（控制理论与控制工程专业论文）本钢热连轧厂带钢自动厚度控制系统的研究.pdf

查j ! 查堂堡主堂垡堡奎 一一塑茎一 摘要 本论文以本钢连轧厂轧制生产线的技术改造为研究背景，本套系统是由美国 通用电器公司提供。在查阅了大量国内外相关文献和现场调研的基础上，简述了 带钢厚控技术的国内外发展历程、研究现状及趋势与展望。深入分析了带钢轧制 的特点及厚控因素，并了解了轧制过程中产生厚差的原因及补偿措施。 在熟悉现场轧线设备和工艺流程的基础上，分析并掌握了本套系统的硬件配 置。根据厚控原理得出g m 式a g o 、前馈等多种厚控策略及控制算法，从而对 a g c 系统加深了理解，进行了充分的分析和完全的消化。在了解整套系统工作原 理基础上，对系统提出了迸一步改进和完善的方法，即为加强控制效果，可在原 系统上增加秒流量控制的方法，以使厚控精度更高。 f 本套系统在现场应用中，控制效果令人满意，完全能够满足生产工艺的要 求。) 。， 关键词：热带钢轧机、厚度控制、辊缝补偿、i - f 铫2 $ , j 查些奎兰堡主兰垡堕奎 茎壅壁要一一一 a b s t r a c t t h ep a p e ri sb a s e do nt h et e c h n o l o g et r a n s g o r m a t i o no fo n es t r i p p r o d u c t l i n e i nb e n x ii r o na n ds t e e lg r o u dc o m p a n y t h es y s t e mi s o f f e r e d b yg ec o m p a n y o nr e a d i n g al o to fd o m e s t i ca n da b r o a d c o r r e l a t i v ed o c u m e n ta n dr c s e a r c h m g i nt l l es c e n e i ts u m m a r i z e dt h e d e v e l o p m e n tc o u r s e ，p r e s e n ts i t u a t i o n ，d e v e l o p i n g t e n d e n c y a n d f b r e c a s to ft h e s t r i pg a u g e c o n t r o l a th o m ea n da b r o a d i t d e e p l y a n a l y z e d t h e p o s i t i o n a n ds e n s eo f s t r i p i nt h en a t i o n a l e c o n o m y c h a r a c t e r i s t i e so f s t r i p a n dt h ef a c t o r so f g a u g e c o n t r 0 1 o n f a m i l i a r i z i n g t h e t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s a n dr o l l e d e q u i p m e n t i nt h e s c e n e ，i ta n a l y z e dt h eh a r d w a r ed i s p i s e o ft h e s y s t e m o nt h eb a s i so ft h e p a r t i c a l a r t y o ft h e s t r i pt e c h n o l o g y ，i tg a v e m a n yg a u g ec o n t r o l t a c t i c s w h i d la r ei nl i n ew i t ht h ed i f f e r e n tt r a c k r o l l e dd e m a n d so nt h ew h o l e p r o d u c t i o n l i n e o nt h eb a s i so ft h e t h e o r y o ft h e g a u g ec o n t r o l ，w eg e t t h e m a n y c o n t r o la r i t h m e t i c i t i m p r o v ea n dp e r f e c tt h ea g cs y s t e m b e s i d e s d i g e s t i n g t h es y s t e m a g ci s r u n n i n g i n p r o d u c t i o n l i n e i t p r o v e d t h a tc o n t r o le f f e c t o fg a u g es y n t h e s i sc o n t r o l l e rc a l lm e e tt h ed e m a n d so ft e c h n o l o g yo f p r o d u c t i o n k e y w o r d s ：h o ts t r i p m i l l ，g a u g ec o n t r o l ，g a pc o m p e n s a t i o n c o m p u t e r c o n t r o l i i 东北大学硕士学位论文声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在毛志忠导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：吕传红 日 期：2 0 0 3 年2 月1 5 目 奎i ! 盔堂堡主兰焦堕塞蔓二雯堕i ! 一 第一章概述 1 1 项目背景及意义 随着钢铁行业竞争的日益激烈，高质量、高产量、低成本已经成为现代钢铁 企业得以生存的必备条件。生产过程自动化是迅速提高冶金生产产量的重要途 径。近代冶金自动化的一个主要特点是应用电子计算机对生产过程进行全面的综 合控制。而带钢热连轧是当前钢铁工业应用计算机最为成熟而且也是最有成效的 一个部门。为了满足各工业部门迫切要求供应厚度均匀的带钢，1 9 5 7 年起热连轧 机开始设置带钢厚度自动控制系统( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l ，简称a g c 系 统) 。随着a g c 系统的不断改进，它已经成为现代热连轧机所必不可少的控制手 段，它使钢板延轧制方向上厚度均匀，减小同板差和异板差，从而改善产品质 【1 l 鼍，提高成材率。 本文所介绍的a g c 系统就是作为整个热连轧机自动控制系统的一部分，20 01 年从国外引进并开始投入使用。为改善板材质量，本钢热连轧厂于2001 年对1 7 0 0 m m 热连轧机进行了二期改造。在厚度控制方面，在原有电动压下控制 基础上，增设了液压压下控制。由于成功地使用了高精度的液压a g c 控制，板材 厚度精度有了很大的提高，板材厚度指标达到了国内一流水平。 1 2 带钢热连轧机自动化发展历程 带钢热连轧机自动化经历了以下几个阶段： 人工操作( 5 0 年代以前) ，人工操作加上单机自动控制系统( 1 9 5 5 1 9 6 0 年) 、计算机控制和单机自动控制系统并存( 1 9 6 0 1 9 6 9 年) 、全部计算机控制 ( 1 9 7 0 年以后) 。 钢铁工业中第一台生产过程机是美国麦克劳思钢铁公司于1 9 6 0 年在1 5 2 5 m m 壅j ! 盔兰亟主堂焦迨銮蔓二量煎i 墨一 带钢热连轧机精轧机组上使用的，此后，在这一领域中计算机的应用迅速发展， 使热轧机自动化进入了一个新的阶段，1 9 6 5 年以后新建的热连轧机基本上都已采 用计算机榨制。随着计算机摔制存精轧机组上的成功应用，1 9 6 4 年以后，一方囱 在设定控制数学模型改进方面继续努力( 1 9 6 7 年后普遍采用了自适应技术) ，另 一疗面，进一步扩大了控制项目，如温度控制等。 我国的热连轧机自动化的发展远远落后于国外，有的到8 0 年代才开始技术改 造。 1 3a g c 应用技术的进步 ( 1 ) 从模拟a g c 到数字a g c 早期的a g c 系统都是采用模拟电路来实现的。模拟电路调试是通过调整可变 电阻和可变电容来完成的。因此调试过程非常复杂，调试周期很长。而且，模拟 电路故障发生率高，且故障检测困难。同时，模拟a g c 无法对数学模型进行准确 的计算。随着电子技术、计算机技术和离散控制技术的发展，模拟a g c 逐渐被数 字a g c 所取代。数字a c , - c 系统硬件构成简单，且计算机运行稳定，故障率小，故 障检查简单，对大型数学模型的处理也容易。能够适应不同钢种、规格和工艺参 数的要求，便于对过程中的参数进行补偿、修正。另外，计算机技术在a g c 系统 中的应用，t 吏a g c 系统的开发周期和调试周期大大缩短”1 。 1 9 6 0 年美国开始在热带钢轧机上使用计算机控制，1 9 6 4 年、1 9 6 6 年英国和日 本也分别采用了计算机控制。7 0 年代开始用计算机全面控制冷轧机。现在，厚度 自动控制和全盘讣算机控制已成为轧制生产中必不可少的手段。 ( 2 ) 从电动a g c 到液压a g c 在实际生产中，电动a g c 是最先取得成功的。1 9 5 5 年在冷轧机上开始应用电 动a g c ，1 9 5 8 年在热轧机上开始应用a g c 。但是它有着自身不可克服的缺陷。首 先，响应速度慢：由于厚度控制属于相对调节距离小的动作，其响应时问主要是 - 2 奎a e 盔堂塑堂焦迨窒j 塑= 熏煎| 一 依靠系统的加速度。而电动a g c 系统的加速度一般达不到要求。另外还存在设备 效率低，载荷不能太大等缺点。 实践表明，电动a g c 适应不了大轧制力下的大规模生产，满足不了高精度产 品的要求。特别是高速轧制时，电动压下系统的响应速度更是不适应。 随着液压技术和控制技术的发展，人们逐步掌握了能在大轧制力和恶劣环境 f 可靠工作的液压伺服控制技术以及对液压管道的消震和高压液压密封技术，于 是液压a o c 在1 9 6 9 年被正式投入工业应用。相比之下，液压a g c 具有压下速度快 ( 约比电动压下侠5 1 0 倍，加速度快2 0 1 0 0 倍) ，定位精度高等特点。另外液 压系统具有快速自动卸荷装置，可以防止过载时设备损坏。 ( 3 ) s u p e r a g c 前面介绍过的a g c ，包括绝对值a g c ( 在控制中实测出轧制力和辊缝信号， 间接求出与目标厚度之差，再去改变辊缝值使出口厚度恒定。这种控制策略是以 目标厚度为基准值，而不是锁定厚度，理论上可以严格达到目标厚度) 在内都存 在如下问题： 对于厚件来说，由于a g c 的响应滞后，厚度偏差不能被完全消除。 对于薄件来说，由于a g c 动作而产生的轧制力的变化影响轧件的平整度。因 此，a g c 的能力无法被充分使用，损失了厚控精度。 s u p e ra g c 就是为了解决这个问题而被提出来的。它的基本思想就是在前一 道次的轧制中控制轧件的厚度，以使下一道次的轧制力、辊缝、厚度都没有波 动。即用入口板厚的适当分布来抵消水印等原因引起的轧制力波动。这样的结果 即是：轧制力实现零波动，也就实现了厚度的均一。使用s u p e r a c r c ，在最后道 次以前，它的瞄准目标厚度的功能已经发挥的很充分了，所以最后道次使用什么 样的a g c 已经是无关紧要。但是为了补偿实际轧制中的厚度偏差，最后道次还是 要使用绝对值a g c 。一般情况，s u p e ra g c 沿长度方向，每2 5 0 r a m 计算一次。 s u p e r a g c 是一种前馈控制，因此压下系统滞后可以预测并提前进行补偿， 从而解决了响应滞后问题。在最后道次虽然使用绝对a g c ，但在此之前厚差已经 奎j e 盔堂亟土堂焦迨塞筮二重燕i 垒一 被基本补偿，所以要求a g c 的动作量很小，响应滞后问题几乎不存在。对于薄板 来说，在前面的道次中，已经针对会引起下一道次轧制力波动的厚差、水印等进 行了处理，所以最后道次的轧制力的波动得以限制，这样绝对a g c 的功能得以充 分发挥而不会引起板形恶化。 1 4 产生厚度误差的原因及补偿措施 大体来说，产生厚差的原因可分为三大类： 一、轧机方面的原因 轧辊热膨胀和磨损、轧辊弯曲、轧辊偏心和支撑辊轴承油膜厚度等都会产生 厚度波动。它们都是在液压阀位置不变的情况下，使实际辊缝发生变化，从而导 致轧出的带钢厚度产生波动。 l 、当轧件进入轧机，工作辊和支撑辊被加热，当轧机空载时，工作辊和支 撑辊被冷却。温度升高时辊径膨胀，实际辊缝减小。轧辊热膨胀在轧制开始后经 过3 0 分钟可达1 m m ，其变化率约为0 5u s ，是一种缓变的干扰。轧辊表面因轧制 时磨损而导致辊径减小，这也是个缓慢过程。 采用辊缝补偿的办法进行修正，另外监控功能对其也有修正作用。 2 、轧辊弯曲变化会引起有效辊缝的变化。轧辊弯曲产生的应力也将改变辊 缝的形状。 采用轧辊弯曲应力补偿。 3 、轧辊偏心造成实际辊缝周期性的变化，其变化频率为支撑辊转速的二 倍。轧辊偏心一般可达2 5 5 0p m 。 轧辊偏心的影响不能用g m 式a g c 来克服，它会使厚差增加。为了消除g m 式 a g c 的相反作用，采取了轧制力偏心滤波的措旅。 4 、油膜厚度由于速度升降及轧制力大小而造成波动，油膜厚度增加使实际 辊缝减小。 采用油膜修正的办法对油膜的影响加以补偿。 茎i 盔堂堕圭堂焦垒塞一皇望l 塑i l ! 一 二、轧件方面的原因 l 、引起金属变形抗力变化的各种因素对轧机厚度的变化都有很大影响。对 热轧来说，最重要的就是轧件温度的波动。它包括加热温度不均匀和轧制过程中 温度降落不一致等。热轧带钢厚度变化的总趋势是由头至尾逐渐加厚，中间会出 现几个由水印影响造成的几个厚度增大的峰值。 ( 1 ) 厚度偏差是由于带钢长度上的温差造成的。之所以出现温差是由于粗 轧末架出口速度比精轧第一机架入口速度大，使得带钢尾部在空气中停留时间比 头部长而造成的。 近代轧机采用加速轧制，当加速度合适时，能使头尾温差均匀。改造系统也 采取了加速轧制的办法来克服首尾温差的影响。即当最末架咬钢以后开始加速轧 制。这是由主传动控制实现的。 ( 2 ) 水印温差是由于钢坯在加热炉中加热时，沿着水冷的轨道滑动造成的 局部温降。 采用前馈控制可以消除水印造成的厚差。 2 、坯料尺寸变化的影响。它包括来料宽度不均和来料厚度不均的影响。 ( 1 ) 来料宽度不均将引起总轧制力和机架弹跳的变化最后导致厚度波动。 采用对机架弹跳进行宽度修正的方法消除宽度不均对厚度的影响。 ( 2 ) 为了得到厚度精确的产品，一般要求来料有尽可能小的尺寸公差。 三、轧制工艺方面的原因 轧制时前后张力的变化、轧制速度的变化等也是造成厚度波动的原因。 l 、当带钢尾部出了上道机架时，出现张力失张和相应厚度增加。 采用活套位置调节系统进行张力失张补偿。 2 、速度的变化主要影响轧件变形抗力及轴承油膜，从而产生厚度波动。 采用油膜补偿的方法可以消除轴承油膜的影响，变形抗力的影响在控制算法 中加以考虑。 壅i ! 盔堂塑主堂垡丝塞 兰二里煎垒 1 5 本论文所做的工作 本论文是以本钢热连轧厂在2 0 0 1 年对1 7 0 0 m m 车l 机进行的二期改造为对象进 行的研究工作。主要工作有： l 、查阅了大量国内外相关文献，简述了热连轧机自动化的国内外发展历 程，了解了a g c 技术的发展过程及轧制过程中产生厚差的原因及补偿措施。 2 、在现场熟悉了轧线设备和工艺流程，分析并掌握本套系统的硬件配置。 3 、对a g c 系统进行了消化和分析。 4 、提出了进一步改进和完善的方法。 东北大学硕士学位论文 第二章a o c 理论基础 第二章a g c 理论基础 厚度自动控制是通过测厚仪或传感器对钢板实际轧出厚度连续地进行测量， 并根据实测值与给定值相比较后的偏差信号，借助于控制回路和装置或计算机的 功能程序，改变压下位置、张力或轧机速度，把厚度控制在允许偏差范围内的方 法。实现厚度自动控制的系统成为“a g c ”。 根据轧制过程中对厚度的调节方式不同，一般可分为：反馈式、厚度计式、 前馈式、张力式、液压式等厚度自动控制系统。 2 1a g c 的基本概念 2 1 1 轧机弹跳与弹跳方程 轧机弹跳的物理意义是在轧制过程中，由于受轧制力的作用，轧机的机架、 轧辊、轴承等部分都会产生弹性变形，这些变形引起的辊缝变化的总和即称为轧 机弹跳一。即为轧机负载辊缝与空载辊缝的差值。带钢的实际轧出厚度h 与欲调 辊缝值s n 和轧机弹跳值as 之间的关系可用弹跳方程描述： j d h 2 s o + s 2s o 十瓦 ( 2 1 ) 其中：p ：轧制压力 k 。：轧机刚度 b ：出口厚度 由它所绘成的曲线称为轧机弹性曲线，如图2 1 曲线a 所示。其斜率k ，称为轧 机刚度，它表征使轧机产生单位弹跳量所需的轧制压力。 2 1 2 轧件塑性曲线 轧制时的轧制压力p 是所轧带钢的宽度b 、来料入1 3 与出口厚度h 与h 、摩撩 东北大学硕士学位论文 第二章a 1 0 c 理论基础 系数f 、轧辊半径r 、温度t 、前后张力o h 与以及变形抗力o s 等的函数。 p = f ( b ，r ，h ，h 。f ，t ，o h ，哳，o ，) ( 2 - 2 ) 此式为金属的压力方程( 又称塑性变形方程) ，当b 、r 、h 、h 、f 、t 、 o 一、o 。及h 等均为一定时，p 将只随轧出厚度h 而改变，这样便可以在图2 - 1 的p - h 图上绘出曲线b ，称为金属的塑性曲线，其斜率m 称为轧件的塑性刚度，它 表征使轧件产生单位压下薰所需的轧制压力。m 值的确定，可以根据已知的h 、 h 、b 、r 、t 、v 和材质等测量出一个轧制压力p ，然后再假定在其他条件不变的 情况下，增加a h 毫米的压下量( 即改变h ) ，又可测量出一个轧制压力p ，则 m 便可按下式确定出来： p t p m 2 i 百一 ( 2 - 3 ) 口 此外，也可用直线斜率m = k 南近似地代替塑性曲线上工作点处的切线斜 率的办法来确定，系数k 是为了修正此种近似计算所产生的误差，系数k 一般为 0 9 11 。 将弹性曲线和塑性曲线画在同一坐标上，得到弹塑性曲线迭加的p - h 图，如 图2 1 所示。p p 图2 - 1 弹塑性曲线迭加的p h 图 f i g21 t h e o v e r l a po f e l a s t i c i t y c i i v ea n d p l a s t i c i t yc u r v o 垄j ! 盔堂堡堂堡垒皇 箜三皇避g 璺垒薹堡! 一 2 1 3 轧制过程中厚度变化的基本规律 带钢实际轧出厚度主要取决于s 0 、k m 和p 这三个因素。因此，无论是分析轧 制过程中厚度变化的基本规律，还是阐明厚度自动控制在工艺方面的基本原理， 都应从深入分析这三个因素入手。 2 1 3 1 实际轧出厚度随辊缝而变化的规律 轧机的原始预调辊缝值s 0 决定着弹性曲线a 的起始位置。随着压下螺丝设定 位置的改变，s 。将发生变化。在其它条件相同的情况下，它将按如图2 - 2 所示的 方式引起带钢的实际轧出厚度h 的改变。例如因压下调整或采取预压紧轧制时都 会使带钢轧得更薄。除此之外，再轧制过程中，因轧辊热膨胀、轧辊磨损或轧辊 偏心而引起的辊缝变化，也会引起s 。改变，从而导致轧出厚度h 发生变化。 夕。 p 、 歹 h r h 3 | | h 2 q 预压紧 轧制? 预压力p o ： ， h s o s 一 五? 叭 一 j 图2 - 2 f i 9 2 2 2 1 3 2 实际轧出厚度随轧刚度而变化的规律 轧机的刚度k 。随轧制速度、轧制压力、带钢宽度、轧辊的材质和凸度、工作 辊与支持辊接触部分的状况而变化。所以，轧机的刚度系数不是固定的常数，而 是由各种轧制条件所决定的数值。当轧机的刚度系数增加，则实际轧出厚度减 小，如图2 3 所示。 壅兰兰盔堂堡主兰焦丝壅箜三皇璺g 塑垒薹堡! 一 在实际的轧制过程中，由于轧辊的凸度大小不同，轧辊轴承的性质以及润滑 油的性质不同，轧辊圆周速度发生变化，也会引起刚度系数发生变化。就使用油 膜轴承的轧机而言，当轧辊圆周速度增加时，油膜厚度会增厚，有油膜刚性增 大，带钢可以轧得更薄。 p - b k 葩 太h 一 h 2 s 一 l i 一 图2 - 3 f i 9 2 3 2 1 3 3 实际轧出厚度随轧制力而变化的规律 如前所述，所有影响轧制压力的因素都会影响金属塑性曲线b 的相对位置和 斜率，因此，即使在轧机弹性曲线a 的位置和斜率不变的情况下，所有影响轧制 压力的因素都可以通过改变a 和b _ - - 曲线的交点位置而影响着带钢的实际轧出厚 度。 当来料厚度h 发生变化时，便会使b 曲线的相对位置和斜率都发生变化，如 图2 4 所示。在s 。和k 。值一定的条件下，来料厚度h 增大，则b 曲线的起始位置右 移，并且其斜率稍有增大，即材料的塑性刚度稍有增大，故实际轧出厚度也增 大，反之，实际轧出厚度要减小。所以当来料厚度不均匀时，则所轧出的带钢厚 度也将出现相应的波动。 在轧制过程中，当减小摩擦系数时，轧制压力也会降低，可以使得带钢轧得 更薄，如图2 5 所示。轧制速度对实际轧出厚度的影响，也主要是通过对摩擦系 奎! ! 奎堂堡主堂垡堡壅 墨三皇垒箜堡丝薹壁 数的影响来起作用，当轧制速度高时，摩擦系数减小，则实际轧出厚度也减小， 反之则增加。 当变形抗力o ，增大时，则b 曲线斜率增大实际轧出厚度也增厚，反之，则 实际轧出厚度变薄，如图2 6 所示。这说明当来料机械性能不均或轧制温度发生 波动时，金属的变形抗力也会不一样，因此，必然使轧出厚度产生相应的波动。 轧制张力对实际轧出厚度的影响，也是通过改变b 曲线的斜率来实现的，张 力增大时，会使b 曲线的斜率减小，因而可是带钢轧得更薄，如图2 - 7 所示。热连 轧时的张力微调，是通过对张力的控制，使带钢轧得更薄和控制精度。 在实际轧制过程中，以上诸因素对带钢实际轧出厚度的影响不是孤立的，而 往往是同时对轧出厚度产生作用。所以，再厚度自动控制系统中应考虑各因素的 p 图2 - 4 来料厚度对轧出厚度的影响 f i b 2 - 4t h ee f f e c to f l h es l a bt h i c k n e s s 0 1 1t h ee x i tt h i c k n e s s 图2 - 6 变形抗力对轧出厚度的影响 f i g2 - 6t h e e f f e c to f d i s t o r tr e s i s t a n c e o nt h ee x i tt h i c k n e s s 图2 - 5 摩擦系数对轧出厚度的影响 f i g 2 - 5t h ed to f f r i c t i o nc o - e f f l c i e n t o nt h ee x i tt i l i e k n e s s 图2 7 张力对轧出厚度的影响 f i g 2 - 7t h ee f f e c to f t h e p o l lt e n s i o n o nt h ee x i tt h i c k n e s s 壅j ! 盔堂堡主堂焦迨塞蒸三童j 笪望堡墨堕_ 2 1 4 消除厚差原理 p - h 图可以定量地说明原料厚度h 。、钢板轧出厚度h 、轧制时的压下量h 、轧制压力p 、轧辊空载辊缝s 。及辊缝调节量s 这六个参数间的关系，以p - h 图作为工具，可以直观地看出利用控制压下来消除厚差的原理。如图2 8 所示： p p o p l p 图2 - 8 厚差消除原理 f 遮2 8t h et h e o r yo f e l l m i n m i n g o f t h i c k n e s sd i f f e r e n c e 假设设定来料的轧件厚度为h o ，轧制压力为p o ，轧出钢板厚度为ho 。当实际 轧件入口厚度变为h ( 曲线2 ) ，将使轧制力变为p - ，轧出厚度变为h 。，产生h 的厚差。为消除这个厚差，改变预设辊缝，使之增加s ，这样保持了出口厚度 不变，而轧制力变为p 。从这可以看出，当轧件的厚度减少时，使轧制力减少且 轧出厚度变小，为了保持出口厚度不变，抬起辊缝，轧制力进一步减小；相反若 当轧件的厚度增加时，轧制力增加，轧出厚度增加，为了保持出口厚度不变，减 小辊缝，轧制力进一步增加。可见压力a o c 是根据所检测的轧制力来进行正反馈 控制。 2 1 5 轧机的当量刚度 在采用厚度自动控制的轧机上，往往用轧机的当量刚度mc 来表示轧机的刚 度。当量刚度可用( 2 - 4 ) 式来表示： m 。：赛 1 2 ( 2 4 ) 塞北太堂强坐位i 金玄 一j 良2 邑亟z 豇鲴墅出一 式中：d p 一轧制力的波动量 d h 一轧件的厚度偏差 现以入口厚度不均匀时的厚度控制为例，说明轧机当量剐度的基本原理。 如图2 8 所示，假设设定来料的轧件厚度为h o ，轧制压力为p o ，轧出钢板厚 度为h 。当实际轧件入口厚度变为h 。( 曲线2 ) ，将使牟l i d b 变为p t ，轧出厚度 变为h ，产生h 的厚差。为消除这个厚差，改变预设辊缝，使之增加s ( s = s s0 ) ，这样保持了出口厚度不变，而s l y 力变为p 。此时轧制力的波动 嚣为p ( a p = p p o ) ，轧后的厚度仍为h 。此时轧机的弹跳方程可以写为： h 2 s 。+ 砺1 + a s(2-5) 式中：m 一轧机的自然刚度系数 ( 2 5 ) 式的微分形式： d h = 等+ d s ( 2 6 ) 将( 2 6 ) 式代入( 2 - 4 ) 式得： d nd p m c 2 磊5 森d p + d s ( 2 。7 ) 式中：等与d s 总是符号相反的。 从( 2 7 ) 式中可以看出，当辊缝调整量d s 与轧机弹跳名大小相等( 当然符 号相反) 时，轧件厚度偏差曲= 0 ，这时称为轧机的当量刚度mc 无穷大。这里的 当量刚度无穷大并不是说轧机本身，而是指采用某种厚度控制方法后，轧机具有 完全消除厚差的能力，从另一个角度可以认为轧机刚度无穷大，此时轧件入口厚 度的波动并不能影响出e l 厚度。 2 1 6 变刚度 当轧机的当量刚度无穷大时，虽然可以完全消除轧件纵向厚度偏差，但由于 轧辊的弯曲程度变大，轧件的板形变差。当轧机的当量刚度较小时，则轧件的板 壅些盔兰堡圭堂丝堡塞一j 塾兰生垒垡翌墅鎏! 里! 一 形较好而纵向厚差变大，所以希望轧机的当量刚度是可变的，以便根据不同的工 艺要求，采用不同得控制方法。 由( 2 7 ) 式可知，轧机的当量刚度系数m c 与辊缝调整量d s 及轧机的弹性变 形量害有关。如果用变刚度系数c 来表示d s 与轧机弹性变形量害的比值，即： d s c 。万 ( 2 8 ) 面 则( 2 7 ) 式可用变刚度系数c 来表示，即： d pm m c 2 面_ 习万2 丁刁 ( 2 - 9 ) ( 2 9 ) 式表示了轧机当量刚度系数m 。与变刚度系数之间的关系，只要修改 变刚度系数c ，即改变辊缝调整量d s 与轧机弹性变形量等的比值，就可以改变轧 机的当量刚度。例如： 1 ) 当c = 1 时，m ，为无穷大，即可以完全消除厚差。 2 ) 当o c 1 时，m c 大于轧机本身刚度而小于无穷大，辊缝调整量只能对 厚差进行部分补偿。 3 ) 当c = o 时，m c 等于轧机的自然刚度，轧机对辊缝不调整。 4 ) 当c o 时，m 。小丁轧机刚度，辊缝调整方向与轧机弹跳变形量方向不 同。 2 2 几种基本a g c 及其控制原理 这里主要介绍厚度计式、测厚仪式、前馈式自动控制系统。 2 2 1 厚度计( g d 式a g c 在轧制过程中，任何时刻的轧制力p 和空载辊缝s 。都可以检测到，因此，可 壅韭盔堂堡主堂笪丝塞一一舅e 蔓l 笪基墨塑望型l 一 用弹跳方程h ：so + p k ，计算出任何时刻的实际厚度h 。在次种情况下，就等于 把接个机架作为测量厚度的“厚度计”，这种检测厚度的方法称为厚度计方法 ( 简称g m 方法) 。根据轧机弹跳方程测得的厚度和厚度偏差信号进行厚度自动 控制的 图2 - 9g m 式a g c 系统原理图 f i g 2 9t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f a g cs y s t e mi ng m m o d e 其中：h 。一出口厚度给定值 h ，一出口厚度实际值 h 一厚度偏差 h = h h s 。一辊缝实际值 s 一为消除厚差h 所需的辊缝调节量 如图2 1 0 ，根据p - h 图可求s ： p 1 5 - 图2 1 0 f i g2 - 1 0 查j ! 态堂塑圭堂垡堡塞 蔓三兰_ 璺g 墅堡墅! l 图中：h 。一设定入口厚度h - 一实际入口厚度 h = d b ；c d m c dc dm + 乜 s 2 a d + d b 3 石+ 面2c d 丽 故 坐a s = 丽c d 等) = 彘 舻警曲 ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 即为g m 式a c a z 的控制算法。 由于来料厚度发生变化( 由h 。变为h ，) ，带钢的塑性曲线由b 变为b ，这 样产生厚差a h 。辊缝调节s 之后，弹性曲线m a 变为a ，这样，出口厚度又 回到h 。，即h = 0 。只要检测到厚度偏差h ，便可以计算出为消除此厚度偏差 应作出的辊缝调节量s 。 很显然，g m 式a g c 属于反馈控制，即存在时间滞后。 2 2 2 测厚仪式a g c 测厚仪式a g c 就是利用x 射线测厚仪直接检测出实际轧出厚度并与给定厚度 值相比较，得到厚度偏差ah ，当二者数值相等时，ah = 0 。若实测厚度值与给 定厚度值相比较出现厚度偏差ah 时，反馈给厚度自动控制装置进行相应的调 节，以消除此厚度偏差。 测厚仪式a g c 系统如图2 - 1 1 所示： 驴一霉i - 圃i 碰以匕彩 ( 未带钢 。 机架 - 7 -圈2 1 1 测臣付昔a g c 囊纬鼯理豳 f i g 2 - 11t h es c h e m a t i c d i a g r e a no f a g cs y s t e mi ng a g em o d e - 1 6 - 奎! ! 查堂堡主堂焦堡皇箜三皇塑垡墅垒薹堡一 测厚仪式a g c 与g m 式a g c 的区别仅在于厚度检测的方法不同，而控制算法 完全一样，即( 2 1 0 ) 式仍然成立； a s = 笔竺h m 上式表示，为了消除带钢的厚度偏差a h ，则必须使辊缝移动( 1 + j o ah 的距离。因此，只有当k 。越大，而m 越小，才能使得s 与h z f 日7 的差别愈 小。当k 。和m 为一定值时，即( k 。+ m ) k 。为常数，则a s 与a h 便成正比关 系。只要检测到厚度偏差h ，便可以计算出为消除此厚度偏差应作出的辊缝调 节量s 。 澳i 厚仪式a g c 也存在时间滞后，所以也是反馈控制。 2 2 3 前馈式a g c 由于反馈式a g c 都避免不了控制上的传递滞后或过渡过程滞后，因而限制了 控制精度的进一步提高。特别是当来料厚度波动较大时，更会影响带钢的实际轧 出厚度的精度。为了克服此缺点，现代连轧机上广泛使用前馈式厚度自动控制系 统，简称前馈a g c 。 前馈式a g c 的控制原理就是用测厚仪或以前一机架作为“厚度计”，再带钢 未进入本机架之前测量出其入口厚度h “并与给定厚度值h o 相比叫较，当有厚度 偏差h 时，便预先估计出可能产生的轧出厚度偏差h ，从而确定为消除此偏 差所需要的辊缝调节量s ，然后根据检测点进入本机架的时间和移动s 所需的 时间，提前对本机架进行厚度控制，使得厚度的检测点正好就是h 的检测点。 前馈式a f i g 2 - 1 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f a g cs y s t e mi nf e e d f o r w a r dm o d e - 1 7 一 查i ! 盔堂堡主堂焦堡塞兰兰兰- 坚翌堡笙垄里! 一 图中：h r 一机架i 的入口厚度实际值 h 0 一机架i 的入口厚度设定值 a h 一机架i 的入口厚差a h 2 h 0 h - 如图2 1 3 ，根据p - h 图可求前馈式6 j g c 的控制算法： p 由前( 2 1 0 ) 式已知： 又由图可知 又因： 所以 代入( 2 - 1 0 ) 式得： 图2 - 1 3 f i g 2 1 3 k m + m 8 2t 6 h h = a b = a d + d b = 罢+ 面c d = 罐。瓦+ 面。霄a c d h 2 8 d 2 瓦 a h = 等笋) k a h 面) k h = 与a h2 卜砺2 ) s ：了m h 2 瓦 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 式( 2 - 1 2 ) 就是前馈式a g c 的控制算法。 由式( 2 1 1 ) 可以看出，轧机对来料厚度偏差h 有一定的自动纠正能力。 查韭盔堂堡主堂堡垒塞 篁三童垒! 堕垄盟望墅里一 因带钢在头几个机架中的温度比较高，带剐的塑性刚度m 较小，所以其纠正厚度 偏差的能力也就较大。 前馈控制常用于消除带钢的水印。由于前馈式a g c 是属于开环控制系统，所 以，它常与反馈式a o c 结合使用。 本章小结 本章主要研究了a g c 理论中的相关概念，并重点对厚度计式a g c 、测厚仪式 a g c 和前馈式a g c 的模型进行了推导，得到了相应的控制算法，以便在运用这些 模型时能有足够的理论依据，为进一步提高带钢厚控精度提供了理论基础。 奎韭杰堂堡主堂垡迨銮 釜三童望鱼墨墨型墨竺蔓里旦 第三章设备及控制系统配置 3 1 连轧机系统改造概况 奉钢1 7 0 0 m m 热带钢连轧机是我国自行设计、制造的第一套大型宽带轧钢 机，共有十架轧机，其中粗轧区r 1 水平辊e l 立辊为可逆轧机，r 2 、r 3 机架传动 电机为交流同步机。精轧为f i f 7 七架连续轧机。1 9 8 0 年开始试生产。1 9 8 7 年对 这套轧机进行了一期改造。2 0 0 2 年又进行了二期改造，这次改造的主要项目有： l 、新增e 1 强力立辊轧机，板坏一次侧压量最大达1 0 0 m m ，具有调宽控宽 ( a w c ) 和短行程( s c c ) 控制功能。 2 、新增精轧f 1 f 7 液压压下，七机架液压a g c 控制。 3 、f 2 f 7 液压弯辊，弯辊力1 0 0 0 k n 侧。 4 、f 2 f 4 串辊( c v c ) 板形控制装置。 5 、r l 主传动、e l 主传动、f 1 f 7 主传动采用i g c t 交一直- 交大功率变频调 速。 6 、采用基础自动化和过程自动化系统。 改造后的1 7 0 0 m m 热连轧机设计年生产热连轧钢卷3 4 1 2 5 万吨，设计年生产 热轧板卷3 3 6 9 5 万吨，最高轧制速度1 8 米秒，最大卷重2 4 吨，最大单重1 6 k e g m m 。 3 2 轧机设备参数及工艺流程简介 3 2 1 设备的参数 1 、r 1 水平辊 轧辊型式：四辊可逆 主电机功率：4 3 0 0 k w 2 - 2 0 一 查些查堂堡主兰堡堡壅 篁三童堡鱼墨塑型墨竺! 里曼 电机转速：o 4 0 6 0 r p m 最大轧制力：2 5 0 0 0 k n 最大轧制力矩：4 9 0 0 k n m 支持辊辊径：1 4 0 0 1 5 5 0 m m 工作辊辊径：1 1 1 0 1 1 5 0 m m 2 、e 1 立辊： 主电机功率：1 3 0 0 k w 2 电机转速：o l 1 0 2 7 0 r p m 最大轧制力：7 0 0 0 蝌 最大轧制力矩：2 6 0 0 k n m 辊径：1 0 5 0 1 3 0 0 r a m 辊身长：6 3 0 m m 3 、r 2 ，r 3 水平辊： 电机功率：9 0 0 0 k w 电机转速：5 0 0 r p m 最大轧制力：2 5 0 0 g l k n 最大轧制力矩：r 2 ：3 9 2 0 k n m ；r 3 ：2 6 4 6 k n m 支持辊辊径：1 4 0 0 1 5 5 0 m m 工作辊辊径：r 2 ：1 0 6 0 1l1 0 m m ：r 3 ：9 1 0 9 6 0 m m 4 、f 1 f 7 水平辊： 轧辊型式：四辊不可逆 主电机功率：f l f 4 ：7 0 0 0 k w ：f 5 f 7 ：6 3 0 0 k w 轧制速度：f 7 最大：1 8 6 5 m s 最大轧制力：3 0 0 0 0 k n 支持辊辊径：1 4 0 0 1 5 5 0 m m 工作辊辊径：7 0 0 7 5 0 m m 2 1 - 奎韭查堂堡主兰垡丝塞 墨三兰望兰堕壁型坐塑堕! i 生 3 2 2 工艺流程简介 生产 艺流程如图( 3 1 ) 所示： 圈3 - 1 连轧机组生产工艺流程图 f i b3 - 1 t h ef l o wc h to f c o n t i n u o u sm i l - 2 2 丕些盔堂塑主堂焦迨銮篁三皇丝鱼堡垄塑匮塑e i 坠 3 2 3 计算机系统配置 改造后连轧机采用基础自动化和过程自动化系统。系统配置如图3 - 2 所示： 快 图3 - 2 计算机系统配置图 f i g 3 - 2 c o m p u t e rs y s t e m sc o n f i g u r a t i o n - 2 3 - 查韭奎堂堡圭兰焦堡奎 兰三童丝鱼墨篓型墨竺塑 3 2 3 1 基础自动化 基础自动化设备采用的是美国通用电气公司( 简称g e ) 提供的最新产品 u c 2 0 0 0 单元控制器，其控制程序采用模块化专用软件，编程方便、灵活。其通 讯采用网络通讯方式，其中与过程自动化的通讯采用专用大信息量的 s u p e r v i s o r y e g d 以太网。单元控制器之间的通讯采用信息量较大的专用e g d 网和快速p r i v a t ee g d 网，基础自动化与主传动之间则采用快速异步通讯网i s b u s 。而与辅助传动装置之间的通讯则采用p r o f i _ b u s 网。基础自动化与现场i 0 模块之间的通讯则采用g 姗s 网。 它的特点如下： l 、采用模块化编程语言，其程序编写灵活、方便。 2 、采用网络通讯方式，极大减少了硬件设备，使设备故障率大为降低。 3 、大量信息进入一级自动化系统，设备故障诊断准确、方便。 本钢热连轧厂现共有1 8 套u c 2 0 0 0 单元控制器，其所控制的设备名称和功能 如f ： l 、粗轧主令控制r s p d ：r 1 水平辊和e l 立辊主传动速度控制及粗轧区辊道控 制。 2 、粗轧辊缝控制r g a p ：r 1 r 3 水平辊压下、e l - e 3 立辊开度及粗轧侧导板 开度控制。 3 、粗轧换辊控制r r i c ：e l 立辊自动换辊、r 1 半自动换辊、粗区高压水除 鳞控制及粗轧液压站控制。 4 、自动宽度控制r a w c ：a w c 包括板坯的头部、尾部锥度控制，其控制设 备为e l 立辊。e 1 立辊最大减宽量为1 0 0 m m ，控制范围为7 4 0 r a m - 1 9 0 0 m m ，响应为 7 5 m s 5 0 1 t m ，定位精度为o 1 m m 。 5 、精轧主令控$ o f s p d ：f 1 一f 7 主传动的速度控制和活套的调节控制。 6 、精轧机架控制器f i s c - f 7 s c ：精轧辊缝控制、厚度自动控制、弯辊控制、 f 2 - f 4 串辊( c v c ) 控制。 其中： 1 ) 板凸度控制在基础自动化中通过f l f 7 弯辊和f 2 - f 4 争辊进行，而板平真度 查a i 盔堂亟堂焦迨塞筮三熏塑垒巫整剑丕笪亘l 墅 则利用f 5 f 7 弯辊进行控制 2 ) 改造后精轧f l f 7 采用液压弯辊控制，弯辊力为1 0 - 1 8 0 吨，控制精度为 1 设定弯辊力，响应为8 0 m s 5 0pm 。 3 ) f 2 - f 4 i 作辊为c v c 辊，可进行串辊控制。串辊最大行程为1 5 0 m m 。 7 、精轧换辊f f l l c ：精轧支持辊、工作辊换辊控制及精轧液压站控制。 8 、精轧侧导板控制f f s g ：精轧f 1 f 7 侧导板的短行程控制、精轧高压水除鳞 控制。 9 、轧件跟踪控制t r d r ：从粗轧区直到卷取区的轧件监控。 3 2 3 2 过程自动化 用于过程控制的计算机及其控制系统是从美国g e 公司引迸。其控制区域涵 盖了加热区、粗轧区、精轧区和卷取区。 用于过程控制的网络分为监控网、e g d 控制网和专用e g d 网。轧制线上所 有的工作站( 共4 7 台) 都连接在监控网上，并且过程控制计算机中的s q l 数据库 服务器d b i 和数据库备用服务器d b 2 也接在监控网上。而操作画面服务器及其备 份服务器、系统数据库服务器、数学模型主机服务器s u p i 及其备用服务器s u p 2