高精度冷轧自动控制系统的设计和实现

2016-05-16王克亮

中国高新技术企业 2016年15期

摘要：高精度冷轧自动控制系统能够进一步提高冷轧产品的质量，同时集中体现了近年来冷轧生产工艺的技术创新，改变了我国只能通过引进国外的高质量冷轧机组自动控制系统的情况。文章对高精度冷轧自动控制系统的设计进行了介绍，并对高精度冷轧自动控制系统中的技术创新进行了介绍。

关键词：变形抗力；自动控制系统；冷轧生产工艺；冷轧产品；基础自动化；过程控制文献标识码：A

中图分类号：TG334 文章编号：1009-2374（2016）15-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.15.005

为了保障冷轧产品的质量，必须积极研发冷轧自动控制系统。高精度冷轧各自动控制系统能够面向整个冷轧生产线，包括基础自动化（L1）和过程控制（L2）。生产过程中的工艺管理、机组生产管理、设备工艺参数优化控制主要由过程控制系统负责，制造执行系统向过程控制系统下达生产计划之后，过程控制系统会对其进行优化计算，然后向基础自动化系统传递各设备的最优参数。基础自动化系统主要负责工艺控制、顺序控制和厚度控制。

1 高精度冷轧自动控制系统的设计

1.1 高精度冷轧自动控制系统的结构组成

在对高精度冷轧自动控制系统进行设计时，既要保障设计的合理性、简洁性、可靠性和先进性，又要对冷轧生产工艺的特点予以充分的考虑，同时考虑计算机控制系统软件和硬件的发展走向。冷轧对可靠性、通信和控制的速度具有较高的要求。

1.2 高精度冷轧自动控制系统的过程控制系统设计

在高精度冷轧自动控制系统中，过程控制系统（L2）发挥了重要的作用，这也是高精度冷轧自动控制系统中重要的软件系统，其包含不同功能和层次的任务进程，主要包括以下部分：应用软件、中间件、系统及系统软件。在应用软件中包含多项具有不同功能的功能模块，中间件属于核心支撑软件，操作系统和数据库软件则选用微软公司的相关软件。

1.2.1 中间件系统。作为过程控制系统的核心支撑软件，中间件的质量对于整个高精度冷轧自动控制系统的设计效果和冷轧产品的生产质量都有着直接的关系。本设计中使用了我国北京科技大学自主研发的过程控制开发平台作为中间件系统，该中间件系统具有以下主要功能：外部接口、数据库接口、变量管理中心、外部通信管理、实时数据文件管理、日志报警管理、进程间通信管理、数据库连接器、进程管理。其中进程管理主要是对过程自动化系统应用软件的任务守护、停止、启动进行管理。这些功能的作用在于对进程的运行状态进行实时监控，及时发现并上报异常情况，定位和保存出错信息，从而提高高精度冷轧自动化控制系统运行的稳定性和安全性。该中间件系统的具体架构如图1

所示：

1.2.2 应用软件。

第一，变形抗力自学习模型。制力模型计算的基础是变形抗力模型，该软件的作用是使系统能够适应新材质，能够有效地缩短调试周期。该模型能够以轧件的初始变形抗力模型和实际测量数据为依据进行计算，计算出相应的轧制力，并对其偏差进行不断修正，直至符合实际情况。这样一来模型的自学习效率能够得到有效提高，产品合格率也能够得到保障。

第二，板形/板厚设定计算解耦补偿策略。在对板形/板厚进行设定时，要以一定的策略为依据，对两者之间的耦合影响关系进行补偿。为了对各道次板形/板厚控制执行内环设定值的计算精度进行保障，可以使用板形/板厚分步计算解耦补偿策略。要在对两者的耦合影响关系进行充分的考虑设定厚度，才能保障弯辊力和压下设定的精度达到相应的要求。

第三，集成多种变形抗力数学模型。运用一定的数学模型能够确定冷轧中的变形抗力计算，大多情况下采用的是多项式模型或者指出模型，在本系统中运用的是指数模型。针对冷轧铝带、电工钢、不锈钢、冷轧普碳钢等不同材料，也应该选择不同的变形抗力模型。由于采用的工艺润滑介质不同、轧制的金属材质不同，轧件变形抗力模型具有较大的差异。因此本系统的变形抗力模型能够针对不同的工艺条件和金属，尽量提高模型的计算精度。设计人员可以根据实际需要，选择合适的变形抗力数学模型。

第四，集成多种目标的负荷分配模型。冷轧设定计算的基础是负荷的分配，负荷分配的合理性会对扎制设备的调整、产品的质量和扎制过程的状态特性产生直接的影响。以不同的生产线特点为依据，本模型系统融合了蚁群算法和遗传算法，不仅能够将轧制规格和材质的多目标优化压下规程数据结果提供给用户，而且可以对负荷分配制度进行人工干预。为了保障系统能够正常工作，本系统中具有功率轧制力矩的校核、张力校核、轧制力校核等功能。

2 高精度冷轧自动控制系统的新技术及实现

2.1 板形/板厚解耦控制策略

在高精度冷轧自动控制系统的基础自动化系统中，运用了板形/板厚解耦控制策略。对轧机有载辊缝的控制是板形控制和厚度控制的核心。在调节和控制一块带钢的板形和厚度时，难免会出现冲突，对板形调节和厚度控制的精度和效果都造成了一定的影响。从本质上来说，弯辊力/辊缝、板形/板厚属于对变量的控制，因此本系统中将二者耦合起来，从而实现耦合控制。这样一来运用只需运用控制器的动态补偿将板形/板厚系统变为分别控制的系统，使二者的耦合被消除。

2.2 卷芯偏心补偿策略

穿带启动、加工精度、设备老化等因素会对冷轧开卷机、卷取机的运行造成一定的影响，可能会造成卷芯偏心的问题。卷芯偏心会对产品质量造成直接的影响，这是由于扎制过程中开卷机、卷取机大偏心，就会造成入口或出口带钢张力的波动。随着卷径的增大，波动的幅度和周期都会不断减小。哪怕卷径波动比较轻微，也会影响张力，降低产品的质量水平。在实际操作过程中经常出现卷芯的局部凸起或者偏心的现象，因此本系统使用了卷芯偏心补偿策略，以改善这一状况。卷芯偏心补偿策略能够对芯偏心引起的张力周期性变化进行傅里叶变换分析，然后对卷取和开卷的转矩进行补偿，从而尽可能地降低卷取和开卷过程中的张力波动和厚度波动，对轧制的稳定性进行提高，保障产品的质量。

2.3 超薄规格动态压下技术

在薄规格带钢产品的生产过程中，要保障产品的质量，就必须稳定地启动连轧机组。在实际工作中，如果带材的规格低于0.3毫米，在启动轧制时可能就会出现问题。在启动连轧机组时可能会出现张力的剧烈波动，进而造成失张、断带的情况出现，无法生产薄规格带钢。究其原因，这是薄规格张力控制允许偏差小、低速轧制精度低等因素共同造成的，要在非稳定的状态下进行薄规格带钢的生产非常困难。针对这种情况，本系统运用了超薄规格冷轧带材的动态压下技术。超薄规格冷轧带材的动态压下技术具体指的是在进行超薄规格带钢生产时，对过程控制系统下的两组轧制力设定值进行重新设定。一组设定值的目标是保障稳定启动厚度，另一组的目标是保障最终的厚度。如果带钢具有较大的目标厚度，那么在启动轧制并到达一定的厚度之后，就可以逐渐改变各机架的新的轧制力。例如要原料厚度为1.6毫米，要将其轧制为厚度为0.35毫米、0.2毫米的两组成品，且具有相同的比变形率。此时可以先按照0.35毫米的规格进行轧制，待厚度达到标准，并获得稳定的张力之后，再逐渐向0.2毫米的目标厚度过渡。该方法降低了薄规格带钢轧制的失败率，提高了薄规格产品轧制的稳定性。

2.4 高精度冷轧自动控制系统的实现

高精度冷轧自动控制系统及其相关技术自投产以来，已经在我国多条冷轧生产线上得到了实际运用，例如宜昌三峡全通涂镀板有限公司、河南万达铝业有限公司、河南鸽瑞复合材料股份有限公司、重庆万达薄板有限公司、华西村冷轧带钢厂等，都运用了高精度冷轧自动控制系统，并取得了较好的运用成果，包括1450毫米五机架冷连轧机组、1850、1400毫米双机架冷连轧机组、1850毫米单机架高精度铝带材冷轧生产线、1450毫米单机架超薄高精度20辊不锈钢冷轧机组等。以宜昌三峡全通涂镀板有限公司为例，其自主设计开发投产的八辊1450毫米五机架冷连轧机组，生产厚度为0.16毫米，能够达到2微米以内的控制精度，而且调试周期较短，应用效果良好，对于提高企业生产能力和经济效益起到了积极的作用，产品的质量和成材率也有了显著的

提高。

3 结语

本文对高精度冷轧自动控制系统的设计进行了简要的介绍，该系统在冷轧生产线投入运行之后获得了良好的运行效果，充分说明高精度冷轧自动控制系统具有良好的适应性，能够有效地提高产品的质量。该系统也是我国在对现有工艺控制策略进行不断改进和完善的基础上自主研发的首套冷轧自动控制系统，对我国的工业现代化发展有着非常积极的意义。

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