（机械工程专业论文）总流量控制系统在铜板轧制中的应用研究.pdf

摘要 蔓舅量鼍覃鼍皇! 鼍曼曾篁i , i ii 尝篁曼皇皇篁篇皇量囊墨曼曼鼍曼曼曼皇皇蔓鼍舅 摘要 金属加工中板、带材的生产制造是社会制造业所需要的最基本和最基础的 材料。轧制加工是板、带材生产的最重要、最有效的手段。轧机的轧制厚度控 制理论是保证轧制生产出相应产品的前提。总体流量控制理论是近代出现的轧 制厚度控制理论，是解决高速、高精度带材轧制的理论方法。 术论文是基于北京金鹰铜业有限责任公司精轧机的改造项目，以总体流量 控制理论为主导思想，从理论方面进行厚度控制的相关分析到实际控制中具体 应用程序的编制。确立总体流量控制理论在此次改造项目中的可靠性、实用性 和可行性。 首先，通过总体流量控制理论和相关理论的分析，以“即时性”的观点表 明了本控制系统的优点，通过了相关的公式推导和计算确立了轧制中轧辊辊缝 调整的数学模型和轧辊辊缝调节的约束条件。 其次，在理论分析的基础上，采用虚拟仪器类控制软件l a b v e w 进行了实 际控制程序的编制。在控制程序的运行中，足以实际生产中采集的相关来料厚 度数据，以模拟的手段输入到控制系统当中；通过控制系统的计算和处理得山 相应的控制结果。木结果基本上能满足高精度带材的要求，表明控制系统的可 靠性。 第三，采用模拟仿真技术，虚拟相关执行机构的外部条件和设施，从而仿 真出近似真实的实际系统。通过模拟仿真再现轧制工作的真实过程，对控制系 统进行调接，进行参数的优化等。 总之，可对轧机进行近似的现场调试从而确立术控制系统在实际工作中 的可行性，为北京金鹰铜业有限责任公司精轧机改造项目提供了良好的技术支 持和保证。 关键词轧机；流量控制：仿真；虚拟仪器 北京工业大学硕士学位论文 1 ,iiii,i,i 蔓詈兰警曼量置置舅皇雹皇詈皇皇寞量 a b s t r a c t m e t a ls h e e t sa n ds t r i p sh a v eb e e nb e c o m i n gt h em o s te l e m e n t a r ya n dp r i m a r y m a t e r i a l si nm a n u f a c t u r i n g r o l l i n gi st h em o s ti m p o r t a n ta n de f f e c t i v em e t h o di n m e t a ls t r i p sp r o c e s s i n g m e t a ls t r i pg a u g ec o n t r o lt h e o r yi st h ep r e m i s et oe n s u r e t op r o d u c er e l e v a n tr o l l i n gp r o d u c t s m a s sf l o wc o n t r o lt h e o r yi st h em e t a ls t r i p g a u g ec o n t r o lt h e o r ya p p e a r e di nr e c e n ty e a r s ，w h i c hi sag o o dm e t h o dt os o l v e m e t a ls t r i p sr o l l i n go f h i g hv e l o c i t ya n dh i g ht o l e r a n c e t h i st h e s i si sb a s e do nar e n o v a t i o np r o j e c t - f i n i s h i n gr o l l i n gm a c h i n e r e n o v a t i o no f b e i j i n gj i ny i n gc o p p e rp r o d u c t sc o ，l i d ，l t da n di sm a i n l yl e db y m a s sf l o wc o n t r o lt h e o r y i tt h e o r e t i c a l l ye x p a n d sr e l e v a n ta n a l y s i so fg a u g e c o n t r o la n dd e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o np r o g r a mi np r a c t i c a lc o n t r o l ，w h i c hv e r i f i e d t h er e l i a b i l i t y , p r a c t i c a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yo fm a s sf l o wc o n t r o lt h e o r yi nt h e r e n o v a t i o np r o j e c t f i r s to fa 1 1 i ti n d i c a t e sa d v a n t a g e so ft h ec o n t r o ls y s t e m 、v i t l l “i n s t a n t a n e i t y p o i n to fv i e wb ym a s sf l o wc o n t r o lt h e o r ya n da n a l y s i so fr e l a t e dt h e o r i e s m e a n w h i l e ，i tv e r i f i e sm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n so fg a u g e a d j u s t m e n td u r i n gr o l l i n g s e c o n d a r y , a c t u a lc o n t r o lp r o g r a mi sd e v e l o p e db yd u m m yi n s t r u m e n tc o n t r o l s o f t w a r el a b v i e wb a s e do nt h e o r i e sa n a l y s i s ，w h e nc o n t r o lp r o g r a mi sr u n n i n g ， c o n t r o lr e s u l t sg a i nf r o mc a l c u l a t i o na n dp r o c e s s i o no fc o n t r o ls y s t e mb ym e a n so f t h i c k n e s so fi n c o m i n gs t r i p sa n da n a l o g u ei n p u ti n t oc o n t r o ls y s t e m t h i r d l y , n e a rt r u ea c t u a ls y s t e mi ss i m u l a t e db ym e a n so fa n a l o g u e “s i m u l a t i o n t e c h n i q u ea n ds i m u l a t i n ga c t u a t i n gm e c h a n i s ma n de x t e r i o rc o n d i t i o n i tr e - a p p e a r s a c t u a lr o l l i n gp r o c e s sb ya n a l o g u es i m u l a t i o nt oa d j u s tc o n t r o ls y s t e ma n do p t i m i z e p a r a m e t e r s i ng e n e r a l ，i tv e r i f i e sf e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e mi na c t u a lw o r k i n gt h r o u 曲 s i m i l a ra d j u s t m e n t so f r o l l i n gm a c h i n eo ns i t e ，w h i c hp r o v i d eg o o dt e c h n i c a ls u p p o r t a n da s s u r a n c et of i n i s h i n gr o l l i n gm a c h i n er e n o v a t i o no fb e i j i n gj i ny - m gc o p p e r p r o d u c t sc o ，l t d k e y w o r d s r o l l i n gm a c h i n e ，l a s sf l o wc o n t r o l ，s i i n t l l a t i o n ，v ir t u a l in s t r u m e n t s u 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期：述加 关于论文使用授权的说明 本人完全r 解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被套阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲粗名：丝蹶坐孙 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 1 1 1 课题的背景 在当今这样一个充满激烈竞争的社会环境中，产品的质量就是生命，就是赖 以生存的依赖条件! 各个行业都是如此：汽车行业如果没有精美的工艺和先进的 操控设备估计也会失去活力! 机加工千于业是如此! 在板材制造行业更是如此! 以 前往往采用人工测量的方法来检测产品，这样不仅耗费人力物力而且经常出现这 样或者那样的问题，精度方面更是无法保证，而产品精度在板材制造行业可是生 命线，如果不能保证企业就失去了竞争力，这就在这方面给我们提出r 一卜分严峻 的问题，怎样才能提高加工的精度昵? 随着计算机的出现，p c 机取代了大脑的 地位，可以精确测量和控制各种物理量的呼声日益剧烈，这使得传统产品设计制 造的概念、方法、手段和体系结构受到极大的挑战i lj 。这样，一方面迫切要求有 一种崭新的产品加工设备控制设计方法，以提高新产品的质量和数量；另一方面 也要求由先进的控制系统来替代传统的控制系统。然而仅仅靠提高控制系统的性 能有时候还是无法达到要求的，所以必须对传统的加工控制理论进行进一步的升 绂和思考并结合现有的先进控制理论以达到更好的提高加工质量的目的! 市场是残酷的，企业为了赢得市场竞争的胜利，不得不解决设备控制系统的 先进性，以提高产品质量、降低成本和提高优质服务等一连串的问题。近年来计 算机技术飞速发展，已经有很多计算机自控检测的实例，然而在实际控制中的一 些理论已经无法满足市场竞争对企业产品的苛刻性，要解决这些问题仅靠提高相 关的硬件设备迩是无法达到要求，必须对长期以来的一些加工控制理论进行一些 改进。铜板加工的“总流量控制系统理论”正是基于这种背景1 f 产生的，它着眼 于产品加工整个过程，并结合微机自动控制以及软件实现对各个环节要求的信息 在加工过程中予以快速和高精度的测量并进行精确的调整，从而使产品加工的精 度能得到明显的提高，并提高了产品的质量、生产率，从而使客户和厂家之间可 以达到近似双赢的局面。 北京工业大学硕士学位论文 一i i i i i i i i 日皇! 量置置墨鼍墨鼍_ 1 1 2 轧制控制理论的发展简述 1 12 1 轧后测量反馈调整辊缝控制人们在最初生产过程中是采用对轧制 后的带材先停机，进行人工测量，对于测量的结果根据要生产的带材厚度进 行调整。 随着控制手段水平的提高，有了系统反馈控制；同时在生产中人们要求 生产足一个不问断的过程；因此产生了自动反馈控制，将人为地操作转化为 自动进行的控制。这样就产生了“轧制后测量自动反馈调接辊缝控制”。具体 工作原理如图1 - 1 所示。 图1 - 1 轧后辊缝控制示意图 f i g 1 - 1t h ec o n n o ls k e t c hm a p o f r o l lg a po f h eo u t g o i n gs l r i p 在设备的正常使用中，操作人员将工作的期望值k 预先输入到处理器中。 在设备工作时，通过测厚仪( 可对带材进行连续厚度测量) 将测量的厚度结 果送入处理器中与期望值进行比较。对于产生的偏差由处理器通过执行器对 轧辊滚缝的执行元件一压下缸进行调整，是的轧制后的带材厚度满足人们的 要求。这种控制方式的优缺点如下： 优点：1 ) 能连续的对轧制后的带材进行测量和相应的辊缝控制。 2 ) 使设备需要停机的测量变成可连续化的生产，提高了生产效率。 第l 章绪论 缺点：t ) 由于是在带材轧制后进行的测量，这样带材厚的不合格是已产生。 2 ) 这种方法对于来料的要求其一致性要好，不能有带材来料厚度的波 动和材料性能的不均匀。若产生相应的波动，对十轧制后的带材厚度就会产 生相应的波动。这样造成带材厚度超出人们期望值的可能性是非常大的。 3 ) 此种方式的厚度控制精度是不可能很高的。 1 1 2 2 轧前测量预设辊缝控制由于轧届测量反馈调整辊缝控制方式存在 着上述的缺点和不足，因此人们又提出“轧前测量预设辊缝控制”的理论和 方法。其具体的工作方式和原理如图卜2 所示。 图l - 2 轧前测量预设辊缝控制系统示意图 f i g 1 - 2t h ec o n t r o ls k e t c hm a po f e n a c t i n gr o l lg a po f t h ei n c o m i n gs t r i p 在带材进入轧辊前s 长度时进行来料带材厚度的测景h o ，同时将此数值送到处 理器中。在处理器中根据要达到的期望值h ，+ ，运用已在处理器中的轧机刚度数 学模型、被轧制材料的数学模型等进行快速计算而求得相应的轧辊辊缝的数 值h ；同时在此测量点到达轧辊辊缝时将辊缝调整到h 。这就是简单的轧 前测量预设辊缝控制原理。 在轧前测量预设辊缝控制中，处理器中预先输入好的数学模型中“轧机 3 北京工业大学硕士学位论文 曹皇茸置高鼻皇一i 一一 i 囊皇| 墨l 的刚度数学模型”在实际的设备使用中是有偏差和由于外界的f 扰、设备零 部件的变化等原因也会使此数学模型产生变动；这样就会使计算出的辊缝值 不能完全满足要求。为使这些变动、偏差得以时时的纠正，人们在轧制后又 增加了一台测厚仪。此测厚仪的目的就是将轧制后的带材在此进行检验，同 时也根据检测的结果校验原数学模型是否有偏差；对于有偏差的进行相应的 补偿或更正。这样，由于在理论的指导前提下，又经过轧后的校验、补偿和 更正是数学模型更接近于设备和材料的实际值，使带材在轧制后的精度更高。 由十轧前测量预设辊缝控制需要轧制之后的校验才能使带材达到一个相 应的稳定状态和带材高精度的状态。但是，轧制之后的校验也存在之后的现 象，这样也会产生没有控制好的带材( 有偏差的) “流入”成品中去。 如何能对“滞后”现象进行彻底的消除，即带厚控制和校验能否有“即 时”的相应? 这就产生出“带材体积流量控制”( c v f - - c o n t r o lo fv o l u m ef l o w ) 理论。 1 1 2 3 带材体积流量控制总流量控制理论的应运而生，它使得带材轧制滞 后和有空白区的弊病的根本的解决! 具体工作原理如图1 3 所示。 总流量控制理论又称：入侧体积= 出侧体积。辊缝总流量控制的工作原理 是恒定的总体流量，也就是说，带材入料侧体积n 与出料侧体积相等。 以= 均( 卜1 ) v i = l l b l h l ，v 2 一l 由2 h 2 式中1 1 ，1 2 来料的长度： b 1 ，b 2 来料的宽度； h 1 ，h 2 来料的厚度。 对式( 1 - 1 ) 的两边用时| 日jt 相除，同时根据轧制理论的最小阻力定律：带 材在轧制中是没有宽度方面的扩展，即b l ，b 2 相等。最后得公式为 v 加j v 拍2( 卜2 ) 式中v 厂一入口带材速度；v ，一t t h ， 口带材厚度； v 厂出u 带材速度；v 2 一y t 4 第l 章绪论 厂出口带材厚度。 圈l 一3 总流量系统控制示意图 f i g1 - 3t h ec o n t r o ls k e t c hm a p & t h em a s sf l o ws y s t e m 由式( 1 2 ) 我们可以看出在入侧流露确定的f i f 提下，出侧的流量也应是确 定的；换句话讲，出侧的带材厚度与出侧的带材速度有着直接的关系。出侧的 带材速度的检测足投有地点的限制( 带材足一个线性刚体) ，这样速度的检测 就存在着“即时性”。带材出口厚度的变化就能在出口速度上得到“即时的” 反映。这样通过一系列的计算我们就能够得出出口带材厚度的变化，从而对辊 缝进行相应的“即时调挺”。通过在进料侧增加一个测厚仪和个测速仪，辊 缝出料侧增加一个测厚仪和一个测速仪，并通过计算机对这些数据进行相应得 处理。以达到时时 卒制的目的。并保证在辊缝到铡厚仪之间的部分得到修难， 从而达到提高精度的目的。基于现在微机控制技术和先进的测试手段再加上良 好的传感嚣还是可以实现预期目标。因此，不难看出，总流量控制系统是一个 很有应用价值的研究方向。 1 1 24 典型的工作实例二十辊森吉米尔轧机的自动厚度控制一般只用压f 厚 度控制方案。具体控制系统有三个，即质量流控制、前馈控制和反馈控制。三个 北京工业大学硕士学位论文 控制又同时参与计算和控制带材厚度。 ( 1 ) 量流控制所谓质量流，即是指金属在塑性变形前与变形后，其体积 不发生变化，只是外形尺寸改变。冷轧钢骷轧制时，宽度不发生变化，因此带 材轧前的& 度l 与厚度h 的乘积应等于轧出的艮度l 与厚度h 的乘积。 u _ l h 质量流控制，利用轧机入口和出口带材长度及带材入口厚度几个测量结 果，计算出轧出的带材厚度，从而减少了测量出口厚度时所造成的反馈滞后现 象。 质量流控制从轧制一丌始就可以使带材达到要求的厚度，并可在轧制过程 中保持带材厚度不变。它能在轧机工作辊压下全程内实现大幅度调整。这种确 定工作辊出口处带材厚度的质量流法，已被证实是非常精确的，而且它还可以 在各种轧制情况下在各种轧机中进行连续工作。 ( 2 ) 前馈控制前馈控制可以保证轧件出l j 厚度不受入l j 厚度波动的影 响。前馈计算模型可以在轧件咬入轧辊之前，预测山所需校正值，并提前对有 关轧制参数作融相应修正，这样就可使轧件出口尺寸不致有很大的偏差。前馈 控制，工作辊动作仅限于0 2 5 4 m m 的行程范围内，使得轧辊反应动作快，而 且具有高分辨率，实际上也是将修正值限制为某个保险值。 轧制开始，在入u 侧测厚仪测量来料厚度的同时，入u 侧的脉冲测速仪 丌始测量带材的长度。每隔一个长度乙，测厚仪将一个厚度读数h 存入寄存 器中，每当l 长的带材通过辊缝时，计算器便将厚度读数h 从寄存器中取出， 与标准厚度h 0 进行比较。当入口带材有一个厚度偏差h 时，那么就出现一 个误差信号f ，对液压压下系统的液压马达或步进电机进行调攘，轧辊开口 度变化s ，这时轧机的开l j 度为s + s ，这样就可使轧件出u 尺寸不致有很 大的偏差。 如在轧制过程中，带材的力学性能发生变化，将使轧机开口度变化s ， 这时轧机开口度应当是s 十s + s7 。s7 的变化值即是压下液压缸活塞杆 的移动量。在机械液压压下装置中，将通过齿轮、行星凸轮机构使随动阀动 作，控制液压压卜机构动作，使轧机开u 度变化一s ，这时轧机开u 度又 第l 章绪论 i i 恢复到s + s 的位置；在电液压下装霞中将使位置传感器的连杆软铁移动 s7 ，这时位置传感器的磁感应线圈便产生个使活塞杆向相反方向移动的 负反馈信号，经放大后送入电液倒服阀，使活塞杆移动回到缀来位霞。 前馈控制使轧机进行“恒辊缝”轧制，轧出均匀厚度的带材，但该厚度不 一定是所要求的厚度。为使此均匀的厚度与目标厚度一致，还需要进行反馈拄 制。 ( 3 ) 反馈控制反馈控制可以调整系统操作过程中的滞后漂移现象，以保 持系统的精确性。反馈系统利用带材出u 侧测厚仪测出的带材厚度，对未能与 质量流计算相匹配的工作辊辊位置进行校正。将出口测厚仪测出的带材厚度读 数送入计算机并连续不断地被平均，然后将比例误差信号反馈到压下装置，通 过液压马达或步进电机进行压下调整，以保证轧出的均匀厚度即是目标厚度。 而且还可以及时校正由于测速仪测量轮逐渐磨损而出现的系统误差。 一台采用位置传感器压卜系统的二卜辊森吉米尔轧机的自动控制原理图， 如图1 - 4 所示。 w f 公司的二十辊森吉米尔轧机的压下系统对轧机工作辊进行定位的分辨 率可以达到：对于工作辊全部行程为0 0 0 0 6 3 5 m m ，而在限制行程为0 1 2 7 m m 时为o 0 0 0 0 6 3 5 m m ：蹙个控制系统可以做到每7 6 2 m m 带材，对有关轧制参数 作一次计算及修正，廊不考虑轧制速度的大小：产品厚度精度，目标厚度为 o 0 0 1 m m ，偏差分辨率为0 0 0 0 1 2 5m m 。 1 1 3 课题的意义 通过上西的论述我们可以了解到总流量控制系统根据恒定的总体流量原 理，是根据设备和材料的数学关系，通过在辊缝进、出料侧增加测厚仪和测速 仪，对检测到的相关数据进行计算，将计算出的数据送到执行机构预先进行设 置、执行，通过出口侧的测速仪来“即时性”的监测，通过执行机构进行“即 时”调整，从而达到对轧制带材的“即时”保证，生产出高精度的带材产品。 由十总流量控制系统要求的准则就是控制的即时性，这要就要求检测元件 灵敏度之高，计算速度之快，执行元件的准确度等都有很高的要求。在以往的 7 北京工业大学硕士学位论文 8 _【一州g能a爿ok皇g州墨口p口舀鼍4_舞h8譬霉ho直woodl_蔷童_寸二暑一 酹斜隧幕罩；督血g窭1睾婚*忸偻葛h田 第l 章绪论 i i 设备元器件和控制系统要解决此问题是比较难的，而且成本是非常高的。 随着现代技术的不断发展，控制元器件精度的提高，满足总流量控制系统 的条件已经成熟，而且制造成本已经有了明显的降低。这样发展一个适应性强 的，通用性好的，相对成本低的“带材板厚控制系统设备”用以使用现有中、 小型企业的改造和相应新设备的一h 马，是有着相当广阔的前景。不难看出总流 量控制系统是一个很有应用价值的研究方向。 e i 前，在国内加工行业( 板、带材方面) 无论是先前引进的轧机还是国内 自制的设备采用“总体流量控制系统”的实属风毛麟角。但是在使用的大部分 设备中测厚仪( 在轧制前后) 是有两台，辊缝仪和位置仪；这已为“总体流量 控制系统”的实现提供了9 0 的硬件基础。只要增加测速仪和对系统进行软件 编程将我们的工作程序输入进去整个系统的实现的资金投入就相对很小；但是 对企业产生的经济效益是非常显著和更具市场的竞争力的。因此我们说本系统 的开发又是具有其现实意义的。 1 2 总体流量控制系统的发展与国内外状况 1 2 1 国内外轧制设备的现有状况 随着带材生产要求的提高，产品精度的提高，轧制辊缝总体流量控制系统 已大部分应用到相应的生产设各中，无论是新上设备还是旧设备的改造。对于 世界上主要的轧机制造厂商如德国的达涅利公司，意大利的米诺公司，还有相 应的美国、日本等轧机制造厂商电都将流量控制系统运用到相应的设备中。 就日前德国达涅利轧机制造公司生产制造的高精度、高速可逆四辊冷轧 机就足采用自主研发的c v f ( c o n t r o lo fv o l u m ef t o w ) 体积流量控制系 统，在高速轧制过程中( 最高速度可达9 0 0 米分) 可将带材厚度精度控制到 来料厚度的0 5 以卜。其控制段的长度仪为一个手机的长度( 约2 0 公分) ， 用专业的术语讲，控制频率为7 0 赫兹以j ：，即在l o 1 5 毫秒内就可完成一 次厚度控制的仝过程。3 。 另外，在多辊轧机中，以森吉米尔2 0 辊轧机为例，其加工精度和控制水 平堪当是世界的顶级水平。 北京工业大学硕士学位论文 墨宣皇墨暑一i i i 皇 在国内的带材轧制加工制造业中，轧钢用的轧机有些具备c v f 一体积 流量控制系统。如上海宝钢、武汉的武钢。但是在铜板带的轧制加工制造行 业中使用体积流量控制系统的也是寥寥无几。只有像铜加工行业的老大 洛阳铜加工厂、浙江宁波新业集团，他们从国外引进的的高精度四辊冷轧机 组具有体积流量控制系统；新成立的芜湖鑫科集团使用的围内洛阳设计院设 计制造的轧机随具备c v f 控制系统，但目前的使用情况是不乐观的。 对板厚控制系统的研究理论上己比较成熟，且国外应用也很成功，但国 内的应用水平较低，冷连轧厚度精度在3 0 - - 4 0 微米，远远不能满足现代工 业发展的高精度要求。以前常用的厚度控制策略有前馈式a g c 、反馈式a g c 、 张力式a o c 和压力式a g c 等。前馈a o c 主要用来消除来料厚度波动；对 反馈式a g c 来说，由于测厚仪不能离轧辊太近，因此只能用来消除全局性误 差，而不能消除局部误差；至于张力a g c 只能用来微调；而压力a g c 虽说 能较为及时进行厚度调甘，但毕竟不是直接根据厚度反馈进行控制，为了提 高控制精度，还要采取多种补偿措施。拟产业化的高精度板厚控制器是基于 国际上最先进的秒流量控制策略，采用专利产品虚拟测厚仪，克服了反 馈式a g c 的滞后和压力式a g c 的测不准，从而使带钢厚度的控制精度得到 j 极大提高。所用的虚拟测厚仪能及时提供刚离开轧辊的带钢厚度，不仅克 服了测厚仪不能离轧机太近的缺点。 要使轧机设备具有c v f 控制系统，同时又能很好的发挥其功效，这不仅 对设备控制系统中的软件( 控制的数学模型，控制技术) 有很高的要求，同 时对相关硬件( 如测厚仪、测速仪、位置传感器等) 也同样有很高的要求。 另外，国内也有相关的研究单位，根据国内的现状，利用现有的轧制理 论自行开发的“轧制过程管理控制系统h t a o e v i e w ”。他是将轧机的厚 度控制系统( m g c s ) ，工艺控制系统( t s ) ，操作控制系统( o c s ) ，远程 诊断控制系统( r c s ) ，产品数据管理系统p ( d m s ) 等结合在一起；目前正 在推广之中【4 l 。 第l 章绪论 1 2 2 软件的发展 随着控制理论与计算机技术及仪器仪表技术的发展，控制系统也向着自 动化和虚拟化方向发展，各种智能型和虚拟型数字化控制系统应运而生。与 以往传统的控制系统相比，总流量控制系统具有结构紧凑、电路先进、可编 程、多显示等特性，再加上现在十分流行的虚拟仪器，将会使数据能即时显 示并进行图像化的处理，使操作人员一目了然，随时很容易的了解系统的工 作状况“1 。控制技术的发展如表1 - 1 所示。 表1 - 1 中厚板厚度控制技术的发展 t a b l e1 - lt h ed e v e l o p m e n to f t h i c k n e s sc o n t r o lt e c h n o l o g ya b o u tm e d i u ma n dt h i c ks t r i p 1 9 7 0 证1 9 7 5 1 9 8 5 年 1 9 9 2 年 应用电动a g c 预设定数学使用液压a g c a o c 技术进步，开发临近式厚 模型的开发，雨且考虑 - 使用电子计算机采集数 度计。m - a g c f f - a g c 偏心 了温度、压力、变形抗力控制数字化 据和技术计算等 补偿实用化 等 计算机水平的提高，网 人工智能的应用 络的应用 要实现数据的即时显示虚拟仪器是最佳的选择，虚拟仪器是计算机技术 介入仪器领域所形成的一种新类型仪器，它是利用计算机强大的图形环境，组 合相应的硬件，编制不同的测试软件，建立界面友好的虚拟仪器面板( u p 软面板) ， 通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行，构成多种仪器，完成对 被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成的仪器并可输出实现 相应得控制。下面是虚拟仪器与传统仪器的对比如表1 2 所示| 6 j 。 表1 - 2 传统仪器与虚拟仪器的特点对比 m l b l e1 2t h ee h a r a c t e r i s t i cc o n t r a s to f t r a d i t i o n a li n s m m _ 1 e n t sa n dv i r t u a li n s t r u m e n t s 传统仪器虚拟倥嚣 硬件是戈链软件是关键 厂商定义仪器功能规模 用户定义系统功能、并可通过软件修改、增减 价格昂贵价格低、可反复用、可重配置性强 开发与维护费用高开发与维护费用低 技术更新周期长( 2 5 年)技术更新周期短( 1 - - 2 年) 封c i j 、固定开放、灵活、可与计算机技术保持同步茇展 功能单、互联有限的独立设备 能与网络及其周边、世备互联的仪器系统 北京工业大学硕士学位论文 毫暑曩皇_ 一一 一 i l l l 虚拟仪器可以实现相应得控制，并且把采集到的数据奉来需要通过复杂 的硬件关系才能实现的功能借助虚拟仪器所用的l a b v i e w 可以很轻松的实现， 嘶且编成采用简单的图形化编程语言使编程变得容易易懂! 整个虚拟测控系统 的原理框图如图1 5 所示门。 l 剃 h 情峙调理h 徽掀絮檠卡p 蚓( ；p m 仪器hg p - 1 1 b , 接u 卡净 刻讣摊机 i 薹 日b l 钡撩软仲 ( ) i r s3 3 2 1 义器i ) 增叫v x i 总线仪器卜卜斗 图卜5 虚拟测控系统的原理框图 f i 9 1 5 t h e t h e o r y b l o c k d l a g r a m o f v i r t u a l - t e s t i n 9 1 0 n t r o ls y s t e m 德国的i m s 公司已经开发出基于总流量控制理论的板材测厚装置，在板 带轧制方面，最终产品的厚度公差是质量决定性因素，在新设备安装和现代化 改造项目中，用质量流原理( m a s s f l o wp r i n c i p l e ) 的工艺技术调都独一无二的 得到应用。采用这一现代控制构想保精确的厚度测量和可靠的不打滑的速度测 量是选条件。 厚度测量系统采用i m s 公司单一通道x 光测厚装置，速度测量采用v l m 2 0 0s d 装置，由a s t e c h 公司制造，在许多轧机上已经成功使用，测量精度为 0 0 5 ，重现性为o 0 3 ，该装置能瞬时确定板带速度，对十采用质量流调* 是理想的。高速硬件系统保证了几个装置在有可能最少延迟的同步性，为最高 精度提供了保证，特别是在板带轧制的加速期间的精度保证。高度一体化的芯 片结构的使用提供了进一步的优势：传感器、讯号处理和宽域的各种接口全部 装在一个单一的、结构紧凑的结实框架里。 因内已经开发出许多自控控装置，但基十总流量控制理论几乎没有，但采 用的控制方法有很好的借鉴作用。 济南钢铁集团总公司中厚板厂( 简称济钢中厚板厂) 在轧制钢板时，由 于受温度、轧辊磨损和咬钢时轧辊跳动等因素的影响，造成显示的辊缝压下 量与钢板的实际压下量有差异，为此他们研制开发了套自动操作扳厚测量 第1 章绪论 装置，钢板厚度数据的读取、计算、显示均由计算机自动完成。硬件系统框 图显示如图1 - 6 所示1 8 。 寻_ _ 玛- 卜l 尹1 l 专擞锋矗a c 3 1 r ，擅l 嫩 被曩韩 贰l 瞳1 l 一1 图卜6 硬件系统框图 f i gi - 6t h eb l o c kd i a g r a mo f h a r d w a r es y s t e m 陕西科技大学利用射线穿过被测材质后衰减来测量材质的厚度9 1 。如图 1 7 为y 射线测厚系统框图。 采用虚拟仪器技术实现控制的也有不少的实例： 辽宁工程技术大学的许东双等人针对太原钢铁公司中板厂的不锈铡在线保 护系统而设计的。对巾板轧机断辊事故进行了有效的控制。其基本原理如图l _ 8 所示1 1 0 1 。 髑卜7y 射线测厚系统框图 f i g 1 - 7t h eb l o c kd i a g r a mo f m e a s u r i n gt h i c k n e s ss y s t e mo fyr a d i a l l3 北京工业大学硕士学位论文 皇置田置皇曹毫曾置鲁_ i i i i k 辊运行l 曲v 瑾w ) n 工作虹c 数据采集、翱，监控) f 入顿开出授 毋转换援梗出板 、。i 乡1 广 功雠 隔离敲大器 l 陶巷鼹电器电1 菇翌输 电压翟输刈 ， ，气 7彳f彳r、 开入开出固杰魅电器电流烈输入电压塑输 棋出 控制糖接蛾端子 图1 - 8 采用虚拟仪器的事故控制原理框图 f i g1 - 8t h et h e o r yb l o c kd i a g r a mo f a d o p t i n gv i r t u a li n s t r u m e n t sa c c i d e mc o n t r o l 并基于此得出轧制压力时时曲线，用l a b v i e w 所显示的界面如图1 - 9 所示。 可见，虚拟测控技术是现在阳4 刚发展的测控系统，它比原来的测控系统在 数据显示和信号处理方面有相当大的优点。 1 ) 以充分利用l a b v i e w 中内置的各种康拟滤波器，从晰方便有效地排除 随机噪声的丁抗，减少了繁琐代码编制的工作量和难度。 2 ) 可以直观地利用l a b v i e w 中a d 采集模块及并口控制模块，准确采集 测量信号的电信号，根据测得的电信号向并口发送不同的控制信号。 3 ) 利用l a b v i e w 美观的虚拟示波器，进行生产线厚度信号的实时监视。 4 ) 利用l a b v i e w 中的仿真模块，模拟加工现场，进行仿真测试和分析，节 约实验成本。 虚拟仪器的原理就是“软件即硬件”，把原来本来需要硬件处理的事情， 拿来用软件来处理，这在很大程度上节约了成本，有利于这些设备更快的应用 于实际中。如果把实时显示数据这方面忽略掉，采用现在实际中用的更多的采 用普通工控机控制也是可以实现的。在自控领域用到的硬件以及相关软件的设 14 第1 章绪论 计，这几年的发展相当的迅速，各种新型高速高精度的传感器不断出现，各种 a d 、d a 转换器更是层出不穷。p l c 技术和计算机技术更是发展迅速，解决 了以前所不能满足的实时性。未来几年这些技术迩会得到更迅速的发展，自控 领域也会日益更新发展步伐的。 图1 - 9 轧制力时时曲线 f i g 】- 9t h eg r a p h & r o l l i n gs t r e n g t h 1 2 3 硬件的发展 随着控制理论与计算机技术的发展，控制系统也向着自动化方向发展，各 种智能型数字化控制系统应运而生。与以往传统的控制系统相比，总流量控 制系统具有结构紧凑、电路先进、可编程、多显示等特性，p l c 兼容r s - 4 8 5 r s 2 3 2 m o d b u s 通信协议允许信息和数据在多功能监测仪和可编程控制器 ( p l c ) 之间有效地传递，实现了实时、快速、多信息、稳定、可靠、准确度高 等用户所必须的要求： 在板材加工中，现在一般采用数字式液压厚度a g c 系统，其框图如图卜1 0 所示“。 北京工业大学须上学位论文 _ _ - _ _ _ _ - - _ _ e 目_ _ i1 1 i _ | _ - - _ _ l 图卜1 0a g c 控制系统框图 f i g i _ 1 0 她b l o c k d i a g r a m o e a c - c o n f f o ls y s t o r n 图中h 铜板入l j 厚度； p 。预测轧制力； h 。目标厚度； s 。预设辊缝： s 实测辊缝； p 实测轧制力： 6 干扰量： h 。计算厚度； 。计算厚度与目标厚度的差值； a s 。计算辊缝调节量； s ，。七一周期的辊缝值： s 。本采佯周期的辊缝值； m 一轧机刚度系数； q 一塑性系数。 但随着科学技术的发展，检测技术应人类文明生活的需求啊产生，检测 技术的水平随着人类社会活动和经济活动的发展而提高。人们越来越清楚地 认识到检钡i 技术地重要性，一方面是被测对象范围日益扩大，要求应用物理、 第1 章绪论 化学、生物学等基础科学提出新的变换原理另一方面对检测系统的准确性 检测系统对被测参数微小变化的分辨能力、使用的可靠性、反映快速变化信 号的实用性、抵抗和抑制外界干扰影晌的抗干扰能力及在线提供数据分析判 断的数掘处理能力提出了越来越高的要求。检测系统规模的大小及其复杂程 度与被测量多少，被测量的性质以及具休的被测对象密切相关，不失一般性 和完整性，下图是现在给出的涵盖各功能模块的检测系统的构成框图如图 卜儿所示”“。 图l l1 检测系统的一般构成 f i gl - 11t h eg e n e r i cs u u c t u r eo f d e t e c d o ns y s t e m 因此，在板材加工控制系统中，检测系统显得格外重要，在国内外对于 检测技术的研究，从接触式的检测到非接触式的检测，从早期只是简单的将传 感器所获得信号进行放大再加以显示或传送的检测到进行高准度的多种类信 息的宏观检测。生产中常遇到工件厚度测量问题，视测量方式不同，一般采用 接触式和非接触式测量，在某些倩况下，采用接触式测量物体的某些参数，存 7 北京工业大学硕士学位论文 葺墨墨皇| 蛋一i i i i i 置鼻曩- 在着许多困难，而巳实时性较差，因此发展非接触式测量方法十分必要，目前 常用的一些非接触式测量法，诸如超声、射线、电磁、涡流以及微波等。在国 内，兰州大学对反射式涡流传感器金属测厚进行了相关的研究，武汉科技大学 提出了一种利用激光器、c c d 图像传感器进行非接触厚度自动测量的方法，其 硬件构成如图卜1 2 所示“。 图1 - 1 2 激光非接触厚度自动测量系统 f i 9 1 - 1 2a u t o m a t i c m e a s u r i n gs y s t e m o f t h e l a s e r n o n - c o n t a c t t y p e t h i c k n e s s 上海工程技术大学对表面为非导电涂层导体厚度的测量进行了涡流测厚 传感器及数字测量系统的设计并傲r 相关的论证，其构成如图卜1 3 所示“。 图1 - 1 3 涡流测厚测量系统 f i g 1 1 3t h em e a s u r i n 8s y s t e mo f t h ew h i r l p o o l - t y p et h i c k n e s s 中科院安徽光机采用了激光位移传感器，利用电荷耦合器件实现光电转 换开发了激光在线厚度测量系统。它可以测量板材准确的厚度和宽度值，并实 时显示被测物轮廓曲线。随着生产自动化技术的迅猛发展，零件的加工精度和 生产效率越来越高，在国内，有关光电耦合器件作尺寸精度检测中得到了广泛 的应用、有关光电耦合器件作尺寸精度检测的报道较多，但精度不是很高。为 第1 章绪论 此哈工大哈尔滨工业大学用激光一c c d 对尺寸精度检测作了大量的研究，研制 出了一个高精度、通用性好的非接触方式检测系统。在国外，美国d m c 公司的 4 8 0 型x 射线测厚系统，其高的控制精度，为生产出优质的机电产品奠定了基 础。其主要发生装置如图卜1 4 所示“。 压磊一一再磊羽l 垄壁篓i 一竺竺竺竺竺i 图卜1 4x 射线测厚系统 f i g1 1 4 t h e m e a s u r i n g t h i c k n e s ss y s t e mo f t h e xr a d i a l 德国i m s 公司提供的单一通道x 光厚度测最系统通常由测量站、信号加 工处理元件和外围辅助设备组成，数据记录系统完成数据的统计分析和评估， 以保证测量质量。 国科学院西安光学精密机械研究所利用半导体激光进行激光多普勒非接 触式速度测量的研究，国内还育一些速度检测专用芯片电路的设计，a s t e c h 公司制造出了v l m2 0 0s d 速度测量系统。最近，由于德国i m s 公司和a s t e c h 公司密切合作，世界上第一台把厚度测量和速度测量结合在一起的装簧制造出 来了，开创了现代检测系统思想的先河。 为获得良好的中厚板同板差和目标厚度，很