008-1250五机架八辊全北科大北科大连续冷连轧机组过程自动控制系统的设计与实现.doc

1250mm五机架八辊全连续冷连轧机组过程自动控制系统的设计与实现刘华强 刘华强 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，博士； Tel唐 荻，杨 荃（北京科技大学高效轧制国家工程研究中心北京100083）摘 要：河北中钢1250五机架八辊全连续冷连轧机组是我国首条自主研制开发的多辊全连续冷连轧生产线，北京科技大学高效轧制国家工程研究中心承担了全线自动控制系统的设计开发和调试。本文介绍了该系统过程控制、基础自动化和现场执行级的主要功能、硬件组成、网络结构及软件设计思想。该系统已在河北中钢五机架八辊冷连轧机组投入使用，证明是安全、可靠和稳定的。 1 引言河北中钢五机架八辊全连续冷连轧机组是我国首条在消化吸收国外相关先进技术基础上，自主研制开发的全连续多辊冷连轧生产线。其设计生产能力为年产40万T。该生产线的机械部分由北京钢铁设计研究总院设计并进行全线安装施工，北京科技大学高效轧制国家工程研究中心承担了全线自动控制系统的设计开发和调试。本文针对该生产线的自动控制部分做一介绍。2 主要机组设备及工艺简介五机架八辊机组基本设备及主要检测仪表配置情况如图1所示。整个生产线分为三个部分：开卷区、轧机区和卷取区。热轧原料钢卷酸洗后，经开卷确认，两台开卷机轮流开卷。带头经过矫直、切头后和上一卷带钢的尾部焊接在一起，进入活套。活套小车根据活套的套量和轧机段运行情况决定放套或者充套，保证轧机的连续轧制。带钢离开活套后，进入轧机区，按照设定的轧制参数对带钢进行轧制，使出口带钢参数达到产品要求。八辊轧机结构如图2、3、4、5所示。图2 八辊轧机第一机架 图3 两种轧机牌坊受力分析图图 4 八辊轧机支撑辊为多点支承结构图 图5 八辊轧机辊系结构3 系统组成及网络结构图 6 控制系统及网络结构3.1系统组成该自动控制系统是一个典型的分级控制系统，如图6所示。包括L0现场执行级，L1基础自动化级和L2过程控制级。过程自动化级（L2）由2台PC过程控制服务器和一台历史数据服务器组成。L2的人机界面（HMI）与L1级合在一起。L2与L1以及HMI的通讯方式采用以太网TCP/IP协议。每台过程控制服务器都安装了服务器专用以太网卡，做到数据分流，以保证通信实时可靠。L2主干网预留有与生产控制计算机系统（L3）的接口。L2应用软件开发工具为VC+ 6.0，开发平台（中间件PCDP）为自主研发并具有完全知识产权的NERCAR PCDP for Windows v1.1。L2提供相关数学模型和模型自适应软件。基础自动化级（L1）采用了Simatic S7-400 PLC和高性能控制器Simatic TDC（Technology Driver Controller）。TDC主要用于实时、多任务的复杂生产过程控制和需要高速运算的控制场合，响应时间可以达到24ms。PLC主要用于顺序控制和其它一些速度要求不高的控制。以组态软件Simatic WinCC 6.0为开发平台开发了统一的HMI画面体系结构，HMI之间使用了多用户的客户机/服务器结构，用于现场监控、报表打印等功能。3.2网络结构S7-400和TDC根据功能要求实行分区控制、协调动作。各PLC控制器之间、以及L1、L2和HMI之间都是采用基于TCPIP协议的以太网；网络电缆远距离采用光纤，近距离采用双绞线，使用交换机技术，通信速率为10/100M。现场执行级的操作台、箱、柜及传动控制器和液压控制系统采用Profibus-DP现场总线和相对应PLC相连接。远程站采用的是ET200M。传动系统采用全数字直流调速装置SIMOREG DC Master 6RA70系列，该控制器提供Profibus-DP网通信接口。为了保证传输速率，测厚仪、张力计和编码器等仪表控制系统采用硬线，直接和相关控制单元连接。4 自动控制系统的主要功能全连续冷连轧计算机自动控制系统是冶金工业自动化控制系统中比较复杂、性能要求很高的系统之一。其主要功能包括：质量控制系统（板形控制、厚度控制、成品表面质量控制等）；工艺控制系统（张力控制、速度控制、辊缝控制、料流跟踪、动态变规格、弯辊、窜辊等）；轧机运行控制系统等。这些功能程序必须有序地、彼此协调地运行，才能完成整个生产过程的自动化控制功能。其主要功能模块及系统软件结构如图7 所示。在高速网络的支持下，本系统将不同机电一体化执行单元、智能仪表进行合理组合，能够加快控制系统的开发速度，降低控制系统的开发成本，提高控制系统的控制效果。图7 主要功能模块及系统软件结构4.1 过程控制4.1.1 数据管理系统数据管理系统的主要任务是完成冷连轧生产过程中实时数据的采集、存储、管理和合理利用。在该系统中一共包含六个数据库，分别是钢卷数据库、轧制过程数据库、轧辊数据库、工程数据库、轧制材料数据库和轧制策略数据库等。过程值监控模块将生产过程中主要工艺参数（速度，电流、轧制力、张力、厚度和辊缝等）以数据或图形的方式显示出来，并且根据要求以10250ms不同的周期存储在相应的工程数据库中，为故障的预防及故障的分析提供数据的支持。在没有完善的三级生产管理级的情况下，PDI数据从PDI计算机输入控制系统，并存入相应数据库中，配合料流跟踪实现数据跟随带钢在生产线上的流动。4.1.2 数学模型系统本控制系统的数学模型系统主要包括：轧制规程计算、设定计算和模型自适应自学习等分，如图8所示。(1) 轧制规程计算的核心是负荷分配，利用产品的原始数据和设备的性能条件合理分配各个机架的压下量，确定各个机架的出口厚度。本系统提供包括：相对压下量、绝对轧制力、相对压下分配、相对轧制力分配和相对功率分配等多种策略进行负荷分配。考虑到该生产线使用的八辊轧机采用多点支撑的背衬轴承凸轮压下方式，轴承的损耗较为严重，而轴承的寿命又和轴承动负载系数密切相关，因此还特别提供了按照轴承动负载系数分配负荷的方法，通过最佳化调整轧制速度和轧制压力来进行负荷分配，以达到各个机架背衬轴承寿命基本相等的优化目标。本系统也采用兼顾板形、板厚和背衬轴承使用寿命的多目标遗传算法对多辊冷连轧机负荷分配进行优化算法，从而合理地确定各个机架厚度。多目标负荷分配策略如下：(a）“等负荷”分配的最高产量目标对板厚和板形易于控制的产品把取得允许的最高产量定作最优化目标。通过均衡使用各架轧机电机的装机容量来实现，使各道次轧机在功率上有相同裕量，目标函数的形式为： Qmin =(NiNHi)2 （1）式中 =Ni /NHi；Ni第i机架功率；(i=1,2,3,4,5)NHi第i机架额定功率；(b)“等压力”分配的板形良好目标由于冷轧宽带钢过程中宽展量很小，近似看作是平面变形过程，因而板形不良有较强的遗传性。对轧制的产品规格，在轧制速度不是很高，热效应现象不很严重，热凸度较小时，在轧辊原始凸度相同的条件下，影响工作辊辊缝形状的主要因素是轧辊的弹性弯曲。在其它条件一定的条件下，既能充分发挥设备能力,又保持每个轧程各架轧机的轧制压力近似相等，就能使各架轧机的工作辊缝具有类似的几何形状特性，从而保证板形良好，以实现稳定高产、厚度精度及板形良好的目的，其目标函数的形式为：Qmin =(PiPHi)2 （2）式中=Pi /PHi； Pi第i机架轧制力；(i=1,2,3,4,5)PHi第i机架额定轧制力；(i=1,2,3,4,5) (c)“等热凸度”分配的板形良好目标：对轧制速度较高，变形量也较大的产品规格，热效应和轧辊磨损都非常严重。为了保持机架间板形良好、防止断带和保证高速轧制，要保持各道次各架轧机轧辊的热凸度近似均匀一致。目标函数的形式为: Qmin =(CRiCRi+1)2 （3）式中CRi第i机架凸度；(i=1,2,3,4)(d)极限轧制力“稳定性”良好目标由于来料条件及张力等原因，第一机架的轧制往往是最不稳定的。因此第一架轧机采用的目标是应保证带钢不发生跑偏，折叠和断带，并尽量使来料厚差和板形不良等缺陷得到一定的改善，这可以通过调整第一架的轧制压力来实现。则第一架轧制的稳定性目标函数的形式为: Qmin =( Po1 P1) （4）式中Po1 第1架极限轧制压力； P1 第1架实际轧制压力；(e)最佳轧制力“板形良好”目标 对成品机架而言，将取得良好的成品板形确定为最优化目标，即使末机架参入较少厚度分配，使带钢内部应力均匀化。轧制力直接关系到带钢的厚度分配和板形控制，所以对成品机架采用板形最佳策略进行厚度分配。则成品机架板形最优目标函数为：Qmin=PoptPfin （5） 式中Popt成品机架良好板形时轧制压力；Pfin成品机架实际轧制压力；(f)“提高支撑辊背衬轴承寿命”目标 对采用多点支承的背衬轴承作为支撑辊的多辊轧机（辊系示意图如图4、5所示），在保证板厚和板形的情况下还要兼顾背衬轴承的使用疲劳寿命，轴承疲劳寿命是用轴承工作到滚动工作表面出现疲劳剥落为止的累计工作小时或运转的总转数来衡量。由于八辊轧机分别与两个中间辊接触的背衬轴承的运行状态可通过背衬轴承的动负荷和转速来描述，而动负荷主要来自转动背衬轴承所承受的负荷4(即由轧制力所产生的径向力),选择这两个轧制过程的特征量，控制目标是保证在轧制过程中各架背衬轴承有相近的当量动负载的输出，既提高背衬轴承的使用寿命，同时又保证产品的质量。其目标函数的形式为：Qmin =( LhiLhN)2 （6）Lh= （7）式中LhN背衬轴承基本额定寿命，h；Lhi第i架实际寿命，；(i=1,2,3,4,5)；n 轴承的工作转速，r/min；C 基本额定动负荷，kN；P 当量动负荷，由轧制力换算，kN；寿命指数。(g) 以板形板厚并兼顾背衬轴承寿命作为优化的综合目标函数表示如下： J=(-)+(-)+( -)+( /- /)（8）式中、成品带钢厚度和凸度；、加权系数；、成品带钢目标厚度和凸度； 、各机架入口和出口厚度；、轴承实际寿命和额定寿命；、各机架入口和出口带钢凸度。 (2) 设定计算模块根据负荷分配、原始带钢数据、轧辊数据、数学模型参数等计算出各种工艺条件下的变形抗力、轧制力、辊缝、速度等工艺参数，用于基础自动化控制。因为是全连续生产，所以还提供了动态变规格和过焊缝条件下辊缝和速度的连续调整值。(3) 自适应自学习是通过采集轧制过程中的实测数据，与理论计算值比较，得出偏差，对模型不断进行修正，使模型计算值逼近相应条件下的实际值，从而获得更高的设定精度。本系统中八辊轧机凸轮偏心压下使得压下油缸压力和实际轧制力之间存在一个不易确定的比例关系，为精确预报轧制力带来了很大的困难，因此在自适应自学习模块中，通过对轧制力模型的自适应，着重改善了轧制力的预报精度。图8 设定计算功能关系图4.1.3 料流跟踪料流跟踪是保证控制系统协调工作的基本功能，完成整条生产线上的带钢运行状态在计算机系统中的映象。控制系统根据料流跟踪的事件信号，控制轧机的生产状态，并在相应时刻触发其它相关控制功能，如设定计算、数据采集和通信交换等，对轧制生产过程进行自动控制。4.2 基础自动化主要完成全连续冷连轧机组所有设备的顺序控制、设备控制和质量控制等。其中质量控制系统（压下、厚调、速度、张力控制等）主要由TDC完成；顺序控制和其它一些速度要求不高的控制由PLC完成。4.2.1 速度控制系统机组速度控制系统根据控制区域由三部分组成：开卷速度段、活套速度段和轧机速度段。与此相对应存在三种控制方式：单速度段操作方式，在机旁操作箱操作，用于穿带、调试、故障处理；区域同步操作方式，在开卷操作台、主控台分别控制，用于正常生产过程；整机同步操作方式，在轧机主控台控制，可取消活套，整个生产线作为整体来控制。速度设定模块根据当前运行状态和接收到的命令，向基础自动化的速度控制回路输出新的主令速度设定值、相对速度设定值和加速度设定值等，将轧机的速度逐步由当前的水平过渡到目标速度设定值上。速度控制系统根据控制功能的要求，对不同的状态转换请求，以不同的速度和加速度特性去响应，如图9所示。4.2.2 厚度控制系统（AGC）本系统中厚度控制的基本思想是：利用S1的预控和监控来改变S1的辊缝，利用S2预控改变S1的速度，从而改变了S1和S2之间的张力，通过以上三种控制手段使大部分带钢厚度偏差在S1得到消除，使S1出口厚度相对恒定。剩余的厚度偏差由S5监控AGC通过调节S1和S5的速度来消除，同时考虑速度的级联。4.2.3 压下控制系统（APC）压下调节存在着两种调节方式：轧制力调节和位置调节方式。每次换辊完毕，轧机进行压下校验，以位置环调节方式使轧制力达到接触轧制力；之后转为系统校验状态，以压力环调节方式使轧制力达到零调轧制力，压力稳定后，系统校验结束，以位置环方式上抬各架辊缝，压下校验结束。当轧机处于正常轧制状态时，各架采用位置环调节方式，使各架的辊缝和轧制力达到目标值。在该控制系统中，液压APC作为液压AGC的内环，执行厚度外环，液压AGC向其输出的位置（或轧制力）动态调节量，即辊缝调节量；另外，液压APC还用于轧辊辊缝的精确预摆，实现轧辊的校平。在最后一、二个机架，为使轧件板形较好，也可采用恒轧制力控制，获得好的板形。图9 速度控制的不同响应4.3 现场执行级4.3.1 传动装置直流传动电控系统总体设计方案如下：（1）主传动系统控制器选用西门子公司全数字直流调速装置Simoreg DC Master 6RA70系列；（2）各套主传动系统配置一台Simatic PLC-200进行逻辑及保护控制；（3）各设备的速度给定控制由相应的基础自动化级的PLC完成；（4）由于全数字化传动系统将通过ProfiBus DP网与PLC相连，因此大部分数字传动与PLC之间交换的信号