BP神经网络在热轧卷取机张力控制中的应用优秀毕业论文.pdf

分类号 u d c 密级 学位论文 1 9 3 鑫1 7 3 b p 神经网络在热轧卷取机张力控制中的应用 作者姓名 孟冬冬 指导教师 杨卫国副教授 东北大学信息科学与工程学院 申请学位级别 硕士学科类别 工学 学科专业名称 控制理论与控制工程 论文提交日期 2 0 0 9 年6 月3 0 日论文答辩日期 2 0 0 9 年7 月4 日 学位授予日期 答懒厶捕 评阅人 东北大学 2 0 0 9 年6 月 午 喵 一 at h e s i sf o rt h e d e g r e e o fm a s t e ri nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g t h e a p p l i c a t i o no f b pn e u r a ln e t w o r ki nt h e ho t r o l l e dc o i l e rt e ns i onc on t r o l b ym e n gd o n g d o n g s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o ry a n gw e i g u o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 l j n l夕 ji f q fil鼻 jol 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已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意 学位论文作者签名 至l 冬冬 签字e l 期 7 0 0 7 7 f 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 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年口一年函一年半口两年口 学位论文作者签名 刍冬冬导师签名 签字e l期 2 d o 7 f签字日期 q 厂 秒 锄岬 l l 1 l 辟i 嘲目 i j l 东北大学硕士学位论文摘要 b p 神经网络在热轧卷取机张力控制中的应用 摘要 卷取机是热连轧自动化生产中非常重要的设备 其工作性能的好坏直接影响到成品 钢卷的最终品质 钢卷侧边整齐 卷得紧 和整个机组的生产节奏和效率 为保证卷取控 制系统具有良好的性能 关键是要提高卷取机速度与张力控制系统的性能 本课题以工程项目为背景 建立了现代工程控制系统的整体构架与分布功能的联 系 并将b p 智能算法应用在其中的卷筒张力控制系统中 具体包括 1 细致研究了工业现场的卷取机控制系统组成 其中包括网络系统 p l c 系统 传动系统 卷取区主要机械设备的张力及速度控制作用 卷取机控制过程状态 本文将 其分为准备 正常 收尾三种状态 以及张力控制相关的典型环节 包括带尾减速控制 和夹送辊配合卷筒进行张力控制 2 对卷取机张力控制的具体方法进行归纳和分析 主要包括变频系统速度 张力可 选控制 张力控制方式采用最大转矩调节法 异步电机的按转子磁链定向解耦模型 转 矩给定的动态实时补偿 卷径计算的程序算法 3 卷筒的张力恒定控制比较复杂 传统控制方法难以实现 因此本文提出采用b p 神经网络控制 并对b p 神经网络的算法进行了改进 利用算法去学习对象的典型变量 样本 并反馈目标逼近值 通过此方法间接实现反馈与偏差控制 可达到使卷筒张力恒 定的目的 通过仿真研究 充分证明了b p 神经网络算法应用在热轧卷取机张力控制中 的可行性 关键词 张力控制 卷取机 卷筒 b p 神经网络 一i i 奇 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fb pn e u r a ln e t w o r ki nt h e h o t r o l l e dc o i l e rt e n s i o nc o n t r o l a bs t r a c t c o i l e r sa r ec r u c i a l l yi m p o r t a n te q u i p m e n t so nt h ep r o d u c t i o nl i n e so fh o ts t r i pm i l l s t h e q u a l i t yp r o b l e m so ft h e i ro p e r a t i o na l w a y sa f f e c t t h eu l t i m a t eq u a l i t y s i d en e a t l y c o i l c o m p a c t i n g o ff i n i s h e dc o i la n dt h er h y t h ma n de f f i c i e n c yo ft h ew h o l ep r o d u c t i o nl i n e s r u n n i n g i no r d e rt oe n s u r ec o i l e rc o n t r o ls y s t e mh a sg o o dp e r f o r m a n c e t h ek e y i st oi m p r o v e t h ec o i l e rs p e e da n dt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m sp e r f o r m a n c e t h i ss u b j e c ta g a i n s tab a c k g r o u n do fap r o j e c te s t a b l i s h e dt h el i n k a g eo ft h em o d e m c o n t r o ls y s t e m so v e r a l lf r a m e w o r ka n di t sd i s t r i b u t i o nf u n c t i o na n dt h ea p p l i c a t i o no fb p i n t e l l i g e n ta l g o r i t h mt ot h er e e lt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m i n c l u d i n g 1 d e t a i l e ds t u d yo ft h ec o i l e rc o n t r o ls y s t e mo fi n d u s t r i a lf i e l d i n c l u d i n gn e t w o r k s y s t e m p l cs y s t e m m o t o rd r i v es y s t e m t h et e n s i o na n ds p e e dc o n t r o lo f m a i ne q u i p m e n t s i nc o i l i n ga r e a c o i l e rc o n t r o lp r o c e s s t h r e es t a t e s p r e p a r a t i o n n o r m a l e n d i n g a n ds o m e t e n s i o nc o n t r o lr e l a t e dt y p i c a ls e c t i o n s t h es l o wd o w np o i n t sc o n t r o lo ft a i le n da n dt h ep i n c h r o l la s s i s t a n c ef o rt e n s i o nr e e lc o n t r 0 1 2 a n a l y s i sa n ds u m m a r i z e dt h es p e c i f i cm e t h o d so fc o i l e rt e n s i o nc o n t r o l i n c l u d i n g f r e q u e n c yc o n v e r s i o ns y s t e ms p e e d t e n s i o no p t i o n a lc o n t r o l m a xt o r q u em e t h o di nt e n s i o n c o n t r o lm o d i n d u c t i o nm o t o rr o t o rf l u x o r i e n t e dd e c o u p l i n gm o d e l t o r q u ed y n a m i cg i v e nf o r r e a l t i m ec o m p e n s a t i o n t h ec a l c u l a t i o no fc o i ld i a m e t e rp r o c e d u r eb ya l g o r i t h m 3 c o i l e r sc o n s t a n tt e n s i o nw i n d i n gc o n t r o li sv e r yc o m p l e x t h et r a d i t i o n a lc o n t r o l m e t h o d sa r ed i f f i c u l tt oa c h i e v et h i sg o a l i nt h i sp a p e r p r o p o s e dam e t h o do fu s eb pn e u r a l n e t w o r kc o n t r o l a n di m p r o v e di t sa l g o r i t h m u s i n gt h i si m p r o v e da l g o r i t h m st ol e a r nt h e s a m p l e so ft y p i c a lv a r i a b l e so ft h eo b j e c t a n df e e d b a c kt a r g e tv a l u eo fa p p r o x i m a t i o n t h i s m e t h o dt h r o u g ht h ef e e d b a c ka n db i a sc o n t r o li n d i r e c t l y a c h i e v e dt h ep u r p o s eo fc o n s t a n t t e n s i o no fw i n d i n gc o n t r 0 1 t h r o u g hs i m u l a t i o ns t u d i e s f u l l yp r o v e dt h a tb pn e u r a ln e t w o r k a l g o r i t h mu s e di nh o t r o l l e dc o i l e rt e n s i o nc o n t r o l sf e a s i b i l i t y k e yw o r d s t e n s i o nc o n t m l c o i l e r m a n d r e l b pn e u r a ln e t w o r k i i i 一 工1 j f j厂 i f 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明 i 中文摘要 i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论 1 1 1 热连轧卷取机生产技术现状 1 1 2 神经网络在控制工程中的应用 3 1 3 本课题研究背景与方法选择 5 1 4 本文的主要工作 6 第2 章卷取机工艺过程分析 7 2 1 卷取机控制系统结构 7 2 1 1 卷取机网络通信系统结构 一7 2 1 2 卷取机p l c 控制系统结构 1 0 2 1 3 卷取机传动控制系统结构 1 1 2 2 卷取机工艺过程研究 1 3 2 2 1 卷取机主要设备 1 3 2 2 2 卷取过程状态分析 1 7 2 2 3 与张力控制相关典型控制环节 2 l 2 3 本章小结 2 4 第3 章卷筒张力控制系统研究 2 5 3 1 卷筒张力控制系统分析 2 5 3 1 1 卷筒张力控制 2 6 i v 东北大学硕士学位论文目录 3 1 2 卷筒速度控制 2 8 3 2 异步电机的数学模型研究 2 9 3 3 卷筒的转矩组成及给定计算 3 7 3 3 1 卷筒转矩的组成 3 7 3 3 2 卷简转矩给定的计算 4 4 3 4 卷筒的卷径计算 4 5 3 4 1 卷取计数法 4 7 3 4 2 速度比例法 4 7 3 4 3 卷径增加模式法 4 7 3 5 本章小结 4 8 第4 章b p 神经网络卷取机张力控制设计 4 9 4 1b p 神经网络模型与算法改进 一5 2 4 2 控制算法的m a t l a b 仿真研究 5 7 4 2 1b p 算法张力控制设计 5 7 4 2 2b p 算法张力控制仿真分析 6 2 4 3 本章小结 6 5 第5 章总结与展望 6 7 5 1 主要研究工作总结 6 7 5 2 后续工作展望 6 7 参考文献 6 9 致谢 7 3 一v 7 t r 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 热连轧行业发展现状与卷取机生产现状 1 1 1 热连轧行业发展现状 我国现有热轧宽带钢轧机1 2 套 总生产能力为2 0 0 万吨 年 这1 2 套轧机均是采用常 规工艺流程 其中 采用半连轧工艺的有3 套 鞍钢1 7 0 0 攀钢1 4 5 0 上钢一厂1 2 0 0 采 用全连轧工艺的有一套 梅山1 4 2 2 采用3 4 连轧工艺的有5 套 武钢1 7 0 0 宝钢2 0 5 0 宝 钢1 5 8 0 太钢1 5 4 9 本钢1 7 0 0 采用炉卷工艺的有3 套 太钢1 5 4 9 首钢1 2 0 0 首钢2 0 3 0 采用叠轧工艺的有5 0 套 能力为2 0 0 万吨 年 热轧窄带钢轧机有5 0 余套 能力5 0 0 万吨 年 其中采用半连轧工艺8 套 采用3 4 连轧工艺4 套 采用全连轧工艺1 套 采用行星轧 制工艺1 套 其余为采用横列式工艺 据统计 现有板带轧机 我国板带轧机综合生产 能力可达5 0 0 0 万吨 年 我国已建板带轧机机型主要有1 4 5 0 17 0 0 2 0 5 0 三种 从国民经 济发展 尤其是汽车工业发展需要考虑 2 1 0 0 2 5 0 0 m m 宽带轧机还紧缺 根据各行业对 板带品种需求预测 今后应重点发展的品种是 1 轿车工业用各类深冲板 镀锌铝板 2 轻工用锡镀板 搪瓷板 3 电力工业用冷轧硅钢片 4 核电和机械工业用无磁小 锈板 5 航空工业用高精度小锈板 6 建筑用镜面小锈板 制振钢板 7 化工用 复合板 超低碳小锈板和0 5 m m 以下薄板 8 碳土 合土 合结等优质板带 现代热轧板带生产 除了要求不断提高产品的尺寸 精度 板形质量 表面质量 力学性能和加工工艺性能外 还要求在生产的自动化 连续化和高效化的方面 追求更 高的技术含量 以适应市场对板材产品的需求 1 棚 现代热轧板材发展趋势有以下特点 1 提高轧制速度 5 0 年代精轧出口速度一般为6 1 0 m s 6 0 年代为2 0 m s 7 0 年代则己提 高n 3 0 m s 考虑到速度超过1 2 m s 后带钢在输出辊道上会出现 飘浮 同时后几架轧 机及卷取机咬入困难 因此为了 通板 顺利 高速连轧机都采用加速轧制方式 即开 始以1 0 m s 左右的速度轧制 待卷取机卷上钢板后 轧机和卷取机同步加速达到正常轧 制速度 2 加大卷重 一般为5 1 0 吨左右 至7 0 年代则超过1 5 吨 一般为2 0 3 0 吨 现在已增大到4 5 吨 3 扩大产品规格范围 薄板过去只生产2 1 0 m m 的板卷 近年来则 趋向生产0 1 o 2m i l l 的热轧板卷 而厚规格板则由1 0 m m 3 l l 大3 1 u 2 0 m m 4 改进机械设 备 由于带钢热连轧生产率高 因此提高机械化程度尽可能减少非生产时间的比例 为 此对加热炉前后 卷取机前后以及废带钢的清除等工序加强了机械化程度成为改进设备 的重要对象 随着产品厚薄范围的扩大 为了克服薄带钢要求高速卷取 厚带钢要求低 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 速强力卷取的矛盾 并为了有利于薄带钢顺利卷取咬入 不使温度下降过大 采用了薄 带近距离专用卷取机 5 采用新工艺 热连轧带钢生产总的工艺流程几十年来没有很 大的变化 但在流程中各个部分都采用了一系列新的工艺技术 使生产技术水平有了 质 的变化 其主要的有 侧边轧制 一分材轧制 恒定小张力轧制 精轧机组加速 度轧制和层流冷却以及张力卷取 6 自动化程度不断提高 自6 0 年代开始 采用了电 子计算机控制 使带钢热连轧机成为轧钢自动化的先驱 在一定程度上各国都以其带钢 热连轧机的自动化程度作为本国轧钢自动化水平的标志 带钢热连轧机自动化经历了以下几个阶段 即 1 5 0 年代以前 人工操作 2 1 9 5 5 1 9 6 0 年 人工操作加上单机自动控制系统 如活套控制 厚度调节系统 3 1 9 6 0 1 9 6 9 年 计算机控制和单机自动控制系统并存 4 1 9 7 0 年以后 全部计算机控制 对于热连轧卷取 自从2 0 世纪2 0 年代第一卷热轧钢卷在h r m c ob u t l e r 热轧厂生产出 来 金属带材的生产出现了新的领域 而当时人们对卷取技术似乎一直不太关注 直到 客户对钢材的外观质量与表面质量提出要求时 卷取技术才纳入工程师们的研究范围 这是因为 卷取技术作为生产工艺中的最后一道工序直接影响产品的质量 在历史上 由于卷取技术的原因 曾出现高达1 0 的次品率 为了解决卷取技术中的难题 各个国 家都花费了大量的物力 财力进行技术研究及技术改造 然而 卷取过程中造成次品的 原因一般都不能很好解释 人工操作的随机性与次品率有相关性 原因就是人们缺少直 接检测和分析的手段 人们唯一能进行的就是对卷取过程中的张力进行分析 经过几十 年的知识积累 人们已总结了最优的卷取策略及卷取工艺的特点 1 1 2 卷取机生产现状 现代卷取机又称为地下式卷取机 其具有生产效率高 便于卷取宽且厚的带钢 卷 取速度快 钢卷密实等优点 经其卷取的热轧带钢是重要的工业原材料 广泛应用于汽 车 电机 化工 机械制造 建筑 造船等工业部门 此外还有大量的热轧带钢用于冷 轧原料及制造焊管和冷弯型钢等 因此 卷取机在国民经济中占有重要的地位 地下卷取机除应用在带钢热连轧生产线之外 还应用在薄板坯连铸连轧生产线 中 板坯连铸连轧生产线和炉卷轧机生产线上 卷取机是这些带钢生产线上的关键设备之 一 卷取机的张力控制工作状态直接影响着生产过程的节奏与效率 也将直接影响到成 品带钢的最终质量 对生产效益影响巨大 实际的卷取机是一个集机械 电器 控制 传动为一体的复杂系统 并且是在冲击振动 高温水等恶劣环境条件下工作的 因而卷 出的钢卷经常会出现塔形 松卷 锯齿卷等质量问题 卷形不良始终困扰着许多企业 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 具体来说 对于热轧薄带钢卷取过程中 如果带钢没有绷紧 是没有办法卷紧的 如果张力不恰当 带钢的边缘将不齐 钢卷有的紧有的松散 若张力过小 钢卷会在自 身重量下松散 钢卷在散开过程中由于相对滑动 会在钢板表面产生划痕 影响钢材的 表面质量 或者由于钢卷的内层松散突出 无法包装 若张力过大 带钢容易拉断 且 在钢材卷取过程中 会使钢卷内卷产生滑动 由于滑动造成表面划痕 影响了钢材表面 质量 不仅如此 由于张力过大 会造成钢卷内部应力过大 致使钢卷的内孔内陷或者 整个内层卷突出 塔形 一旦发生这种情况 就会降低钢卷的等级 为了防止层间滑动 在实际生产中 采用专家设定机械损耗补偿的方法进行控制 为了提高钢卷的成材率 应根据不同的带材特性设置相应的卷取张力 然后 保持正常卷取状态该张力值恒定 总之 恒张力控制是卷绕类负载控制技术的关键点 对于热轧带钢产品 按钢种分类有 碳素钢 高碳钢 冷轧用低碳钢 低合金钢 船用钢 不锈钢 输送用管线钢等品种 热轧带钢按规格分类 即板材产品的厚度和宽 度来划分 有 宽度从7 0 0 m m 至0 1 3 0 0 m m 厚度从2 0 m m 至l j l 2 0 m m 范围的各个品种 其中 屈服强度大 抗拉性 延伸率高 冲击力强的带钢 女n x 8 0 l 对卷取机的张力控制能 力要求较高 本项目的卷取机采用德国西马克s m s 公司产品 具备卷取x 8 0 等高性能钢 材的能力 由于新型的卷取机多为国外产品的现状 在现有设备的基础上 对其进行分 析设计和技术改造 使其处于最优卷取工作状态 并进一步使其国产化是当前国内研究 人员的首要任务 1 2 神经网络与其在卷取张力控制中的应用现状 卷取机控制系统早在上世纪8 0 年代以前就为国内外学者所关注和研究 当时卷取 张力控制系统一般以模拟器件为主 系统的精度一般不高 进入9 0 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 从所获得的资料来看 张力控制设备从两个方面发展 一是以磁粉 永 磁 离合器 制动器 为基础的张力控制设备 其主要特点是磁粉离合器 制动器 的激磁电 流与输出转矩有较好的线性关系 通过相应的检测元件的信号来控制和调节磁粉离合器 的激磁电流的大小 控制其输出转矩 从而实现卷取过程中的张力控制 该控制系统由 于受到磁粉离合器输出转矩的大小限制 主要应用领域为轻工业 如造纸 纺织 印刷 等行业 主要代表产品有w a r n e r 电气公司的张力控制系统 n i r e c o 公司的卷材张 力控制系统 日本三菱公司的张力控制系统等 另一方面是以变频器为基础的张力控制 系统 其主要特点是采用专用的张力控制板来完成张力控制所需的动态惯量补偿 卷径 计算 恒张力控制等功能 通过变频器来实现恒张力控制 其主要代表产品有德国西门 子公司的张力控制板块系列及相应变频器系列 张力控制板从p t l 0 t 3 0 0 到目前最新 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的t 4 0 0 由张力控制板与相应的变频器结合 完成张力控制 近一 二十年来 随着与国外技术交流日益密切 国内卷取张力控制设备 器件 基 本上与国外保持同步 对于以永磁式离合器 阻力器 为基础的永磁式张力控制系统 有 上海佐林电器有限公司生产的y z 系列产品 以磁粉离合器 阻力器 为基础的张力控制 系统 除了上海佐林电器有限公司生产的z a 系列产品外 还有海安前卫机电厂生产的 z k o 系列张力控制系统 以变频器为基础的张力控制系统 国内有许多厂家 科研院 下 所 高校进行了相应的研制和开发 其中有南京航天航空大学开发的h i 列高性能微机 控制变频器 其转矩补偿可进行2 5 6 种选择 华为公司生产的t d 3 3 0 0 系列张力控制专 用变频器 本身自带有惯量静态 动态补偿 弯曲转矩补偿等功能 不需要专用的张力 控制工艺板就能完成张力控制的功能 相对来说 国外张力控制系统设备不仅对于卷取 过程中张力有严格精确的控制 而且对于初始建立张力 抛钢阶段张力都有较好的控制 并且有友好的人机界面 完善的功能 如缓冲启动 防松卷功能 手动 自动控制 模式 选取 控制参数的保存和调用 自诊断模式 多种通讯接口等 国外各个公司的张力控 制设备一般都是系列产品 能提供多种方案选择 以满足不同用户的不同卷取工艺需求 从国外现有的张力控制设备的状况可以看出 张力控制设备的发展趋势是向功能多 样化 产品系列化方向发展 集机械 液压 电气 计算机控制于一体 对张力检测元 件的开发和张力控制算法的研究也是张力控制设备开发和研究的一个重点 在直接张力 控制系统中 检测元件精度直接影响张力的控制精度 对于间接张力控制系统 其控制 算法直接关系到张力控制精度 目前有一些新的控制算法的出现 如n i r e c o 公司的指 数算法 它使张力控制与卷径无关 并且提高了系统的稳定性 响应性 随着智能控制 理论的发展 新型张力控制系统也得到了应用 如模糊参数自整定p i d 张力控制 基于 神经网络的张力控制系统 这也是张力控制设备发展的一个向方 现代工业的迅速发展和计算机运算能力的不断提高 越来越需要也越来越便于智能 控制理论方法在工程上的应用 当今卷取生产工艺过程越来越复杂且往往存在高度非线 性和严重的不确定性 对作业精度的要求也越来越高 神经网络作为大规模并行分布处一 理的非线性系统 在基于人类智能行为的方法下 为控制工程问题提供了解决的新途径 神经网络以其独特的优点引起了人们的极大关注 近年来在如机器人 航天等领域得到 j 迅速发展和成功应用 2 川 神经网络与传统控制技术相比 具有以下特征和性质 1 非线性 能够充分逼近任意复杂的非线性关系 因而神经网络比其它建模更经 济 2 1 平行分布处理 神经网络具有高度平行的结构 因而比常规方法有更大程度的 容错能力 神经网络基本单元的结构简单 并行连接更可加快处理速度 5 j 如今 采用 超大规模集成电路设计的硬件神经网络 使运算速度进一步提高 而且网络规模也明显 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 增大 3 学习和自适应性 利用系统过去的数据记录 可对网络进行训练 经过适当训 练的网络具有泛化能力 即当输入出现训练中未经历过的数据时 网络也有能力进行辨 识 并且可以在线训练 6 4 数据融合 网络可以同时对定性和定量的数据进行操作 可以作为传统工程系 统 定量数据 和人工智能领域 符号数据 信息处理技术之间的桥梁 5 多变量系统 神经网络可方便地处理多输入信号 并且具有许多输出 非常适 合于多变量系统 6 模拟人脑功能 可以实现一定的联想 推理和自组织等功能 如今 随着对神经网络理论研究与工程应用的进一步结合 神经网络对复杂控制系 统的控制效果不断得到应证 基于神经网络理论的各种控制对象 如拉丝 纺纱等的张 力控制方案也显示了良好的性能 在卷取机的控制上较多应用于加入模糊的神经网络 p i d 温度控制器设计及卷取机助卷辊液压踏步控制等方面课题 1 3 本课题研究背景与方法选择 本论文的研究背景是来源于东北大学与本溪钢铁公司热连轧厂的合作项目 消化热 连轧带钢生产中的基础自动化级 l 1 级 控制技术内容及工艺系统研究 卷取机的张力控 制是其中的一个重要子课题 卷取机的张力控制过程是由基础自动化通过接收上位机传 送过来的热屈服度 带钢宽度 厚度等参数 结合实时计算的卷径 电机参数等经一系 列运算后 给出卷取所需的目标张力给定值 然后进行动态控制 保持张力恒定 张力 的给定模型早在十多年前就已被建立 但随着轧制品种的日益增多 固定的张力给定模 型已经不适应目前的生产要求 经常会出现过张或不建张的问题 7 过张会引起带钢在 咬入卷取机时产生缩颈 对于高温带钢和材料硬度低的带钢来说此现象更为突出 不建 张则会引起卷取机材料跟踪问题 引起卷取机材料跟踪紊乱 导致废钢 同时 建张时 间对于不同钢种及规格的带钢也会有区别 对张力给定也产生较大影响 而且由于卷取 机在卷取带钢时 张力控制和速度控制并存 长带钢和短带钢的控制也不相同 所以卷 取机张力的给定的正确计算是影响钢卷卷形的一个关键因素 对于热连轧卷取设备的工作过程 其关键点是选取一个合理的张力 并使这一张力 值得以建立 并且在张力建立完毕之后 保持正常卷取状态张力值恒定 因此研究恒张 力的控制 张力建立的过程 张力的变化对带卷及设备的影响等是卷取机张力控制研究 的重要课题 而卷取机张力控制系统是时变 非线性和带干扰的多输入多输出系统 应用常规的 方法对控制对象做检测反馈 很难达到理想的控制精度效果 在实际现场中常规传感器 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的采集信号往往精度不良 仪器性能欠佳 对运行工况条件适应性 8 由于检测反馈环 节十分依赖于传感器的精度 导致恒张力控制效果欠佳 而将神经网络用于张力控制 主要是便于解决这样的非线性 多变量的控制处理等问题 由于神经网络具有模拟人的部分智能的特性 使神经网络控制具备鲁棒性 容错性 和并行运算的结构 能对变化的环境具有学习能力和自适应性 考虑到在本工程上理论 应用的可行性 决定采用b p 神经网络控制方法用于卷取张力控制恒定 具体方法采用 b p 神经网络算法去学习对象的典型变量样本 并反馈目标逼近值 通过此方法间接实 现反馈与偏差控制 则可达到使卷筒张力恒定且提高精度的目的 1 4 本文的主要工作 本文以实际轧钢项目为依托 以其卷取区域工艺部分中的自动化控制系统为研究对 象背景 分析了生产线卷取区的部分主要设备特点和工艺过程及其典型控制环节 对其 中的张力控制系统进行了重点研究 并提出将b p 神经网络控制算法应用在异步电机卷 取恒张力控制中的方法 本文的章节构成 1 课题研究意义与研究方法 热轧钢卷生产控制的智能方法应用现实意义非常突 出 发展前景广阔 2 对卷取工艺过程进行分析 细致研究工业现场的卷取机控制系统整体结构 卷 取区主要设备的张力及速度控制 卷取机控制过程状态 张力控制相关典型环节四部分 内容 3 卷筒张力控制系统研究 重点研究张力控制方式 异步电机模型 张力给定及 补偿 卷径计算方法四方面内容 4 b p 神经网络的张力控制应用 设计b p 改进算法 设计张力控制方法 仿真研究 三部分内容 5 结论与展望 根据较理想的效果 肯定b p 算法应用于张力控制的可行性 但还 需进一步对理论算法深入学习和结合工程实际复杂性进一步细致研究 一6 一 东北大学项士学位论文第2 章卷取机工艺过程分析 第2 章卷取机工艺过程分析 2 1 卷取机控制系统结构 热连轧厂的主轧线按生产工序一般都分为加热 粗轧 精轧 卷取四个区域部分 卷取机部分位于热连轧带钢生产线的末端 在带钢生产过程中 用于完成带钢产品的收 尾工作 即将精轧机组轧制出的带钢以良好的卷形 紧紧地无擦伤地卷成钢卷 9 并进 行便捷的运输和存放以待出厂 该部分的设备配合与工艺逻辑分时动作由卷取机控制系 统来统筹处理 本钢热连轧厂采用集散控制系统对各个工艺区段进行控制 1 0 对高速运行的带钢实 现了准确而灵活的卷取控制的工艺要求 并将网络通信 电气控制与机械设备有机的结 合起来 l 3 级 生产控制级 根据产品订单及生产情况进行计划调度 l 2 级 过程控制级 根据生产工艺和相关数学模型对卷取相关设备进行优化设定 这两级均采用广域网方式 进行数据传输 l 1 级 基础自动化级 采用东芝v 系列集成控制器v 3 0 0 0 进行编程 p l c 控制柜间采用 t m e i c 东芝三菱公司的t c n e t 网络通信 控制器通过背板以模块形式集成在p l c 控制柜 内 其中的关键模块是c p u 即处理器模块 其功能是从过程控制级l 2 接收设定数据 经 过相应运算处理 下达给作为设备传动级的l o 级 执行机构 并从l o 级 仪器仪表 采集 实时数据反馈给l 2 级进行自学习和统计处理 继而根据当前生产状况 l 2 级再给定或调 整设定值 其中 l 1 级与l 0 级的现场设备通信线由现场数据处理模块r 3 通过g 3 总线连 接的i o 模块引出 此级与下一级采用局域网进行数据传输 l 0 级的变频传动系统采用东芝三菱公司自产型号t m d r i v e l 0 3 0 7 0 卷取工艺部 分未用7 0 来控制 参数设置命令字下达和电机运行状态参数反馈字通过t o s l i n e 网络进行 传送 其中t o s l i n e 网络用于传动系统与上一级p l c 进行通信 卷取设备主要采用德国 s m s 公司产品 包括三台固定式地下卷取机1 号 2 号 3 号 其中3 号卷取机功率较大 传动电机等采用国产装备 2 1 1 卷取机网络通信系统结构 网络通信系统采用e t h e m e t d e v i c e n e t p r o f i b u s 实现上位机与各生产环节的通信 并通过控制台 p p 完成对监控过程和现场的操作控制 其中 e t h e m e t 用于连接控制台 的h m i 实现o d g 在线数据跟踪 v t o o l p c 上位机 与v 系列p l c 之间的通信 d e v i c e n e t 用于连接现场即远程i o 本系统采用a b 公司的f l e xi o 现场总线p r o f i b u s 用于连接现场操作员h m i 针对明确卷取区的实际通信系统配置情况给出拓扑图如下 一7 一 东北大学4 士 学位论文 第2 章卷取机工艺过程分析 胃 冀 譬l 罨 哥哥 另再j 鲁 l 譬 苫器 f 譬互 暑 暑 r 叠 一 矗 髓胃 蠢r 霉墓 0 工 e u m q 9 峨 1 a u 髂 1 a u l 3 s s l b u 1 a 蠹 晤 霹 一 平 一 o 一叠 要三 一 皇 誊 兽星 辱 l 篓 再 i 簦 兰 耋至 图2 1 卷取机网络通信系统结构图 f i g 2 1n e t w o r ks y s t e ms t r u c t u r eo fc o i l e rc o m m u n i c a t i o n 一8 一 公五l i t l 3 龄 6峨it il雌v 誓要lt 鞠 譬 蕾 口v 曾 篓戛 一 肆一 一 酬蠡 l i 暮 泔 茹矗 己 啼 i毫d 奉 g 6鼻舞 串 舞墨书 l 2 簿 萱 嚣惫 l2v薯 五蔫 6v li 矗靠口 车 鲁磐盎 毒5 矗蒿盛 麓蓐叠 一 曩 i 一号蔼 串簟 il j j 碍时v t 蕾 再 誊 p p 贻 l i 口y 静舅蓐篁再 一 事皤善鼻唾 唔暑 善 唾警 一 叫尊好皇li簟时v 一 置置ii十 墨 口v 譬羞is 聋蕾口v t p 盘誊 嚣 罅睁露f嚣 笪 穹 一 镀啃 旧 上击 哥一宥8 s czo 一口n n 哥 写重嘉一sc 手 一dc 嚣 嚣聍 霉p 时哥 薹 3 手 dc鹭冀 暑b 蠡轳 手 8 霉i嚣sc 括 k 一 神高 sdro 站 r g h 0 串 旧1讣 1 尹 dc 8 s c手 冠薯sc 薯p u d c 百 s c 孑 u寓 鼙 鸭 f 墨扛 胃 p 寸 墁 墨譬 l 0 篱 竺 羞v gipi 0 f 0l 薹缸叠 胃 i v 东北大学硕士学位论文第2 章卷取机工艺过程分析 图中 英文缩写的含义解释 s wh u b 交换机集线器 是以太网e t h e m e t 通信系统中的全局信息交换设备 t c n e th u b t c n e t 集线器 是p l c 通信系统t c n e t 网络中的局域信息交换设备 o d g o n l i n ed a t i n g 在线数据跟踪 e g d e t h e m e t b a s e dg l o b a ld a t e 基于以太网的全局数据 d b s d a t e b a s es e r v e r 数据库和其他数据存储服务 m p p s m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sp l a n n i n gs y s t e m 工艺规划系统 d e v d e v e l o p m e n t 编程开发 p d hp r o d u c t i o n p l a n n i n gd i r e c t i v ei s s u e d 生产计划指令下达 h m hh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e 人机界面 l 3 级 生产控制级 负责作业计划的监督管理 如根据订单合同 制定生产计划 管 理原料库 成品库 管理过程跟踪与动态调整及其报表 管理设备 资产 生 产实绩等 l 2 级 过程控制级 负责生产过程的控制与优化 如模型计算与设定 模拟轧钢 物 料跟踪与初始数据管理 数据通信 h m i 监控画面与生产报表等 l l 级 基础自动化级 负责自动控制工艺逻辑与运算的处理 如自动速度控制 自动 宽度控制 自动张力控制等 l 0 级 设备传动级 负责现场设备的传动 液压驱动和信号采集 如变频传动系统 液压系统及执行机构 以及热金属检测器 激光检测器 增量型编码器 位移 传感器等检测仪表 p s p l c 电源模块 负责向各个模块供电 3 p l c 处理器模块 负责设备的p l c 控制逻辑与各种运算的处理 在i o 模块中s 3 表示与s 3 处理器有关的i o 变量传输关系 如 n o 1d cm a n d r e ls 3 s c p l c 机架控制器扩展模块 负责机架控制及其过程仪表 i o 的处理 在i o 模块 中s c 表示与s c 控制器有关的i o 变量传输关系 如 n o 1d cs gs c r 3 p l c 远程扩展模块 负责处理p l c 与各个设备远程i o 之间的通信 r o t r u no u tt a b l e 输出辊道 s g s i d eg u i d e 侧导板 p r p i n c hr 0 1 l 夹送辊 w r w r a p p e rr o l l 助卷辊 m d m a n d r e l 卷筒 f m f i n i s h i n gm i l l 精轧机 d c d o w nc o i l e r 卷取机 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章卷取机工艺过程分析 c t c 层流冷却控制 c o m p a c tc o o l i n gs g p r 密集冷却区的夹送辊和助卷辊控制 辅助设备 未选时空闲 d cm a s t e r 3 卷取机主速度相关i o 变量处理 r i o 远程i o 各个i o 模块中的变量为相对于扩展模块的本地i o 和相对于其他模 块的远程i o 的总和 i o 模块中有与传动相关的模块s n 3 2 2 a 和s n 3 2 2 h 用于 p l c 与l o 级自动化的传动设备通信 通过t o s l i n e 网络 后文单独介绍 i o 模 块中有与h m i 相关的模块 用于p l c 与现场的h m i 之间的通信 d e v i c e n e t 现场总线 用于远程i o 之间的通信 现场的h m i 可经由现场总线手动操 作现场设备 在图2 1 的控制系统环境下 卷取区的各个设备根据卷取工艺 互相配合完成自动 控制过程 这样 就实现了卷取生产过程的产 监 控的高效运作 2 1 2 卷取机p l c 控制系统结构 e 付机 图2 2 卷取机p l c 控制系统结构图 f i g 2 2c o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r eo fc o i l e rp l c 一1 0 东北大学硕士学位论文第2 章誊职机工艺过程分析 图2 2 以3 号卷取机为例 给出卷取机p l c 编程系统实际配置情况 根据上文提到 的卷取机的部分主要现场设备 涉及和处理卷取工艺过程的p l c 总共配置有9 个站 如 图2 1 均为v 3 0 0 0 型系列 p l c 控制模块均按照所处理的设备和功能以站的形式来划 分 如用nc c r p l c 0 1 号站来处理输出辊道的操作逻辑与自动控制过程 nc c r p l c l 6 a 和nc c r p l c l 6 b 号站处理3 号卷取机的侧导板 夹送辊 切换盘 倾 斜盘 地下卷取机 助卷辊的操作逻辑与自动控制过程 其中处理器r 3 p u 4 5 用于p l c 与上述设备的远程i o 接口的处理 处理器 3 p u 5 5 负责本部分设备的p l c 控制逻辑与 各种运算的处理 四个s 3 s t 4 5 a 分别是侧导板 夹送辊 1 号助卷辊和2 3 号助卷辊 的机架控制及其过程仪表 i o 的处理 nc c p l c 2 1 和nc c p l c 2 3 号站处理卸卷小车 和升降小车 钢卷检查站 钢卷运输链等 如图2 2 所示 3 号卷取机采用nc c r p l c l 6 a 和nc c r p l c l 6 b 这两个站的s 3 处理器处理卷取过程的工艺功能 比起1 号卷取机的 nc c r p l c 0 6 a 和nc c r p l c 0 6 b 及2 号卷取机的nc c r p l c l1 a 和nc c r p l c l1 b 号站 多了三个模块 s n 3 2 2 h 0 1 槽 s n 3 2 2 h 0 3 槽 及t p 3 1 2 0 4 槽 分别在在 nc c r p l c l 6 a 号站r 3 p u 4 5 处理器的各扩展模块中 这是因为3 号卷取机夹送辊需 满足用于卷取相对更难卷的带钢而增设了3 个变频传动相关模块 2 1 3 卷取机传动控制系统结构 本钢热连轧带钢厂的电气传动系统可分为主传动和辅传动两大类 主传动是指主要 生产设备的主轴传动 例如轧机的轧辊传动 卷取机的卷筒传动等 辅传动是指所有的 生产设备的传动 其中最有代表性的为辊道传动 也包括生产设备的非丰轴传动 例如 轧机的压下装置传动 对于卷取部分的与s n 模块相连的变频器使用了两种 t m d r i v e 3 0 和t m d r i v e l 0 简称t m d 3 0 t m d l 0 其中 t m d 3 0 用于主传动 即卷筒电机 控制和3 号卷取机夹送 辊的逆变与整流控制 t m d1 0 用于辅传动控制 即输出辊道r o t 1 号和2 号卷取机 夹送辊 助卷辊 运输链的电机控制及其各自辅传动的整流控制 在数据传输方面 在从站中的s n 模块是处理上位机与变频传动有关数据通信的接 口 通过t o s l i n e 与变频器相连进行数据传输 例如 nc c r p l c l 6 a 站主背板上0 0 号 槽中的处理器r 3 p u 4 5 通过0 0 号连接总线g 3 b u s 进行扩展 o l 号扩展背板b u 3 5 b 的 0 1 号槽中插有s n 3 2 2 h 模块 即为nc c