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1 液压压下及厚度自动控制系统 2 1 概述概述 1 1 AGC 系统系统 AGC 是英文自动厚度控制 Automatic Gauge Control 的缩写 AGC 系统的定义为 承担轧制设 备的在线调整任务以获得目标公差范围内的轧制产品的控制系统 AGC 控制系统由一定数量的直接或间接影响轧材厚度的控制系统组成 AGC 系统控制厚度主 要有三种手段 a 辊缝控制 b 轧机速度控制 c 带材张力控制 这些控制系统通常由传感器 控制器和执行机构组成 辊缝控制的主要执行机构是电动压下机 构或液压压下机构 2 0 测量仪表测量仪表 2 1 厚度测量仪厚度测量仪 用于轧机的测厚仪有接触式和非接触式两大类 接触式测厚仪适用于轧制速度较低的单机架冷 轧机或离线测量 其代表产品是德国福尔默公司 VOLLMER 的 1076 型测厚仪 在线轧制测量 一般使用非接触式测厚仪 非接触式测厚仪可分为三类 a 光学测厚仪 b 同位素测厚仪 c X 射线测厚仪 上述这些测厚仪不仅其工作原理各不相同 而且其测量范围 测量精度和动态响应特性也各不 相同 2 1 1 接触式测厚仪 德国 VOLLMER 公司 VBM 1076 E 型接触式测厚仪是该公司的代表产品 在我国有色金属行 业的冷轧机上大量的采用了该型号的测厚仪 VBM 1076 E 测厚仪技术数据如下 测量范围 0 02 6 mm 测量深度 100mm 轧制速度 无限制 厚度偏差灵敏度范围 10 m 30 m 100 m 300 m 1000 m 厚度偏差输出电压 2V 10V 厚度偏差输出电压 20mV m 120Mv m 响应时间 7 5ms 2 1 2 光学测厚仪 用于轧机的光学测厚仪有两种类型 它们的主要差别是测量传感器的工作原理不同 一种采用 比较法 另一种采用移象法 比较法光学测厚仪是由澳大利亚 Broken Hill Proprietary 公司 BHP 开 3 发的 移象法光学测厚仪是由美国 Qualimatrix 公司开发的 移象发光学测厚仪的技术特性如下 坯料厚度 50 500 mm 扫描频率 16 000 Hz 精度 0 75 mm 坯料最高温度 1260 坯料最大速度 305 m min 传感器位于轧线上方高度 1220 mm 光学测厚仪的主要优点测量不需要穿透轧件 因此轧件的材质不影响测量读数 光学测厚仪的 另一个优点是响应频率高 在厚板和坯料的测量中通常使用光学测厚仪 而对于厚度小于 50mm 的 坯料 采用同位素测厚仪也是可行的 2 1 3 同位素测厚仪 在同位素测厚仪中 通过测量来自核放射源射线的衰减决定产品的厚度 此测厚仪的测量读 数需要根据材质和测量范围最佳化功能进行修正 射线的强度随同位素的衰变而变化 衰变率由同 位素的半衰期决定并且是可预测的 例如 镅 241 射源的半衰期是 460 年 同位素测厚仪的响应时间比光学测厚仪和 射线测厚仪要长 它的主要优点是操作和维护简 单 主要缺点是同位素测厚仪利用具有潜在危险的 射线源或者 射线源 应用于钢材的利用 射线源的同位素测厚仪的典型技术规格如下 测量范围 0 6 mm 测厚仪气隙 50 600 mm 稳定性 在 25 0 25 8 小时内 滤波时间常数 5 100 ms 校准精度 0 25 精度 在 25 ms 响应时间为 0 20 在 100 ms 响应时间为 0 13 响应时间 对于阶跃变化为 1 ms 射源 1 居里 镅 241 射线检测器 电离室 在大约 20mm 的厚度 射线测厚技术开始与光学测厚仪和同位素测厚仪竞争 2 1 4 X 射线测厚仪 射线测厚仪的工作原理是基于对已知的冶金材料对射线有确定的吸收率 一旦吸收系数已知 就能校准测量装置 根据来自 射线发生器的射线的衰减来表达厚度 为了获得期望的精度 必须 根据被测材料的厚度和材质校准 射线测厚仪 射线测厚仪的最大优点是响应速度快和对蒸汽及环境空气温度不敏感 最严重的缺点是危险 的放射能 虽然事实上仅在 射线发生器工作时才有射线存在 这使得它的潜在危险降低 用于热 轧和冷轧的 射线测厚仪的典型技术规格如下 轧机类型 热带材轧机 冷轧机 典型厚度范围 1 19 mm 0 2 6 0 mm 4 最大厚度 25 mm 对于 90 时间的噪声 0 10 0 05 典型值在 30ms 响应时间 标样精度 0 1 0 1 校准时间 3 4 s 3 4 s 初始响应 最大 0 3 s 最大 0 3 s 2 2 轧机辊缝测量仪轧机辊缝测量仪 目前 辊缝的直接测量还存在一定的问题 仅仅开发了间接的辊缝测量方法 最普通的方法之 一就是测量轧机出口侧轧件的实际厚度 由于不能将测厚仪安装到靠近轧辊辊缝的地方 时间延迟 是这个方法的主要困难 此困难可通过在工作辊之间安装辊缝传感器的办法消除 然而 这一方法 在应用中又引入了另外的误差 由弯辊引起的误差 轧制过程中辊缝的测量经常由厚度计 gaugemeter 原理测定 此方法中 在轧制条件下可由如 下等式计算出辊缝 0 KM 式 是在假设负荷时轧件的出口厚度等于辊缝的的条件下得到的 因此 如果无负荷辊缝 0 轧制力 和轧机弹性系数 KM 已知 就可计算出轧制期间的辊缝 无负荷辊缝的测量通常由 位移传感器完成 轧制力的测量通常由测压仪或压力传感器完成 虽然有多种类型的位移传感器 自动厚度控制系统使用的主要是如下三种基本类型 a 模拟磁感应式 b 数字磁感应式 c 磁致伸缩式 这些传感器的工作原理和主要的性能将在下面作简单介绍 2 2 1 模拟感应式位移传感器 模拟感应式位移传感器通常称差动变压器 或者称 LVDT Linear Variable Displacement Transducer LVDT 是一种机电装置 它产生正比于可移动芯杆的位移量的电量输出 传感器有一 个初级线圈和两个次级线圈 两个次级线圈相对于初级线圈对称放置 可移动的圆型磁芯在线圈内 一般轧机用 LVDT 的典型技术性能如下 线性度 量程从 5 250mm 满量程的 0 1 零点电压 满量程的 0 5 温度范围 25 70 振动容限 20g 2 2 2 数字感应位置传感器 索尼公司的磁尺 Sony Magnescale 是典型的数字感应式位置传感器 它下列三个主要部分组 成 5 a 磁性尺 b 读尺磁头 c 检测器 Sony 公司 DG50BP BN DG100BP BN DG155BP DG205BP 精密位移传感器技术性能如下 测量范围 0 50 100 155 205mm 精度 1 m DG50BP BN 2 m DG100BP BN 2 5 m DG155BP 3 m DG205BP 分辨率 0 5 m 2 2 3 磁致伸缩式位置传感器 Magnetostrictive 磁致伸缩式位置传感器的工作原理是通过测量询问脉冲和返回脉冲的间隔来测量位置的 磁致 伸缩式位置传感器的技术性能如下 6 测量范围 0 510mm 线性度 满量程的 0 05 滞环 0 002 mm 重复性 满量程的 0 001 2 3 轧制力测量仪表轧制力测量仪表 为了正确的计算辊缝校正量以及与轧制力有关的各种功能 要求精确的测量轧制力 轧制力的 测量精度不仅取决于传感器的计量特性 而且还取决于传感器相对于辊缝的安装位置 当通过测量施加到支承辊轴承座上的垂直分力 C 2 间接测量轧制力 时 必须考虑轧辊轴承 座与滑板之间的摩擦力 f及弯辊力 i 可通过如下等式描述 c i f 式中 C 为施加到支承辊轴承座的总压力 i 为施加到一个工作辊轴承座上的弯辊力 7 f 为摩擦力 有三种传感器用于测量轧制力测量 a 测压仪 b 延伸仪 c 压力传感器 2 3 1 测压仪 负载传感器 轧机上最常用的测压仪有应变式和磁致弹性式两种 在过载条件下 应变式测压仪的灵敏度比 磁致弹性式测压仪的灵敏度要低 而磁致弹性式测压仪有更强的输出信号 这样噪声以及电缆对地 阻抗的损失对此信号有更少的影响 测压仪传感器可制成圆环形 圆盘形 矩形块或 形块 环形传感器用于安装在机械压下螺母 之下 圆盘形传感器通常安装在机械压下螺丝之下 矩形和 形传感器一般安装在下支承辊轴承座 之下 通过适当机构使接触传感器的轧机部件避免偏离负载中心 就能获得期望的传感器性能特性 8 9 2 3 2 延伸仪 延伸仪是应变式测压仪的另一种形式 通常安装在轧机牌坊的表面上 延伸仪测量轧机牌坊的 延伸 轧机牌坊的延伸量是轧制力的函数 为了补偿弯曲应力 可在同一牌坊的相对位置上安装两 个延伸仪 2 3 3 压力传感器 当在轧机中使用液压辊缝控制机构时 利用压力传感器测量轧制力有时是更合算的 当两侧液 压缸的压强已知时 就可以容易地计算出由液压缸产生的垂直力 对于压力传感器的输出 必须采 取措施减少缸体和柱塞之间摩擦力的影响 压力传感器与测压仪和延伸仪比较 其最重要的优点是安装简单和校准方便 应变式测压仪 延伸仪和压力传感器的典型技术特性如下 表 应变式测压仪 延伸仪 压力传感器和张力仪的典型技术性能 参数 应变式测压仪 延伸仪 压力传感器 张力仪 校准精度 0 1 0 1 0 1 10 线性度 0 5 0 1 0 15 0 25 滞 环 0 3 0 05 0 1 重复性 0 1 0 1 0 01 0 05 零点漂移 0 005 0 006 0 005 0 005 响应时间 0 1uS 1 5uS 1 5uS 工作温度范围 20 150 10 150 0 100 20 100 载荷限制 无零点迁移 300 无性能改变 500 无机械损坏 700 注 表示满量程输出 11 2 4 带材速度传感器带材速度传感器 既可以利用间接的方法也可以利用直接的方法测量速度 在间接方法中 通过测量与带材接触 辊的角速度确定带材的速度 由于在加减速期间可能存在带材与接触辊的滑动 所以这个方法有一 个固有的误差 当使用工作辊的角速度估算带速时 这一问题会进一步增加 在这种场合 必须考 虑带材的前滑 估计带材的前滑是非常困难的 使用先进的非接触式激光速度传感器 使得带材速度的直接测量成为可能 直接法测量能消除 由于滑动引起的误差 但必须考虑与特殊传感器结构有关的其它误差 目前非接触式激光测速仪大 多采用多普勒 Doppler 原理 也有非多普勒原理的激光测速仪 如 George Kelk 公司的 ASD2100 激 光测速仪 在多普勒激光速度传感器的应用中 系统误差包括下列因素 信号处理器误差 条纹闪烁误差 二极管激光的温度误差 其它可能引起误差的因素是 二极管激光器电流的不稳定性 光束交叉角的变化和传感器的非 线性等 获得 0 2 的综合精度是很容易的 但在某些应用中需要更高的精度 例如 当根据入口 速度和出口速度测量值测量延伸率 时 应用下列公式 2 1 式中 1 2分别为入口和出口带速 在平整机和表皮光轧机中 低速时速度测量引起 0 2 的误差 就能导致计算延伸率的 20 的 误差 延伸率测量绝对误差 E为 E 12 1 22 2 式中 1 2相应为入口和出口系统的误差 1 2相应为入口和出口系统的测量次数 带速和传感器的响应时间都影响测量次数 2 4 1 LSV500 型多普勒激光测速仪的典型技术数据 American Sensors Corp 测速范围 30mm S 30m S 测速精度 0 1 速值 测量频率 500 次 秒 最大 测头测距 350 1000mm 标准为 500mm 工作温度 0 32 2 4 2 ASD2100 型非多普勒原理的激光测速仪的技术数据 KELK 测速范围 0 01mm S 25m S 测长范围 0 10000m 测速精度 0 025 速值 瞬时速度为 0 1 测长精度 0 025 测头测距 2100mm 工作温度 0 40 12 3 0 液压压下的基本原理液压压下的基本原理 3 1 辊缝控制机构辊缝控制机构 辊缝控制机构可以分为如下主要两类 a 机械式 b 液压式 机械式辊缝控制机构通常由电机驱动机械螺丝 螺母固定安装在牌坊窗口位置 一般称为电动 压下 液压式辊缝控制机构通常安装在上支承辊轴承座的上面或者安装在下支承辊轴承座的下面 一般称为液压压下 13 3 2 液压压下的分类液压压下的分类 由于液压压下机构有控制精度高 响应速度快等优点 现代轧机已广泛采用液压压 液压压下 是用液压缸代替电动压下机构 由缸体与柱塞的相对移动来控制辊缝的轧机 按功能分类 a 全液压压下轧机 b 液压垫式微调轧机 按介质分类 a 稀油压下 b 干油压下 3 3 液压压下与电动压下性能的比较液压压下与电动压下性能的比较 液压压下的特点与电动压下的比较见表 表 液压压下与电动压下的性能比较 压下速度 mm S 压下加速度 mm S2 频率响应 HZ 阶跃响应 ms 定位精度 um 液压压下2 520 5003 1550 1002 5 电动压下0 1 400 5 20 1 0 5500 2000100 200 从表 可以看出 液压压下的定位精度可控制在微米级 而电动压下的定位精度只能控制在 0 1mm 响应速度比电动压下高一个数量级 3 4 液压辊缝闭环控制液压辊缝闭环控制 典型的液压缸闭环控制系统如图 1 所示 最常用的液压缸控制两种方式为 a 位置控制方式 b 轧制力或压力控制方式 3 4 1 位置控制 当选择位置控制方式时 位置给定信号与液压缸位置传感器提供的反馈信号比较 误差信号被 放大并送到电液伺服阀 伺服阀转换此模拟电信号为液流 此液流或者流入液压缸 或者流出液压 缸 这取决于需要位移的方向 14 图 1 基本的位置控制系统框图 为安装在轧机操作侧和传动侧的液压缸提供了相同的闭环控制系统 这两个系统使用同一个公 共位置给定以确保两个液压缸同步移动 为了防止轧制带材跑偏 提供了一对极性相反的附加给定 给每侧的液压缸 3 4 2 轧制力或压力控制 当选择轧制力或压力控制方式时 轧制力或液压缸压力给定与测压仪或压力传感器提供的反馈 信号相比较 误差信号被放大并送到电液伺服阀 伺服阀转换此模拟电信号为液流 此液流或者流 入液压缸 或者流出液压缸 这取决于需要增加还是减小压力 系统框图如图 2 所示 图 2 基本的压力控制系统框图 3 4 3 实际位置压力控制系统原理框图 压力传感器 液 柱 显 示轧制力显示 辊缝给定 倾斜给定 I P 压力给定 位移传感器 I S 二次仪表 功率放大器 A 伺服阀 伺服阀 A I P 二次仪表 功率放大器 S I 1 1 S P P S 辊缝调节器 倾斜调节器 压力调节器 压差调节器 传动侧综合 操作侧综合 辊缝测量 轧制力测量 液压位置控制原理 图 3 实际液压位置 压力控制系统原理框图 4 0 厚度控制系统的基本原理厚度控制系统的基本原理 厚度公差是板带产品最重要的质量指标之一 厚度自动控制系统是现代化板带生产中不可的重 要技术装备 厚度自动控制系统就是根据板带厚度波动的原因及厚度的变化规律 通过直接或间接 影响厚度的手段来控制厚度的 4 1 板带厚差产生的原因板带厚差产生的原因 有多种因素影响般带厚度 最主要的可分为两类 一类是由轧机辊缝变化及轧制工艺参数变化 位置调 节器 功率放 大器 伺服阀液压缸 位置传 感器 位置给定 压力调 节器 功率放 大器 伺服阀液压缸 压力传 感器 压力给定 15 对厚度的影响 另一类是由板带自身性能状态变化对厚度的影响 4 1 1 轧机辊缝变化及轧制工艺参数变化的影响 1 辊缝变化的影响 在进行板带轧制时 如下因素会使辊缝发生变化 这些因素直接影响实际轧出厚度的变化 a 轧辊和轧机部件的热膨胀 b 轧辊磨损 c 轧辊和轴承的偏心 2 速度变化的影响 速度变化主要是通过如下几个因素影响实际轧出厚度的变化 a 油膜轴承的油膜厚度变化 b 摩擦系数变化 c 变形抗力变化 3 张力变化的影响 张力变化是通过影响应力状态 以改变金属变形抗力 从而引起实际轧出厚度发生变化 4 1 2 板带自身性能状态变化对厚度的影响 1 温度变化的影响 温度变化主要是通过对金属变形抗力和摩擦系数的影响而引起厚度变化 2 来料尺寸变化和机械性能变化的影响 来料尺寸和机械性能的变化 是通过轧制压力的变化来引起厚度变化的 主要有如下几个因素 a 来料厚度变化 b 来料宽度变化 c 来料机械性能变化 4 2 轧制过程中厚度变化的基本规律轧制过程中厚度变化的基本规律 板带材的实际轧出厚度 与空载辊缝 0和轧机弹跳值 之间的关系可用弹跳方程描述 0 0 KM b 式中 轧出厚度 0 空载辊缝 轧制压力 Km 轧机刚度系数 加到一侧工作辊轴承座上的弯辊力 b 轧辊弯曲系数 在板带轧制过程中 通常弯辊力 与轧制力 比较相对较小 因此 板带的实际轧出厚度主要 取决于 0 和 Km这三个因素 轧制时的轧制压力 可由压力方程给出 即 h H S 式中 轧件的宽度 轧件的入口厚度 16 轧件的出口厚度 摩擦系数 轧辊半径 板带的温度 h 前张力 H 后张力 S 变形抗力 当 h H S及 均一定时 将只随轧出厚度而改变 在 图上 绘出该曲线称为金属的塑性曲线 其斜率 Kn称为轧件的塑性刚度系数 它表征使轧件产生单位压 下量所需的轧制压力 p Kn Km p s0 h h0 s h 图 3 P h 图 4 2 1 实际轧出厚度随辊缝变化的规律 轧机的空载辊缝 0决定着弹性曲线的起始位置 在其它条件不变的情况下 空载辊缝 0越小 轧件便被轧的更薄 在轧制过程中 因轧辊热膨胀 轧辊磨损或轧辊偏心而引起的辊缝变化 也会引起空载辊缝 0改变 从而导致轧出厚度的变化 4 2 2 实际轧出厚度随轧机刚度变化的规律 轧机的刚度 KM 随轧制速度 轧制压力 轧件宽度 轧辊的材质和凸度 工作辊与支承辊接触 部分的状况而变化 所以 轧机的刚度系数不是固定的常数 而是由各种轧制条件所决定的 当轧机的刚度系数增加时 实际轧出厚度将减小 在实际轧制过程中 由于轧辊的凸度不同 轧辊轴承的性质及润滑油的性质不同 轧辊圆周速度发生变化 也会引起刚度系数发生变化 4 2 3 实际轧出厚度随轧制压力变化的规律 如前所述 所有影响轧制压力的因素都会影响金属塑性曲线的相对位置和斜率 a 来料厚度变化的影响 当来料厚度发生变化时 塑性曲线的相对位置和斜率都发生变化 在空载辊缝 0和 KM 值一 定的条件下 来料厚度 增大 则塑性曲线的起始位置右移 并且其斜率稍有增大 故实际轧出 厚度也增大 反之 实际轧出厚度要减小 所以当来料厚度不均匀时 则所轧出的厚度也将出现相 应的波动 17 b 摩擦系数变化的影响 在轧制过程中 当减少摩擦系数时 轧制力会降低 可以使轧件轧的更薄 轧制速度对实际轧 出厚度的影响 也主要是通过对摩擦系数的影响来起作用 当轧制速度增高时 摩擦系数减小 则 实际轧出厚度也减小 反之则增厚 c 轧件变形抗力变化的影响 当变形抗力增大时 塑性曲线的斜率增大 实际轧出厚度也增厚 反之 则实际轧出厚度变薄 当来料机械性能不匀或轧制温度发生波动时 金属的变形抗力也会变化 因此 必然导致轧出厚度 产生相应的波动 d 轧制张力对实际轧出厚度的影响 轧制张力对实际轧出厚度的影响 也是通过改变塑性曲线的斜率来实现的 张力增大时 会使 塑性曲线的斜率减小 因而可使实际轧出厚度减小 反之 则增厚 在实际轧制过程中 以上诸因素对实际轧出厚度的影响不是孤立的 而往往是同时对轧出厚度 18 产生作用 所以 在厚度自动控制系统中要考虑各因素的综合影响 4 3 厚度控制的基本型式厚度控制的基本型式 根据轧制过程中对厚度的控制方式不同 一般可分为 监控 AGC 压力 AGC 预控 AGC 张 力 AGC 流量 AGC 等 4 3 1 监控 AGC 监控 AGC 是根据出口侧测厚仪测得的厚度偏差对出口带材厚度进行控制的一种反馈控制式 AGC 控制模型为 Km Kn Km 式 中 带材出口厚度偏差 采用史密斯 Smith 预估器的监控 AGC 系统框图如图 4 所示 由于测厚仪安装在距轧机一定距离的位置 因此监控 AGC 是一个具有大纯滞后环节的控制系统 此系统的滞后时间随着轧制速度的变化而变化 传统的监控 AGC 都是采用比例 积分控制方式 这 种控制方式的主要缺点是调节速度慢 易产生振荡或极限环振荡 为防止极限环振荡一般在系统内 设置一死区 靠牺牲控制精度来保证系统的稳定 因此 传统的控制方式对提高厚度精度具有局限 性 根据控制理论 带有纯滞后环节的对象可采用两种控制方案来解决 一种是在传统 PI 控制算 法基础上增加纯滞后时间补偿的史密斯预估补偿方式 另一种是采用 Z 变换设计的大林 Dahlin 算 法 我们采用了史密斯预估补偿方案 在监控 AGC 系统中增加了一个预估模型反馈环节 通过预 估模型来预测输出的变化并进行超前反馈以抵消实测滞后的影响 4 3 2 压力 AGC 压力 AGC 是以轧机弹跳方程为基础发展起来的 它是以轧机为测厚仪间接测量并控制厚度的 在此基础上已经发展了几种模型 从原理上可分为 BISRA 型 厚度计型和动态设定型 从控制 方式上可分为 相对值式和绝对值式 a BISRA 型压力 AGC 19 BISRA 型压力 AGC 是由英国钢铁研究协会 British Iron and Steel Research Association 发明的 是以压力补偿环的方式抵消轧机的弹性变形量 其控制模型为 Km 式中 为辊缝补偿量 L 为实际轧制力与轧制力锁定值之差 Km 为轧机刚度系数 刚度补偿系数 轧机的等效刚度 C Km 1 C 当 1 C 0 时 C 为硬刚度或硬特性 可消除部分扰动的影响 且随着 C 的增大消除扰 动的能力加强 当 C 0 时 C Km 为自然刚度 无厚控功能 当 C 0 时 C Km 为软刚度或软特性 轧制过程趋向于恒压力特性 20 b 厚度计型压力 AGC 厚度计型压力 AGC 是以弹跳方程间接测量轧件的厚度 求出厚度之差去修改辊缝值 使出口 厚度保持恒定 厚度计型压力 AGC 的控制模型为 Km b 式中 轧出厚度 辊缝 轧制压力 Km 轧机刚度系数 加到一侧工作辊轴承座上的弯辊力 b 轧辊弯曲常数 补偿系数 修正系数 c 动态设定型压力 AGC 动态设定型压力 AGC 是根据保持出口厚度恒定的充分必要条件和压力 AGC 参数方程推导出 的一种厚控方法 动态设定型压力 AGC 的控制模型为 Kn Km Km Kn Km 2 Kn 式中 AGC 输出的辊缝调节量 可变刚度系数 Km 轧机刚度系数 轧机等效刚度系数 Kn 带材的塑性系数 实际辊缝与锁定辊缝之差 实际轧制力与锁定轧制力之差 4 3 3 预控 AGC 预控 AGC 是根据轧机入口侧测厚仪测得的入口厚度偏差来控制辊缝的前馈控制式 AGC 用 以消除入口厚度偏差对出口厚度的影响 图 5 示出了预控 AGC 的框图 其控制模型为 Kn