)。

（一）控制系統(tǒng)中的多閉環(huán)節(jié)

酸洗冷連軋機(jī)組的控制系統(tǒng)主要采用速度閉環(huán)控制、直接張力閉環(huán)控制、間接張力閉環(huán)控制、厚度閉環(huán)控制以及板形閉環(huán)控制等多個(gè)閉環(huán)控制環(huán)節(jié)。速度閉環(huán)控制與間接張力閉環(huán)是酸洗段主要采用的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，而軋機(jī)段所采用的閉環(huán)控制包括以上所述。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，所述的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)均由MS 控制器配合交、直流傳動(dòng)裝置與液壓伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[3]。

1.速度主令控制環(huán)節(jié)

速度主令控制環(huán)節(jié)，又稱速度控制環(huán)節(jié)。其中分為單傳動(dòng)速度控制和多傳動(dòng)速控制。單傳動(dòng)速度控制是整個(gè)冷連軋機(jī)生產(chǎn)控制的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其主要采用的控制方式主要為常規(guī)速度－轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制，通過(guò)響應(yīng)時(shí)間的快慢分別控制系統(tǒng)設(shè)備的內(nèi)環(huán)、外環(huán)。首先系統(tǒng)通過(guò)速度給定換算直接將速度給定發(fā)送給傳動(dòng)裝置，然后再由傳動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)電機(jī)上的測(cè)速編碼器來(lái)給系統(tǒng)進(jìn)行反饋達(dá)到整個(gè)控制環(huán)節(jié)的速度調(diào)節(jié)。其中整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)為典型的PI 調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中單純的PI 調(diào)節(jié)系統(tǒng)很難在進(jìn)行調(diào)整，再加上冷軋生產(chǎn)線所涉及的張力、慣量、摩擦等多個(gè)負(fù)載因素，都非常容易導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)滯后性等現(xiàn)象，容易造成系統(tǒng)超調(diào)和欠調(diào)。因此在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)中加入了轉(zhuǎn)矩控制這一環(huán)節(jié)，由PLC 系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況計(jì)算出所需的附加轉(zhuǎn)矩提供給傳動(dòng)裝置，然后加快設(shè)備系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的變化來(lái)降低整個(gè)速度控制環(huán)節(jié)所出現(xiàn)的異常波動(dòng)，以此提高整個(gè)速度控制環(huán)節(jié)的控制精度。而多傳動(dòng)控制主要應(yīng)用于張力耦合的2 個(gè)或多個(gè)設(shè)備的傳動(dòng)控制。其在整個(gè)酸洗冷連軋機(jī)組中主要用于機(jī)組的S 輥上、下輥的傳動(dòng)控制，通過(guò)對(duì)整個(gè)張力系統(tǒng)進(jìn)行控制，使得液壓輥縫能夠精確地對(duì)帶鋼第一機(jī)架的出口厚度調(diào)節(jié)控制,從而可獲得更加精確的軋制出口厚度以及防止帶鋼表面出現(xiàn)皺褶與劃痕。帶鋼在經(jīng)過(guò)張力輥時(shí)主要包裹在襯膠的輥?zhàn)颖砻?，而電機(jī)輸出過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩主要用于產(chǎn)生帶鋼與輥面的靜摩擦轉(zhuǎn)矩，使得帶鋼上形成一定的前后張力。因此，在張力輥的運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)保證上、下輥速度與轉(zhuǎn)矩環(huán)節(jié)以其中一個(gè)輥?zhàn)幼鳛檫\(yùn)行過(guò)程的速度基準(zhǔn)，另一個(gè)輥?zhàn)釉趽碛兴俣然鶞?zhǔn)輥運(yùn)行轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上進(jìn)行速度跟隨，確保兩臺(tái)輥?zhàn)又g的補(bǔ)償量科學(xué)合理。

2.間接張力閉環(huán)控制環(huán)節(jié)

間接張力控制在生產(chǎn)過(guò)程主要應(yīng)用于帶鋼開(kāi)卷、輸送和卷取這一工作區(qū)段，確保帶鋼的張緊狀態(tài)，防止帶鋼表面出現(xiàn)劃損現(xiàn)象。再生產(chǎn)過(guò)程中，為確保帶鋼在張緊狀態(tài)不發(fā)生塑性變形，需要開(kāi)卷機(jī)、張力輥、卷取機(jī)等相關(guān)設(shè)備等電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)用于建造帶鋼張力的基礎(chǔ)上，確保帶鋼與相關(guān)設(shè)備接觸面接觸時(shí)可以通過(guò)相關(guān)設(shè)備的電機(jī)轉(zhuǎn)矩?fù)Q算出帶鋼在接觸時(shí)所受到的張力大小，而系統(tǒng)就可以通過(guò)這類換算達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩、張力閉環(huán)控制的作用。在實(shí)際成產(chǎn)過(guò)程中，可將設(shè)備中的張力給定劃算環(huán)節(jié)接入PLC 的張力給定單元，形成一個(gè)典型的間接張力冷軋控制系統(tǒng)，通過(guò)將張力給定換算環(huán)節(jié)的給定張力值換算成相關(guān)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩值，防止設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)失張或者電機(jī)升速現(xiàn)象。通過(guò)將張力轉(zhuǎn)矩的給定值作為整個(gè)設(shè)備速度調(diào)節(jié)過(guò)程中的輸出轉(zhuǎn)矩限定幅度，使得整個(gè)速度的調(diào)節(jié)過(guò)程能夠出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，通過(guò)將速度調(diào)整環(huán)節(jié)中的給定值略微進(jìn)行調(diào)整使其略高或者略低于實(shí)際運(yùn)行速度，使得速度調(diào)節(jié)過(guò)程中的輸出轉(zhuǎn)矩與張力轉(zhuǎn)矩給定值相符合。

3.ATC 閉環(huán)控制

在機(jī)組的冷軋軋制環(huán)節(jié)，控制機(jī)架之間的張力對(duì)帶鋼軋制過(guò)程中的穩(wěn)定性、板型情況、厚度指標(biāo)有著一個(gè)極其重要的作用。因此，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中需要在整個(gè)機(jī)組的冷軋軋制機(jī)架之間設(shè)置一套用于控制機(jī)架之間的張力的控制系統(tǒng)，即ATC 自動(dòng)張力控制系統(tǒng)。通過(guò)ATC 控制系統(tǒng)改變冷軋機(jī)組之間相鄰兩個(gè)機(jī)架帶鋼入口線與帶鋼出口線的速度之差來(lái)減少機(jī)組相鄰兩座機(jī)架之間的帶鋼張力，通過(guò)改變相鄰兩座機(jī)架之間的帶鋼張力速度差，從而使得機(jī)組軋制環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)發(fā)生變化，相鄰兩架機(jī)架之間的張力也會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)張力反饋量發(fā)生相應(yīng)變化時(shí)，通過(guò)ATC 系統(tǒng)的張力調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)張力的輸出量，使得機(jī)架之間的電機(jī)運(yùn)行速度發(fā)生改變，從而使相鄰兩架機(jī)架之間的張力值恢復(fù)到原來(lái)的大小。其次，還可以通過(guò)ATC 系統(tǒng)的閉環(huán)控制來(lái)調(diào)整機(jī)架之間的壓下量來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)機(jī)架之間鋼帶張力的效果。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)壓下量來(lái)保持張力恒定，是整個(gè)ATC 閉環(huán)控制環(huán)節(jié)基礎(chǔ)。

4.板型閉環(huán)控制

在生產(chǎn)過(guò)程中，帶鋼的板型是決定冷軋帶鋼質(zhì)量的基礎(chǔ)前提，對(duì)后續(xù)的生產(chǎn)工序有著一定的影響作用。在邯鋼邯寶冷軋廠的酸洗-軋機(jī)聯(lián)合機(jī)組，其主要通過(guò)板形自動(dòng)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)板形的自動(dòng)閉環(huán)控制。其中可通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)組中工作輥的正負(fù)彎輥來(lái)實(shí)現(xiàn)工作輥的撓度變化，避免帶鋼出現(xiàn)中間浪和兩邊浪這一缺陷?；蛘哌€可以通過(guò)這一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)帶鋼寬度、厚度以及材質(zhì)的有關(guān)適應(yīng)系數(shù)的改變，調(diào)節(jié)彎輥調(diào)節(jié)量的輸出，使得整個(gè)機(jī)組效果的調(diào)節(jié)效果最大化。其次還可以通過(guò)控制系統(tǒng)壓下的單側(cè)擺動(dòng)幅度，調(diào)節(jié)帶鋼單邊的壓下量來(lái)實(shí)現(xiàn)帶鋼單邊浪的消除。而板型閉環(huán)控制主要通過(guò)內(nèi)涵的板型控制模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同權(quán)重的壓下傾斜、工作彎輥以及乳化液分段冷卻的控制。

（二）控制系統(tǒng)中多閉環(huán)節(jié)的同步關(guān)系

在上述所敘述的多種閉環(huán)控制環(huán)節(jié)是邯鋼邯寶冷軋廠的酸洗-軋機(jī)聯(lián)合機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中控制環(huán)節(jié)的集中體現(xiàn)。在實(shí)際的生產(chǎn)調(diào)試環(huán)節(jié)中，需要運(yùn)用到多個(gè)控制環(huán)節(jié)在相同的時(shí)間、空間內(nèi)交錯(cuò)運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程的閉環(huán)控制。在此之前，還需要對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的控制周期以及信號(hào)反饋周期進(jìn)行同步驗(yàn)證，減少其反饋過(guò)程出現(xiàn)的相位差，控制整個(gè)環(huán)節(jié)同步進(jìn)行，避免整個(gè)控制環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，確保整個(gè)控制系統(tǒng)達(dá)到良好的控制狀態(tài)。因此，在整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行同步的過(guò)程中，需要將各個(gè)控制環(huán)節(jié)的同步關(guān)系理清楚，將實(shí)際技術(shù)與理論模型相結(jié)合，建立一套相應(yīng)的相位數(shù)學(xué)模式，確保整個(gè)系統(tǒng)的控制同步[4]。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中多控制環(huán)節(jié)的聯(lián)結(jié)工作中，可將生產(chǎn)過(guò)程中的主要控制環(huán)節(jié)調(diào)劑系統(tǒng)放開(kāi)，將輔助控制環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)做出一定的限制，從實(shí)際反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)出發(fā)，將輔助控制環(huán)節(jié)設(shè)置合理。例如，在酸洗冷軋聯(lián)合機(jī)組中對(duì)5 機(jī)架的壓下量進(jìn)行調(diào)整時(shí)，需要用到多個(gè)控制環(huán)節(jié)，其中的ATC、TDC 都是5 機(jī)架的壓下調(diào)整的輔助控制手段，需要將上述多個(gè)調(diào)整手段相結(jié)合達(dá)到一個(gè)多閉環(huán)控制效果。在此同時(shí)還需嚴(yán)格把控其中每個(gè)環(huán)節(jié)的控制力度，避免因?yàn)橐粋€(gè)環(huán)節(jié)的失效，影響到其他環(huán)節(jié)的控制效果。

結(jié)語(yǔ)

多閉環(huán)控制效果的應(yīng)用，使得酸洗冷連軋機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中可以精確的實(shí)現(xiàn)對(duì)于成品帶鋼厚度、板形等重要指標(biāo)地把控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本投入的減低，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的精準(zhǔn)化。將多閉環(huán)控制環(huán)節(jié)應(yīng)用的生產(chǎn)中，有利于實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)段控制環(huán)節(jié)的有序結(jié)合，使得整個(gè)環(huán)節(jié)成為一個(gè)有序的整體