（材料加工工程专业论文）中厚板轧机agc及自动轧钢模型研究与系统实现.pdf

at h e s i si 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 t h em o d e lr e s e a r c ha n d s y s t e mi m p l e m e n t a t i o n o fp l a t em i a g ca n da u t o m a t i c r o l l i n g b yz h a x i a n w e n s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n g j u n 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 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 学位论文作者签名瓠 日期 砷 夕 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 黼雾警黼沙缘7 砷 7 u f 原书空白页 不缺内容 东北大学硕士学位论文摘要 中厚板轧机a g c 及自动轧钢模型研究与系统实现 摘要 钢铁工业是我国国民经济的支柱产业 中厚板生产在钢铁工业中占有非常重要的地 位 厚度精度是中厚板质量的重要指标 是宽度 板型等尺寸精度和内在质量指标的基 础 不断进行模型研究 提高中厚板轧机a g c 的控制水平和精度具有重要意义 实现自 动轧钢 是规范 优化和稳定轧制过程的基础 是实现全过程可控和提高产品精度的重 要保证 本文以国内某中厚板厂3 5 0 0 m m 中厚板轧机精轧自动化系统设计和应用为研究背 景 结合国内外相关文献资料 重点对中厚板轧机a g c 和自动轧钢模型及实践中的问题 进行了系统的研究 并将研究结果应用于该中厚板精轧系统 取得了良好的控制效果 本文的主要内容和研究成果如下 首先 本文从中厚板轧机a g c 模型入手 对各种压力a g c 前馈a g c 和反馈a g c 等模型进行了分析 理论推导和比较 并在此基础上深入研究了轧件头尾补偿 油膜厚 度补偿 咬入冲击补偿 轧辊偏心补偿等厚度补偿方法 为高精度中厚板轧机a g c 模型 的开发和应用奠定了理论基础 在中厚板a g c 系统设计中 首先对本套中厚板轧机a g c 系统硬件配置和网络布置以 及传感器选型等做了详细描述 重点对电动a p c 液压a p c 系统 电液联摆辊缝逻辑以 及自动调零 刚度测试 液压弯辊等系统进行了研究 并针对中厚板轧机a g c 的具体特 点 采用相对a g c 和绝对a g c 相结合的方案 以获得良好的同板差和异板差 轧件跟踪是实现自动轧钢的基础 跟踪系统中不同信号用来触发不同模型计算 轧 件跟踪由宏跟踪和微跟踪组成 本文对轧件宏跟踪和轧区微跟踪系统分别进行了研究 特别对跟踪区域划分 判断和微跟踪修正等模型和算法进行了设计 为轧件的运送和轧 制过程的自动进行提供了信号依据 文中还对跟踪系统的开发软件和通讯实现等做了较 为详细的研究 自动轧钢包括垂直和水平两个方向上的协调自动控制 在对运输辊道控制 道次数 设定控制 主机速度控制 板坯待温控制等自动轧钢核心功能进行研究的基础上 对推 床自动 主机自动以及辊道速度交换等进行了设计 成功应用于本套中厚板轧机精轧系 统 提高了该生产线的自动化水平和产品精度 本文最后介绍了精轧自动控制系统投入应用后的现场测试效果 特别对开发的头部 厚度自适应补偿方法做了详细说明 通过对钢板厚度精度和板凸度等实测数据进行比较 和分析 结果显示本文所设计的模型投入应用后 成品板材同板差和异板差等厚度精度 和板凸度等性能指标均达到合同要求 表明该模型对中厚板轧机自动化系统的设计和现 场应用具有一定的借鉴意义 关键词 中厚板 轧机 a g c a p c 跟踪 自动轧钢 i i i 原书空白页 不缺内容 东北大学硕士学位论文 t h em o d e lr es e a r c ha n ds y s t e mi m p l e m e n t a t i o n o f p l a t em i l la g c a n da u t o m a t i cr o l l i n g a b s t r a c t t h ei r o na n ds t e e li n d u s t r yi st h ep i l l a ro fc h i n a sn a t i o n a le c o n o m yi i 缸u s 由r i e s t h e m e d i u ma n dh e a v yp l a t ep r o d u c t i o ni nt h ei r o na n ds t e e li n d u s t r yp l a y sa v e r yi m p o r t a n tr o l e t h eg a u g ea c c u r a c y w h i c hi st h eb a s i so fd i m e n s i o n a la c c u r a c ya n dt h ei n t r i n s i cq u a l i t ys u c h a sw i d t ha n ds h a p e i sa ni m p o r t a n ti n d i c a t o ro fq u a l i t y t h e r e f o r e i ti ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c h t h em o d e la n di m p r o v et h ec o n t r o l l i n gl e v e la n da c c u r a c yo ft h ea g cs y s t e mo fp l a t em i l l t h ei m p l e m e n to fa u t o m a t i cr o l l i n gi st h ef o u n d a t i o no fr e g u l a t i n g o p t i m i z i n ga n ds t a b i l i t yi n r o l l i n gp r o c e s s f u r t h e r m o r ei tc a nm a k e t h ew h o l ep r o c e s sc o n t r o l la n dg u a r a n t e et h ep r o d u c t d i m e n s i o n a la c c u r a c ya n dp e r f o r m a n c e b a s e do nt h ed e s i g na n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ef i n i s h i n ga u t o m a t i cs y s t e mi nad o m e s t i c 3 5 0 0 m mp l a t em i l la n dt h er e l a t e dd o c u m e n t si nh o m ea n da b r o a d t h em o d e lo ft h ep l a t em i l l a g ca n da u t o m a t i cr o l l i n gw e r er e s e a r c h e d t h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sp r o v et h a tt h e p e r f o r m a n c eo ft h ef i n i s h i n ga u t o m a t i cs y s t e mi sv e r ye x c e l l e n t t h em a i nc o n t e n t sa n dt h e r e s e a r c hc o n c l u s i o n so ft 1 1 i sa r t i c l ea sf o l l o w s f i r s to fa u t h em o d e lo ft h ea g cw a sa n a l y z e da n dc o m p a r e d f o ri n s t a n c e t h ea l lk i n d s o ft h ep r e s s u r ea g c t h ef e e d f o r w a r da g ca n dt h ef e e d b a c ka g c t h ea g cc o m p e n s a t i o n m e t h o dw a sr e s e a r c h e di nd e t a i l s u c ha st h eh e a d t a i lc o m p e n s a t i o n t h ef i l mt h i c k n e s s c o m p e n s a t i o n b i t ei m p a c tc o m p e n s a t i o n r o l le c c e n t r i c i t yc o m p e n s a t i o n w h i c hh a sf o r m e d t h et h e o r e t i cf o u n d a t i o no f t h eh i g h a c c u r a c ym i l la g cm o d e la n di t sa p p l i c a t i o n d u r i n gt h ed e s i g no ft h ea g cs y s t e m t h eh a r d w a r ea n dn e t w o r kc o n f i g u r a t i o ni nt h e s y s t e mo f t h ep l a t em i l la g cw a sd e s c r i b e di nd e t a i la tf i r s t t h ee a p c h a p ca n dt h eg a p s e t t i n gl o g i c o ft h ee l e c t r o h y d r a u l i c t h ea u t o m a t i cz e r o i n g t h es t i f f n e s st e s t i n ga n dt h e h y d r a u l i cb e n d i n gr o l lw e r er e s e a r c h e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so f t h ep l a t em i l l a g cs y s t e m t h er e l a t i v ea n da b s o l u t ea g cc o m b i n a t i o nm o d eh a sb e e ns e l e c t e di no r d e rt o o b t a i nag o o dt h i c k n e s sa n dp e r f o r m a n c eo fp l a t e r o l l i n gt r a c k i n g i st h eb a s i sf o rt h er e a l i z a t i o no fa u t o m a t i cr o l l i n g t h ed i f f e r e n t c a l c u l a t i o nm o d e lw a st r i g g e r e db yd i f f e r e n ts i g n a l so ft r a k i n g t h et r a c k i n gs y s t e mi n c l u d e s v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t b o t hm a c r o t r a c k i n ga n dm i c r o t r a c k i n gs y s t e m s i nt h i sp a p e r t h em a c r o t r a c k i n ga n dt h e m i c r o t r a c k i n gs y s t e m si nr o l l i n ga r e a 慵sr e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l y e s p e c i a l l y t h em o d e l sa n d t h ea l g o r i t h mw a r ed e s i g n e d s u c ha st h et r a c k i n gr e g i o n a ld i v i d i n gm o d e l j u d g i n gm o d e la n d t h em i c r o t r a c k i n gm o d i f ym o d e l i tc a l lp r o v i d et r i g g e rs i g n a l st ot h ea u t o m a t i c a l l yr o l l i n g t h es o t t w a r ea n dt h ec o m m u n i c a t i n go ft h et r a c k i n gs y s t e mw a r ea l s or e s e a r c h e di nd e t a i li n t h ea u t o m a t i cr o l l i n gs y s t e mi n c l u d e st h ec o o r d i n a t i o na u t o m a t i cc o n t r o li nh o r i z o na n d v e r t i c a ld i r e c t i o n t h ea u t o m a t i co ft h em a n i p u l a t o r m i l la n dt h et a b l es p e e de x c h a n g ew e r e d e s i g n e da f t e rt h er e s e a r c ho ft h ec o r ef u n c t i o n so ft h ea u t o m a t i cr o l l i n g s u c ha st h et a b l e c o n t r o l t h ep a s sn u m b e rc o n t r o l t h eh o s ts p e e dc o n t r o la n dt h et e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 f u r t h e r m o r e t h i sd e s i g nw a sa p p l i e di nt h i sf i n i s h i n gs y s t e ms u c c e s s f u l l y s o t h el e v e lo ft h e a u t o m a t i ci np r o d u c t i o nl i n e sa n dp r o d u c tp r e c i s i o nw a se n h a n c e d t h er e s u l t so ft h ef i n i s h i n ga u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e ma p p l i c a t i o nw e r em e a s u r e da n d a n a l y s i sa tt h ee n do ft h i sp a p e r p a r t i c u l a r l y t h ea d a p t i v ec o m p e n s a t i o nm e t h o do ft h eh e a d t h i c k n e s sw a si l l u s t r a t e di nd e t a i l s t h em e a s u r e dd a t as u c ha st h et h i c k n e s sa c c u r a c ya n dt h e c r o w nw a sa n a l y z e da n dc o m p a r e d t h er e s u l t si l l u s t r a t e dt h a tb o t ht h et h i c k n e s sa c c u r a c y a n dt h ec r o w na r em e e tt h ec o n t r a c tr e q u i r e m e n t sw h e nt h ed e s i g n e dm o d e lw a sb e i n ga p p l i e d t h u s t h em o d e la n ds y s t e mi nt h i sa r t i c ei ss i g n i f i c a n c ef o rt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h e p l a t em i l la u t o m a t i o ns y s t e m k e yw o r d s p l a t e m i l l a g c a p c t r a c k i n g a u t o m a t i cr o l l i n g v i 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明 i 中文摘要 i i i a b s t r a c t v 第l 章绪论 1 1 1 国内外中厚板轧线发展概况 1 1 1 1 国外中厚板轧线相关情况 一1 1 1 2 国内中厚板轧线相关情况 2 1 2 中厚板轧制自动化的发展 3 1 2 1 轧钢自动化技术的进步 一3 1 2 2 中厚板轧制自动化理论发展 4 1 2 3 中厚板轧制a g c 理论发展 5 1 2 4 中厚板轧机自动轧钢发展 5 1 3 本文研究背景和内容 6 1 3 1 本文研究背景 6 1 3 2 本文主要研究内容 6 第2 章a g c 理论及模型补偿 9 2 1a g c 基础理论 9 2 1 1 中厚板厚度波动的原因 9 2 1 2 轧机弹性变形和弹跳方程 9 2 1 3 轧件的塑性变形和轧件塑性方程 l o 2 1 4 钢板轧制的弹塑形曲线及应用 1 0 2 2 压力a g c 1 l 2 2 1b i s r aa g c 11 2 2 2d y n a m i ca g c 1 2 2 2 3g m a g c 13 2 2 4a b s o l u t e a i c 1 2 2 5a e ga g c 和r a la g c 1 4 v i i 东北大学硕士学位论文 目录 2 2 6 压力a g c 的比较分析 15 2 3 前馈式a g c 及反馈式a g c 一1 6 2 3 1 压力a g c 与前馈a g c 系统的相关性 1 6 2 3 2 反馈a g c 17 2 3 3 前馈a g c 17 2 4a g c 模型补偿方法 18 2 4 1 轧件宽度补偿 18 2 4 2 油膜厚度补偿 18 2 4 3 压下螺丝窜动补偿 19 2 4 4 轧件头尾补偿 2 0 2 4 5 咬入冲击补偿 2 0 2 4 6 轧辊偏心补偿 2 l 2 4 7 轧辊热膨胀与磨损补偿 2 2 2 4 8 伺服阀偏移补偿 2 2 2 5 本章小结 2 3 第3 章中厚板轧机a g c 系统设计 2 5 3 1a g c 系统硬件配置及软件平台 2 5 3 1 1a g c 系统软硬件配置及调用逻辑 2 6 3 1 2l 1 级计算机系统 2 7 3 1 3l 2 级计算机系统 2 7 3 1 4 在线数据采集 p d a 和分析系统 2 8 3 1 5 人机界面 h m i 2 9 3 2a g c 系统主要检测仪表布置及选型 3 1 3 2 1a g c 系统主要仪表布置选型 3l 3 2 2a g c 系统主要检测仪表介绍 3 1 3 3a p c 系统与辊缝设定 3 3 3 3 1 压下装置的控制要求 3 4 3 3 2 电动压下 3 5 3 3 3 液压压下 3 8 3 3 4 电液联合摆辊缝 4 0 v t i t 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 5 辊缝自动清零 4 2 3 3 6 刚度测试 4 5 3 3 7 液压弯辊系统 4 8 3 4a g c 工作方式的选择 4 9 3 4 1 相对a g c 的调节过程 一4 9 3 4 2 绝对a g c 的调节过程 5 0 3 4 3a g c 工作方式选择 51 3 5a g c 系统的联锁与保护 5 2 3 5 1 压力和位置保护 5 2 3 5 2 与a g c 液压站联锁 5 2 3 5 3 位移传感器对位置的限制 5 3 3 5 4 电动压下保护 5 3 3 5 5 液压缸保护性快卸 5 4 3 6 本章小结 5 4 第4 章轧区跟踪系统设计 5 5 4 1 轧件跟踪概述 一5 5 4 2 轧件宏跟踪 5 7 4 2 1 轧件宏跟踪设计与算法 5 7 4 2 2 轧件宏跟踪实现 5 8 4 2 3 节奏控制 6 0 4 3 轧区微跟踪 一6 0 4 3 1 精轧区微跟踪设计与算法 6 0 4 3 2 轧件微跟踪的自动修正 6 4 4 3 3 轧区微跟踪实现 6 5 4 4 跟踪系统开发软件及通讯实现 一6 6 4 4 1 跟踪系统开发软件 6 6 4 4 2 系统数据通讯实现 6 8 4 5 本章小结 一6 9 第5 章自动轧钢系统设计 7 l i x 东北大学硕士学位论文 目录 5 1 自动轧钢的实现要点 7 l 5 2 自动轧钢核心控制功能 7 2 5 2 1 运输辊道控制 7 2 5 2 2 道次数设定控制 7 3 5 2 3 主机速度控制 7 3 5 2 4 板坯待温控制 7 4 5 3 自动轧钢的实现 7 5 5 3 1 推床自动控制要求和逻辑 7 5 5 3 2 推床自动的实现 7 7 5 3 3 主机自动的实现 7 9 5 3 4 轧机与控冷速度自动交接 8 0 5 3 5 自动轧钢的联锁与保护 8l 5 3 6 自动轧钢的应用 8 1 5 4 自动轧钢协调 8 2 5 4 1 自动轧钢道次逻辑协调 8 2 5 4 2 自动轧钢时的人工干预 一8 2 5 4 3 自动轧钢时操作员控制策略 8 3 5 5 本章小结 8 3 第6 章现场应用与测试效果 8 5 6 1 头部厚度自适应补偿方法及测试 8 5 6 1 1 头部厚度自适应补偿方法 8 5 6 1 2 头部厚度自适应补偿投入效果 8 8 6 2 g m a g c 算法工程应用与测试效果 一8 9 6 2 1g m a g c 算法工程应用 8 9 1 6 2 2g m a g c 算法投入效果 9 2 6 3 钢板厚度精度测试结果 9 l 6 3 1 成品厚差测试方法 9 l 6 3 2 厚度测试结果 9 2 6 4 板凸度测试结果 9 5 6 5 本章小结 9 6 x 东北大学硕士学位论文 目录 第7 章结论 9 7 参考文献 9 9 致谢 10 3 硕士期间参加的科研项目 1 0 5 x i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 国内外中厚板轧线发展概况 钢铁工业是我国国民经济中重要支柱产业 中厚板生产在钢铁工业中占有非常重要 的地位 中厚板是国民经济发展所依赖的重要钢铁材料 广泛应用于军工 造船 石油 化工 电站 汽车制造 桥梁 建筑等支柱产业和基本建设 l 其品种繁多 使用温度区 域较广 2 0 0 6 0 0 2 使用环境复杂 耐候性 耐蚀性等 使用要求高 强韧性 焊接 性等 因此 中厚板是国民经济发展不可缺少的钢材品种 2 j 各国对中厚板生产都很重视 发达国家中厚板的需求量约占钢材总量的1 4 1 6 我国目前为1 1 1 3 4 随着国民经济的发展 对中厚板行业提出了更高的要求 因此 有必要了解目前我国中厚板生产现状及与国外的差距 进而充分采用新技术 新工艺 使我国中厚板生产向优质 多品种 低成本 高效益方向发展 以适应国内外市场需求 和挑战 3 o 中厚板轧机是轧钢行业中的主力轧机 中厚板轧机的装备水平及拥有量是一个国家 钢铁工业发展水平的重要标志 近十年来 我国的钢铁工业有了飞跃发展 虽然钢产量 世界第一 但是我国中厚板轧机的装备水平尚有一定的差距 近年来 中国的中厚板生 产企业 设计 科研和机 电 液设备制造等有关单位围绕着中厚板生产的工艺 设备 电气和自动化控制系统等方面进行了大量的研究与开发工作 通过消化吸收引进技术 结合生产和市场的实际情况进行技术 科研的攻关 已经和正在利用国内自己的力量 建设一批具有国际先进水平的中厚板轧机 在中厚板生产 设备和自动化控制系统等各 个方面都取得了重要的成果 积累了宝贵的经验 经过自主技术集成 集成中创新的模 式 使我国中厚板轧制技术不断发展 逐步形成具有中国自主知识产权的现代化的中厚 板生产 设备 自动化技术体系 4 j 1 1 1 国外中厚板轧线相关情况 2 0 世纪5 0 6 0 年代中厚板轧机的第一次建设高潮在美国掀起 当时以4 0 6 4 m m 中厚 板轧机为主 在此期间美国建有4 0 6 4 m m 厚板轧机共7 套 2 0 世纪6 0 年代后期至7 0 年 代初期第二次中厚板轧机建设高潮转向日本 日本在中厚板轧机领域取得领先地位 这 时期日本建有4 7 2 4 m m 双机架四辊式厚板轧机5 套 1 9 7 1 年意大利建造一套4 8 2 6 m m 双 机架厚板轧机 韩国建一套4 7 2 4 m m 双机架厚板轧机 1 9 7 6 1 9 7 7 年间 日本建造3 套 5 5 0 0 m m 特宽厚板轧机 建造这种特级厚板轧机主要是生产大直径u o e 钢管用宽钢板和 宽幅面 长定尺的造船钢板 1 9 8 5 年德国迪林根厂在4 8 0 0 m m 厚板轧机前面增建5 5 0 0 m m 四辊厚板轧机 这是当时世界上最强大的一台特宽厚板轧机 5 j 8 0 年代厚板轧机的研究重点转向各项工艺新技术 控制系统和相应的技术装备的开 发 现代化的四辊厚板轧机以高精度 高刚度 高功率 大转矩为显著特点 以1 9 8 5 年 投产的迪林根公司5 5 0 0t o n i 轧机为例 其支撑辊直径为c b 2 4 0 0 m m 牌坊断面为9 9 4 0 c m 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 牌坊单重3 9 0t 最大轧制力为1 0 8m n 轧机刚度为1 0 4m n m m 主电机功率为2 x 1 0 9 0 0 k w 最大轧制力矩为2 x 4 5 0 0k n m 最大轧制速度为7 3 5r n s 9 1 从8 0 年代初到9 0 年代初的近十年间 国外受到工业发展速度的影响 发达国家的 中厚板产量都有不同程度的消减 美国 日本 德国 英国停止使用了一批性能低的中 厚板轧机 如 日本原有1 5 套宽厚板轧机3 m 以上 现在只保留了9 套 美国原有1 8 套轧机 保留了1 3 套 英国原有7 套轧机 保留了3 套 德国原有9 套轧机 保留了4 套 德国的蒂森公司拥有4 套中厚板轧机 现在只保留了杜依斯堡的3 7 0 0 m m 一套 l 近年来 国外新建的宽厚板轧机有1 9 9 7 投产的韩国浦项3 号4 3 0 0 m m 单机架厚板 轧机和东国公司的4 3 0 0 m m 双机架厚板轧机 并且 现在国外要建的基本都是宽度在 5 m 以上的宽厚板轧机 例如 东国钢铁公司计划在唐津建立年产1 5 0 万吨的厚板厂 为此要投入7 6 0 0 亿韩元 8 0 3 亿美元 2 0 0 7 年1 月破土动工 将于2 0 0 9 年8 月建成 俄罗斯联合冶金公n o m k 计划于2 0 1 0 年投产5 0 0 0 m m 宽厚板轧机 以便为其新建的 大口径焊管生产线提供所需的管坯原料 印度埃萨集团的h a z i r a 中厚板公司开始建年产 能1 5 0 万吨的中厚板厂 预计在2 0 0 7 年底试运转 投资4 3 3 亿的该厂将生产宽5 米中 厚板 主要用于石油和天然气管道 锅炉和压力容器及造船和建筑工业 旨在替代进口 在自动控制方面 国外现代化中厚板轧机的计算机控制系统大多已经配置了4 级计 算机系统 即基础自动化级 过程控制级 生产控制级和生产管理级 其系统结构合理 硬件设备新 应用软件功能完善 将整个工厂的设备控制 过程控制 生产控制和生产 管理都纳入到计算机系统的管理和控制范围 从而有效的保证工艺设备的最佳运转 轧 机能力的充分发挥及高要求的产品质量i l 卜1 2 j 1 1 2 国内中厚板轧线相关情况 目前 全球第三次中厚板轧机的建设高潮已在中国掀起 预计建设以3 5 0 0 m m 3 8 0 0 m m 4 3 0 0 m m 和5 0 0 0 m m 四辊式单机架或双机架型式为主的现代化高强度中厚板 轧机共约2 2 台 其中3 5 0 0 m m 8 台 含单机炉卷轧机3 台 3 8 0 0 m m 4 台 4 3 0 0 m m 3 台 5 0 0 0 m m 5 台 另外还有2 8 0 0 m m 4 台 这些轧机绝大多数都是大轧制力 达2 0 k n m m 以上 大功率 达2 k w m m 以上 高刚度 达2 k n m m 以上 大大超过日本和美国现 有中厚板轧机性能水平 将成为全球新一代高性能中厚板轧机 为实现t m c p 工艺 生 产高质量 高性能 高附加值中厚板创造了非常有利的条件 另外 我国正在生产的还 有2 3 台中厚板轧机也都经过不同程度的技术改造 这些新轧机建成后 中厚板轧机产 能将成倍增加 一些落后的三辊劳特式中厚板轧机将会逐步被淘汰掉 我国中厚板轧机 将面目一新 6 蚋 但是 我国现有的中厚板轧机水平较低 生产规模不大 并且中厚板厂家多 生产 能力分散 各厂家生产设备 控制技术和工艺技术水平与国外相比还有很大的差距 生 产的产品品种单一 附加值低 并且难以实现真正意义上的自动轧钢和t m c p 技术 不 能生产高 精 尖产品 还需要依赖进口 近年来 在中国 新上马了大大小小很多中厚板项目 比如唐钢3 5 0 0 m m 中厚板轧 机 河北文丰钢铁集团的3 0 0 0 m m 中厚板轧机 邯钢3 0 0 0 m m 中厚板轧机 河北敬业集 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 团的3 0 0 0 m m 双机架中厚板轧机等等 目前国内5 0 0 0 m m 以下的中厚板轧机厚度控制系 统的调试基本都是由国内的设计院 高校 科研院所完成的 国内已经建成的或者在建 的5 0 0 0 m m 以上的宽厚板轧机的设计 自动化调试等都是国外公司完成的 表1 1 是截至2 0 0 7 年初中国钢铁工业协会不完全统计的国内中厚板轧机数量及产能 情况 表1 1 国内中厚板轧机情况 t a b l e1 1t h es t a t u so f n a t i o n a lp l a t em i l l 总体来说 我国中厚板机的装备水平不高 轧机的轧制压力 板型控制 工艺控制 及自动化水平与国外先进厂家相比还存在一定的差距 主要体现在 1 整体装备水平高的生产线比重小 2 加热炉大部分为推钢式 加热能力和质量保证能力差 3 轧机能力差距大 一是3 m 以下的轧机占总量比例大 二是轧制压力大部分 为3 0 m n 一5 0 m n 4 后部精整能力不足 如矫直机能力不足 几乎没有冷矫 纵剪能力达到3 0 r a m 以上的不多 且剪切质量差 在线无损探伤 热处理和喷丸等设备大部分工厂没有配备 5 核心技术不精 不专 主要体现在控温 辊型设计 水冷和控制轧制等方面 尤其是独特 具有自主知识产权的工艺 产品不多 1 2 中厚板轧制自动化的发展 1 2 1 轧钢自动化技术的进步 现代轧制过程控制具有多变量 强耦合 深度非线性和快速性等特点 控制精度要 求高 冷轧带钢厚度精度达2um 响应速度要求快 a g c 液压缸控制周期要求在毫秒 级内完成 作为最为复杂的工业控制过程之一 现代连轧机组的控制一直在引导着自 动控制技术发展的潮流 6 0 年代将电子计算机应用于大规模工业控制的第一个成功的例 子 就是对连轧机组的控制 9 0 年代人工智能 a i a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e 在轧制领域中 的成功应用 为轧制自动化树立了一个新的里程碑 l3 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 l 第1 9 2 0 铺阶段 i l 蒜动 l i速度控制 l 手动操作 l 蒜肇曩 l 撼制 l l计算机 i 控制 l l 嚣孟躲 l 蕊轧 i 综合控制 l a g c a f c 第四阶段 i 1 9 如年代 l i 高囊秦毳机 l l 智能控制 i 数模 a j 图1 1 轧钢自动化的技术进步 f i g 1 1t e c h n i c a lp r o g r e s so fa u t or o l l i n g 轧制自动化计算机控制系统发展的特点主要表现为 1 计算机控制系统的结构逐步分散化 2 控制功能不断完善 3 控制精度不断提高 4 控制范围不断扩大 轧钢设备数字化 精密化和轧钢生产过程控制的自动化 智能化是现代化轧钢 节能 优质 低消耗的必要条件 自动化也是实现轧钢生产连续化 一体化 缩短 新产品开发周期 提高企业对市场快速反应能力的前提之一 现代计算机控制技术 网络通信技术 现代管理技术等高新技术的应用使轧钢生产过程高度自动化 计算 机仿真理论 神经网络理论 模糊控制逻辑 专家系统等人工智能理论和系统在轧 钢生产中的应用使轧钢生产控制和管理呈现智能自动化的局面 1 2 2 中厚板轧制自动化理论发展 中厚板生产实现自动化 不仅仅是省几个人 而是实现优质 高产 低耗 安全生 产的有力保证 近2 0 多年来 中厚板生产自动化的技术发展尤为迅速 它与半导体电 子技术和自动控制技术以及热带轧机自动化的迅速发展分不开 也是采用先进的中厚板 装备与工艺的必然结果 中厚板轧机自动化始于1 9 6 4 年 由于中厚板轧制工艺的特殊性 订货产品规格的 繁杂 质量指标的千差万别 中厚板轧机的自动化进程要比热带轧机晚1 0 年之多 至 今与它相比仍然存在一定的差距 所以 中厚板生产要实现全面自动化尚需有一段艰苦 的里程 要实现中厚板产品的高效率 高质量轧制 离不开高效 精确的自动化控制系统 目前 全球中厚板生产自动化系统控制比较完善的首推日本川崎水岛厂54 9 0n l l n 单机 架轧机 国内以宝钢5 0 0 0m m 双机架轧机自动化水平最高 全球大部分现代化厚板轧 机都实现四级自动化 轧机只设一人操纵或监视 操作台已取消一半 实现自动化控制 或遥控方式 一些吊车已改为地面操作 视线好又无需人员指挥 因此 车间定员大为 缩减 1 4 1 4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 目前国内已实施计算机自动化控制的老生产线大多是实现基础自动化和过程计算 机二级控制 我国尚有约四分之一的老生产线甚至没有真正意义上的计算机控制 一些 轧机虽然配备了液压a g c 系统 但没有实现高精度控制 因此算不上实现了两级计算 机控制 1 2 3 中厚板轧制a g c 理论发展 1 从模拟a g c 到数字a g c 巧j 早期的a g c 是采用模拟电路来实现的 模拟电路通过调整可变电阻和可变电容来 完成的 调试过程复杂 调试周期长 故障发生率高 且故障检测困难 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 现己被数字a g c 所代替 近年逐渐使用专用计算机控制系统实现数字式控制 与模拟式控制系统相比 数字a g 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 计算机技术的应用 使a g c 系统的开发周期和调试周期缩短 2 从电动a g c 到液压a g c 传统的电动a g c 由于响应慢 载荷不能太大等缺点 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 液压a g c 具有调整压下速度快 定位精度高 具有自动及快速卸压装置 以防止轧辊及轴承的过载和损坏等特点 得到了广泛应用 a g c 从1 9 5 5 年开始逐步在冷热轧上取得了成功 以电动压下作为执行机构 但它 有着自身无法克服的缺陷 首先 电动压下丝杠的响应速度很慢 a g c 调节需要的是 动作很小的快速调节 电动压下不易满足 另外存在设备效率低 载荷不能太大等缺陷 实践证明电动a g c 满足不了大轧制力下的大规模生产 满足不了高精度要求 特 别是对高速轧制 更不能满足快速响应的要求 1 9 6 9 年液压a g c 被正式投入工业使用 取代了电动a g c 相比之下 液压a g c 具有压下速度快 约比电动压下快5 1 0 倍 加速度快2 0 1 0 0 倍 定位精度高等特剧1 6 j 另外液压系统具有快速自动泄荷装置 可以防止过载时设备损坏 表1 2 液压a g c 与电动a g c 性能对比 t a b l e1 2c a p a b i l i t yc o n t r a s tb e t w e e nh y d r a u l i ca g ca n de l e c t r i ca g c 项目液压a g c电动a g c 执行机构油缸 阶跃特性达到9 0 响应需0 0 3 5 s 频率特性 3 d b 时为1 5 h z 压下螺丝负载轻载 轧制时无作用 压下螺丝推力轴承轻载 负载极限 6 8 6 m n 压下螺丝 达到9 0 响应需0 3 6 s 3 d b 时为o 6 h z 重载 轧制时控制 重载 3 9 2 n 1 2 4 中厚板轧机自动轧钢发展 自动轧钢控制功能是现代化中厚板轧机的典型特征 也是一条轧线控制自动化水平 的体现 我国目前绝大多数中厚板轧机仍然采用手动操作 少数几套自动化水平较高 具备自动轧钢功能的轧机也是从国外引进 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 为了提高产品的性能 当前中厚板生产普遍采用控轧控冷的生产工艺 生产过程比 较复杂 对工艺参数的控制要求也非常严格 通过自动轧钢控制 可以规范和优化生产 过程 严格执行工艺制度 控制工艺参数 避免操作工手动操作的随意性 保证产品的 尺寸精度和性能 在采用控制轧制生产工艺时 通过自动轧钢控制功能 可以考虑几块交叉轧制轧件 在时间和空间上的匹配关系 进行时间和空间的合理调度 最大限度地减少轧机的待机 时间 提高产量 另外 为了提高中厚板的成材率和保证产品板形 中厚板轧机采用平 面形状控制和弯辊控制等功能 这些控制功能很难由操作工手动控制完成 必须在全自 动控制模式下 由计算机控制完成 1 3 本文研究背景和内容 1 3 1 本文研究背景 本文以国内某中厚板厂3 5 0 0 m m 中厚板轧机精轧基础自动化系统设计为研究背景 以实现轧区各项控制功能 实现自动轧钢并获得质量指标良好的板材产品为目标 根据 合同要求 h a p c 定位精度达到0 0 1 r a m 钢板精度指标达到g b 7 0 9 8 8 标准公差要求 的1 2 精度 该项目中 轧区的主要控制功能如下 1 机前输入辊道控制 9 轧机主令控制 2 机前待温辊道控制 1 0 轧机压下控制 3 转钢辊道控制 1 1 a g c 控制 4 机架辊道控制 1 2 轧机辊缝清零 5 机后工作辊道控制 1 3 辊身水冷却控制 6 机后待温辊道控制 1 4 轧件微跟踪 7 机后输出辊道控制 1 5 自动轧钢 8 推床控制 1 6 其它功能 其他控制功能主要有 要钢 主机轴头定位 主传动电锁 换辊操作台切换 轧机 除鳞控制 主机紧急停车 主机爬行控制 主机全磁 半磁控制 电动压下紧急停车 故 障复位 1 3 2 本文主要研究内容 根据对文献中各种理论知识的研究分析 结合本项目的相关控制功能要求 本文主 要完成以下工作 1 在查阅国内外文献的基础上 对比了国内外中厚板轧线相关状况 综述了控 制理论在中厚板轧制的应用以及中厚板轧制自动化理论 a g c 理论 自动轧钢理论的 发展历程及发展趋势 2 对各种压力a g c 前馈a g c 反馈式a g c 等模型进行了分析和比较 并 在此基础上深入研究轧件宽度补偿 油膜厚度补偿 压下螺丝窜动补偿 轧件头尾低温 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 补偿 咬入冲击补偿 轧辊偏心补偿等a g c 系统补偿方法 为高精度的中厚板轧机a g c 模型的设计与应用提供理论基础 3 对电动a p c 液压a p c 系统以及调零和刚度测试用的a f c 系统的原理进行 研究 对预摆辊缝方式自动调零和刚度测试等过程进行了设计 并根据项目对板材厚差 的要求 选择了合适的a g c 模型 以便获得良好的同板差和异板差 4 对轧件宏跟踪和轧区微跟踪系统分别进行基本设计 研究区域划分判断和微 跟踪修正模型 以便获得良好的位置精度 及时准确触发模型计算 实现自动轧钢 5 对推床自动 主令自动 速度制度 待温制度 速度交换等模型进行了研究 和设计 从而实现规范 优化和稳定的轧制过程 提高该中厚板生产线的自动化水平和 产品精度 6 本文最后开发了头部厚度自适应补偿方法 对g m a g c 算法油柱设定公式 进行了推导 并通过板厚 板凸度等现场实测数据 对改进后的高精度a g c 模型投入 效果进行验证 原书空白页 不缺内容 东北大学硕士学位论文第2 章a g c 理论及模型补偿 第2 章a g c 理论及模型补偿 厚度自动控制是通过测厚仪或传感器 如辊缝仪和压头等 对