轧钢自动化原理.ppt

轧钢自动化原理课程概要 授课教师：张大志 MADE BY 李丽颖 41170016,课程内容简介,一、轧钢与自动化的背景介绍 二、轧钢基础知识（以热连轧为例） 三、自动控制原理 四、PLC 介绍,一、轧钢与自动化的背景介绍,1.1 关于轧钢 从青铜到冶铁再到炼钢，至近现代的金属加工技术，人类对金属及其合金已经经历了6000年以上的使用和研究。 轧钢即是指借助于旋转的轧辊与金属间的接触摩擦，将金属咬入轧辊缝隙内，同时在轧辊的压力作用下，使金属发生塑性变形的过程。如图1.1-1所示.,图1.1-1,一、轧钢与自动化的背景介绍,1.1 关于轧钢 图1.1-2 轧钢工作原理,一、轧钢与自动化的背景介绍,1.2关于自动化 1.2.1定义 自动化即指机器或装置在无人（直接）干预的情况下按照规定的程序或指令自动地进行操作或运行。这一概念由美国福特公司的机械工程师D.S.哈德于1946年最先提出，如今已被看做是人类文明进步和现代化的标志。 1.2.2 自动控制基本理论发展简史 稳定性理论的早期发展 根轨迹法的建立 脉冲控制理论的建立与发展 经典控制理论（或古典控制理论）（19世纪初） 现代控制理论（20世纪60年代） 大系统控制理论 智能控制理论（20世纪70年代）,一、轧钢与自动化的背景介绍,1.2.3 自动控制技术的发展 自动化技术形成时期是在18世纪末20世纪30年代，两种典型的动力技术为风车技术和蒸汽机技术。19351950年左右为其经典控制时期。50年代末进入现代控制时期，随着现代控制理论和电子计算机的推广应用，自动控制与信息处理结合起来，自动化控制技术日渐得到广泛应用，如我国863高技术计划、神舟飞船发射等都与其有着密切联系。 1.2.4 控制系统的分类 按输入信号变化的规律：恒值系统、随动系统、程序控制系统 按系统是否满足叠加原理：线性系统、非线性系统 按信号传递的形式：连续系统、离散系统 按系统参数是否随时间变化：定常系统、时变系统 按输入输出变量的多少：单变量系统、多变量系统,一、轧钢与自动化的背景介绍,1.2.5 自动控制系统的应用,一、轧钢与自动化的背景介绍,1.2.5 自动控制系统的应用,数控机床 自动包装机器人,加工生产线 自动码垛机器人,一、轧钢与自动化的背景介绍,1.2.5 自动控制系统的应用,家用电器：,电扇：控制转速,洗衣机：控制水位、强弱、时间等,电冰箱、空调、电饭煲：控制温度,一、轧钢与自动化的背景介绍,1.2.6 自动控制系统实用分析,一、轧钢与自动化的背景介绍,1.2.6 自动控制系统实用分析,家用冰箱恒温系统的方框图,一、轧钢与自动化的背景介绍,1.2.6 自动控制系统实用分析,一、轧钢与自动化的背景介绍,1.2.6 自动控制系统实用分析,锅炉液位控制系统的方框图,一、轧钢与自动化的背景介绍,1.3 轧钢自动化 1.3.1 定义 轧钢自动化即是自动化理论和技术在轧钢生产中的具体应用。它通过采用反映轧钢过程变化规律的数学模型、自动控制装置、控制器及其控制程序，使各种过程变量保持在所要求的给定值上，并合理地协调全部轧钢过程以实现自动化操作的一种先进技术。 实现轧钢自动化的基础：自动化理论和技术、工程控制理论和方法。条件：工艺数学模型和控制数学模型、先进的控制系统、可靠的检测仪表和执行机构。 1.3.2 轧钢自动化的发展 轧钢自动化技术的发展过程就是轧钢产品质量要求不断提高的过程，分为三个阶段：1）40-50年代，单机自动化阶段；2）60年代，单机自动化和计算机控制系统共存阶段；3)70-今，DDC阶段。,二、轧钢基础知识（以热连轧为例）,2.1轧钢生产线及基本工艺流程,二、轧钢基础知识（以热连轧为例）,2.2 宽带钢热连轧生产线自动控制系统 2.2.1 简介 宽带钢热连轧生产线是一套综合了机电液多系统的复杂大系统，其中自动控制系统在整条生产线中占有重要地位。目前国内先进的热连轧生产线的三电基本由国外大公司提供，国内自主开发的莱钢1500mm热连轧生产线的自主控制系统是一套国内首次采用与世界同步的Siemens TDC系统由高效轧制国家工程研究中心集成和设计开发的。世界上能提供全套系统的国际大公司主要有德国西门子公司、美国CE公司和日本三菱公司。目前我国能够独自承担宽带钢热连轧自动控制系统工程，标志着我国自动化系统开发集成技术水平基本达到了同类国际先进水平。 2.2.2 热连轧生产线主要设备及工艺流程 现代热连轧生产线主要由机械设备、电气设备和液压润滑设备组成。 热连轧基本工艺流程为：合格连铸坯由装钢机推入步进梁式加热炉内进行加热；加热好的坯料被托出经粗轧除鳞后送往E1、R1组成的可逆粗轧机组轧制35道次；轧出的合格中间坯被送往热卷箱卷成热卷，开卷后继续运行至精轧机组；精轧机组一般由一架立辊和六至七架平辊轧机组成，机架间设,二、轧钢基础知识（以热连轧为例）,有活套装置；并设有液压AGC自动厚度控制系统和工作辊弯辊装置，用于保证带钢全长范围内的厚度精度及板形要求；带钢头部从精轧末架出来经一小段辊道空冷进入带钢层流冷却装置将带钢冷却至所要求的卷取温度；带钢头部出冷却区后咬入具有助卷辊自动踏步控制功能卷取机在恒张力状态下卷取；带钢成卷后经卸卷小车卸卷并放置在打捆站上打捆；然后由步进运输机将钢卷取走称重、并完成标记后，采用专用吊具把钢卷吊运至成品库堆放、待发。 工艺流程简图如图所示 . 2.2.3 热连轧自动控制系统设计 特点：控制功能众多且集中；控制周期短、速度快；功能间紧密联系且相互影响；控制系统长期不间断运行。 系统功能结构：控制系统分为三级，即L2过程控制级、L1基础自动化级和L0传动设备级,二、轧钢基础知识（以热连轧为例）,2.3 热连轧生产线自动控制系统（工艺要求）,二、轧钢基础知识（以热连轧为例）,2.3 热连轧生产线自动控制系统（工艺要求）,二、轧钢基础知识（以热连轧为例）,2.3 热连轧生产线自动控制系统（工艺要求） 2.3.2 工艺要求 产品规格:不锈钢; 带钢厚度:2.8(2.5)8.0mm; 带钢宽度:9001300mm; 钢卷内径： 762mm; 钢卷外径: 1750mm(max) 最大卷重:20.8t; 钢卷单重： 16kg/mm(max) 原料规格 轧线所用原料为前工序连铸机生产的无缺陷连铸板坯，年需不锈钢连铸板坯量： 82.48104t； 厚度： 180mm 宽度： 9001300mm 定尺坯长： 12000mm 定尺坯重： 15.221t 入炉温度： 奥氏体、铁素体不锈钢 -常温；马氏体不锈钢-不小于200,二、轧钢基础知识（以热连轧为例）,2.3 热连轧生产线自动控制系统（工艺要求） 2.3.2 工艺要求 原料条件 板坯尺寸偏差(所有板坯在冷态下测量): 厚度： Max5mm，取样至少从距板坯角部200mm处取，表面不规则的坯子不考虑。 楔形：上表面测量的铸坯左右两侧厚度差最大1.5 mm。 宽度：max10mm 最大长度：30 mm 镰刀弯：max 2.5 mm/m，最大30 mm 平整度：max 2.5 mm/m，最大30 mm 设备装机水平 1450mm热带钢连轧机设备，整体装机水平在国内同类轧机中处于较先进水平，在成熟可靠的基础上尽量考虑投资，主要技术有： 设有高压水粗除鳞、E1前和R1后除鳞、精除鳞四个除鳞点，保证将板坯和中间坯表面的氧化铁皮清除干净； 具有能力比较大的立辊轧机和四辊粗轧机，立辊轧机有AWC和SSC功能，以提高宽度控制精度和成材率，四辊粗轧机设有电动压下AGC；,三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）,3.1 基本概念 自动控制在工业上即指机器设备在没有人直接参与的情况下，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制实现预期的目标。 自动控制系统即指实现上述目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。或指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。 3.2 自动控制系统基本组成 自动控制系统是控制对象以及参与实现其被控制量自动控制的装置或元部件的组合，一般由控制系统和被控对象组成。一般包括三种机构：测量机构、比较机构、执行机构。如图3.2-1所示 自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构也有简单复杂之分。,自动控制的任务利用控制器操纵受控对象，使其被控量按技术要求变化。若r (t)给定量，c (t)被控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满足c (t) r (t) 。,三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）,基本组成及参数 给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量。一般为电位器。 比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动装置、电桥电路、计算机等。 测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转变压器、浮子等。 放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制受控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压、功率放大器。 执行元件：其职能是直接推动受控对象，使其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压马达等。 校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容组成的无源或有源网络，还有计算机,三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）,测量,比较 实测值,执行,被控对象,测量,干扰,被控量,给定值H,H,在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须包含以下三种职能部件。 测量元件：用以测量被控量或干扰量。 比较元件：将被控量与给定值进行比较。 执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象 参与控制的信号来自给定值、干扰量、被控量。,自动控制方框图,三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）,3.3 自动控制系统的控制方式 3.3.1 开环控制 采用开环控制的系统称为开环控制系统。 开环控制是指系统的被控制量（输出量）只受控于控制作用，而对控制作用不能反施任何影响的控制方式，它需要控制的是被控量，而系统可以调节的只 是给定值，系统的信号由给定值至被控量 单向传递。 开环控制的特点：结构简单、成本低、 稳定性好；对扰动没有抑制能力， 控 制精度低 炉温控制系统原理方框图,定时开关,电阻丝,炉子,实际炉温T,给定炉温T0,炉温控制系统原理方框图,三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）,转台速度开环控制系统 3.3.2闭环控制 闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与控制作用之间存在着负反馈的控制方式，又称反馈控制或按偏差控制。采用闭环控制的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。闭环系统有两种传输通道：前向通道和反馈通道。,给定 速度,这种转台在C D 机、计算机 磁盘驱动器等许多现代装置 中广泛应用.,放大器,直流电动机,转台,实际 转速,系统结构图:,三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）,反馈控制系统的组成、名词术语、定义（有图）（下16）,三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）,例：电加热炉闭环控制系统,三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）,例： 转台速度闭环控制系统原理方框图,控制任务：保持转台的实际转速等于期望转速。 被控对象：转台。 被控量： 转台转速。,速度设定 u r,电池,+ -,U c,u,直流 放大器,转台,直流电机,速度,转速计,U r,- u c 转速计 转台速度闭环控制系统原理方框图,直流电机,转台,放大器,U a, u,三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）,例： 炉温控制系统工作原理图,三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）,炉温控制系统方框图,三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）,闭环控制系统的特点：具有自动补偿由于系统内部和外部干扰所引起的系统误差的能力，因而能够有效提高系统的精度；系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。 3.3.3复合控制 复合控制是开环和闭环控制相结合的一种控制方式。它在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的畅馈通路，用来提高系统的控制精度。此畅馈通路通常由对输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。 优点：高控制精度，可抑制几乎所有的可量测扰动。 缺点：补偿器的参数要有较高的稳定性。 复合控制系统简图（下页）,三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）,复合控制系统简图,四、PLC 介绍,4.1 PLC的产生和发展 二十世纪六十年代末期，美国汽车制造工业竞争十分激烈，为了适应市场从少品种大批量生产向多品种小批量生产的转变，为了尽可能减少转变过程中控制系统的设计制造时间，减少经济成本，1968年美国通用汽车公司GM（General Motors）公开招标，要求用新的控制装置取代生产线上的继电接触器控制系统。 1969年美国数字设备公司DEC（DIGTAL）根据上述要求，首先研制出了世界上第一台可编程控制器PDP-14，用于通用汽车公司的生产线，取得了满意的效果. 从PLC产生到现在，已发展到第四代产品:,四、PLC 介绍,4.1 PLC的产生和发展 第一代PLC（19691972年）：大多用一位机开发，用磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能，机种单一，没有形成系列化。 第二代PLC（19731975年）：采用了8位微处理器及半导体存储器，增加了数字运算、传送、比较等功能，能实现模拟量的控制，开始具备自诊断功能，初步形成系列化。 第三代PLC（19761983年）：随着高性能微处理器及位片CPU在PLC中大量的使用，PLC的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通信方向发展，增加了多种特殊功能，如浮点数的运算、三角函数、表处理、脉宽调制输出等，自诊断功能及容错技术发展迅速。 第四代PLC（1983年现在）：不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，精简指令系统CPU等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个微处理器，进行多通道处理，同时生产了大量内含微处理器的智能模块，使得第四代PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器,四、PLC 介绍,4.2 PLC的性能、特点及分类 4.2.1 PLC的性能指标 I/O总点数, 存储器容量, 编程语言, 扫描时间, 内部寄存器的种 类和数量, 通讯能力, 智能模块 4.2.2 PLC的特点 模块结构、可靠性、多功能性、易编程性 4.2.3 PLC的分类 按安装结构分：一体式、模块式、叠装式 按点数功能分：小型机、中型机、大型机