《轧制过程自动化》doc版.doc

四辊可逆冷轧机轧制过程自动化 摘 要 轧机是实现金属轧制过程的设备。泛指完成轧材生产全过程的装备，包括有主要设备辅助设备起重运输设备和附属设备等。 现代轧机发展的趋向是连续化、自动化、专业化,产品质量高,消耗低。 60年代以来轧机在设计、研究和制造方面取得了很大的进展，使带材冷热轧机、厚板轧机、高速线材轧机、H型材轧机和连轧管机组等性能更加完善，并出现了轧制速度高达每秒钟115米的线材轧机、全连续式带材冷轧机、5500毫米宽厚板轧机和连续式 H型钢轧机等一系列先进设备。轧机用的原料单重增大，液压AGC、板形控制、电子计算机程序控制及测试手段越来越完善，轧制品种不断扩大。一些适用于连续铸轧、控制轧制等新轧制方法，以及适应新的产品质量要求和提高经济效益的各种特殊结构的轧机都在发展中。 本文针对昆明重工集团四辊可逆冷轧机较高的生产工艺和现状，应用变频调速和PLC控制技术，对四辊可逆冷轧机的轧制过程自动化做一个初步的设计。关键词：直流调速；传动系统；四辊可逆冷轧机；自动化第一章 绪论1.1 轧机过程自动化的基本概念自动化一词对我们来说并不感到陌生，因为各个工业部门正在广泛采用各种不同的自动化技术。自动化实际上是一门边缘学科，它从许多不同的学科领域汲取知识。加强对它的研究，不仅能有利于把一系列原来认为是各自独立的学科汇集起来，而且可以用来解决各种工程技术问题。从工程技术部门来看，可以把自动化具体的理解为：在各种不同的生产过程中，采用自动化装置和电子计算机，使各种过程变量（如成份、流量、温度、张力、压力和速度等）保持在所要求的给定值上，并合理地协调好全部生产过程以实现自动控制的一种技术。轧制过程自动化所需要解决的问题是：提高和稳定产品质量，提高轧机等设备的使用效率，以便达到最经济的进行生产和经营的目的；在人力不能胜任的复杂工作中或者人不能靠近的场合实现自动操作；尤其是把人们从繁重的体力劳动中解放出来。现代自动化技术的科学基础是工程控制的理论和方法，而控制用的数学模型、与此相适应的控制系统、以及提高可靠性的监测器和计算机是构成自动化的三大要素，也就是实现自动化的基础。实现自动化的技术手段可以是多种多样，可以用电气方法、机械方法、液压方法、电器液压方法、气动方法以及他们的综合应用方法，其中以电气控制方法最为普遍。1.2 轧机过程自动化的发展概况轧制过程自动化的发展，大体经历了单机自动控制系统、电子计算机和单机控制系统共存以及采用电子计算机进行直接数字控制等几个阶段。由于轧机的生产效率高，质量易于控制，易于实现机械化和自动化，而且这种轧机潜力大，只要稍加改善轧制工艺便可以实现大幅度的提高产品质量和提高唱片产量，其经济效益非常显著。所以各种先进的科学技术成果都竞相应用于轧机过程，大大促进了轧机过程自动化技术的发展，其中以热轧机技术的发展最为迅速和成熟，所以它可以反映整个轧制过程自动化的发展过程。 轧制过程自动化的发展大致可以分为三个阶段：第一阶段大约在四时之五十年代，为单机自动化阶段；第二阶段为六十年代，为计算机和单机控制系统共存阶段；第三阶段为1970年至今，为采用计算机进行全数字直接数字控制阶段。 为适应轧制过程自动化的进一步需要，应重视一下几个方面： 1 改进计算机控制系统的配置形式 在进一步提高计算机系统的可靠性和稳定性同时，必须进一步提高计算机的配置形式。前阶段在广泛发展过程控制计算机的系统的同时，大力发展管理机系统，使管理机系统和控制系统有机的结合起来，组成了分级集成控制系统。近些年来由于微处理机发展很快，用它来代替传统的硬件和逻辑接口，以实现对生产设备的分散型控制，可使分散控制的灵活性和可靠性得到进一步的提高，这是计算机在轧制过程中应用的一个重要趋势。2 进一步提高和完善检测仪和控制系统的功能和性能 在轧制速度越来越快，产品范围越来越大，质量要求越来越严格的情况下，则检测仪的功能和控制系统的功能，必须进一步的提高和完善，才能与之相适应。3 进一步应用现代控制理论 自适应控制是跟踪轧制过程，保证控制精度的有效手段。最优控制是全面考虑电机设备、工艺和控制系统的条件，实现最优化生产的条件。但是对一个大型的生产系统来说，由于它的计算过程比较复杂，往往限制了它的使用。所以我们要加强现代控制理论在大型生产系统中应用的研究，简化计算，便于应用，以便实现最优化生产。1.3 轧制过程自动化的必要性在上世纪六十年代，随着电子计算机自定控制技术的广泛应用和整个科学技术水平的不断提高，轧钢技术也有着飞速的发展，其主要的发展趋势和特点如下：1 轧制过程日趋连续化 带钢和型材的连续化不断完善，并且无头生产的连续式作业线，已有线材轧制推广应用于冷轧带钢机连续焊管生产，近年来还出现包括电缆脱脂、退火、冷却、平整及卷曲等多个工序的精整作业线，试生产效率大为提高。2 轧制速度的不断提高 轧制过程速度的不断提高，目前线才的轧制速度已达到100m/s以上，带钢冷轧速度已达41.7m/s，张力减径速度已达20m/s。3 轧制生产的规模和形式日趋专业化和大型化 为了满足产量、质量和降低成本的要求，现在普遍采用专业设备和加工线进行生产。厚板、薄板、大型H型钢、巨型管线等生产设备都在日趋重型化，生产规模越来越大。4 用户对生产精度和质量要求越来越高 随着现代化工业技术和生产工序自动化的迅速发展，国民经济各部门日益广泛的需要尺寸非常高的轧制产品，例如电子、仪表、轻工和纺织等工业部门，大量需要厚度为.01-0.2毫米，其厚度偏差为0.005毫米左右的冷轧带材，还有的要求厚度偏差为00015毫米。在整套轧制设备上采用计算机控制系统实现轧制过程自动化，不仅可以把人们从繁重的体力劳动中解放出来，而更重要的是能满足轧制生产技术迅速发展的需要，实现轧制过程自动化以后，可以带来以下几方面的效果：（1） 能够迅速地适应轧制程序的变换 在手动控制的情况下，当轧件尺寸规格有变化时，就需要花费相当长的时间来改变给定值。当通过计算机控制系统对轧制过程自动化操作时，只要适当的改变设定或调换程序等就能实现。为了使轧制过程能够正常稳定的进行，不仅可对表征的轧制过程进行情况的物理量加以控制，使其保持不变或按一定的规律变化，并且能够根据工艺参数波动情况进行自适应控制和自学习控制。（2） 能够减少误轧次数 在一般轧制情况下，当出现误轧时，再清除废品和检修轧辊或跟换轧辊要花费很长的时间，并且会在物质上造成重大损失，由于采用里计算机控制系统能按事先设定好的工序严密的进行工作，可以避免或显著地减少误轧次数，据国外的统计，采用计算机进行控制，可以减少误轧率50%。（3） 有可能实现大范围的尺寸改变 当轧件尺寸需要大范围改变时，就手动控制情况而言，就必须要求相当熟练技术，而通过自动化就可以显著地扩大轧件厚度的变换范围。（4） 能显著提高轧件的尺寸精度 在板带材轧制过程中，采用计算机控制可以显著提高厚度自动控制（AGC）性能，能显著改善带材的厚度精度。因为就AGC系统本身性能而言，他尚不具备适应变换工艺及轧制两种不同的带材的性能，而采用计算机进行控制，厚度控制的精度就会有很大的提高。（5） 能稳定轧制时的轧制温度 由于采用计算机控制以后，即可以做到控制轧件的温度，而又可以确定轧制的最佳速度。在轧制过程中轧件的温度会由于冷却水的冷却和本身辐射热量而有所降低，但由于轧制速度的提高会有提高温度的作用。由于轧辊和冷却水引起的温度下降是受轧件厚度及轧件速度等因素的影响，而热辐射则受材质、温度和轧件厚度等因素的影响。由于这些因素影响错综复杂，所以手动控制不仅需要相当熟练的技术，而且还有某种程度的误差。计算机可以自动的控制上述诸因素，因此可以将轧件的轧制温度控制的很精确，例如可以控制在温度偏差在10摄氏度以内。第二章 系统工作原理及控制参数设计21 系统工作原理本系统由机械部分和电气部分组成，轧制系统为一台四辊可逆冷轧机，其机械部分的配置简图如图21所示。 图21 轧制系统机械部分配置简图该轧机具有两个小直径工作辊和两个直径较大的支承辊，采用直流电机驱动，轧件在两工作辊间往复轧制。它集中了二辊和三辊劳特轧机的优点，既降低了轧制压力，又大大增强了轧机刚性，并且生产灵活，轧制的产品范围广，故适用于轧制各种尺寸规格的中厚板，尤其是轧制宽度较宽，精度和板形要求较严格的中厚板，更离不开它。机械部分的正常运转要离不开电气部分对相关参数的控制，因此本系统对各个控制参数做了详细的设定。22 自动控制参数设定本系统的搭建主要是为了满足板带钢材表面缺陷检测实时监测的需求，因此系统的设计以现场实际工况的需要为出发点，能够模拟现场的各种工况。主要通过主操作台实现对系统的控制。操作台大体可分为两部分，一部分为指示部分，另一部分为操作部分。指示部分位于操作台顶部，分为系统工作允许灯、系统运行指示灯、紧急指示灯、系统故障灯、系统运行试验灯等。当系统运行时这些指示灯分别处于相应的工作状态；操作台下方的控制按钮亦皆为带灯按钮，当系统中的某按钮动作时，相应的指示灯颜色发生变化另外，操作台上还设有工业控制计算机，实时监控轧辊和左右卷曲机线速度以及三台直流电机的电流、电压、扭矩等参数。操作部分一般位于操作台平面上，分为系统锁、主轧机和左右卷曲机的启动按钮、停止按钮、运行方式选择按钮、轧制参数设定开关和按钮(包括：主轧机的点动方向选择按钮、运行方向选择按钮、运行速度设定按钮、速度调节开关以及左右卷曲机的点动方向选择按钮、运行方向选择按钮、运行速度设定按钮、速度调节开关等)、紧急自动开关、故障复位按钮、试灯铃按钮等。系统锁控制系统的工作允许状态，当系统锁关闭时，系统不能工作，防止非专业人员进行误操作。运行方式选择按钮用于选择轧机的点动、自动或联动运行方式。轧制参数设定开关和按钮，用于在轧制过程中改变有关轧制参数，完成速度的调节和其他参数的设置。在进行轧制时，需要进行设定的量主要有控制方式、轧机运行方向、轧辊以及左右卷曲机的线速度。卷取机的紧急制动开关可以对卷取机进行冲动控制，当轧机发生故障时，需要快速停机时，按下此开关即可。若轧机发生故障排除，需要重新工作时需要按下故障复位按钮。试灯铃按钮可以在工作前对操作台上的指示灯和电铃进行检查，确保轧机的正常运行。 图 2.223 控制参数传递参数的传递通过数据通讯总线和系统控制总线完成，控制总线将主操作台的参数发给PLC及控制柜，PLC经过运算后将控制参数经控制总线发给直流调速设备及控制柜，同时，电机运行情况通过数据总线传递给过程计算机。24 工作运行在得到控制主机发出的控制命令后，卷取电机启动，同时轧制电机按规定下压一定的压下量，然后轧制电机启动，从而实现对板带的轧制。25 系统实现的功能系统设置正反向轧制、单动、联动、自动、正反向冲动及轧制速度控制等功能，所有这些逻辑控制、过程控制都由PLC完成。监控计算机对各种静、动态控制数据、轧制工艺参数及信息进行实时采集显示和记录，数据显示包括轧辊及卷取线速度、三台直流电机电流、电压、扭矩等，从而满足试验及生产的要求。第三章 控制系统的基本组成和控制原理3.1 控制系统的基本形式最原始的控制系统是由生产过程和人组成的。现已下压位置的控制为力进行说明，有人通过压下螺丝将轧辊移动到某一位置上，则由轧机轧出来的轧件就有一定的厚度，也就是说一定的压下位置就对应着一定的轧出厚度。这种人工给定的压下位置就代表输入量，而轧后轧件的厚度就代表输出量或称为被控量。如果来料厚度不均、材质不均或轧制状态发生了变化，结果会因轧机弹性变形不同，会引起辊缝发生变化，因而轧出的轧件厚度也就发生变化。但实际的轧制过程中，这种输出量对输入量没有赋予任何控制影响作用，所以将输出量不会返回影响输入量的控制系统称为开环控制系统，本次主要以闭环控制系统为主。当由于外界干扰引起被控量发生变化时，人根据观察到的实测厚度，发现已偏离目标厚度，便可以通过手去控制压下位置，使轧出的厚度跟接近所要达到的目标厚度，并把它控制在可以允许的厚度偏差范围内。因此，人在轧制过程中起到了比较、判断和操作的作用。由此可知，人工操作过程实质上市通过测厚仪发现差异和纠正差异的过程。这里人的眼睛、大脑、手、轧机和测厚仪等便组成了一个人机闭环控制系统，所以将输出量不会返回来影响输入量的控制系统称为闭环控制系统，或称为反馈控制系统。为了进一步提高成品的厚度精度，可以借助厚度、电气、液压或其它形式的比较部件和控制部件来代替人进行控制。如图所示21所示是无人参与而执行闭环控制的轧件厚度自动控制系统，或称为模拟式厚度控制系统。这个例子说明了用自动闭环控制系统，要比人人完成得更快、更协调、更准确。由于图11采用模拟信号实现控制，所以称它为模拟式自动控制系统。 图3-1 模拟式厚度控制系统图3-1是采用计算机进行压下位置的自动控制系统，计算机周期性的根据压下位置设定值与当时的实际实际位置进行比较，按照预定的压下位置控制算法进行计算，然后通过压下的速度控制装置自动的控制压下位置。由于计算机是由数字进行控制运算，按一定的程序进行控制，所以此种系统称为直流数字控制系统。 图 3-2 直接数字控制系统3.2控制系统的基本组成和作用由图31和图3-2可知，对轧件控制或压下位置的控制，基本上要完成三个任务：一是被控量的正确测量与及时报告；二是将实际测量到的被控量与希望保持的给定值进行比较、计算和控制方向的判断；三十根据比较的结果，发出执行控制的命令，是被控量恢复到希望的数值上。根据医生的情况，可以概括出自动控制系统的典型结构原理控制框图，如图23所示。从图33可以看出，任何自动化装置有以下几部分组成；被控对象，指的是生产设备或生产过程；被控量，他是被控对象中要求维持等于或接近与给定值的那个物理量；干扰量，它是一切扰动被控对象稳定运行，引起被控量偏离给定值的信号；检测装置，它是用来测量被控对象被控量的大小，并进一步将他转换为与给定量统一量纲的一种装置；给定量，就是系统的输入量；比较环节，它是给定量与测量量进行比较的一种装置；控制器，它是用来实现对被控对象进行自动控制作用的装置，一般有调节器和执行机构所组成。给定环节、检测环节、比较环节、调节器和执行机构组合在一起，就构成该控制系统的控制部分，目的是对被控量进行控制。3.3 闭环控制系统的特点被控对象的输出能作用到控制部分的输入端，信号的传递形成一个闭合环路的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统。输入量与反馈量之差即为偏差量， 偏差量加到控制器上，其作用是使系统的偏差减小或消除，使系统的输出量接近于给定值或等于给定值。由于从检测到的信号，反馈到输入端与给定值比较，得到的偏差量，并不是对监测点处的部位进行控制，二是对后续部位进行控制，所以反馈控制是有滞后作用的。但是由于原料条件不能突然骤然突变，所以控制信号对后续部位也同样有参考作用，故反馈广泛地用于自动控制系统之中。3.4 自动控制系统的组成原理现以轧机的速度自动控制系统为例，来说明自动控制系统的基本组成原理以及各环节的作用。如图所示； 图 3-4 轧机速度负反馈自动控制系统是用可控硅供电的速度负反馈自动调速控制系统的结构示意图。它的基本原理是：从电网共给可控硅主回路的是交流电源，通过可控硅触发电路，是可控硅整流主回路导通，将交流电转换成直流电，供给直流电机M。根据交流电压不同的相位，控制触发器加入的时间，对可控硅整流电路进行触发，控制触发角的大小，即可控制电动机的电枢电压的大小，来实现直流电动机的调速，便可达到轧机调速的目的。轧辊和测速发电机TG由电动机驱动传动，于是测速发电机的电压UTG与电动机的转速n成正比，UTG反馈到系统的输入端，并使它的极性与给定量的电压Ug相反，次两信号经过比较之后，并可得到触发电路输入量的电压U=Ug-UTG。再轧制过程中，当有外界干扰作用时，便会影响到电动机转速的产生变化，因此必须引起速度反馈电压UTG也发生变化。但电动机转速n下降时，则UTG就变小，于是Ug就增加，是n升高；相反，当电动机转速n增高时，UTG就变大，Ug便减小，使得n也减小，这样就实现了轧制速度的控制过程。为了便于分析和研究各个环节的作用，可以用传递函数来描述各个环节的特性和系统的过渡过程，因此，可以将图34变成用传递函数表征的方框图，如图35所示。所为传递函数就是在零初始条件下，环节或系统的输出量与输入量的拉氏变换之比，若某一环节其输入量的拉氏变换为XSR(S),其输入量的拉氏变换为XSC(S),则该环节或系统的传递函数W(S)为：W(S)= (31)于是它们之间的函数关系为：放 大 器：UK(S)=K(S).U(S);触 发 器：a(S)=Kz(S).UK(S);可控硅装置：Ua(S)=Ka(S).a(S);电 动 机：n(S)=KM(S).Ua(S)；测速发电机：UTG(S)=KTG(S).n(S)式中 K(S)放大器的传递函数 Kz(S)触发器的传递函数 Ka(S)可控硅装置的传递函数 KTG(S)测速发电机的传递函数以W(S)表示整个系统的传递函数，则为： W(S)=KM(S).Ka(S).Kz(S).K(S) 所以 n(S)=W(S).U(S) (32)因而图39所示的框图，便可以用一个很简单的总框图来表示，如图310所示。 图3-5 闭环控制系统方框图 第四章 轧制时的张力设定计算和张力的自动控制4.1 轧制过程中张力的产生及其分析4.1.1 张力的产生在实际轧制过程中，轧件上所以会有张力的作用，是由于在轧件长度方向上存在这速度差，使得轧件上不同部位处的金属有相对位移而产生张应力，平均单位张应力（T, 平均）乘以所作用的横截面积(A)就是作用在轧件上的张力（T），如图41所示，其表达式如下： T=AT, 平均 (41)式中 T作用于横截面积上的张力； A带钢的横截面积； T, 平均平均单位张力。 根据弹性体的胡克定理可知，金属弹性变形时，应力（）与弹性应变（）是正比的关系，即： =E. (42)式中 E材料的弹性模数，钢的E=2.1104kg/。由此可知，应力的产生式由于金属弹性应变之故。现从图41的轧件上取出任意两点a和b来分析，以此两点之间的距离为标准距离，用L0表示，a和b两点之间的速度分别用Va和Vb表示，且Va Vb，轧件方向上的位移量为L，则弹性应变可用下式表示： =L/L0 (43） 图 4-1 应力的产生及其大小取决于轧件方向的应变，即取决于该两点的相对位移量，要使a与b两点有相对位移，只有a和b两点之间存在这速度差才有可能，按公式（43）求出应变值之后，则轧制时的应力可按公式（44）求出，次应力也就是张应力，用0, T表示，即： 0, T=E. (44）因此，当a和b点之间有速度差时，则作用在轧件上的张力值（T0）为： T0= （45）有公式（45）可知，在具体轧制条件下，A、E和L0皆为定值，所以在轧制过程中张力值的产生完全是由于a点和b点速度差而引起的。4.1.2 张力的作用在轧制过程中，张力主要有以下几方面的作用：（1） 防止轧件跑偏 在实际生产过程中，即使是以绝对平行的轧件截面进入绝对平行的轧缝的轧辊中进行轧制时，但往往因为喂钢时不能很正确的对中，由于沿轧件宽度方向上的压力分布不均匀，仍会造成轧件跑偏。轧件在轧制过程中一旦发生跑偏，如果又不加以纠正的话，随着轧制过程的进行，跑偏现象就会造成恶性循环，愈演愈烈。 为了消除跑偏，当然可以采用凹形辊缝或用导正夹板夹正，但此两种方法度有一定的局限性和一定的不足。在实际轧制过程中，凹形轧辊实际上主要起到轧件的自动对中的作用。实践表明，轧辊凹度太小时，防止轧件跑偏的作用不太明显，而轧辊凹度太大时，又轧不出横行厚度均匀一致的高精度带钢。并且用凹形辊缝纠正跑偏，还需要一定的时间，也就是说这种跑偏的方法用一定的滞后性，因而不可避免的也会使轧件产生一定的变形。用导正板夹直，从原理上讲，实质上是在轧件内改变应力的方法，来防止轧件跑偏。但这种方法仅适用于厚度较厚的轧件，往往会因为作用在轧件上的侧压力，导致带钢产生压折。变且由于轧件与侧导板之间有一定的间隙，在轧制过程中也有一定的滞后。 若采用张力轧制，当轧件进入轧辊时，可以在一定的张力作用下平稳地进入轧缝，走出轧缝，在轧制过程中，张力反应速度很快，可以说是无滞后的，所以有利于轧出更精度的产品，并且可以简化操作。 （2）使所轧带钢板形平直 板形是衡量板带钢质量的指标之一，所谓板形的良好就是指板带钢的平直度好。轧制之后的板带钢之所以会出现不良好的板形，其主要原因是变形不均，轧件中的残余力超过了稳定时所需的压应力。如果在轧制过程中给轧件加上一定的单位张力，使得板带钢沿着宽度方向上的压应力不超过也许的压应力，不可以保证轧出平直的产品。（3）降低金属的变形抗力和变形功 再无张力作用下，金属在变形区中受三向压应力的作用。在有张力作用时，张力不仅可以使水平方向的压应力减小，而且还可以使垂直方向上的压应力减降低，因而也就使轧制力降低。并且，当后张力比较大时，还可以使水平方向的张应力由原来的压应力变为拉应力，使得垂直方向上的压应力更小，轧制压力降低得更明星。后张力与前张力相比，后张力对降低单位压力和轧制压力的效果有更明显的作用。由于张力的作用，促使轧制压力降低，自然金属变形时所需要的功耗小。（4）能适当的调节带钢的厚度 在轧制过程中，张力的作用是很敏感的，可以用它来作厚度的微调。除上述作用之外，现结合冷轧的情况，进一步阐明张力的作用，开卷肌张力对于能否保证顺利穿带起着重要作用，如果开卷机张力过大，便无法穿带；如张力过小便会产生堆钢现象。并且张力还不应该大于前轧工序，卷取机的带钢张力，否则可能会引起钢卷的层间窜动，造成表明擦伤。在考虑上述因素的情况下，为了保证稳定性生产，应尽量提高开卷张力。从卷取机来说，张力过小时，会造成卷的不紧，钢卷从卷曲机上卸下来之后，会因钢卷自身的重量而导致钢卷变成椭圆形，长时间堆放后甚至会产生严重的塌卷。卷的太松的钢卷，即使没有发生变形，而在平整机上也会出现打滑的现象。如果卷取张力过高，则从卷取机上卸下钢卷的内圈常会产生扭折，也会由于表面的压力过高产生粘接而造成报废。在轧制过程中，张力的作用直接影响到成品的厚度精度、板形和表面质量，为了使轧机能轧制出良好的带钢，必须对张力进行控制和利用。4.2控制张力的基本方法及其原理从轧制生产的实际情况来看，轧制过程中张力的控制方法一般可分为间接法和直接法两种，但绝大多数采用间接法进行张力控制。间接控制张力的基本原理如图所示是卷取机传动示意图。 图 4-2 卷取机传动机构示意图电动机的转矩为： MD=CMIa=TD/2i+M0Md （4-6）式中 MD电动机的转矩， M0空载转矩， Md 加减速时所需要的动态转矩， T张力， D钢卷的直径， i减速比， 电动机的磁通， Ia电动机的电枢电流， C电动机的结构常数，在恒速卷取时Md=0，考虑空载转矩较小，并忽略不计，于是张力为： T=2CMi（Ia）/D=Km(Ia)/D (4-7)有公式（4-7）可知，要维持张力T的恒定有两种方法：一是维持Ia=常数和/D=常数；二是使Ia正比于/D而变化。1 维持Ia和/D恒定来使张力恒定 此种方法目前用得比较多，该种张力控制系统有两个独立的部分组成。（1） 电枢电流控制部分，它是通过调节电动机的电枢电压来维持Ia 的恒定。（2） 磁场控制部分，它是通过调节电动机的励磁电流，使磁通 随着钢卷直径D成正比例变化，从而使/D的比值保持恒定。 从上述两部分来看，由于电枢电路电阻Ra小，电枢电压U或电动势E的微小变化都会引起 有很大变化，因此通过点数电压来调节，分灵敏，并且反应快，所以电枢电流控制是主要的。而磁场控制部分仅在卷径D有变化时才起作用，变化较慢。 图 4-3 间接法张力控制系统原理图图4-3是间接张力控制系统图，它是按照维持Ia恒定和/D恒定的思想而构成的。在卷取机张力建立控制时，U使电压调节器YT饱和，饱和值的大小由电位器W调节。W也是作为张力给定用的。YT的输入作为ig是作为张力电流的给定值，通过电流调节器LT来使电枢电流Ia维持恒定，即维持张力恒定，Ug的大小与带钢的线速度成正比，当带钢加速时，Ug也随之加大，卷取电动机的电枢电压也随着钢卷的线速度成比例升高。根据D=60/n的关系式，在卷取机线速度恒定的情况下，随着钢卷直径D的变化，要求电动机的转速n和D相应的成反比例关系变化。为了维持/D 的比值恒定，可以通过调节电动机的励磁电流来实现。ZC为卷径测量器，它的输出作为电动机磁通调节器T的给定信号。随着钢卷直径的变化，假若此时的刚卷直径D由小变大，则ZC的输出也由小变大，通过T调节器使电动机励磁电流增大，由于励磁电流的增大使得磁通也随之相应地增大，于是就调节/D的恒定。此种间接张力控制法的优点是：IT和D控制起来比较直观。而它的缺点是：只要不在最大卷径的情况下，不论是高速还是低速，电动机都处于弱磁状态，所以电动机的转矩得不到充分的利用；由于D，所以电动机的弱磁倍速也就等于卷径变化的倍速，但卷径变化倍数大时，要求电动机的弱磁倍速也大，与实施的电动机的体积增大；这种控制要求按最高工作速度和最大张力的乘积来选择电动机的功率，但实际上此两者并不是同时出现，而是一般告诉时带钢薄，要求张力小，因此电动机的功率得不到充分利用。为了合理的利用电动机的功率，于是又有按最大转矩原则进行张力恒定的控制。使Ia正比于D/来实现张力恒定 此种方法又称为最大转矩法，图6-9是它的控制系统原理图，根据n=(U-Ia/Ra）/Ce的关系，在基速以下时，电机按满磁工作；而在基速以上工作时靠电枢电压U再通过调节器GT使电动机在弱磁条件下工作。在正常卷曲工作时转速调节器ST处于饱和状态，其输出电流等于限副值，而此限副值的大小通过除法器给出，它的值与D/成正比，然后经调节器LT使得IaD/来实现张力恒定的控制。此种控制系统，不论卷径大小，基速以下的电动机第一满磁工作，因此就可以合理的利用电动机的功率。由于弱磁倍速与卷径D无关，故可以选用弱磁倍速小的电动机。他的缺点是电动机的电枢电流与张力无对应关系，若张力显示张力值，操作人员无法知道此时的张力究竟是多少。此外，若在某些小功率的简单系统中，没有调磁部分，往往希望电动机恒磁工作。由于=常数，于是要使IaD，来实现张力恒定的控制。4.3 直接法控制张力的基本原理直接法控制张力一般有两种：一是利用张力计测量实际的张力，并将它作为张力反馈信号，使张力达到恒定；二是利用活套建立张力，由活套位置发送器给出信号，改变卷取机的速度，维持活套大小不变，从而控制张力。直接法控制张力它的优点是控制系统简单，避免了卷径计算、速度变化和空载转矩对张力的影响，控制精度高。其确定是不稳定，特别是用张力计反馈的系数，在建立张力的过程中，有时容易出现反弹现象。例如当加上张力给定之后，开始带钢还处于松弛状态，没有张力的作用，当卷取电机加速时，等到带钢一拉紧，张力反馈突然投入，并迫使电机减速，于是带钢又松开，张力反馈突然又消失，电动机又加速，如此反复，结果带钢一紧一松的来回弹。所以一般采用直接法张力控制系统都要设法先建立张力，待建立稳定的张力之后，再将张力闭环系统投入工作。第五章 厚度自动控制5.1 轧机厚度自动控制原理及方法厚度作为衡量板带钢材质量的重要的一个指标，故厚度的自动控制也是现代钢材生产的重要部分。厚度自动控制系统是指轧机在轧制过程中，通过对轧辊进行在线调节使钢板的纵向厚度和横向厚度基本保持一致。实现厚度自动控制的系统称为厚度自动控制系统 (Automatic Gauge control systems,简称AGC systems) 。轧机钢板的厚度控制包括两个方面，一个是对横向厚度的控制，也称为板型控制；另一个是对纵向厚度的控制。在轧机厚度控制过程中，使用测厚仪或传感器不断测量出板厚，并将实际测量值与设定值进行比较得出一系列的偏差信号，然后计算机相关程序和控制器根据这些信号偏差使压下装置、张力或轧制速度发生改变，将板带材厚度控制在允许的偏差范围内。由于板带材是通过轧辊辊缝中轧出来的，辊缝的大小和形状对板带材纵向和横向厚度起着关键作用，所以只有深入了解轧辊辊缝大小和形状变化的规律对轧机厚度控制的影响，这样才能提高轧机厚度控制的精度。5.2 厚度控制的基本原理和厚度波动的原因5.2.1 厚度控制的基本原理我们将轧机弹性变形曲线与轧件的塑性变形曲线在同一坐标系内所形成的曲线图称为轧机的弹塑性曲线，简称为图，如图5-1所示。如图5-1所示的轧机弹性曲线和塑性曲线图，其中，板带的轧制过程是轧件产生塑性变形和轧机产生弹性变形的过程，两个过程在同一系统中，又是同时发生的。轧件在轧制过程中的变形时按一定的规律进行的，这一规律就是塑性特性曲线。图 5-1 弹性曲线和塑性曲线图下面对图5-1中的一些参数进行定义，如表5.1所示。表5.1 参数定义表轧辊空载辊缝机座弹性变形量带材的实际厚度轧制力轧制力的变化量机座弹性变形增量轧机纵向刚度系数设轧件进入辊缝之前的原始辊缝为。轧件进入辊缝之后，开始进行轧制工作，工作机座就会在轧制力的作用下发生弹性形变，此时辊缝变大，导致与轧件接触的轧辊形状呈现出凹形状态。弹性变形会导致实际压下量减小27，经分析，所得到的轧件厚度的表达公式如式（5-1）所示。 （5-1）所谓的轧机弹性变形曲线就是轧机弹性变形的程度大小与轧制压力之间的关系用图形的形式表达出来，这个曲线也被称作是轧机的弹跳曲线。它们的关系表达曲线图如图5-1-a所示。 在这里引入纵向刚度系数的概念。对照图5-1-a，在曲线图上截取轧制力的变化量和机座弹性变形增量，则纵向刚度系数的表达公式如下式（5-2）所示28。 （5-2）将式（2-1）与式（2-2）联立，可以得到轧件的实际轧出厚度表达式为： （5-3）在上式中，表达了、以及之间的关系，这个关系方程式又称为是轧机的弹性变形曲线方程29,30。在图5-1-b所表示的塑性曲线中，我们将轧制力写成线性函数的形式，如式（5-4）所示。 （5-4）在这里定义轧制力的上述表达方程为金属压力方程。式（5-4）称为是轧件的塑性曲线方程。下面对式（5-4）中的一些参数进行定义，如表5.2所示。表5.2 塑性曲线方程中的参数定义表轧制力轧带材宽度来料厚度实际轧出厚度摩擦系数前张力后张力变形抗力在这里假设实际轧出厚度是变量，而、等设为恒定值，则轧制力就可以表达为： （5-5）在这里引入塑性刚度系数的概念。对照图2-1-b，在曲线图上截取轧制力的变化量和轧件弹性变形增量，则塑性刚度系数的表达公式如式（2-6）所示28。塑性刚度系数用符号来表示。 （5-6）为了提高板带材厚度控制的精度，一般需要消除一些非线性性质的影响。对于如方程式（5-3）所确定的轧机弹性变形方程，需要按照下面的方程式进行有效的调整31。 (5-7)将轧机弹性曲线和塑性弹性曲线进行组合，就可以得到轧机的图，如图5-2所示。其中曲线、曲线分别称为轧机弹性曲线、轧件的塑性曲线。轧机弹性曲线的斜率是在曲线图上截取轧制力的变化量和机座弹性变形增量的比值，称为是纵向刚度系数。轧件塑性曲线的斜率是在曲线图上截取轧制力的变化量和轧件弹性变形增量的比值。轧机弹性曲线和轧件塑性曲线的交点对轧制力具有很大的作用。当塑性曲线分别变化到时，为了保障实际轧出厚度组要将轧机弹性曲线由变化到，而此时只需调整就能实现。故可以总结出，为了保障实际轧出厚度的精确控制，总使轧机弹性曲线与塑性曲线相交于等厚轧制线，从而得到恒定厚度的带材。图 5-2 轧机图由图可以看出，要获得等厚的板材，必须使轧机的弹性特征曲线和轧件的塑性特征曲线始终交到垂直的直线上，这条垂线相当于轧机刚度为无穷大时的弹性特征线，故称为厚轧制线。因此，板材厚度自动控制系统实际上就是不管轧制过程中轧件的塑性特征曲线如何变化，也不管轧机的弹性特征曲线如何变化，总是使它们交到等厚轧制线上。5.2.2 板带厚度波动的原因分析在轧机厚度控制过程中，实际轧出厚度会受到轧制压力、原始辊缝和轴承油膜厚度等因素的影响，这些因素大致可以分为轧机和轧件两个方面。其中，原料厚度变化、变形抗力以及板带材张力变化等因素都是轧件方面的因素；辊缝和油膜厚度的变化属于轧机方面的因素。油膜厚度的变化是由于支撑辊动压轴承受速度变化的影响而产生的。辊缝变化是由于轧机工作机件的弹性形变和支承辊重心发生变化致使轧辊旋转而产生的。 在图可以很清晰的分析出造成厚差的各种原因。影响轧件厚度的因素主要有温度的变化、空载辊缝变化、轧制压力、轧机的纵向刚度系数和轴承油膜厚度。（1）空载辊缝的变化在轧机工作过程中，由于轧机工作部件会产生热膨胀导致轧辊的磨损和轧辊偏心，从而使辊缝产生变化影响轧出厚度。若是在高速轧制时，出现辊缝周期性变化时就会产生高频的周期性厚度的波动32。此时的弹跳曲线变化图如对图2-3所示。由图5-3所示，当空载辊缝发生变化时，弹跳曲线也发生响应的变化。如，空载辊缝转换到或时，曲线也相应的移到或，从而使得厚度曲线由移到或。图5-3 弹跳曲线变化图（2） 温度的变化温度变化是通过温度差对轧机厚度波动产生影响，温度波动会对金属变形抗力和摩擦系数的产生很大影响，从而有一定的厚度差。（3）轧制压力的变化轧制压力的变化是产生板带材厚度控制不精确的重要原因之一。它的变化可以使弹塑性曲线的位置和斜率发生变化从而使轧机厚度发生波动。只要弹跳曲线和塑性曲线的交点位置发生变化，轧机厚度就会受到影响。以下分别是原料厚度，张力、摩擦系数、变形抗力不同时对弹塑性曲线的影响图。图5-4 轧制压力波动对轧件厚度的影响a)当原料厚度增大时，塑性曲线的起始位置右移至。轧制压力增大时，轧件厚度增大至；反之，轧件厚度就减少至。故原料厚度不均匀使轧出的轧件厚度产生相应的波动。所以将原料厚度控制在一定的误差范围内就可以使轧件厚度精度更高。b)张力的变化可以对带钢头尾部厚度和其它部分的厚度产生影响。张力增大使得轧制压力减小从而使塑性曲线的斜率变小，即轧件厚度变薄。但是若张力过大，不但会使厚度发生变化，同时宽度也会发生变化，所以在热连轧过程中通常采用微套量的不变张力进行轧制，而冷连轧是在冷态进行轧制，采用较大张力进行轧制。c) 轧件与轧辊间摩擦系数增大会导致轧制压力变大，塑性曲线的斜率变大，从而导致轧件厚度变厚。反之，会使轧件厚度变薄。轧制速度对轧件厚度的影响就主要是通过对摩擦系统来实现的。d) 变形抗力减小使得轧制压力减小，塑性曲线斜率减小，从而导致轧件厚度变薄，故当原料力学性能不均匀、温度变化或者其它参数变化时就会对厚度精度控制产生影响。(4) 轧机纵向刚度系数的变化对轧机的厚度自动控制过程中，由于受到外界因素的影响使得弹性变形曲线发生变化，进而影响轧机纵向刚度系数的变化。纵向刚度系数与轧机的弹性变形量成反比的关系，故为了提高板带材的厚度控制精度，应该增加纵向刚度系数的值。(5) 油膜厚度变化对轧件厚度的影响变化油膜厚度的变化也会影响轧件的厚度。油膜的厚度与轧件的厚度成反比的关系，它们之间的关系与空载辊缝变化对于轧件厚度的影响原理大体上是相似的33,34。除了上述因素可以对轧件厚度产生影响外，机械性能的不均匀和带钢焊缝处的硬度也会引起厚度的波动。5.3 厚度自动控制的基本方式对厚度进行控制的自动控制方法是借助测厚仪器来实现的。首先利用测厚仪连续测量钢板实际轧出的厚度，然后将实际的测量值与给定的数值对比得到偏差信号，再通过控制回路和计算机的程序使张力轧制的速度、压力、张力、压下位置及金属的秒流量等，使得厚度在允许的偏差范围内。实现厚度自动控制的系统称为厚度自动控制系统(AGC)。实际板厚的获得根据方式不同可以分为直接测量和间接测量。直接测量的方法是指用安装在轧辊后的测厚仪测量轧件实际厚度。由于测厚仪与轧辊有一定的距离，所以测出的板厚不是轧制时正在辊缝中的板厚，而是到达测厚仪处的板厚。如果根据这个厚度调整压下，必然有时间滞后，其误差也是较大的。间接测量的方法是通过弹性特征方程进行计算而间接测量的，即先测出轧制力和原始辊缝，然后根据弹性方程得出板厚。这些运算过程是在PLC数字计算装置中进行的，系统中的基本信号是轧制力，被调节量是辊缝。间接测量方法测出的板厚是正在辊缝中的板厚，因而无时间滞后现象。将直接或间接测厚得到的厚度输入厚度计中，并分别转换成电气量相加。如果相加后为零，说明辊缝中的板厚与设定板厚相等，即无厚度偏差，此系统中无信号输出。如果相加后不为零，则说明辊缝中的板厚与设定板厚有一个厚度偏差。此时AGC便有一个信号输出，去调整压下改变辊缝或者调整张力与辊缝速度直到输出量为零，即消除了板厚差。厚度控制系统可按轧制过程中控制信息流动分成反馈式、前馈式、监控式、张力式和金属的秒流量式等方式。下面分别对这几种控制方式进行介绍。5.3.1 反馈式厚度控制虽然采用轧制压力补偿策略和闭环控制系统能够实现对压下位置的调节，然而这两种方法既不能改变轧辊磨损和膨胀对空载辊缝产生的作用，又不能减小位移传感器与测量元件自身误差对控制板带厚度所造成的影响。采用反馈式厚度控制策略能够减小上述因素对板厚控制带来的不利影响。如图5-6所示，该图为反馈式AGC的结构图。在板带材轧制的工程中，是由测厚仪测量出来的，它代表实际轧出来的厚度。给定的厚度用来表示。将这两个厚度值进行比较就可以得到厚度差。故，当时，。然后将所得到的厚度偏差传递给反馈AGC装置，则AGC装置根据得到的信号进行一定的分析，然后对执行机构发出命令，执行机构根据得到的命令对该系统做出适当的调节，最大程度上减小误差。图5-6 反馈式自动厚度控制系统的结构图要想最大程度的减小厚度偏差，需要了解轧机弹性变形曲线和塑性变形曲线所在的弹塑性曲线，即图。下图为反馈式自动厚度控制系统的弹塑性曲线图，在图中，可以看到辊缝调节量和厚度偏差之间的关系。图 5-7 反馈式自动厚度控制系统的弹塑性曲线图从如图5-7所示的反馈式自动厚度控制系统的弹塑性曲线图中可知： (5-8) (5-9)将式（5-8）和（5-9）相除，可以得到： （5-10）也就是说厚度偏差的表达式为： （5-11）也可以写成下面的形式： （5-12）由式(5.12)可知，带钢的厚度偏差与辊缝调节量、纵向刚度系