第8章-轧制过程计算机自动控制系统的应用

10:03,1,第八章轧制过程计算机自动控制系统的应用,基本要求：了解热连轧轧制过程的自动跟踪，轧制过程的自动设定，轧制过程的自动位置控制和自动厚度控制。重点与难点：热连轧精轧机组的设定内容、设定方法及原理图,10:03,2,8.1轧制过程的自动跟踪8.2轧制过程的自动设定8.3轧制过程的自动位置控制8.4轧制过程的自动厚度控制,8轧制过程计算机控制系统设计,10:03,3,8.1轧制过程的自动跟踪,10:03,4,一、轧制生产线上的数据区及数据流动,(一)原始数据区原始数据区IDA(InitialDataArea)存贮板坯和轧制计划的原始数据。包括：钢号、材质、钢坯尺寸、成品尺寸和质量要求等。识别:操作室内CRT显示钢坯的IDA数据区中的数据与钢坯上的号码进行校对。,10:03,5,(二)钢坯数据区,钢坯数据区，也称板坯数据区SDA(SlabDataArea)。SDA存贮已经完成“板坯核对处理”和仍旧在加热炉里的板坯数据。包括原始数据以及新加进的数据。,10:03,6,(三)生产数据区,生产数据区PDA(ProductionDataArea)存储一块板坯从加热炉抽出以后，直到钢卷从卷取机上卸下(翻卷)为止生产过程中数据。PDA中的数据除一部分来源于SDA以外，大部分来源于粗轧、精轧、卷取几个生产工序，包括设定计算数据、实际测量数据、生产统计数据。粗轧PDA，精轧PDA，粗精轧共同数据,10:03,7,(四)运输链数据区,运输链数据区CVDA(ConVeyerDataArea)用来存贮已经在运输链上的钢卷数据。其中包括从精轧PDA中传下来的数据、钢卷质量分类结果数据、钢卷在运输链上的称重值和对钢卷的各种质量检查结果。,10:03,8,二、轧件跟踪的目的和方法,(一)跟踪的目的使计算机随时了解轧件在轮制生产线上的实际位置及其控制状况以便计算机能在规定的时间内启动各有关功能程序，对指定的轧件准确地进行各种控制、数据采样、操作指导等，从而防止事故的产生。,10:03,9,(二)跟踪的方法,生产过程没有计算机控制的条件下，一般是采用接近开关、接触链、接触器、变压继电器和光电继电器等，作为轧件位置的检测装置来完成轧件沿轧制线的跟踪。生产过程有计算机控制的条件下，硬件方面在生产流程线上设置高精度、高灵敏度的检测器，并通过跟踪程序实现。,10:03,10,不论轧件在生产线上是正向还是反向输送，只要轧件的头部(即位于下游侧的那一端)位于某跟踪区内，或轧件的头部巳离开此跟踪区，但轧件的其它部分仍在跟踪区内，则认为该跟踪区有轧件。,跟踪区定义,10:03,11,图82跟踪区示意图,10:03,12,三、热连轧轧制线上的轧件跟踪,全轧制线共划分为16个跟踪区，其中C辊道区有5个；粗轧和D辊道区有5个；精轧区有3个；卷取区有3个。在每个跟踪区的入口处，设置有热金属检测器(HMD)或射线检测器，用来传送跟踪信号。,10:03,13,四、冷连轧轧制线上的轧件跟踪,进轧机前钢卷的跟踪轧制过程中的轧件跟踪轧制后钢卷的跟踪,10:03,14,8.2轧制过程的自动设定,10:03,15,预设定功能包括加热炉前后椎钢机、出钢机行程，粗轧、精轧机组压下辊缝，立辊和侧导板开口度，精轧机转速，卷取机夹送辊辊缝等。预设定的主要持点是根据将要进入机组带钢的实际参数，通过繁简程度不同的数学模型计算来确定(预估)。,预设定,10:03,16,精轧机组设定,(1)轧机辊缝值；(2)轧机转速值；(3)轧机及飞剪侧导板开口度；(4)入口端辊道滞后率；(5)加速度及最大轧制速度；(6)除鳞及喷水冷却方式等。,10:03,17,一、人工操作方法和存在的问题,(1)由于不能正确估计各架轧制力和弹跳值，凭经验得到的辊缝值很难得到预期的轧出厚度。(2)在同一批料的来料参数存在波动时，来不及为每块钢修改辊缝设定值，这也造成了同一批产品中各块料的厚度偏差。(3)必须用厚规格作为开轧规格，并且改变规格的步子不能太大。只能逐步过渡，从而造成非规格化产品。(4)在改变规格时，为了便于记忆，往往要使辊缝和转速的变动具有某种规律性，这将使轧机负荷分配不尽合理，不利于有效利用设备能力来生产较宽、较薄、较硬的极限产品。(5)轧制过程中无法调节带钢厚度，消除头尾厚差。,10:03,18,二、热连轧精轧机组的设定,精轧设定模型的基本任务：根据来料条件及对成品的要求，通过模型的计算，确定精轧机组各机架的辊缝、速度及有关操作变量，以保证获得尽可能准确的带钢头部尺寸。,10:03,19,主要计算内容,(1)计算各机架的负荷分配，即在合理分配负荷的前提下确定各机架的出口厚度负荷分配模型。(2)根据最大生产率和对带钢终轧温度的要求，并且考虑带钢穿带咬入的稳定性，确定精轧机组未机架穿带速度。(3)计算各机架轧制温度。(4)根据流量方程，由负荷分配得到各机架厚度确定各机架速度。(5)计算轧制力和轧机的弹跳值，决定空载辊缝设定值轧制力模型和弹跳模型(6)确定其他操作变量(弯辊力、侧导板开口度、活套高度、单位张力值等),10:03,20,(一)负荷(厚度)分配方法,为了便于计算机确定连轧机组各机架的空载辊缝及速度等值，必须首先确定各机架出口厚度值。它体现了通过连轧机组各机架后如何一步一步地将来料厚度为h0的坯料,轧成厚度为hn的成品。这个任务可称为负荷(厚度)分配。,10:03,21,能耗曲线,为了得到精轧机组各种轧制规程下所需的轧制功率数据，可在带钢热连轧机上取得大量数据，把多次实验结果加以平均，并以单位质量轧制所消耗的能量(简称为单位能耗)为因变量，以轧件延伸系数或轧件厚度为自变量绘成曲线，此曲线称为能耗曲线。,10:03,22,能耗曲线,10:03,23,10:03,24,假设各个机架轧制功率为,(j1，2，3，n)，则整个,机组的总功率为,第i机架的累计功率(第1机架到第i机架的功率的累计)为,如规定,为第i架轧机的累计负荷分配系数，则有,10:03,25,由于,式中A轧制能；a单位能耗；G带坯质量；t轧制时间。对于各机架来说，带坯质量G及轧制时间t是相同的，因此式(82)可写成：,10:03,26,根据式(81)，有：,10:03,27,代入式(83)，则得,最后得,10:03,28,(二)棍缝设定及轧制力模型,式中,按负荷分配计算的第i机架出口厚度；,轧机弹跳值；,弯辊力造成的板厚变化；,Gi由于轧辊膨胀及磨损引起的空载辊缝的漂移；,Oi轧制条件下液压轴承油膜厚度；,10:03,29,是在轧制力作用下的辊缝弹跳值，其计算公式为,式中Pi轧制力；P0i预压靠力；Cpi轧机刚度系数。,10:03,30,轧制压力计算可采用以下公式：,式中lC压扁后的接触弧长，即,式中R压扁后的轧辊半径。即,10:03,31,QP应力状态系数，一般用西姆斯公式或用下式计算,K变形抗力，K1.15，其中1.15为考虑带钢轧制宽展为零，可以认为是平面变形得出的系数。,变形阻力，即,10:03,32,有些厂家对K采用查表格后计算，在查表确定一族钢中的的基本钢种K0后，可用下式计算：,式中T温度修正系数；T,TS本块钢的预报温度及标准温度(与K0相当的标准温度值)；G本钢族中不同钢对本族基本钢的硬度修正系数，亦按钢种查表求得。,10:03,33,(四)设定模型原理框图,10:03,34,(1)从计算机内存数据区中读取本块钢的下列参数：粗轧机组出口测宽仪实测宽度B；粗轧机组出口目标厚度hRC，即精轧入口厚度H0；粗轧机组出口测温仪实测温度TRC；计划规定的成品厚度(即精轧末机架出口厚度hn)；与此规格有关的各机架累计负荷分配系数；根据钢坯尺寸计算得到的粗轧出口带坯长度l；钢种代号(化学成分)；计划规定的成品终轧温度TFC。,10:03,35,(2)根据已知h0，hn及用负荷分配公式算出各机架的出口厚度。(3)首先根据规定的终轧温度TFC和成品厚度hn及已知的TRC，用温降公式可反推出应有的未机架穿带速度vn0。(4)根据已知的TRC，hn及hi值，用温降公式可算得各机架的轧制温度(Titi+2731000)。(5)根据已知hn，vn及hi可算出各机架速度vi前滑可根据各机架的轧人厚度hi-1、轧出厚度hi和轧辊半径Ri用相应公式计算。,10:03,36,(6)对每一道次，已知入口厚度hi-1、出口厚度hi、速度vi及该机架的工作辊半径Ri后，即可用公式计算出有关中间变量：,10:03,37,(7)已知第i机架的T，ue，e,即可用变形阻力公式算出基准钢的(K)值以及本钢种的钢种系数。(8)用应力状态公式计算Qp。QP公式中lC/hC参数需要首先算出考虑压扁后的lC，而lC又需先知道QP值。这就造成了QP和lC互相依赖的关系。实际计算时，一般lC初始值采用lC，然后计算得到QP、P后再计算lC，反复迭代多次后求得lC和QP的精确值。(9)在已知lC，QP，K值，并按所轧钢种确定钢种系数Kg后，即可算出轧制压力值。(10)根据轧制压力可计算出弹跳量，并算出空载辊缝S0i。,10:03,38,(五)设定时序,(1)第一次设定计算，可利用安装在粗轧机组后的测温仪测得的粗轧机出口带钢的实测温度，来预计带钢到达精轧机入口处的温度，并利用测厚仪、测宽仪所测得的厚度及宽度进行设定计算。这样，由于用了实测参数而提高了精度，同时也达到提前对精轧机组进行调整目的。,10:03,39,(2)第二次设定计算，在轧件到达中间辊道中间偏后位置时进行。此时，根据轧件到达此位置时的实际运行时间与一次设定计算时预计的运行时间之差是否在允许范围之内，决定是否需要按实际时间来重新计算带钢精轧机组的入口温度和进行所有参数的二次设定计算。,10:03,40,(3)为了考虑不可预估的条件变化，在轧件咬入精轧头二三机架后，根据实测信息对后面机架再调整。这一功能可称为动态设定，它使轧机预报精度大大提高。,10:03,41,三、设定模型的学习,(一)指数平滑法影响模型精度的主要因素有：测量误差系统特性的变化,10:03,42,图85轧制压力回归曲线1老辊；2新辊；3平均回归方程,10:03,43,根据系统状态的变化，不断利用实时信息进行模型参数修正，以保证模型的精度，这种功能称为自学习功能。数学模型一般可用下式表示：,10:03,44,具体方法可用下列指数平滑递推公式进行学习：,式中BN第N次设定用的B的预报值；BN*第N次设定后B的实测值；BN1将用于第N1次设定的B参数的预报值；a增益系数，0a1,10:03,45,图86自学习过程,10:03,46,在自学习功能中应该注意如下几点:严格控制条件，在数据不太可靠时，宁愿这一块钢不学习，也比学坏的要好。换规格时，a值适当加大(取a0.40.5)，以加快修正过程。一旦当设定精度达到某一范围时，应适当减少a值(取a0.10.2)，以求得学习的稳定。利用数据统计的可信度计算，判别本次实测数据的可靠程度，不可靠时，取a0(不学习)；可靠性高时，取a=0.35或0.4；而可靠性不是很高时，可取a0.1或0.2,10:03,47,(二)设定模型参数的自学习,1温度参数的自学习,从粗轧出口到精轧出口的温降基本上被分为两段来计算：粗轧出口到精轧入口，这一段主要是用辐射温进行计算，其中黑度是一个需要学习的系数。精轧人口到精轧出口，这一段主要是强迫对流冷却，需对其当量传热系数Ka进行学习。,10:03,48,Ka的学习采用上述指数平滑法，即,式中Ka(n)Ka系数自学习表中已有的值，此值曾用于第n根钢的模型(预报)设定计算；Ka(n+1)经学习后得到的新的Ka值，它将存回自学习表代替Ka(n)，用于下根钢(第n+1根钢)的模型计算；K*a(n)第n根钢实际轧制后，由所获得的实测TRC，TFC反算得到的值。,10:03,49,K*a的反算公式为：,式中，hn，Vn，TFC都用实测值，而精轧入口温度TFO由实测TRC通过辐射温降公式算出。,10:03,50,2轧制压力的自学习,为了利用实测数据校正模型系数，应根据,和,(称为重计算)，用,和,相比较，才能反映出模型的问题。,，用原来模型重新计算轧制压力,10:03,51,图87重计算图示,由实测轧制力算得的厚度；,实测轧制力；,原计划厚度,原估计轧制压力；,；,10:03,52,式中vn，vi轧机处于稳定时实测的各机架轧辊线速度。,10:03,53,考虑加上自学习系数后，轧制压力公式可写成：,式中aP自学习系数。,当实测到,，由实测,反求出实际轧出厚度：,由H，,以及实测温度、速度计算得,，Qp，,K值后，可求出：,10:03,54,然后用指数平滑法学习aP,式中a增益系数；aP(n)学习表中现有值，用于第n根钢模型计算；aP(n+1)计算后新值，将存回学习表中(对老值更新)，用于下根钢(n+1根钢)的模型计算。,10:03,55,8.3轧制过程的自动位置控制,10:03,56,在指定时刻将被控对象的位置自动地控制到预先给定的目标值上，使控制后的位置与目标位置之差保持在允许的偏差范围之内，此种控制过程称为位置自动控制；通常简称为APC(AutomaticPositionControl)。由于所要求的位置量是预先给定的，所以又称它为预设定位置自动控制。,10:03,57,一、自动位置控制系统的基本组成和结构,图88计算机控制的电动压下位置控制系统,10:03,58,图89APC控制系统的基本组成原理图,10:03,59,二、自动位置控制的基本要求和基本原理,(一)位置控制的基本要求,图811用等加减速时的速度图图812按指数曲线加减速时的速度图,10:03,60,为了准确地对轧制设备进行位置控制，一般对位置自动控制有以下几点要求：电动机转矩不得超过电动机和机械系统的最大允许转矩；能在最短时间里完成定位动作，并且定位符合规定的精度要求在控制过程中不应产生超调现象，并且系统应稳定；由于计算机是通过软件进行控制的，所以还要求控制算法简单。为了满足上述要求，必须按最佳控制曲线进行控制。,10:03,61,(二)理想定位过程的理论分析和控制算法,图813理想定位过程,10:03,62,图814等减速切换过迟时的情况,10:03,63,图816负荷不变时速度整定曲线,10:03,64,(一)间隙的消除,为了消除间隙对位置设定精度的影响，使设定结果更为准确，在位置自动控制系统中，对于某些控制回路(如带钢热连轧的压下位置设定，立辊开口度设定等)。必须保证设备按单方向进行设定。其方法是：不论位置设定值是在当时实际位置的前方还是后方，计算机总是使电动机最后停止前的转向为某一规定方向。,三、提高自动位置控制精度和可靠性的措施,10:03,65,图818单方向设定的动作过程,10:03,66,(二)重复设定在某些情况下，由于减速点设置不当或设备状态的改变，虽然偏差值S已达到精度要求，但在惯性作用下，设备位置仍在继续移动，结果会引起设定产生误差。因此，在位置自动控制过程中，通常要连续进行三次设定，只有当连续三次检测的偏差值均达目标要求，才判为设定完成。,10:03,67,(三)连锁条件的检查当计算机得到目标值之后，首先要检查该目标值是否合理，即检查它是否处于设备位置所能达到的最大值允许范围之内。若超出此值范围，APC设定就不应进行，以防事故的发生。,10:03,68,四、自动位置控制系统的程序框图及构成,图819位置自动控制过程框图,10:03,69,图8-20位置设定系统程序的组成,10:03,70,APC组成基本要求,(一)主控程序系统时间管理子程序及输出子程序，它们都是计算机操作系统的一部分，属于基本软件。,10:03,71,(二)自动预设定驱动器(APC驱动器)它们的功能是按一定的采样周期(如50ms)周期性地检测被控量，计算出偏差值，然后向传动装置发出相应的控制信号，最后将被控量(如位置偏差)控制在规定的定位精度范围之内。,10:03,72,(三)功能程序它们是一些人机联系与过程计算机联系的程序，受主控程序管理，按一定的优先级别投入运行。主要功能程序如下：设定值读入程序启动检查程序启动准备程序设定完成程序监视报警程序,10:03,73,（四）DDC表格DDC表格在计算机内占有一定的位置，表中存有每个回路的APC表。APC表中有该回路的各种设定值，分别为实测值、判断程序的标志以及与DDC有关的参数等。APC驱动器和功能程序都要频繁地与DDC表格交换数据。,10:03,74,8.4轧制过程的自动厚度控制,10:03,75,一、厚差产生的原因,(1)由带钢本身工艺参数波动造成。这包括来料头尾温度不均，水印、来料厚度不均以及化学成分偏析等。(2)由轧机参数变动造成。这包括支撑辊偏心、轧辊热膨胀、轧辊磨损以及轴承油膜厚度变化等。,10:03,76,10:03,77,(一)头部厚差(即板厚偏差),造成同一批料厚度分散的主要原因：精轧机组空载辊缝设置不当，以及同一批料的精轧来料参数（来料厚度H0、宽度B、精轧入口温度)有所波动时未能相应调整辊缝S0i。,10:03,78,（二）同板厚差,主要是头尾参数变动，使轧制压力P发生变化，从而在S0i不变倩况下，使带钢头尾厚度发生变化。,10:03,79,产生同板厚差的原因,(1)头尾温差。这主要是由于粗轧末机架出口速度一般比精轧机组入口速度要高，因而造成了带钢头部和尾部在空气中停留的时间不相同,，因此0，即尾部在空气中停留时间比头部长，因而尾部温降比头部的大、形成头尾有温度差，这将使头尾轧制压力的变化产生头尾厚差。,10:03,80,(2)加热炉内导轨在钢坯表面造成的低温段称为水印，由于此段温度变化率大，厚度变动比较“陡”。一般反馈厚度控制系统由于有时间滞后，对这种厚差的调整效果较差。计算机控制后，由于采用预控方式，这种厚差可大为减小。,10:03,81,(3)活套起套过猛，对带钢产生冲击，使头部厚度变薄。为此，需采用活套起套“软接触”技术。活套张力过大，当尾部离开各机架时张力消失，使轧制压力发生突增，造成台阶性厚差，一般采用“压尾”或“拉尾”的办法来改善。,10:03,82,(4)现代带钢热连轧机都采用低速咬钢，待卷取机卷入带钢后再同步加速至高速的办法进行轧制。在轧辊转速变动较大时，将使油膜轴承的油膜厚度发生变化而使实际辊缝变小，影响轧件厚