1、单机架可逆冷轧机自动控制系统单机架可逆冷轧机自动控制系统2011年07月25 日孙杰1，张殿华?1，曾玉清2?，程平文2，李旭1 (1东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁沈阳110004；2新余钢铁公司 特殊钢 分公司)? 摘要：介绍了450mm单机架冷轧机自动控制系统的硬件配置和传感器配置，说明了轧机基础自动化系统的液压位置闭环控制和轧制力闭环控制原理，结合现场应用情况对厚度控制系统中的前馈厚度控制、Smith预估监控厚度控制和加减速厚度补偿做了重点阐述，最后对速度张力控制也做了相应介绍。现场实际应用表明，成品相对厚度精度优于1 ，满足了实际生产的要求。 关键词：单机架冷轧机；控
2、制系统；APC；AGC；张力 中图分类号：TG3349 文献标志码：B 文章编号：1000-7059(2008)01-0045-04 Automatic control system of reversible single stand cold rolling mill SUN Jie1，ZHANG Dianhua1 ，ZENG Yuqing2，CHENG Ping-wen2，LI Xu1。 (1The State Key Laboratory of Rolling Technology and Automation，Northeastern University，Shenyang 1100
3、04，China；2Special Steel Branch，Xinyu Iron and Steel Co Ltd) Abstract：Hardware and sensor configuration of automatic control system for 450 mm single stand cold rolling mill are introducedPrinciples of hydraulic position close loop control and rolling force close loop control in basic automation syst
4、em of rolling mill are explainedCombined with site application situation，feed forward gauge control，Smith prediction monitoring gauge control and gauge compensation during acceleration and deceleration in gauge control system are described in detailIn addition，velocity and tension control are introd
5、ucedPractical application shows that relative thickness accuracy of products is within 1 and it meets the need of practical production Key words：single stand cold rolling mill；control system；APC；AGC；tension 0前言 随着我国经济的迅速发展，对冷轧窄带钢的需求越来越大，质量要求也越来越高?。据资料显示，我国目前冷轧窄带钢生产能力过剩，但是高精度产品依然供不应求。 新余钢铁公司 特殊钢 分公司冷
6、轧带钢厂采用的四辊冷轧机大都是20世纪六七十年代的装备水平，产品质量较差。为了提高带钢产品的市场竞争力，该公司决定在2007年新上一套450 mm单机架可逆四辊冷轧机，控制系统采用西门子s7400系列PLC和FM458功能模块，传动系统采用西门子6RA70系列直流调速装置，网络通信系统采用ProfibusDP现场总线和工业以太网。本文主要介绍该轧机的自动控制系统及实际应用情况。 1 系统硬件和传感器配置 11 系统和网络配置 控制系统采用西门子公司S7-400 PLC加FM458功能模块结构实现轧机主要设备控制。S7-400主要完成主令速度控制、张力控制和系统逻辑控制等，FM458具有非常高的
7、运算处理速度，主要完成液压系统自动控制和自动厚度控制，s7400 CPU与FM458通过机架总线进行快速数据通信。s7300主要完成AGC液压站、辅助液压站和工艺润滑站控制，s7300 CPU与S7-400 CPU之间采用ProfibusDP现场总线主从通信方式。系统硬件配置和网络结构如图1所示。 12 仪表及传感器配置 准确检测轧制过程中系统的各种变量，是提高轧机控制精度和产品质量的前提，本系统采用了大量高精度的检测设备，以满足轧机控制的需求。 轧机上安装的传感器如表1所示。 2?液压缸自动控制(HCC) 液压缸自动控制(HCC)指液压缸的位置闭环控制(HAPC)、压力闭环控制(HAFC)和
8、相关的逻辑控制。图2为单侧HAPC和HAFC的工作原理。 伺服阀流量不仅受控制电流影响，而且与阀口两侧压力差有关，具有变增益特性，不利于参数整定。为改善控制系统性能，加入了非线性补偿环节。流量非线性补偿分为上行和下行两种情况： 上行时液压缸出油，压力差 P=P 下行时液压缸进油，压力差P=PS一P 式中，P为液压缸无杆腔内油压；P 为系统油源压力。 变增益系数 式中，Kn为标称增益。 采用位置闭环控制方式时，预设位置基准、AGC调节量和手动位置调节量之和作为位置基准，并与液压缸实际位置相比较，偏差值与变增益系数Kp?相乘后送入位置控制器。位置控制器的输出值与轧制力控制器的输出值比较，将二者之中
9、较小的作为给定值输出到隔离转换器，进而驱动伺服阀，控制液压缸的动作以消除位置偏差。此时，将轧制力限幅值作为轧制力基准，当轧制力接近限幅值时限制液压缸动作，作为位置闭环下限制轧制力、保护液压缸及其他设备的一个环节，保证轧制过程正常进行2。轧制力闭环和位置闭环的工作原理大致相同。在轧制过程中，可以实现位置闭环与轧制力闭环的无扰切换。 3 厚度自动控制(AGC) 为了消除各种原因造成的厚差，运用轧制时的弹塑性曲线，可采用前馈AGC、反馈AGC、压力AGC等各种不同的厚度控制方法3-4。该轧机机架前后各配有一个接触式测厚仪，采用前馈加Smith预估监控的厚度自动控制方式，在轧线速度升降时给出相应的辊缝
10、补偿量。 31 前馈AGC 采用传统的前馈厚度控制方法时， 式中，S为辊缝调节量；KM?为轧机刚度；Q为轧件塑性系数；Ah为口厚度偏差；H为入口厚度偏差。 由于该轧机来料厚度波动较大，因此如果以设定来料厚度作为厚度基准，则会产生波动较大的辊缝调节量，在实际应用巾对厚度控制产生不利影响。因而对来料分段跟踪一定长度，取各段来料的平均厚度，经自学习后作为厚度基准。这样只利用前馈厚度控制系统消除尖峰性的厚度波动，而趋势性的厚度变化由监控厚度控制系统来消除。来料厚度基准为Href为： 式中，H1，H2为当前段和上一段平均厚度；为自学习系数。 32 Smith预估监控AGC 测厚仪一般安装在离辊缝较远的地
11、方，使得整个厚度控制系统有一定时间r的纯滞后。为了改善纯滞后对象的控制质量，参考文献5引入一个与对象并联的补偿器，即所谓Smith预估器，同时引入分段样本概念，将出口带钢按长度分段，计算每一段长度的平均厚度和辊缝调节量。图3为带Smith补偿的积分监控AGC控制系统方框图。 33 加减速厚度补偿控制 当轧制速度变化时，轧辊和带钢之间的摩擦系数、变形抗力和轴承油膜厚度都会发生变化，从而影响轧制力和压下量。为了减小速度变化对出口厚度的影响，当速度大于低速基准V1?时，在设定速度增减时对辊缝做出相应调节。 4 卷取张力控制 控制卷取张力，实际就是通过限制电机电流 控制卷取电机的转矩。该卷取系统采用最
12、大转矩递变张力控制方式5，如图4所示张力 随带钢卷径D按一定斜度变化。 电机转矩M=MF+MD+MB+MM 式中，MF为张力转矩；MD为加减速动态转矩；MB为弯曲转矩；MM?为机械摩擦转矩。 式中，n为转速；GD20?为系统飞轮矩；GD2C为带钢飞轮矩；为带钢密度；W为带钢宽度h为带钢厚度；Y为带钢屈服强度。 产生转矩M 需要的电流为： 式中，KT?为转矩电流系数；il?为传动比； 为磁场弱磁系数。 5 使用效果 该控制系统2007年7月在450 mm单机架可逆式冷轧机上投入使用。在来料既有很大整体趋势性厚度偏差，又有很大高频厚度波动的情况下，经三道轧制之后，成品相对厚度精度能够控制在土1 之
13、内，优于设计要求的土15。 参考文献： 1冯培德，我国窄带钢生产现状及发展设想J钢铁，1994，29(2)：75-80 FENG PeidePresent status of narrow strip production in China and some ideas for its developmentJ，Iron andSteel，1994，29(2)：75-80 2张殿华，王 君，李建平首钢中厚板轧机AGC计算机控制系统J轧钢，2001，18(1)：5155 ZHANG Dianhua，WANG Jun，LI Jianping，et a1The AGC computer control system of a plate rolling millJSteel Rolling，2001，18(1)：5155 3丁修堃。制过程自动化M2版北京：冶金工业出版社，2005 4Y Okamura，I HoshinoState feedback control of the strip steering for aluminum hot rolling millsJControl Engineering Practice，1997，5(8)：1 0351 042 5王金章，张殿华热连轧卷取机最大转矩递变张力PLC控制系统J冶金自动化，1991，15(3)：13-16.
