阿亨巴赫铝箔轧机板形自动控制系统

2012-07-28宋春颖

有色金属加工 2012年5期

宋春颖

(南山轻合金有限公司，山东龙口 265706)

南山轻合金有限公司铝箔厂自2003年引进德国阿亨巴赫公司制造的四辊不可逆轧机四台，包括一台粗轧机，两台中轧机，一台精轧机。轧机的板形控制系统用的是阿亨巴赫公司开发的OPTIROLL®i2系统。下面主要阐述OPTIROLL®i2系统如何完成1级自动化的控制功能。

1 带材平直度测量

1.1 带材平直度测量原理

良好的平直度是铝箔轧制要求达到的最基本质量要素之一，OPTIROLL®i2的设计理念是基于力的测量原理。在每台轧机出口侧都安装了一根板形辊，用于测量带材作用在板形辊上的力，测量出带宽方向的张力分布，就可以知道带材的实际平直度。板形辊表面装有60个压电传感器，传感器的分布情况如图1所示。图1的横坐标代表板形辊表面的宽度方向，纵坐标代表板形辊表面的圆周方向。

图1 板形辊内传感器分布图

从图1可以看出60个传感器以一种交错方式安装在板形辊的表面，传感器不仅在板形辊宽度上以一定的间隔分布，而且在板形辊圆周上以六个不同的角度分布。板形辊中心区传感器的数量是12个，分布间距是52mm ，两端各装配24个传感器，间距为26mm。圆周方向角度分布分别是40度、80度、160度、200度、280度、320度，每个角度有10个传感器。所以传感器的数量总共是60个。每个传感器对应一个测量区，所以有60个测量区，每个测量区控制一个传感器的测量范围。一个测量带的宽度是26mm，而中心区每个测量区的宽度是52mm，所以中间的12个传感器总共占用了24个测量带；两端每个传感器测量区宽度是26mm，所以两端的48个传感器总共占用了48个测量带。因此总共有72个测量带。所以，板形辊能测量的带材最大宽度是72 x 26mm = 1872mm，最小宽度是900mm，板形辊直径是280mm。

1.2 信号采集和传递

在轧制过程中，板形辊与带材同步运行，在圆周上以一定的角度与带材接触。在板形辊旋转过程中，当传感器在带材下面移动时，一旦带材接触到这个传感器就会产生脉冲形状的信号。将分布在不同角度的六个传感器组合成一个电气单元，称为一个通道，总共有10个通道。每个通道连接着一个随板形辊一起旋转的信号放大器，信号放大器将传感器信号转换为电压信号。随后利用脉冲编码调制解调器，将这些模拟信号变成脉冲码。然后再通过称为旋转变送器的光学传送链，将脉冲码从旋转部件送到固定装置上，之后信号通过电缆被送到控制柜内。在控制柜的PCM控制单元内对每个通道的信号进行计算，PCM控制单元将计算后的数据发送给M1系统，在M1系统内转换成平直度信号并进行控制。

M1系统是Bachmann公司的产品，M1系统的PLC称为MPLC。OPTIROLL®i 2板型控制程序MPLC包括SFM(Strip Flatness Measuring)带材平直度测量程序、SFC(strip flatness control)带材平直度控制程序和SCA(servo control adjustment)伺服控制调整程序。

1.3 信号处理

SFM程序的主要功能是计算带材横截面上的张力分布情况。SFM程序接收PCM发送过来的数据，并将数字信号转换成电压。SFM再根据电压Ueff计算未校准的测量力Fmea=Ueff/Stran/Samp[N], Stran是压电传感器的放大倍数，为常数4.36。Samp是信号放大器放大倍数，信号放大器有三个放大范围，系统可根据带材厚度自动选择，厚度越小，灵敏度越高。低放大倍数为10，中放大倍数为40，高放大倍数为160。板形辊内的传感器需要定期校准，一般每半年校准一次。校准需要用专用的校准装置,校准程序为每个传感器提供了一个校准系数。在正常运转过程中，板形辊内传感器测量的力Fmea与校准系数的比值就是每个传感器测量到的径向力Frad，每个测量区的带材张力Fti与径向力Frad的关系如下所示：

Asensor是单个传感器的表面积，droll是板型辊的直径280mm.，Hexit是带材出口厚度。先计算出每个测量区的张力，即绝对张力。所有测量区张力的平均值就是带材宽度上的平均张力，系统利用平均张力值判断带材是否断带。如果断带，则平均张力值几乎为零。当轧制速度大于60m/min，而平均张力小于12N/mm2时就认为断带。绝对张力与平均张力的差称为相对张力，每个测量区的相对张力就代表实际的平直度，将每个测量区的相对张力值连接起来就是实际的平直度分布曲线。

2 平直度控制原理

SFC系统的主要功能包括计算板形偏差,执行冷却控制,计算弯辊、倾斜和上支撑辊可变凸度(VC)控制的基准值。

2.1 计算板形偏差

平直度调整是根据板形偏差进行调整的，目的是尽量将板形偏差调整为零。计算板形偏差除了要知道平直度的实际曲线，还需要知道平直度的设定曲线。平直度的设定曲线由操作人员通过预设定电脑设定。在预设定电脑界面上输入带材宽度和曲线尺寸就可以得到一条设定曲线。利用下面公式可计算基准设定曲线。

SW[zones]=SW[mm]/26 (1)

SEL=36- SW[zones]/2 +1 (2)

SER=60- SEL +1 (3)

公式中SW[mm]为输入的带材宽度，SEL为左边第一个有效传感器，SER为右边最后一个有效传感器。知道了有效传感器范围用公式(4)即可计算基准曲线的数值，其中b是指曲线尺寸，i的范围在SEL与SER之间。例如在预设定画面上输入带材宽度1440mm，曲线尺寸-12，根据公式(1)可以计算出占用的测量带数量SW[zones]是56，根据公式(2)和(3) 可计算出左边第一个有效传感器SEL=9, 右边最后一个有效传感器SER=52,所以i的范围是9到52。用公式(4)求出f(x9)到f(x52)之间的所有值，这一组数值就是平直度设定曲线的基准值。与SFM传过来的第9个测量区到第52个测量区的实际平直度数值相减，得到的差值就是系统需要降低的平直度误差。

2.2 调整平直度的方法

调整平直度的方法包括轧制油分段冷却、工作辊弯辊、工作辊倾斜和上支撑辊可变凸度(VC)。控制器示意图如图2所示，SFC首先将预设定的平直度曲线与SFM传来的实际平直度曲线相减，计算出代表带材宽度方向上板形误差函数，误差函数的方程式是 f(x)=e0+e1x1+e2x2。在理论上，当实际板形达到目标值时，板形误差函数f(x)=0。系统计算出使误差函数f(x)=0的二次系数和一次系数对应的数值。将板形误差函数f(x)的二次项系数值作为弯辊和VC的基准值，用于控制对称的板形缺陷。将板形误差函数f(x)的一次项系数值作为倾斜基准值，用于控制非对称的板形缺陷。然后将这3个基准值转换成相应的参考压力值并传给SCA系统，由SCA液压系统输出实际压力控制弯辊、倾斜、VC，冷却控制由SFC系统直接控制。

图2 平直度控制器示意图

2.3 冷却控制

对于既不能通过倾斜也不能通过弯辊和VC消除的板形缺陷，将通过工作辊分段冷却进行消除。分段冷却通过控制工作辊喷射梁上的喷咀来实现。喷咀梁原理图如图3所示，由图可以看出每个工作辊对应三排喷射梁。喷咀的喷射是成对控制的，也就是上下工作辊同一区域相对应的喷咀是同时控制的。每排喷射梁上有60个喷咀，每排喷射梁的60个喷咀位置排列都与板形辊上的60个传感器宽度方向位置排列一一对应。

图3 工作辊喷咀梁原理图

轧制油冷却是由基础冷却、自动冷却和手动冷却组成的。基础冷却的作用是维持最小流量。工作辊基础冷却是指在带材宽度范围内，工作辊喷射梁C排和D排喷咀间隔一定距离循环喷油，间隔的距离在系统里定义为步长，根据设定的基础冷却值大小确定步长值。基础冷却值可在预设定画面上设置。基础冷却值的范围是0-19，值越大，喷油量越多。如果基础冷却值在0-9之间，则中间C排不喷，D排喷油的步长值是10减去基础冷却值。如果基础冷却值在10-19之间，则D排喷咀全喷，C排喷油的步长值是20减去基础冷却值。喷油量多少与带宽和基础冷却值有关。例如基础冷却值设为12，带宽是1440mm，根据带宽可以计算出冷却区是第9个喷咀到第52个喷咀，由于带材边部没有基础冷却，所以基础冷却区是第11个喷咀到第50个喷咀之间，共40个喷咀。此时，D排第11个喷咀到第50个喷咀全都喷油，而C排喷咀喷油的步长值是20-12=8，就是说C排相邻的两个喷油喷咀的距离是8个喷咀。

轧制油自动冷却控制示意图如图4所示。首先，计算出每个测量带的实际张力与设定曲线的偏差并输入冷却控制器。然后，计算出实际流量与设定流量的偏差并输入流量控制器。冷却控制器的作用是：决定哪些喷咀喷油，哪些喷咀不喷油。流量控制器的作用是决定喷咀的流量大小。设定流量需在预设定画面上设定，根据冷却循环的实际压力和打开喷咀的数量计算实际流量。冷却控制器将每个测量区的张力差值转换成级别值：根据张力差值的大小可以划分为8个不同的级别，级别值的范围是0到7，张力差值越大则级别值越小，张力差值越小则级别值越大。因为每个工作辊对应三排冷却喷咀，所以可将级别值转换成3位二进制编码。二进制编码输出可以自动控制喷咀开关，例如测量区域级别是3，则二进制编码是“011”，“0”表示B排对应位置喷咀关闭，第一个“1”表示C排对应位置喷咀打开，第二个“1”表示D排对应位置喷咀打开。喷咀由电磁阀控制，带电不喷，不带电喷。自动冷却循环间隔时间是100ms。自动冷却和基础冷却是相叠加的。手动冷却通过可视化画面对轧制油喷咀进行操作，每个喷咀都可以在手动和自动之间单独切换。手动冷却优先级高于自动冷却和基础冷却。

图4 轧制油自动冷却控制示意图

上下支撑辊各对应一排喷射梁，每排有18个喷咀，支撑辊冷却包括基础冷却和手动冷却，基础冷却值的范围是0到9。

3 伺服控制调整的原理

伺服控制调整(SCA)的目标是尽可能的把带材厚度偏差控制在一定范围内。SCA的功能包括低级功能和高级功能。低级功能包括辊缝控制、轧辊倾斜控制、工作辊弯辊的压力控制、VC辊压力控制。高级功能包括厚度控制和产量最优化。

3.1 辊缝控制

辊缝控制有两种控制模式，即位置控制模式和轧制力控制模式。位置控制在有缝轧制时起作用，一旦辊缝闭合，将自动转换到轧制力控制。位置或轧制力的设定值既可以通过主操作台上的旋钮手动改变，也可以通过厚度控制系统进行改变。位置控制通过索尼位置传感器反馈推上缸的实际位置，轧制力控制通过压力传感器反馈推上缸的实际压力，利用测量到的压力值和推上缸的截面积来计算轧制力的值。将位置或轧制力的偏差信号经过PID控制器调节，调节后生成模拟电压信号送到伺服阀，伺服阀控制液压油使推上缸移动。辊缝有三种状态：打开、闭合、辊缝固定值，辊缝固定值是指辊缝大小为4.5mm。由于使用的索尼位置传感器是相对位置传感器，所以在每次更换工作辊后都需要重新校准辊缝。校准的目的是重新设定索尼位置传感器的零点。

3.2 弯辊、VC、倾斜控制

弯辊是利用液压系统对工作辊轴承座施加压力来实现的，通过正弯或负弯可改变工作辊之间的辊缝形状，进而控制带材形状。利用弯辊控制带材边部的板形效果较好。弯辊是正弯负弯共同作用产生的，而正弯、负弯的压力范围都是从30bar到180bar，所以可得出下列两个方程式

(P+ref- P-ref)/(180-30)=B_ref (5)

P+ref+P-ref=180+30 (6)

P+ref—— 正弯压力参考值

P-ref——负弯压力参考值

B_ref —— 弯辊参考值

自动模式时，弯辊的参考值来自SFC程序；手动模式时，弯辊的设定值由操作手通过旋钮手动设定。弯辊设定值的范围是-100%到+100%。如果知道弯辊的设定值，就可以由方程式(5)和(6)计算出正弯和负弯压力的设定值。当弯辊设定值设定为-100%时，可计算出正弯的设定压力是30bar，负弯的设定压力是180bar；当弯辊值设定为+100%时，可计算出正弯的设定压力是180bar，负弯的设定压力是30bar；当弯辊值设定为0时，可计算出正弯参考值与负弯参考值相等都是105bar。当辊缝处于打开状态时，弯辊设定值为+30%。如果在轧制过程中断带，则弯辊设定值立即变为+100%。由方程式可画出正弯压力设定值、负弯压力设定值与弯辊设定值的关系图如图5所示。弯辊控制器原理图如图6所示。该系统由2个独立的用于正弯和负弯的快速控制环组成，设定值与实际压力值比较之后的差值进入PI控制器，经过限幅处理，再将数字信号转换成模拟信号送给伺服阀。

VC(可变凸度)辊是一种套辊，在辊套与心轴之间有一个液体腔。腔内充满压力可调的高压油，随着压力的增加辊的凸度会发生变化。VC辊对于控制带材中心区域的板形效果明显。VC辊最小压力是25bar。

图5 正弯、负弯与弯辊参考值关系图

图6 弯辊控制器原理图

VC辊的压力的设定值来自SFC或操作手通过旋钮手动设定，将设定值与实际值比较之后的差值进入PI控制器，经过限幅后转换成电压信号，接着送给信号放大器，信号放大器与比例阀相连来控制压力。

如果板形出现一边紧一边松的情况，可以用轧辊倾斜来纠正。倾斜控制用于位置控制模式和轧制力控制模式。实际的倾斜值是指位置控制模式下操作侧和驱动侧实际位置的偏差，或是指轧制力控制模式下操作侧和驱动侧轧制力的偏差。自动模式时，倾斜的设定值来自SFC程序；手动模式，倾斜的设定值由操作手通过旋钮手动设定。SCA液压系统根据设定值分别计算出操作侧和驱动侧轧制力或辊缝位置的设定值。

3.3 厚度控制

SCA(伺服控制调节)的高级功能是控制带材的厚度。SCA既可以在位置模式下控制带材的厚度，也可以在轧制力模式下控制带材的厚度。对于厚度大于110μm的带材，采用位置控制模式控制带材的厚度。厚度的设定值在预设定画面上设定，接着传给测厚仪系统。厚度的实际值通过安装在出口的测厚仪来测量，测厚仪系统根据实际厚度和设定厚度计算出厚度偏差反馈给SCA系统。由于测厚仪与辊缝之间有一段距离，反馈回来的厚度偏差时间上会有一定的延时，所以SCA计算厚度偏差的平均值并输入到厚度控制器中，以此来尽量减小延时造成的影响。厚度控制器根据带材的硬度会选择不同的放大系数，材料硬度通过轧制力和各道次压下量进行计算。厚度控制器的输出值作为辊缝位置的附加调节量，与辊缝实际位置比较后一起输入到位置控制器中，通过调整辊缝的位置来修正推上缸的位置偏差，进而控制带材的厚度。

对于厚度小于或等于110μm的带材，采用轧制力控制模式控制带材的厚度。在轧制力控制模式下，控制带厚的最有效方法是控制轧制速度和开卷张力，开卷张力和轧制速度增加都会使厚度变薄。SCA根据实际厚度和设定厚度的偏差，可以计算出开卷张力的参考值和轧制速度的参考值。将参考值传给轧机PLC的 FM458功能模块，接着传给直流调速器，直流调速器控制开卷张力和轧机速度。

产量最优化是指在板形稳定的情况下以最快的速度达到目标厚度和最大速度。通过产量最优化，就可以设法使轧制速度达到一个最大稳定值。在开始轧制时厚度与目标值相差较大，这时主要靠提高轧制速度改变带材厚度。当速度升到一定值使带材达到目标厚度后，主要通过改变带材的后张力来控制带材厚度。但这必须是在后张力的允许范围内，一旦超过了后张力的最大值或最小值，速度将自动改变，使后张力回到允许范围之内。速度控制的作用是让厚度快速达到目标值，张力控制的作用是使厚度维持在一定公差之内。