（机械工程专业论文）热连轧agc系统的研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 热连轧a g c 系统的研究 摘要 随着生产发展和技术的进步，用户对板厚精度的要求越来越高。本文以梅钢 1 4 2 2 m m 热连轧机组a g c 改造为背景，根据梅钢的实际情况，选择了先进、实用 的热连轧机组综合a g c 控制系统，并对改造后的a g c 系统提出了部分改进措施。 由于轧钢过程是一个极为复杂的系统，诸多因素都对轧机出口厚度产生影响， 如来料厚度、温度，模型设定，压下机构向应速度等。因此，结合现场设备具体 情况，选用一个最优化的a g c 控制系统就十分重要。 本文简要介绍了热连轧a g c 控制系统的发展状况，详细阐述了6 种主要的 a g c 控制方式，分析了它们各自的优缺点，论述了梅钢在利用原有设备的基础上 进行a g c 系统改造时，为什么决定选用由厚度a g c 和反馈式a g c 组成的a g c 控制系统的原因。依据生产数据，评价了梅钢改造后的厚度自动控制系统的厚度 控制效果，分析了厚度控制系统中存在的不足及影响厚度控制精度的因素。最后， 在热连轧厚度自动控制系统原理分析及梅钢生产实验研究的基础上，灵活运用了 多种控制方式，提出了以下提高厚度精度的改进措施： ( 1 1 在原控制系统中增加前馈控制 ( 2 1 在原控制系统中增加活套秒流量a g c 控制 ( 3 1 完善厚度自动控制系统中的监控a g c 控制 本文的一些研究成果已经在实际生产中应用，并己取得了良好的效果。文中 的研究方案及研究结果对其他钢厂进行低成本但含高技术的改造、提高热连轧带 钢厚度精度具有一定的指导意义。尤其，a g c 执行机构由电动a g c 改为电动a g c 加后机架短行程液压a g c 的方式，经济、实用。依据电动压下、液压压下各自 的特点，通过在老轧机上采用新的控制方法，取得了全液压系统相类似的效果， 为实现负公差轧制打下了坚实的基础。 关键词热连轧机厚度控制a g c 尔托大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho na g c s y s t e m h o t s t r i p m i l l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p r o d u c t i o na n dt e c h n o l o g y , c u s t o m e r sd e m a n dm o r ea n d m o r eo nt h eg a u g ea c c u r a c yo fh o ts t r i p t h i sd i s s e r t a t i o ni sb u s e do na g c s y s t e m r e v a m p i n go f m e i s h a nh o ts t r i pm i l l a d v a n c e da n dp r a c t i c a la g cc o n t r o ls y s t e m s a r eu s e di nm e i s h a nh o t s t r i pm i l la c c o r d i n g t oi t sa c t u a ls i t u a t i o n a tt h es a m et i m e ， s o m eb e t t e rm e t h o d sa r ei n t r o d u c e do f t h er e v a m p e da g c s y s t e m t h e r o l l i n gp r o c e s si sv e r yc o m p l i c a t e d ，m a n yf a c t o r s ，s u c ha st h eg a u g e o fs l a b ， t e m p e r a t u r e ，m o d u l es e t u pa n dt h es p e e dr e s p o n d i n go fs e r e w d o w ns y s t e me t e ，m a y h a v ee f f e c t so nt h eg a u g eo f t h es t r i p s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt ol l s ea no p t i m i z e da g c c o n t r o ls y s t e ms u i t a b l ef o rt h ee x i s t i n ge q u i p m e n t s t h e d e v e l o p i n gp r o c e s so fa g c c o n t r o ls y s t e mf o rh o ts t r i pm i l li sd e s c r i b e di n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f6m a i na g cc o n t r o lm e t h o d sa r e i n t r o d u c e di nd e t a i l ，t h er e a s o nf o rm e i s h a n sr e v a m p i n gc h o i c ef o rg a u g e m e t e ra g c a n df e e d b a c ka g ca r ea l s op r e s e n t e di nt h i s p a p e r t h eg a u g ec o n t r o l e 腩c t so f a g cs y s t e ma f t e r r e v a m p i n g a r ea s s e s s e d a c c o r d i n gt o a c t u a l p r o c e s sd a t e s ，t h e d i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n ga g cs y s t e ma n df a c t o r sm a yh a v ee f f e c t so nt h eg a u g ea r e a l s oa n a l y z e di nt h ep a p e r f i n a l l ys o m ei m p r o v e dm e t h o d sa r ep r e s e n t e db yu s i n g s o m ec o n t r o lm e t h o d sb a s e do nm o d e m g a u g e c o n t r o l t h e o r y a n dm e i s h a n s e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h ： i a d df e e df o r w a r dc o n t r o lo nt h ee x i s t i n gs y s t e m 2 a d d l o o p e rm a s s f l o wc o n t r o lo nt h e e x i s t i n gs y s t e m 3 o p t i m i z eg a u g e m e t e ra g c o f a u t o m a t i cg a u g ec o n t r o ls y s t e m s o m er e s e a r c hr e s u i t so f t h i sp a p e rh a sb e e na l r e a d yu s e da n dg a i n e dg o o de f f e c t s a n dt h e s er e s u l t sc a n g i v ei n s t r u c t i v ea d v i c e st oo t h e rm i l l sm o d e r n i z a t i o nr e v a m p i n g i nl o wc o s ta n db e t t e r g a u g ea c c u r a c y a c c o r d i n gt o i t so w nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e a c t u a t o r so fs c r e w d o w nd r i v e nb ym o t o r sa r er e p l a c e db ym o t o ra n ds h o r td i s t a n c e t r a v e l h y d r a u l i cc o m b i n a t i o nh a sa na d v a n t a g eo fl o wc o s ta n dm o d e r a t ea c c u r a c y ， i i i 尔北大学硕士学位论文a b s t r a c t a l m o s th a v et h es a m ee f f e c ta s a l l - h y d r a u l i cd r i v es c r e w d o w n ，a n dh a v eas o l i d f o u n d a t i o nf o rm i n u st o l e r a n c er o l l i n g k e y w o r d s h o t s t r i p m i l l g a u g e c o n t r 0 1a g c 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以注释和致谢的地方外，不包含其他人已经发 表或撰写的研究成果，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已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 本人签名： 日期： 尔北大学硕士学位论文第l 章综述 1 1 前言 第1 章综述 随着生产发展和技术的进步，用户对板厚精度的要求越来越高，尤其在生产 流水线中，板厚超差常常会造成组装失败，甚至造成无法生产。因而，提高板带 产品厚度精度，减少超差现象发生是各轧钢厂家一直致力追求的目标，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 o c ) 也因此得n t 迅速的发展：从四五 十年代的单机自动化阶段发展为现在的多级分散控制阶段；从单一的根据带钢出 口厚度与设定值之间的偏差进行控制调节的计算机发展为如今具有根据工况状态 自动设定各工艺参数，速度、厚度、压力、辊缝等的过程机，它具有对不断变化 的诸多因素如油膜、轧制力、宽度等进行自动修正的多种功能；从先前的电动压 下发展为液压压下，使a g c 系统无论是在控制精度、准确度以及响应速度等方 面都有了进一步的提高。但由于轧钢过程是一个极为复杂的系统，诸多因素都对 轧机出口厚差产生影响。a g c 系统主要是依据出口厚度差进行控制调节，因而当 外来扰动过大时，a g c 系统就不能通过调节辊缝压下量等方法完全地将厚度偏差 加以消除，造成了厚度超出公差现象的发生 在实际生产中，主轧线上设有许多仪表对温度、轧制力、厚度、辊缝等信号 进行检测，因此，每一条带钢在轧制过程中都保存着较为完整的信息记录如果 能根据各种扰动因素变化对厚度影响的规律，从这些中找出引起脬度变化的主要 因素，那么，就可以有针对性地对现场某些环节加以调整，将该因素对板厚的影 响加以抑制和减弱，最终使得产成品的质量和产量都得到提高因此，就出现了 与各种影响因素相对应的a g c 控制。 1 2 研究课题的提出 本文所阐述的“热连轧a g c 系统的研究”就是通过针对梅铡热轧板厂改造 后使用的a g c 系统进行分析，查找出在现有设备的基础上、在经济、实用的前 提下，提高板带厚度精度的一些实用可行的控制方法及措施。 1 3 自动厚度控制的发展概况 自1 9 2 4 年第一台带钢热连轧机投产以来，世界各国相继建立了几百台带钢热 1 尔北大学硕士学位论文第1 帚综述 连轧机( 1 9 7 5 年统计的数字为15 0 台) 。1 9 6 0 年以后新建的现代带钢热连轧机( 可 称为第二代带钢热连轧机) 的特点是：生产能力大，产品质量好，关键是自动化 程度高。 生产过程自动化是迅速提高冶金生产产量和质量的重要途径。近代冶会自动 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成熟而且也是最有成效的一个部门。 带钢热连轧机自动化经历了以下几个阶段：人工操作( 五十年代以前) ；人工 操作加上单机自动化控制系统，如活套控制、厚度控制( 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) 。 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 g c 系统) 。a g c 系统首先应用在冷轧机上，但实 践汪明，它在热连轧机上的应用效果更为明显。因为只有解决了热轧板卷( 冷轧 原料) 的厚度均匀问题，才能真正解决冷轧带钢的质量问题。因此，1 9 6 0 年以后 的热连轧机已普遍应用了a g c 系统，老轧机也先后做了技术改造，增添了a g c 系统。 钢铁工业中第一台生产过程控制机是美国麦克劳思钢铁公司于1 9 6 0 年在 1 5 2 5 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。 因为板厚差是带钢产品的主要质量指标，所以计算机过程控制最早用于精轧 机组的辊缝一速度设定上。随着计算机控制在精轧机组上的成功应用，1 9 6 4 年以 后，一方面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，这是一个大的转折点) ，另一方面，进一步扩大了控制项目，如温度控制等。 本文所介绍的a g c 系统就是作为整个梅钢热连轧机自动控制系统的一部分，8 0 年代末从美国a e g 公司引进，9 3 年开始投入使用。目前又引进了美国g e 工业 自动化公司的控制系统，作为技术改造。 2 尔北大学硕士学位论文第2 章热连轧a g c 的几种控4 方式 第2 章热连轧a g c 的几种控制方式 板厚自动控制是基于对板厚偏差大小和方向的估测，处理成消除厚度偏差所 需要的校正信号，通过执行机构动作，达到所要求的厚度精度的过程。调节量可 以是辊缝、张力和轧制速度。轧制过程中，影响板厚的因素很多，总体上看可分 为四大类：辊系因素。轧辊偏心、轧辊磨损、轧辊弯曲、轧辊热膨胀、油膜厚 度变化等：来料因素，来料厚度、宽度、硬度变化、轧制区摩擦系数变化； 轧制过程参数变化。轧制力、张力、轧制速度的变化；控制模型误差和检测仪 表误差。基本规律有： ( 1 ) 辊缝增大，轧出厚度增加 ( 2 ) 轧机刚度增大，轧出厚度减小 ( 3 ) # l n 力增大，轧出厚度增加 ( 4 ) 摩擦系数增加，塑性系数增大，轧出厚度增大 ( 5 ) 材料硬度增大，塑性系数增大，轧出厚度增大， ( 6 ) 轧制张力增大，塑性系数减小，轧出厚度变薄 由于影响轧出厚度的因素多，因此产生多种消除厚度偏差的方法，根据轧制 过程中对厚度调节方式不同，厚度自动控制系统可分为：反馈式、厚度计式、前 馈式、直接辊缝检测式、张力式和秒流量计式等厚度自动控制系统。接下来对以 上六种a g c 系统作介绍。 2 1直接辊缝测量控制系统( i g c ) 2 1 1i g c 系统原理 i g c 控制( i n g a p g a u g e c o n t r o l ) 采用辊缝传感器直接测量工作辊的开口 度，实现轧制过程中包括支承辊偏心在内的辊缝变化的快速补偿，达到真正的恒 辊缝控制，从而保证轧后带材的纵向精度。辊缝测量点可在辊径处或工作辊轴承 座处，i g c 控制的关键是辊缝传感器，系统对辊缝传感器的要求很严格。 ( 1 ) 分辨率高。在测量量程内达到4 - 1u m ： ( 2 ) 必须有良好的再现性，在辊缝改变1 0 0u m 之后偏差不大于4 - 2 u m ； ( 3 ) 线性度好，能通过设定值系统对辊缝作线性调整： ， 3 尔北大学硕士学位论文 第2 章热连轧a g c 的几种控制方式 ( 4 ) 能在恶劣的环境中运行。 i g c 控制框图如图2 1 所示： 节雪t 竺鬻 l 。，。，。 例2 】i g c 系统控制原理圈 f i g 2 1p r i n c i p l ed r a w i n g o fi g cs y s t e m 2 1 2i g c 系统的优缺点 i g c 控制能补偿机架变形，油膜厚度变化以及支承辊偏心的影响，控制系统 简单。但是，i g c 控制系统是一种新型系统，还存在许多缺点： ( 1 ) i g c 系统对工作辊本身的热膨胀和弹性变形磨损蛆及工作辊偏心的影响 无法补偿，必须不断地通过出口厚度来修正； ( 2 ) 辊缝传感器要求严格，制作安装和维护花费大； ( 3 ) i g c 系统在实际应用中常需要两种控制系统：一种用来在有限范围内控 制辊缝，另一种紧急停车和换辊时用，这两者还需要灵活切换。 总之，i g c 系统将辊缝的间接测量改为直接测量，提高了检测部分的精确性， 是很有发展前景的，但需要在寒际应用中不断改进。 2 2厚度计式a g c ( g m a g c ) 2 2 1g m a g c 系统原理 g m a c c 根据弹跳方程来估测轧出厚度，通过对辊缝s 和轧制力p 的在线检 测，按照绝对方式( 如2 1 式) 或增量方式( 如2 2 式) 来估计厚度和厚度偏差， 再通过压下机构执行，消除厚度偏差。实际应用中还需考虑一些补偿，如偏心补 偿和油膜厚度补偿等。 h = s o + p - l ( 21 ) 4 尔b 大学硕士学位论文 第2 章热连轧a g c 的几种控锦4 方式 国；a s 十竺 k 。 图2 2g m a g c 系统框图 f i g 2 2p r i n c i p l ed r a w i n go f g m - a g cs y s t e m 2 2 2g m a g c 的优缺点 ( 2 2 ) g m a g c 能在变形区出口处估计轧件厚度，快速性好，系统结构简单，可通 过改变压力环的放大系数灵活改变轧机刚度。目前在各种轧机上都有广泛的应用， 特别在厚板轧机的厚控系统中更是主流。我国的a g c 系统大部分是压力a g c 形 式的。但是，压力a g c 存在以下主要缺点，这也是限制它在高精度轧机上的成功 应用的原因。 ( 1 ) 辊系的数学模型复杂而且高度非线性，轧机刚度很难准确知道，必须在每 个静态和动态轧制过程中不断修正； ( 2 ) g m a g c 不可能精确地测出轧件出1 ；3 厚度，估计的精度决定于计算模型和 方程中系数的准确程度； ( 3 ) g m a g c 对辊缝波动引起的误差有扩大作用，实际应用中需要对引起辊缝 波动的因素如轧辊偏心、热膨胀、轴承油膜厚度等进行补偿。然而这些因素的数 学模型又很难准确知道，限制了g m a g c 的精度； ( 4 ) 压力传感器存在精度误差，这也是压力a c c 误差产生的原因之一； 2 2 3g m a g c 的补偿措施 由于压力a c c 对辊缝波动引起的误差有扩大作用，因此需要进行补偿。具体 的补偿措施包括轧辊偏心补偿、轧辊热膨胀补偿、油膜厚度补偿、板宽补偿等。 5 尔北犬学硕士学位论文 第2 章热连轧a g e 的几种控制方式 2 2 3 1 油膜厚度补偿 油膜厚度是轧制速度和轧制压力的函数，随着轧制速度和轧制压力的变化而 变化，是一种很复杂的非线性关系。油膜厚度补偿通常是开环形式，过去常用仅 与z f l f 目j 速度有关的模拟函数发生器，或用基于轧制速度和轧制压力的查询表方式 来补偿。 2 2 3 2 偏心补偿 轧辊和轴承的偏心是轧制过程中普遍存在的问题，尤其在成品前道次更应当 考虑。产生偏心干扰的因素主要有以下几点： ( 1 ) 轧辊轴承存在不可忽略的偏心，且偏心力大小不恒定，随轧制力、轧件硬 度和轧辊磨损的变化而改变 ( 2 ) 四个轴承的偏心力周期性改变可能导致轧件板件周期性变化 ( 3 ) 支承辊辊径不一致导致轧制力跳动 ( 4 ) 支承辊失圆会在偏心波形中引入第二种泛波 补偿偏心的办法很多：用模拟带通滤波器、数字记忆或傅立叶分析进行偏 心分析补偿；自适应数字偏心消除系统，通过对轧制力偏心信号的复制，再反 向迭加到原系统中；逐次推定偏心补偿，出发点是准确测定轧辊转角和偏心量 的对应关系，用脉冲发生器测轧辊转角，用逐次最小二乘法从轧制力的实测值中 估计偏心量来进行补偿；模拟偏心补偿控制，现代轧机轧制速度高，偏心频率 也高，支承辊偏心频率超过5 h z ，工作辊偏心频率超过1 0 h z 。偏心频率增加后， 根据液压压下控制装置的频率特性，相位延迟成了大问题，软件偏心控制便不能 胜任。因此，需要采取把轧辊偏心成分分离出来，进行相位超前处理后，再偏心 补偿。 2 3 反馈式a g c ( f b a g c ) 2 3 1f b a g c 的原理 f b a g c 系统通过轧机出口侧测厚仪检测轧出厚度偏差，若没在所要求的精度 范围内，便将此偏差转变成辊缝调节量s ，经过a p c 来消除厚度偏差。控制方 程为2 3 式，控制框图如图23 所示： 6 尔北人学硕士学位论文第2 章热连轧a g c 的几种控制方式 出；幽斑 盯 ( 2 3 ) 图2 3f b a g c 原理框图 f i g 2 3p r i n c i p l ed r a w i n g o ff b a g c s y s t e m 2 3 2f b a g c 的优缺点 f b a c c 能准确地测出实际厚度进行反馈控制。但是由于轧机结构的限制、测 厚仪的维修需要以及防止断带损坏测厚仪，园此测厚仪的安装点离辊缝有一段距 离，所以存在一段大时间滞后，使f b a g c 难以进行稳定控制。因此，f b - a g c 不适用于厚度快速变化情况，常给压力a c c 、m f a g c 作慢监控处理，保证轧出 厚度不跑飞。 2 3 。3 传输延迟的消除措施 由于f b a g c 存在传输延迟，降低了系统的稳定性，需要降低控制速度来保 证系统的稳定，增加了穿带时次品的长度，为了实现快速乳制，常需要进行传输 延迟补偿。传输延迟补偿的基本思想是在传输延迟内，通过某种算法向系统提供 一个反馈，这样只要该反馈合适，即可提高系统的响应速度，甚至可以消除延迟。 2 4 前馈式a g c ( f f a g c ) 2 4 1f f - a g c 的原理 f f a g c 是用测厚仪或以前一机架作为厚度计，来测轧机入口厚度值h i ，减 去设定的入口厚度值h o ，然后经过延时( 由传输时间和系统响应时间来决定延迟时 间) ，按2 4 式算出的辊缝调节量来调辊缝。前馈a g c 的原理框图如图2 , 4 所示： s = q m a h ( 2 4 ) h = h i h 。 ( 2 5 ) 可 东北大学硕士学位论文 第2 章热连轧a g c 的几种控制方式 田l ： = 兰= 募7 7 建 h l 7 筝警r r 程掣篡等 o 嚣 蚓24 前馈a g c 原理幽 f i g 2 4p r i n c i p l ed r a w i n go f f e e d f o r w a r da g cs y s t e m 2 4 2f f a g c 的优缺点 f f a g c 在控制时间上优越，不存在延迟，适用于各种形式的轧机，结构简单， 投资少，可提高系统的可控性。但是，f f a g c 属于开环控制，独立性差，不能单 独使用，需要与带有反馈性质的a c c 系统混合使用。 2 5张力a g c 系统 2 5 i 张力a c c 原理 张力a g c 是利用改变轧机前后张力来改变轧件的塑性系数对带钢厚度进行控 制，一般来说，张力a c c 是用来调节小幅度厚度波动。随着轧件的厚度减薄，调 压下的效果越来越弱，消除较小的厚度偏差需要很大的压下调节量；相反，张力 a g c 的调节效果则相应的提高，即使在总张力变化范围不变的情况下，控制范围 也扩大了。这就是箔材轧机多用张力调厚的原因。另外，随着轧件的减薄，轧制 速度相应升高，过大的压下调节会造成板形不良，因此连轧机的最后机架也常采 用张力调厚。 2 5 2 张力a g c 的优缺点 张力a g c 可有效地消除因塑性系数变化引起的厚度偏差和幅值小的厚度偏 差，响应速度快，控制精度高，并可减小轧制力波动，有利于板形。但是，张力 a c c 的调节范围小，张力的调节范圈通常是其额定值的2 0 ：另外，张力a g c 消除大厚度偏差所需的张力变化太大，不适用于这种情况。因此，独立性差，需 8 鱼i ! 坐翌主兰焦垒苎 笙! 童垫垄垫垒璺兰塑些登鳖型查塞 与其他形式的a g c 系统混合使用。还有一点需要说明的是，张力a g c 系统中调 f j f 张力和调后张力效果不一捞。 2 6 秒流量a g c ( m f a g c ) 系统 2 6 1 m f a g c 的原理 秒流量a g c 的原理是通过检测轧机入口轧件厚度及入出口轧件速度，忽略宽 展，根据秒流量相等原理来计算出口轧件厚度，进行快速反馈控制。 2 6 2m f a g c 的优缺点 m f a g c 系统控制算法简单明了，系统稳定性好，控制精度高，适应范围广， 即使在低速轧制和加减速轧制期间亦有很好的控制效果，是目前微米级a g c 系统 中广泛使用的一种a c c 方式。但是m f a g c 系统要求精度很高的测速系统，这 是保证m f a c c 的高精度的关键。 综上所述，厚度自动控制系统的方式很多，且各有利弊，适合于不同情况， 故要结合具体环境选择a c c 系统。既要考虑轧件的性能、最大厚差、厚度波动率、 最终板厚要求的精度和轧制速度等因素，还要综合考虑各种a c c 系统的性能。 9 尔北大学硕士学位论文 系统的选型及功能详述 第3 章梅钢a g c 第3 章梅钢a g c 系统的选型及功能详述 3 。1a g c 系统的选型 3 1 1 梅钢热连轧概况 梅钢热轧板厂是上世纪八十年代末从日本引进的二手设备，其中控制系统从 美国a e g 公司引进的。在精轧机组的七个机架连轧过程的厚度控制中，a g c 主 要厚度控制方式为g m 式。在执行机构部分，f o ，f 6 均设有电动压下，而f 4 f 5 机架既有电动压下，又有液压压下。但改造前，由于种种原因，在实际生产中f 4 f 5 的液压压下一直未投入使用。在检测部分，精轧区域设有多种检测仪表，对温度、 压力、板形等信号进行检测主要有：r 6 、f o 、f 6 机架后设有红外线测温仪， f 6 机架后设有监控用x 射线测厚仪、测宽仪，在各机架两侧支撑辊下设有测压 仪所有相关的检测信号均送入计算机中进行分析和处理。 3 1 2 梅钢对几种自动厚度控制系统的评价 表3 i 压下选川方式一览表 t a b l e3 1t h ec h o o s i n go fs c r e wd o w nm o d e 压下方式电动压_ f电动压下加后机架电动压下加全部全行程液压压下 短行程液压压下短行程液压压下 费用低合理高高 精度低高高高 综台经济效果 一般优较好较好 采用情况老系统采用改造推荐采用少少 由于梅山改造，是在原有设各的基础上进行，结合前文对各种a g c 控制方 式的分析，可以得出以下结论： ( 1 ) i g c 采用辊缝传感器来进行a g c 控制，精度高，固然好，但是在梅 山八十年代引进的日本原有设备上安装辊缝仪，不但投资相当大，工期长，而且 在彳i 破坏原有设备刚性系数的基础上难以实现，所以不便采用。 1 0 尔北火学硕十学位论文第3 章梅钢a g c 系统的选型及功能详述 ( 2 ) m f - a g c 系统稳定性好，控制精度高，但需要在每个机架后增设高精 度测速仪，耗资大，性能价格比低，一般在冷轧机组应用。 ( 3 ) 根据梅钢状况，采用g m a g c ，经济、方便，但为了提高控制精度， 必须增加轧辊偏心补偿、热凸度补偿、油膜补偿等。 ( 4 ) g m a g c 执行部分选用电动a g c 加后机架液压a g c 方式，这样既能 利用原有设备，节约了投资费用，又提高了整个系统的装备性能及控制精度。 所以，梅山改造，本着既先进，又经济的原则，梅钢自动厚度控制系统最终 选择了g m a g c ，再辅以f b a g c 控制系统方式。电气部分采用了美国g e 公司 的i n n o v a t i o n 控制器，在精轧机组的七个机架连轧过程的厚度控制中，a g c 厚度 控制方式主要为g m 式和f b 式。在执行机构部分，f o f 6 均设有电动压下，而 f 4 f 6 机架既有电动压下，又有液压压下控制。机械部分则是由德国西马克供货。 目前，梅山热轧板厂的a g c 控制主要由三部分组成： 第一部分：l 2 上位机，它主要由二级数据通讯及模型控制两部分组成，它具 有设定( 厚度、速度、加速度、活套高度、张力、轧制力等) 功能，并各种模型进 行自学习优化。当过程机投入时，a g c 系统将增加功能。例如，根据来料状况自 动设定压力和辊缝，根据轧出厚度自动修e 各机架压下量以及穿带自适应等。 第二级：各机架a g c 系统和位置自动控制系统其中a g c 系统的主要功能 是实现厚度计式a g c 和监控式a g c 系统的控制算法以及对油膜、压力等进行各 种补偿。它的输出送到位置控制系统，该系统可分为两种：一种是液压位置自动 控制系统，它直接控制电伺服阀和液压油缸：另一种是电动位置控制系统，它是 电动压下的数字式位置自动控制系统。a g c 系统控制算法计算出的辊缝调节量送 至液压位羞控制系统或电动位置控制系统，就可以实现液压压下或电动压下控制。 第三级：传动系统，是调节压下电动机转速的控制系统，用于电动压下，主 要是西门子的6 r a 2 4 数字传动装置，它输入为电动位黄控制系统输出的速度设定 值。 3 2 梅钢自动厚度控制系统的功能详述 3 2 1 各功能概述 自动辊缝控制( a g c ) 通过对精轧机架的辊缝进行控制以得到期望的精轧出 口带钢厚度。图3 1 是a g c 功能的一个简单框图，从图中我们可以看出梅钢热连 轧a g c 系统主要采用：辊缝补偿、g a g e m e t e r 、x - 射线监控控制、秒流量补偿、 1 1 - 堑j ! 叁兰堡主兰垡望苎兰塑差型翌型鉴坚整笺掣篓警娶j ! 皇! 堂查 穿带自适应控制、轧辊偏心补偿等部分组成。现对梅钢热轧厂的辊缝补偿、 g a g e m e t e r 和x 射线监控控制三部分进行分析。 自动厚喏猕a 0 c ) 瑚 j 蝴下洲“架掣b 位压力受纯 竺4 i 一，瓦耐丽鬲- 一 唑一j j 竺、。l 焉鱼厂，i 。旧一一+ - 一一一 1 调节糕” 1 i ! k 7 1 1 l 、一一。1 。 一e 謦。 二：；毒函 j m 崃 鼍唔拜 埘蚶獬嘶t 鼙蛐辩蝶 一一一支蹦秸l l 瘦 t 螋雌 ：二二- 唧l 潮品皈 。 划阱话一；一_ | _ i 塑煞蠼整 刚性监j 一 谢懈。 图3 1 梅钢自动辊缝控制( a g c ) 简单框图 f i g 31a u t o m a t i cg a g ec o n t r o l ( a g c ) b l o c kd i a g 。8 m 3 2 1 1 辊缝补偿 辊缝补偿是将一些已知的会对辊缝产生影响的却不能被辊缝位置传感器检测 到的因素开环的修正到辊缝位置调节器中。这些影响都是已知的且通过计算加到 开环控制中去的。辊缝补偿主要包括： ( 1 ) 支撑辊油膜轴承的速度和压力影响补偿 f 2 ) 轧辊热膨胀和轧辊磨损补偿 ， 12 东北大学硕士学位论文第3 章梅钢a g c 系统的选型及功能详述 ( 3 ) 弯辊力补偿 ( 4 ) 失张补偿 3 2 1 2 g a g e m e t e r 控制 g a g e m e t e r 将通过g a g e m e t e r 原理计算出的带钢厚度作为反馈去调节每个机 架的出1 2 1 厚度。g a g e m e t e r 是a g c 功能中最主要的部分。它提供即时的反馈去调 节带钢厚度。g a g e m e t e r 依赖于辊缝补偿和轧辊偏心补偿以防止误操作。 3 2 1 3x 射线监控调节器 x 射线监控功能通过一个x 射线测厚仪检测到的精轧出口厚度作为反馈值 通过调整轧辊辊缝去调节精轧出口厚度。 3 2 1 4 秒流量补偿 秒流量补偿检测每个机架的秒流量变化并调整上游机架的速度用以帮助位置 调节器回路维持秒流量。这使得位置调节器回路能够进行更高性能的厚度调节。 3 2 1 5 精轧穿带自适应 精轧穿带自适应使用g a g e m e t e r 原理去测量设定模型在带钢头部的厚度和硬 度设定误差并调整下游机架的设定给定以得到期望的机架出口厚度。 3 2 1 6 轧辊偏心补偿 轧辊偏心补偿探测支撑辊的圆形度并且改变辊缝位置以补偿掉轧辊偏心或将 它滤掉。轧辊偏心补偿对于获得g a g e m e t e r 的正确性非常重要，因为g a g e m e t e r 会将轧辊偏心的影响扩大。 3 2 2 辊缝补偿 辊缝补偿是将一些已知的会对辊缝产生影响的却不能被辊缝位置传感器检测 到的因素开环的修正到辊缝位置调节器中。辊缝位置传感器检测液压缸的延伸范 围。虽然这个检测十分精确，但在这个位置检测和实际的辊缝开i ：1 度之间还有支 撑辊楔块和油膜轴承，支撑辊直径和工作辊直径。当轧机中有压力时，轧机机架 伸展，支撑辊辊颈弯曲，轧辊接触面被压平，液压缸中的油被挤压以及支撑辊受 1 3 尔北大学硕士学位论文第3 章梅钢a g c 系统的选璀及功能详述 压离开油膜轴承中心。当轧机机架速度上升时，支撑辊将更靠近油膜轴承中心。 当辊子受热时会膨胀，它的辊径增加。当辊子磨损时它的辊径会减小。当轧辊弯 辊力变化时轧辊弯曲会变化。当辊子单侧窜动或交叉移动时辊缝中心线会改变。 压力检测装置( 测压头) 漂移。另外，当带钢张力改变时带铡厚度也会变化。 这些影响中的一些是可预知的。因此一个对轧辊辊缝开口度的开环预设值被 计算并被用于设定轧辊辊缝位置。轧机标定程序用于计算在标定压力条件下所有 对速度和压力的影响因素。开环计算用来考虑在标定条件下的变化。通常些变 化缓慢的因素如轧辊膨胀和轧辊磨损由设定模型计算。变化快速的因素出a g c 功能计算。 3 2 2 1 油膜补偿 支撑辊在低速旋转时簧于它的油膜轴承的外侧，但随着它的旋转速度的上升， 油膜轴承内的油将均匀的分布在辊子周围，导致辊子向轴承中心移动。但这种影 响如图3 2 所示将随着压力的增大而减小。辊缝位置传感器不能检测到辊缝丌口 度的这种变化。这种变化随着汕膜轴承类型的不同而不同且如果不被很好的补偿 将会导致辊缝补偿产生很大的误差。辊子的轴承可以不需要这种补偿。 油膜补偿提供一个偏移量到辊缝调节器中以便当轧辊速度改变时保持个恒 定的辊缝。补偿量的大小由辊缝控制中的油膜测试结果决定。在辊缝上的影响被 分为一个速度影响和一个压力影响。速度影响以在不断加压到标定压力下计算出 的修正量送给辊缝。在标定速度下速度的影响应为零。当速度上升时辊缝将被打 开。压力影响决定一个每单位的修正量用以将其他压力下的修正量和标定压力下 要求的修正量联系起来。在标定压力下每单位的值为l 。当压力增加时修正量的 值必须被减小。 速度影响曲线和压力影响曲线以数组形式储存。数据点之间通过直线插补来 决定不同操作速度和压力下的速度影n 向和压力影响。最终的修正量为插补出的速 度影响乘以插补出的压力影响值。 1 4 , 自i 4 l 入学硕士学位论文 第3 章梅钢a g c 系统的选型及功能详述 轴承外表面 油j ：i 葵 高速低述 二j ：二二 低压力 当速度升高导致辊缝减小 - _ - ；f - 当轧制力增大， 度因素o l 、 八述麦 标定速度 高压力 力因素一 入 i 、一 压i 嫌常乐- 1 油膜补偿；速度冈素+ 压力因素 剀3 2 支撑辊油膜补偿 f i g3 2b a c k u pr o l lb e a r i n go i lf i l me f f e c t 3 2 2 2 轧辊热膨胀和磨损 机架有钢时工作辊和支撑辊被加热而抛钢后冷却。当轧辊温度上升时直径膨 胀导致轧辊辊缝减小。而轧钢时轧辊辊面被磨损导致直径减小。这些影响不能被 1 5 东北大学硕士学位论文 第3 章梅钢a g c 系统的选型及功能详述 辊缝位置传感器检测到因此它们通过使用轧辊材质特性、带钢温度、轧制时i h j 年h 和长度，冷却水流量等参数被模拟。由于数量巨大的输入因此这个计算由设定模 型完成。这个计算包括轧制时受热时间长或短的影响。 大约每5 秒钟设定模型提供一个预测地由于热膨胀和磨损导致的轧辊辊缝累 积改变。当轧辊辊缝为零时当前的值被存储。来自存储值的改变被用来作为一个 辊缝位置偏移量。提供一个剁坡用以使每5 秒刷新的转换变得平缓。 模型预设热群补偿 第一母四一最 图3 3 轧辊热膨胀和磨损补偿 f i g 33r o l lt h e r m a la n dw e a rc o m p e n s a t i o n 3 2 2 3 轧辊弯辊补偿 轧辊弯辊用来帮助控制带钢的侧面和平直度。依赖于机械的配置，弯辊提供 的正弯辊力可以被机架压力传感器检测到，虽然这个正弯辊力不是用来减小带钢 厚度。因此带钢的轧制力为测压头检测的压力减去正弯辊力。注意当支撑辊平衡 打开、工作辊弯辊和辊平衡关闭、且辊子没有压靠时从测压头反馈中减去一个皮 重后将测压头标定为零吨。 轧辊弯辊力改变时也会导致辊缝改变。对辊缝的主要影响主要是增加下弯辊 力b , i 会使轧机机架延伸从而导致辊缝打开。g a g e m e t e r a g c 将不会修正这个延伸 因为正弯辊力不包括在轧制力中。给这个延伸的辊缝修正量等于弯辊力对应的轧 机机架弹跳且必须关闭辊缝。 弯辊力的改变还会改变辊缝的形状。增加正弯辊力将使工作辊的中一心辊缝减 小，但有一部分也被支撑辊的辊颈弯曲和轧辊压平所抵消。这些影响使用一个离 线的辊系变形模型计算。研究表明向正弯辊力提供一个线性系数可以模拟这个影 响。 1 6 东北大学硕士学位论文 第3 章梅钢a g c 系统的选型及功能详述 弯辊力补偿 正弯辊力不影响穿带 l o a d 穿带 ： c e l l 压力 反锈 i 正 弯辊 液压 缸力 正弯辊力改变辊缝形状 皮 重 正弯辊力 p b 辊缝补偿 2 轧机 。 c l p b + f p b 轧机 ”o 1 ” f = p b c l p b 5 3 2 2 4 尾部失张补偿 除去辊平衡后的正弯辊力 正弯辊系数 图3 4 弯辊力补偿公式 f i g 3 4r o l lb e n d i n gc o m p e n s a t i o n 当带钢尾部离开上游机架，带制失张和一个相应的厚度增加将产生。失张补 偿的大小为计算的带钢厚度的一个百分比。对于厚的带钢，关闭辊缝以保持带钢 厚度。对于薄的带钢，辊缝会被打开以防止尾部损伤( 夹紧或扯断) 。在上游机架 失张后，修正信号通过一个可调的速率斜坡上升。 1 7 尔北火学硕士学位论文第3 章梅钢a g c 系统的选型及功能详述 d 部变片 衙毗小辊缝消瞄= 氍响h 时问 5 r l n 对非拙格j ” i 打开鞋 缝防l l 烂 尾 对厚规格j “i r 缝 图3 5 失张补偿示意图 f i g 3 5 t e n s i o nl o s sc o m p e n s a t i o n 3 2 3 厚度a g c 控制 g a g e m e t e r 修改辊缝位置用以维持带钢在每个机架出口保持恒定的出口厚 度。g a g e m e t e r 使用b i s r a 方程式( h = s o + f k m ，见图3 6 ) 以预测机架出口厚 度。图3 6 中，带钢进入轧辊前轧辊辊缝等于设定的辊缝位置，s o 。当带钢进入 轧辊后，轧辊间产生压力致使机架延伸并使得实际辊缝打开。在b i s r a 方程式 巾f k m 为机架的弹跳量。在这里出口厚度等于无负载时的辊缝加上机架弹跳量。 1 8 尔北人学硕士学位论文第3 章梅钢a g c 系统的选型及功能详述 轧机弹跳量为机架弹跳量和轧辊辊系变形之和。辊系变形通过一个离线的由 j l 个宽度范围对应的辊系变形模数值组成的模型计算。机架弹跳则来自于m m t 测试过程中轧辊在几个压力等级下辊面压靠所测得的总的轧机弹跳。由于m m t 测试仅仅是在轧辊压靠下进行，因d i s t f l f 裂弹眺等于所测得的总的弹跳减去在最大 宽度下的辊系变形量。 h = 入口厚度 h = 出口厚度 f = 轧制力 幽3 6 弹跳方栏不恿圈 f i g 3 6 b i s r a e q u a t i o n 在标定压力下总的弹跳必须为零。因此机架弹跳的标