（材料加工工程专业论文）单机架四辊铝带冷轧机张力控制系统的应用与研究.pdf

一 ；i f - ，t i n i ! ，l11 i ，j1，1-i ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l sf o r m i n ge n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o ni n dr e s e a r c h a p p l i c a t i o n a n dr e s e a r c ho f n t e n s i o nc o n t r o ls y s t e mf o rs i n g l es t a n d4 - - h i g h a l u m i n i u m s t r i pc o l dm i l l b yt a n gt o n g g u o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i ux i a n g h u aa n dz h a n g d i a n h u a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 i t 独创性声明 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 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 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谢 意。 学位论文作者签名：i 勿钫国 日期： z 膨争一2 、印 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文 摘要 单机架四辊铝带冷轧机张力控制系统的应用与研究 摘要 本文以某1 9 0 0 m m 单机架四辊铝带冷轧机为对象，重点研究了冷轧过程中的张力控 制。采用s i e m e n s ep l c 控制器开发了一套实用的张力开环控制系统。指出了常规开 环张力控制的不足，深入研究了张力闭环控制算法。提出将模糊智能控制技术应用到常 规张力闭环控制中，通过m a t l a b 下的s i m u l i n k 环境对常规和新型两种控制系统进 行仿真研究。结果表明，模糊+ p i d 复合张力控制系统取得了明显优于常规p i d 控制的 控制精度。本文的主要内容和取得的主要成果如下： ( 1 ) 以张力产生的机理及传动系统的原理为出发点，开发了一套基于最大恒转矩 法张力开环设定的控制系统。张力控制采用最大恒转矩法，并进行动态补偿和锥度张力 控制，通过控制电流来控制铝带张力。 ( 2 ) 开环张力控制系统具有稳定性好的优点，但控制精度低，存在稳态误差而且 动态补偿效果较差。鉴于开环张力控制系统的缺点，深入研究了张力闭环控制算法。 ( 3 ) 针对常规张力p i d 闭环控制系统响应较慢的问题，提出采用模糊+ p i d 相复 合的控制策略完成张力闭环控制。控制偏差较大时采用模糊控制器，最大程度地提高系 统响应速度；控制偏差较小时切换为p i d 控制，消除系统的稳态误差。通过s i m u l i n k 仿真实验表明：基于模糊+ p i d 复合控制器的张力闭环控制系统既具有较快的动态响应， 又具有较高的稳态精度。 ( 4 ) 基于以上对铝带张力控制的研究，给出了一套合理的冷轧张力计算机控制系 统的硬件配置和软件结构。 实际的运行结果和曲线表明：张力控制系统运行稳定，稳态轧制过程中张力的波动 范围控制在设定值的1 。本文的研究结果针对单机架铝带冷轧机的张力控制具有很强 的实用性和推广价值。 关键词：铝带冷轧；张力控制；模糊控制；模糊+ p i d 控制 一 b e t w e e nc o n v e n t i o n a lc o n t r o l l e ra n dn e wc o n t r o l l e ri sd o n eb ys i m u l i n ke n v i r o n m e n to f m a t l a b t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m b i n a t i o no ff u z z ya n dp i dc o n t r o ls y s t e m c 如g e tm u c hb e t t e rp r e c i s i o nt h a nc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o ls y s t e m n cm a i nw o r ka n d r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft e n s i o na n dd r i v ec o n t r o ls y s t e m ，t h em a x i m u mi n v a r i a b l e t o r q u eo p e nl o o pt e n s i o ns e ta l g o r i t h mi sd e v e l o p e d t e n s i o nc o n t r o lu s c st h es t m t e g yo ft h e m a x i m u mi n v a r i a b l et o r q u e ，u s e sd y n a m i cc o m p e n s a t i o na n dt a p e rt e n s i o nc o n t r o l ，a n d c o n t r o l sa l u m i n i u ms t r i pt e n s i o nb yc o n t r o l l i n gt h ec u r r e n t ( 2 ) 1 n h eo p e nl o o pt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mh a st h ea d v a n t a g eo fg o o ds t a b i l i t y , b u ti th a s b a dc o n t r o lp r e c i s i o na n dd y n a m i cc o m p e n s a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed i s a d v a n t a g eo fo p e nl o o p c o n t r o ls y s t e m ，t h ea l g o r i t h mo f c l o s e dl o o pt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mi sd e e p l yr e s e a r c h e d ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mo fs l o wr e s p o n s eo fc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e ro ft e n s i o n c o n t r o ls y s t e m ，t h ec o m b i n a t i o no ff u z z yc o n t r o l l e ra n dp i dc o n t r o l l e ri si n t r o d u c e dt ot h e c l o s e dl o o pt e n s i o nc o n t r 0 1 w h e nt h ec o n t r o ld e v i a t i o ni sb i g g e r , t h ef u z z yc o n t r o l l e ri su s e d i no r d e rt og e tf a s t e rr e s p o n s e w h e nt h ec o n t r o ld e v i a t i o ni ss m a l l e r , t h ep i dc o n t r o l l e ri s u s e di no r d e rt og e tr i do fs t e a d ye r r o r 1 n h es i m u l a t i o nr e s u l tb ys i m u l i n ks h o w st h a tt h e c o m b i n a t i o no ff u z z ya n dp i dc l o s e dl o o pt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mn o to n l yh a sf a s td y n a m i c r e s p o n s eb u ta l s oh a sg o o ds t e a d yp r e c i s i o n ( 4 ) b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mf o ra l u m i n i u ms t r i p ，as e to f r e a s o n a b l et e n s i o nc o n t r o lc o m p u t e rs y s t e mi n c l u d i n gh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r e s t r u c t u r ei sg i v e n t h ea c t u a lr e s u l t sa n dr e c o r dc u r v e ss h o wt h a tt h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mr u n ss t e a d i l y 1 n b cf l u c t u a t i o no ft e n s i o ni sl e s st h a n1 o fs e t t i n gv a l u ed u r i n gs t e a d yr o l l i n gp h a s e 1 n h c r e s e a r c hr e s u l t si nt h ep a p e ra r eu s e f u lt ot h et e n s i o nc o n t r o lo fs i n g l es t a n da l u m i n i u mc o l d m i l l t h e ya r ep r a c t i c a la n dc a nb ea p p l i e di ns i m i l a rp r o j e c t a d d i t i o n a l ，t h e r ei sa l s oa b r e a k t h r o u g hi nt h em e t h o do fc l o s e dl o o pt e n s i o nc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：a l u m i n i u m ，c o l dr o l l i n g ，t e n s i o nc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，f u z z y + p i dc o n t r 0 1 n 1 东北大学硕士学位论文目录 独创性声明 摘要 目录 a b s t r a c t 。 第一章综述。 。i i i i l 1 1 课题背景与意义1 1 2 张力控制的研究发展现状。1 1 3 本文主要研究内容3 第二章单机架铝带冷轧机工艺及设备 4 2 1 产品规格及参数4 2 2 轧机概况4 2 3 开卷机及传动系统参数7 2 4 主轧机及传动系统参数7 2 5 卷取机及传动系统参数8 2 6 辅助 受备9 2 6 1 轧制工艺油及过滤机系统9 2 6 2 高压动力站9 2 6 3 主动力站1 1 2 6 4 油雾净化( 排烟) 系统1 1 2 7 本章小结。1 1 第三章单机架铝带冷轧机计算机控制系统 3 1 计算机控制系统发展概述。1 2 3 2f c s 控制系统及现场总线介绍。1 2 3 3 铝带轧制计算机控制系统配置及p l c 组态1 3 3 3 1s 7 4 0 0p l c 系统：1 6 3 3 2s 7 3 0 0p l c 系统1 6 3 3 3e t 2 0 0 系统1 7 3 3 4a b bd c s 8 0 0 直流调速装置2 0 3 3 5 系统的软件平台2 2 3 3 5 1 监控组态软件w i n c e 。2 2 3 3 5 2p l c 编程软件s t e p 7 2 3 3 4 本章小结。2 3 东北大学硕士学位论文 目录 第四章张力开环控制系统设计。 4 1 张力控制的基本方法2 4 4 2 铝带张力的开环控制策略2 6 4 3 卷径计算2 9 4 4 张力开环控制系统在现场的实际应用3 0 4 5 本章小结3 2 第五章张力闭环控制算法研究 3 3 5 1p i d 控制算法3 3 5 1 1p i d 控制算法3 3 5 1 2p i d 控制器特点3 4 5 2 模糊控制算法3 5 5 2 1 模糊理论相关知识。3 5 5 2 1 1 模糊集的概念及运算。3 5 5 2 1 2 隶属度函数3 6 5 2 2 模糊控制的基本思想3 7 5 2 3 模糊控制系统的组成及基本原理3 8 5 2 4 模糊控制器的基本设计方法3 9 5 2 4 1 模糊控制器变量的选择4 0 5 242 模糊控制规则的设计4 0 5 2 4 3 精确量的模糊化4 1 5 2 4 4 模糊推理及模糊量的精确化4 2 5 3 模糊+ p i d 控制及其仿真应用4 2 5 3 1 模糊p i d 控制的产生及发展4 2 5 3 2 模糊p i d 控制器基本原理4 2 5 3 3 模糊p i d 控制及仿真应用4 3 5 4 本章小结4 6 第六章能耗制动 4 7 6 1 本系统制动介绍4 7 6 1 1 能耗制动基本原理4 7 6 1 2 本系统制动基本原理。4 8 6 2 制动电阻的计算公式4 9 6 4 开卷电机动态制动时间计算分析5 0 6 5 主轧机电机动态制动时间计算5 2 6 6 卷取电机动态制动时间计算5 4 v 1 东北大学硕士学位论文第一章综述 第一章综述 1 1 课题背景与意义 铝是工业生产和日常生活中不可或缺的金属，被大量用于制造飞机、汽车、火箭、 宇航飞行器的精密器件，广泛用于制作门窗、房檐、百叶窗及炊具和餐具料等生活物品， 还可以作为冶金工业中的还原剂。铝带是制造工业及生活产品的基本材料，而铝带产品 质量的好坏又直接影响到这些产品的质量。此外，中国是铝的消费大国，目前仍处于铝 短缺状态。每年中国需要进口几百万吨的氧化铝来满足中国国内市场需要。目前，国内 铝带的实际轧制速度最高仅6 0 0 r e r a i n ，而国外同类产品实际轧制速度最高可达 1 2 0 0 r e r a i n 。因此，提高铝带产品的质量及产量是中国目前市场上最为迫切的要求。而 张力控制精度直接影响产品质量及生产效率【l 御。因此张力控制在提高铝带, l 帛l j 的质量 及速度中是一个很重要的因素。 张力控制在铝带的轧制过程中主要有以下几方面的作用。 ( 1 ) 防止轧件跑偏1 3 , 4 1 。在实际轧制过程中，即使是平直的轧件进入辊缝中进行轧 制，也往往因为喂料时不能很准确的对中，使得沿轧件宽度方向上压力分布不均衡，因 此会造成轧件跑偏。轧件在在轧制过程中一旦发生跑偏，又不加以纠正的话，随着轧制 过程的进行，跑偏现象便会成为恶性循环，愈演愈烈。 ( 2 ) 使所轧铝带平直度好1 5 l 。平直度是衡量板带质量重要的指标之一，通常所谓板 形好就是指板带的平直度好。冷轧后的铝带之所以出现边浪、中浪等平直度缺陷，其原 因主要是轧件中的残余应力分布不均。如果在轧制过程中给轧件加上一定的张力，有利 于残余应力在轧件横向分布均匀，便可以轧出平直度合格的产品。 ( 3 ) 降低轧制力。张力不仅可以使水平方向的压应力减小，也可以使垂直方向上 的压应力降低。 ( 4 ) 能适当的调节铝带的厚度【矾。在连轧过程中，张力的作用非常敏感，可以用它 来作为厚度的微调。 综上所述，张力的作用直接影响到产品的厚度精度、板形和表面质量，又进一步影 响到轧制速度，为了使轧机能够更快、更好的轧制出质量良好的铝带，必须对张力进行 控制及应用。 1 2 张力控制的研究发展现状 张力控制系统是现代工业中广泛应用的控制系统之一【7 1 ，张力控制一般分为开环控 制和闭环控制两大类1 8 l 。开环控制就是利用有些电机的本身所具有的与卷绕特性相似的 软机械特性，直接用这类电机来传动卷绕机构，以获取近似的恒张力控制；闭环控制又 分为直接张力控制、间接张力控制和复合张力控制三种方式。 东北大学硕士学位论文 第一章综述 直接张力控制是一种最直接、最有效的控制方式之一，直接张力控制方式中，设置 有张力检测元件、张力辊和张力控制环，利用张力检测元件的检测信号与给定张力值比 较，经张力控制环后去驱动执行机构，控制张力辊的位置，达到控制张力的目的。这种 张力控制方式优点是张力控制精度高，从理论上可以实现零误差控制；缺点是控制精度 依赖于张力检测元件的精度，如果现场环境比较恶劣，如酸雾对检测元件的腐蚀，就可 能导致张力控制失效。 间接张力控制系统中没有张力检测元件，对张力的控制是通过对卷取机构的物理方 程进行静态、动态分析，从中找出影响张力的所有电气物理量，对这些物理量进行控制， 从而达到恒张力控制的目的。根据不同的物理量采用不同的方法，一般有电流反馈、电 枢反电势反馈、卷径反馈等。由于间接张力控制涉及多个参数的控制，一般需采用多闭 环的控制方式来实现。这种恒张力控制方式的优点是减少了张力辊及相应的检测元件， 降低了系统成本；缺点是控制方式更为复杂，与直接张力控制方式相比控制精度较低， 并且完全依赖于控制器的精度。 复合恒张力控制方式是在间接张力控制方式的基础上，再增加一个张力闭环，形成 一个三环控制系统。该控制方式优点是不仅具有直接张力控制的高精度，还具有间接张 力控制方式的快速性能和跟随性能：缺点是投资成本大，控制方式更为复杂1 9 l 。 在实际中，应用最为广泛的是间接张力控制方式，其控制精度完全取决于控制器。 在上世纪八十年代以前，控制系统一般以模拟器件为主，系统的精度一般都不高。进入 九十年代后，随着机电制造技术、电力电子技术、计算机技术、检测技术的发展，专用 张力控制设备( 器件) 有了飞速的发展，张力控制的精确度也得以不断提高。传统的张力 控制主要采用常规的p i d 控制，p i d 控制是基于偏差的比例、积分和微分的集成式控 制方法，具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用面广，可以改善系统的动态特性和 稳态特性等优点，只要正确的设定其参数便可以实现其控制作用，因而被广泛的作为控 制器应用于张力控制系统中。在进行p i d 控制器的参数整定时，般认为被控制对象 的参数是恒定不变的，即假设系统是一个时不变系统，通过对转动惯量的补偿和卷径的 扰动补偿，实现恒张力控制。其实，在进行惯量补偿计算时就知道，随着带钢被卷绕在 卷筒上，卷筒的转动惯量在不断增大。同时由于张力控制系统中速度和张力是交叉耦合 的，并且是多输入多输出的非线性系统，而采用常规p i d 控制理论进行张力系统设计， 控制器的参数一般是按照卷筒空卷时进行整定，在实际运行时调节器参数并不能随着系 统参数变化而改变，对系统模型的精确性依赖较强，所以往往不容易达到原控制器设计 的指标。 由于在常规p i d 控制很难获得满意的控制效果，随着人们对产品质量要求的提高， 人们也在不断的寻找新的控制方法，因此有人们提出了自适应p i d 控制的方法。现阶 段，对张力控制自适应p i d 控制器的设计方法主要分为两种，一种是增益自调节p i d 调节器，这种方法一般都是采取转矩补偿的思想。经过几十年的发展，这种方法已经相 当的成熟，并且在实际中也取得了广泛的应用，如德i 目西门子公司的张力控制板系列： ，矗，q ，? j -。譬“，：_ ，1 东北大学硕士学位论文 +第一章综述 从盯1 0 、 1 3 0 0 到目前最新的t 4 0 0 。 另一种是模型参考自适应调节器，其基本思想是建立相关的控制模型，从而建立相 关的补偿关系，这种方法在实际应用中也取得了相当的发展。然而从某些方面考虑，这 两种方法都有其一定的局限性。如增益自调节方法的前提是只考虑主要变化因素一卷筒 转动惯量的变化，而不考虑其他扰动的影响，这些扰动在实际运行中也会带来不小的误 羹 在 模型参考方法则要求建立相关的参考模型，而实际在张力控制中速度和张力是交叉 耦合的，同时由于各种扰动的存在。建立相关的精确参考模型非常困难，应此这两种自 适应p i d 控制器在实际的应用中都有一定的不足。 1 3 本文主要研究内容 本文介绍了铝带轧机系统的概况，然后以张力控制在铝带轧制的中应用为主线进行 展开。 ( 1 ) 介绍了传统的p i d 算法。传统的张力控制主要采用常规的p i d 控制器，常规 p i d 控制算法简单，具有可以改善系统的动态特性和稳态特性的优点，但传统的p i d 控 制对系统模型的精确性依赖较强，对于张力控制系统这种典型的非线性、时变且受随机 干扰的系统，一般难以获得较好的控制性能。 ( 2 ) 在深入的学习了模糊控制思想及原理后，设计出一种模糊p i d 控制器，在实 际张力控制中，根据设定与反馈偏差的变化量，首先进行模糊控制，当偏差达到设定值 时，再进行p i d 控制，以期达到良好的控制效果。 东北大学硕士学位论文第二章单机架铝带冷轧机工艺及设备 第二章单机架铝带冷轧机工艺及设备 2 1 产品规格及参数 材料：铝及铝合金( a a l ( x 系列、a a 3 x x x 系列) ； 入口厚度：最大1 0 o m m ( 软合金) ； 5 o - 6 5 m m ( 硬合金) ； 最小0 1 4 m m ； 入口带宽：8 0 0 一1 7 0 ( h n m ； 出口厚度：最大7 o m m ( 软合金) ； 4 5 m m ( 硬合金) ； 最小0 1 m m ( 考核) ； 套筒规格： 料卷规格： 0 0 8 m m ( 设计能力) ； 内径：f 6 0 5 m m ： 外径：f 6 6 5 m m ： 长度：2 0 0 0 m m ： 内径：f 6 1 0 m m ： 外径：f 2 2 5 0 m m ( 最大) ； 卷重：1 6 0 0 0 k g ( 最大) 。 生产线示意图，图2 2 为轧制生产线模型。整个生产线可以大致分为 机入口部分、轧机主体部分、轧机出口侧部分、套简处理装置以及辅 上的料卷由入口料卷小车运送并装载在开卷轴上。经过轧制后，在卷 卷再由出口料卷小车卸载并运送到料卷输送装置。轧制后的料卷根据 可以由料卷输送装置的揣输送带输送到轧机入口侧等待下一道次轧 摧输送带传送到后续轧机；也可以使用其他设备运走。带材轧制完毕 的套筒，经由套筒处理装置运送到轧机出口侧，装载在卷取轴上，供 妊 东北大学硕士学位论文 第二章单机架铝带冷轧机工艺及设备 图2 2 轧制生产线模型图 f i g 2 2m o d e lo fr o l l i n gp r o d u c t i o nl i n e 其h m l 主界面如图2 3 所示： 鼬比口 t 鲁t 比回 国 鼻鼻雌毙匮 蠡嘲比口裟：屠 罄灞懑鬻黧露鹈隰 图2 3h m i 界面 f i g 2 3h m i i n t e r f a c e ， ， 7 _ 日n 7 。”7 ”。 l i ei 。l 幸一j ；棼i t - - ；j ：一喾 ，尊l ? t 一。? ，| ；| 。t 东北大学硕士学位论文 。j + 第二章单机架铝带冷轧机工艺及设备 2 3 开卷机及传动系统参数 帅球；。一q r嘲”k i v h 褂m 直流电机：2 x 4 0 0 k w ，6 6 0 v ，4 0 0 1 4 1 0 r m i n ： 电枢电流：6 6 6 6 6 0 v ，励磁：2 3 2 2 0 v ； 低速：3 5 0 m m i n ( 1 4 前滑和3 8 的压下量) ； 高速：8 4 0 m r a i n ( 2 5 前滑和4 4 的压下量) ； 速比：低速7 8 3 ：1 ，高速3 2 7 3 6 ：1 ； 张力：低速双电机1 4 5 4 6 1 4 5 5 k g ： 低速单电机7 2 7 3 7 2 7 k g ； 高速双电机5 9 4 4 - 5 9 4 k g ； 高速单电机2 9 7 3 2 9 7 k g ； ： 张力比：2 0 ：1 ( 双电机) ，1 0 ：1 ( 单电机) ； 张力精度：稳态1 ，动态2 。 开卷电机实际弱磁曲线如图2 4 所示： 图2 4 开卷电机实际弱磁曲线 f i g 2 4a c t u a ll o wi n t e n s i t yf i e l do fp a y o f fm o t o r s 2 4 主轧机及传动系统参数 主机直流电机：2 x 1 7 5 0 k w ，6 6 0 v ，4 5 0 一1 1 0 0 r m i m 电枢电流：2 8 0 6 a ；励磁：5 8 舭2 0 v ； 低速：2 0 0 巧0 0m m i n ；高速：4 8 0 1 2 0 0 m m i n ； 速比：低速2 6 9 ：1 ；高速1 1 3 ：1 1 穿带速度：1 5 3 0 m m i n ，可调 7 东北大学硕士学位论文 第二章单机架铝带冷轧机工艺及设备 前滑量：1 4 低速；2 5 高速； 压下量：3 8 ； 轧辊最大转矩：2 0 6 0 0 k g m ( 低速2 0 0 m m i n 时) ；8 2 4 0 k g m ( 高速4 8 0 m m i n 时) ； 正常停车：2 0 s ； 快速停车：1 0 s ； 支撑辊径：f1 1 2 0 - 8 5 0 m m ； 工作辊径：f4 2 0 。3 8 5 m m ；工作辊长度：1 9 0 0 m m ； 速度精度：稳态0 1 ，动态o 2 。 主电机实际弱磁曲线如图2 5 所示： 图2 5 主电机实际弱磁曲线 f i g 2 5a c t u a ll o wi n t e n s i t yf i e l do fm a i nm o t o r s 2 5 卷取机及传动系统参数 直流电机：2 x 6 5 0 k w ，6 6 0 v ，4 0 0 1 4 1 0 r m i n ： 电枢电流：1 0 6 6 a j 6 6 0 v ； 励磁：3 3 a 2 2 0 v ； 低速：5 6 9 m m i n ( 1 4 前滑和3 8 的压下量) ： 高速：1 5 0 0 m r a i n ( 2 5 前滑和4 4 的压下量) ； 速比：低速4 7 7 ：1 ，高速1 8 7 ：1 ； 张力：低速双电机1 3 2 6 6 - 1 3 2 6 k g ； 低速单电机6 6 3 3 - 6 6 3 k g ； 高速双电机5 1 4 2 5 1 4 k g ： 岳 东北大学硕士学位论文 g _ - 章单机架铝带冷轧机工艺及设备 高速单电机2 5 7 1 2 5 7 k g ： 张力比：2 0 ：1 ( 双电机) ，1 0 ：1 ( 单电机) ； 张力精度：稳态1 ，动态2 。 卷取电机实际弱磁曲线入图2 6 所示： 图2 6 卷取电机实际弱磁曲线 f i g 2 6a c t u a ll o wi n t e n s i t yf i e l do fr e w i n dm o t o m 2 6 辅助设备 轧制工艺油及过滤机系统、气动润滑系统、灭火系统、油雾净化( 排烟) 系统、高 压动力站和主动力站。 2 6 1 轧制工艺油及过滤机系统 工艺油及其过滤系统由一个净油箱、一个污油箱、一个循环油箱、三台净油泵 ( 3 7 5 k w ) 、两台污油泵( 2 x 9 0 k w ) 、两台净油加热器( 2 x 6 0 k w ) 和3 台热喷淋加热 器( 2 x 6 0 + 1 3 0 k w ) 以及板式过滤机组成。 其工艺油部分h m i 界面如图2 7 所示： 2 6 2 高压动力站 功能：为a g c 的预载缸，弯辊缸，平衡缸等提供高压动力。 动力：二台高压泵( 2 x 4 5 k w ) 、一台循环泵。 高压站h m i 界面如图2 8 所示： 东北大学硕士学位论文第二章单机架铝带冷轧机工艺及设备 三一。贮一! h l _ 倒日_ 一 工1 ： - 籼- o _ o 苴厶一讲r 錾 一，9 盥虢、。媳i 蹦d - _ o _ o 1 1 _ _ 。 一 。 霄l 础。， 1，i z i x r = ：i l1币勰 i k 赫， l 陶焉。一 i 一 蝴一 口ou目i 飘枷 陋砖蕴 一1 1 w j i j * 8 f “m o 一l 0 3 8 6 0 0 l l 0 2 t 厘匣圃” o i 一, w l l ! q 一一1 一i 一一 一j 一；= 墨；： ：i ：一一j - i li l 曩 nl il 一譬n j 鼍1 i j i l ，i j ii i i i l + i n 上- 一j 图2 7 工艺油部分h m i 界面 f i g 2 7h m ii n t e r f a c eo fc o o l a n to i l 图2 8 高压站h m i 界面 f i g 2 8h m ii n t e r f a c eo fh i g hh y d r a u l i cp o w e ru n i t 1 m ， 及设备 图2 9 主动力站h m i 界面 f i g 2 9h m ii n t e r f a c eo fa u x i l i a r yh y d r a u f i cp o w e ru n i t 2 6 4 油雾净化( 排烟) 系统 k 斡， 爱譬： 耪 一台电机( 1 1 1 0 k w ) ，软启动器启动。 2 7 本章小结 ( 1 ) 介绍了某1 9 0 0 m m 单机架四辊铝带冷轧机的工艺及设备概况，给出了整个铝 带冷轧生产线的设备布置图。 ( 2 ) 列出了与张力控制相关的传动系统参数，给出了可提供张力的最大最小范围， 对张力控制精度提出技术要求。 ( 3 ) 简单介绍了冷轧机的主要设备以及与冷轧工艺与设备相配套的电控柜和操作 箱的详细配置。 东北大学硕士学位论文第三章单机架铝带冷轧机计算机控制系统 第三章单机架铝带冷轧机计算机控制系统 3 1 计算机控制系统发展概述 2 0 世纪后半叶，随着计算机技术的迅猛发展，计算机在工程控制中的应用也越来越 广泛【1 。不仅产生了多种多样的自控产品，也丰富了人们进行自控设计的思路与方案。 在工业生产过程中，1 9 6 9 年问世的p l c 和1 9 7 5 年问世的d c s 可能是两类影响最 为深远的计算机控制系统。p l c 的问世取代了继电器之类的器件，实现了开关量的联锁 ， 控制、程序控制；d c s 的问世取代了显示仪、调节器之类的仪表，实现了模拟量的指示、 记录和p i d 回路调节等功能。随着计算机、通信、网络技术的发展，p l c 、d c s 互相融 合，互相渗透，取长补短。p l c 吸取了d c s 在回路控制功能、c r t 显示功能、网络功 能等方面的长处，d c s 吸取了p l c 在联锁控制功能、程序控制功能、梯形图及功能块 图编程功能等方面的长处，两者之间的差别越来越小，分界线也越来越模糊了。另外， 随着其他计算机控制系统的不断出现，控制系统的产品早已呈现出多元化的发展格局， 而针对某一具体用户来说，d c s + p l c 的控制方案不再受青睐，控制系统设备一体化的 呼声越来越高近年来，控制系统的发展还出现这样一些趋势：向国产d c s 系统转移， 向p l c 转移，向现场总线控制系统f c s 转移，而以p c 为基础的控制系统( p c b a s e d c o n t r o ls y s t e m ，p c a c s ) 也呈现良好的发展态势。 3 2f c s 控制系统及现场总线介绍 根据国际电工委员会会i e c ( i n t e m a t i o n a le l e e t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 标准和现场基 金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的 数字式、双向传输、多分支结构的通信网络1 1 1 l 。遵循i s o 的o s i 开放系统互联参考模 型的全部或部分通讯协议。用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制 器和现场智能仪表设备互联的实时网络控制系统，称为现场总线控制系统f c s 。 现场总线控制系统的特点： 1 _ ) 开放性和互操作性 一 开放性指既可与同类网络互连也可以与不同网络互连；互操作性指用户可以选用各 种品牌的现场设备集成在一起，只有实现互操作性，用户才能自由的集成f c s 。 ， 2 ) 功能块分散性 f c s 控制系统废弃了d c s 的输入输出单元和控制站，把d c s 控制站的功能块分 散到的分配给现场设备、仪表，从而构成虚拟控制站。例如，流量变送器不仅具有流量 信号变换、补偿和累加输入功能块，而且有p i d 控制和运算功能块：调节阀除了具有信 号驱动和执行功能外，还内含有输出补偿功能块，p i d 控制和运算功能块，甚至有阀门 特性自校验和自诊断功能。 l - h 1 、t 东北大学硕士学位论文 备 第三章单机架铝带冷轧机计算机控制系统 由于功能块分散到多台现场设备中，并可以统一组态，因此用户可以灵活地选用各 种功能块，构成所需控制系统，实现彻底的分散控制， 3 ) 低成本 不同于传统d c s 的通信网络截止于控制站或输入输出单元，现场总线的通信线一 直延伸到现场或生产设备。f c s 彻底的分布式结构将1 对1 的模拟信号传输方式变为1 对n 的数字式传输方式，节省了大量的a d 、d f a 转换装置，降低了布线安装成本和维 护费用。 开放性、分散化、低成本是现场总线最显著的三大特征，它的出现将使传统的自动 控制系统产生划时代的变革。本系统采用了西门子的p r o f i b u s 现场总线网络，在硬件 配置、软件编程时充分应用了p r o f i b u s 的资源。实现了工业控制机、p l c 、远程i o 、 直流调速器之间的通信连接。整个控制系统结构合理，扩展灵活，控制精度高，为铝板 的顺利轧制提供了有力的保证。 3 3 铝带轧制计算机控制系统配置及p l c 组态 首先简要介绍p r o f i b u s 及工业以太网。 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 是德国西门子公司1 9 8 7 年推出的，主要应用于p l c ， 是由一系列互相兼容的模块构成，按照其应用范围主要有以下3 种协议模块： 1 p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 用于一般的自动化的中速数据 传输，主要用于传感器、执行器、低压开关设备、电气传动、p l c 、楼宇自动化和纺织 等行业。 2 p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i s e dp e r i p h e r y ) 用于加工自动化的高速数据传输，应用 于现场级分散的外围设备和自动控制设备之间的通信。 3 p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 用于过程自动化的低速数据传输，符合 i e c l l 5 8 2 标准，总线供电，本质安全型1 1 2 j 。 以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它支持几 乎所有流行的网络协议，近些年来，随着网络技术的发展，以太网进入了控制领域，形 成了新型的以太网控制网络技术。这是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面 发展，开放的、透明的通讯协议是必然的要求。 本系统采用p r o f i b u s d p 网及工业以太网通讯。其中，p r o f i b u s d p 采用r s 4 8 5 传输技术，传输速率从9 6 k b p s 到1 2 m b p s 可选，传输介质为双绞线或光缆，传输距离 为1 2 0 0 - - l o o m ( 取决于传输速率) ，总线型拓扑结构。主站之间为令牌方式和主站与从 站之间的主从方式，以及综合这两种方式的混合方式。p l c 3 0 0 与p l c 4 0 0 采用 p p r o f i b u s d p 网及以太网通讯，p l c 3 0 0 与p l c 4 0 0 与各远程站的通讯采用 p p r o f i b u s d p 通讯。其计算机系统配置如图3 1 所示： 在图3 1 中共有3 大部分，分别是： ( 1 ) s 7 4 0 0 系统及其远程子站： 酗 吁 h _ l l ，一 ： ，： | 。，貂。 秽菇 妊 毵# 以 0 。 詈薯 0 1 ； 甜、， 喜： 滔 f _ ：飞 。! 薯。 l l 主_ l ； j 毒 。塾 景 善 拳 ，善 嚣 0 量蔷 ；爨 ! 掌_ 。 2 l ，。 ， 60