棒材和轻型材轧机微张力控制

[摘要]文章介绍了轻型材热轧生产中的微张力控制的原理和实现方法，并对其实现算法做了详细的说明。 [关键词]轻型材 微张力 算法 0　前言 　　莱钢轻型材热轧生产线中，为了保证产品尺寸精度、提高产品质量，避免由于各种原因产生堆钢和拉钢现象，在粗轧区（1#—8#轧机）的轧机间引入了微张力控制思想，这是保证轧机高通过率的一个关键自动控制环节。由于轧制过程中的工艺参数很多，如变形量、轧制速度、轧制力矩、轧制温度等，控制较为复杂。实际生产工艺要求也决定了与其他带钢生产中的张力控制相比较有其自身的特色。 1　微张力控制系统的组成 　　莱钢轻型材生产线的轧机设备采用意大利DANINELI公司产品，电控设备由瑞典ABB公司提供，采用集散控制策略，操作站使用HP-UNIX操作系统，通讯协议使用IEEE802.3国际标准，轧机一侧设置操作箱，以实现远程/本地操作和换型使用。整个轧制系统集辊缝控制、厚度控制、轧制过程管理、数据显示及操作控制、故障诊断及远程诊断于一体，由上到下分为操作站设定、过程站控制、传动执行3部分。 　　操作站设定级完成与张力自动控制有关的上层设定及其系统监控功能。主要是张力控制中轧机组态的选择,即通过画面设定哪几架轧机之间被选作微张力控制,哪几架轧机之间被选作自动活套控制。包括：HMD信号检测；物料跟踪；速度设定；标准模式下的速度校正因子设定；非标准模式下的过速校正因子保护；轧件入口速度跟踪；轧件出口速度跟踪。 　　过程控制站为ABB的MasterPiece 200/1,它主要完成与微张力控制和自动活套控制有关的物料跟踪、逻辑时序互锁、传动执行级的速度级联、速度给定及微张力控制算法等功能。 传动执行级主要完成微张力控制部分轧机的传动,在系统中由ＤＣＶ700全数字直流调速装置完成。控制系统由MP200/1过程站和AS520操作员站组成。过程站由CPU机架带I/O机架组成，CPU机架上安装了CPU模板DSPC172、内存模板DSMB176以及32通道的DI/DO模板，通过通讯模板DSCS140连接到MasterBus300总线上，与加热炉、精整等其它过程站进行通讯，I/O机架由总线扩展模块DSBC172实现总线扩展。 　　系统控制程序使用AMPL(ABB MasterPiece Language)编制，实现了结构化程序设计。工业控制程序往往功能繁，多该语言根据工业控制要求，将编程元素设计成一个个图形功能块，称为PC元素。PC元素内有三种结构类元素PCPGM、CONTRM和FUNCM，PCPGM是程序结构的最高层，旨在完成一个完整的控制功能，一个PCPGM下允许一个或几个CONTRM，而一个CONTRM下又可包含一个或几个FUNCM，从而使整个程序结构呈阶梯状，实现了结构化设计。在CPU内还有一个实时数据库，它的作用是永久存储数据和在程序间传递数据。数据库内的元素称为DB元素，这些元素包括过程站所使用的的I/O模板和信号及程序中产生的其它数据信息。 2　微张力控制原理 （1）原理介绍 　　微张力控制实质上是通过对相临两工作机架中上游机架的电机转距进行检测，加以记忆存储，形成表示钢坯内张力大小的实际值，与设定的张力给定值的偏差，通过比例、积分控制校正上游机架的速度，协调两机架之间的关系，实现微张力控制。其控制关键是准确测量各轧机的轧制力矩。系统通过检测对应机架的电枢转距间接得到该值。当本机架的轧机咬钢而轧件尚未进入下架轧机时，系统计算出的力矩值便是本轧机的轧制力距值。当下架轧机也咬钢时，重新计算得到新的力矩，两力矩之差是轧件上的张力力矩。若偏差值为正，表示机架间堆钢；若偏差值为负，表示机架间拉钢。系统就是根据该偏差值的正负和大小，给出相应的速度修正来平衡轧机的速度，保证机架间的轧件张力被限制在一定范围内，实现微张力控制。 　　由于微张力控制将两相临机架通过轧件联系起来，使其存在偶合关系，系统不具备鲁棒性，为此，引如速度校正因子进行解耦。当微张力控制开始时，速度校正因子进行自我补偿调节，通过不断的自动修正，消除初始偏差，在两轧机间形成均匀协调的速度。微张力原理图如下图： （2）控制过程 　　轧机转距的变化是一个非线性增大量，滤波元素接受上游机架的波形转距参数后，乘以转距常数得到张力级联参数并存储本机架张力值。将张力进行比较后得到一个张力偏差，该张力偏差值分别进行比例和积分运算，积分运算值作为速度校正因子参与速度级联控制，得到上游机架的速度。 　　轧机速度设定主要由两部分组成：一部分是决定轧钢生产速度主信号，由最末机架出口速度为基准向上游分配，即每过一个辊缝，除以一个速度校正因子；另一部分是叠加在主基准上的速度修正量，即比例校正。这样在主级联速度给定的基础上通过速度修正调整上游机架的速度给定，协调上、下游机架间的速度关系，使钢坯在微张力控制下正常轧制。 　　由此可见，微张力控制实质上是在上游轧机主传动控制上增加张力外环，由微张力给定值与检测值形成的偏差，与比例增益相乘形成微张力控制的比例速度校正量；偏差值与增益常数形成速度校正因子，传递给控制环节形成自整定的速度校正，调节上游机架的速度，实现微张力控制。 3　算法描述 （1）轧机力距测算：正在咬钢的轧机读出电机转距NLDTRQ,则有： 第N架轧机微张力级联值=第（N-1）架轧机微张力级联值；否则，对于已不再咬钢的上游机架张力级联值为： 第N架轧机微张力级联值=NLDTRQ*(齿轮箱齿比)*2。0*10*6E/（轧辊直径*轧辊受力面积）； （2）力矩存储：第N架轧机的张力偏差计算： 第N架轧机微张力实际值=第N架轧机微张力级联值-第(N-1)架轧机张力存储值； （3）微张力控制：两机架间有钢时，引入速度校正因子R进行上游机架速度校正： 第N架轧机速度校正因子=第N架轧机积分增益*第N架轧机张力修正值； 上游机架速度校正： 第N架轧机校正速度=第N架轧机比例增益*第N架轧机张力修正值； 4　实际应用中存在的问题 　　在钢坯即将进入下架轧机之前和刚进入下架轧机不久，本架轧机转矩的变化代表两架之间有推、拉关系存在。实际上，一架轧机转矩在钢坯进入下架轧机之前和之后的相关性仅在较短时间内很高。所以，使自由轧制转矩和实际轧制转矩的取样时间尽量靠近，同时掌握实际轧制转矩的取样和微张力调节过程的持续时间，以保证使转矩信号在高相关性时把微张力控制完成。否则，转矩中将包括一些非张力形成的干扰信号，造成误判断和误调节。 　　另外，由于每台轧机的各种信号由调速装置经高速通讯网络传给PLC，由调速装置送来的转矩信号需滤除由速度控制所产生的高频干扰信号。滤波时间常数应根据轧机的线速度和轧机之间距离计算确定。虽然滤波时间常数越大或PLC控制程序中滤波平均次数越多所得到的转矩信号越平稳，但得到的转矩信号的延迟也越大。并且，若滤波平均次数过多，还会较大地降低程序的运行速度，影响微张力控制效果。反之，同样得不到好的微张力控制效果。所以，微张力的调整和使用要求是很高的。 　　在实际应用中，造成影响粗轧区微张力控制的因素是多样的。主要有：机架前、后的光电管位置偏移、或者光电管损坏、灵敏度降低等原因造成辊道上轧件定位跟踪的偏差或错误；电机过流导致的无法轧制；后继工艺堆钢、拉钢…..另外，操作人员的熟练程度也是影响正常轧制的因素之一。 5　结束语 　　该控制系统不仅达到了通用人机界面的功能，而且针对现场的实际情况和操作人员的具体要求做了特殊技术处理，可以帮助工作人员更有效地监视和控制轧制自动化系统，对生产过程的改善起到了良好的效果。 　　目前，该轻型材生产线是国内引进的同类项目中自动化程度最高、应用效果做好的生产线，投产的第一年就达到设计生产能力。设备作业率可达87%，年产量由设计能力45万吨/年上升到了75万吨/年。 　　维护期间，我们在深入分析研究控制程序的基础之上，根据生产要求，对控制程序进行了大量修改，从控制程序角度改进和完善了功能。另外，适应钢材出口的需要，对增加的新设备也纳入自动化控制。事实证明，对于引进的项目，只有吃透控制程序，真正了解其内部实现方法，才能维护好这套系统，使之最大限度地发挥作用。 参考文献： [1]自动控制原理，刘自厚编，冶金工业出版社。 [2]ABB编程参考手册。 [3]中小型材剪切优化分析和设计，孙汉峰，冶金自动化，1997（6）。