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摘 要:带钢宽度和厚度是产品质量的重要指标,其控制又是轧钢的难点,本文采用头尾短行程和轧制力反馈相结合的宽度控制技术实现精确控制,采用测厚仪控制及监控AGC技术实现厚度精密控制,考虑到反馈的滞后性采用人工智能技术,使宽度和厚度控制快速适时。本文对于轧钢高效控制有着积极参考价值。
关键词:网络结构;短行程;AGC
1、概述
宽度和厚度尺寸精度是热轧带钢产品质量的重要指标。良好的宽度精度不仅可以降低带钢的切边损耗,提高产品的成材率,而且将给热轧用户及后部工序创造更好的生产条件。宽度偏差每减小1mm,成材率就可以提高0.1﹪左右。厚度指标更是带钢的硬性指标,1mm决定一个规格的产品,因此0.2mm厚度偏差是轧制中不可饶恕的失误。因此宽度和厚度控制技术的开发与应用对节能降耗,提高经济效益尤为重要。
宽度自动控制系统大多数使用类似的方法,用两种独立的控制策略控制轧件头尾和中部,即头尾部的短行程控制和轧件本体的宽度自动控制系统,包括前馈控制、轧制力反馈控制、宽度动态设定等。
自动厚度控制包括前馈、反馈、偏心补偿及监控AGC。当自动厚度控制系统调整压下,控制厚度时,必将使轧制力发生变化,从而改变轧辊辊系弯曲变形而影响辊缝形状,最终影响出口断面形状和带钢平直度(板形),而当自动板形控制系统调整弯辊控制断面形状及平直度时,必将改变辊缝形状而影响出口厚度。因此功能间要相互协调,相互传递补偿信号。从而给液压AGC的实现增加了相当的难度。AGC系统是热连轧精轧机组自动控制中一个极为重要的组成部分,是提高热轧带钢全长厚度精度的主要手段。
2、控制系统的网络结构
采用在工业过程控制领域内具有强大生命力的DCS控制系统,系统由操作员/工程师站、数据库、可编程控制器、通讯网络、现场设备组成。如图1所示。
其中操作员/工程师站完成如下功能:
(1)程序的修改、维护。
(2)过程状态显示。
(3)历史/当前趋势显示。
(4)生产过程的人工干预。
(5)数据采集及报表打印。
数据库实现如下功能:
(1)模型数据的提取与存储。
(2)自学习数据的提取与入库。
可编程控制器完成的功能为:
(1)根据钢种和设定进行带钢的宽度和厚度控制
(2)带钢的头尾跟踪;
(3)根据实测的带钢宽度和厚度进行动态调整和补偿;
(4)根据实测的带钢宽度和厚度按等级对预设定的模型参数进行长期和短期自学习
(5)通过Profibus-DP直接控制现场设备。
(6)通过Ethernet与精轧及卷取可编程控制器、数据库、操作员/工程师站联系,获取相关信息。
3、带钢宽度和厚度动态控制
3.1宽度控制
3.1.1带钢头尾短行程控制
短行程控制是在大侧压下用于克服板坯头尾部所产生的失宽及提高板带成材率的一项先进技术。基本思想是:根据大侧压调宽时带钢头尾部收缩的轮廓曲线,在轧制过程中不断改变立辊轧机的辊缝,使其变化曲线与辊缝的变化对称且相反,以补偿侧压失宽量。再经过水平轧制后,使带钢头尾部的宽度失宽量减少到最低限度。
在实际控制中,立辊的短行程控制曲线可用2段或多段直线近似代替。短行程曲线的头部端点的开口度最大,随着轧制的进行逐步缩小开口度直到达到静态开口度,尾部则相反,这样带钢通过平辊的继续轧制,可使带钢头尾部的不规则形状得到改善。头尾短行程头尾控制距离通常取1～1.5m.。
立辊开口度随轧入长度收小的曲线应根据粗轧区出口处测宽仪所测信息及事先统计所得的存于计算机内的曲线来确定(应用粗轧出口测宽仪信息对曲线进行学习修正)[1]。为了实现SCC还需对板坯头尾及轧入长度进行跟踪和计算以便按要求曲线对开口度放开进行控制。为了计算轧入长度应以头部到达立辊前HMD及尾部离开HMD作为起点按立辊速度进行延时计算。短行程控制示意图如图2所示
3.1.2轧制力反馈宽度自动控制
轧制力宽度自动控制是针对轧制力变化引起的立辊轧机有载辊缝波动,而相应调节侧压位移量以补偿辊缝的波动,保持有载辊缝恒定,确保轧出的带坯全长度上宽度均等。因此,AWC可对水印或黑印影响以及对清理凹陷影响起到补偿的控制作用。AWC控制属于一种反馈控制修正法,它根据轧制力变化的反馈信号计算出辊缝波动的补偿调节,进而通过液压系统迅速实现辊缝波动的补偿调节,从而达到消除板宽偏差的目的。
3.2、厚度控制
厚度控制关键在于液压AGC控制,针对于AGC的控制难度,我们主要采用了测厚仪反馈控制加监控AGC的方法。GM-AGC(测厚仪方式)的实际厚度是利用弹跳方程计算出来的。基本弹跳方程的公式如下:
其中:
SF: 弯辊力造成的厚度变化
O: 油膜轴承的油膜厚度变化
G: 辊缝零位(热膨胀及磨损)
C: 轧机的刚性系数,牛顿/毫米
S: 轧辊辊缝值,毫米
GM方式的基本原理是:利用弹跳方程,根据测压仪和辊缝仪分别测得轧制压力偏差信号δp,辊缝位置的变动量Δs,然后把这两个变量叠加起来,得到带钢轧出厚度的偏差值δh,将该δh反馈给厚度自动控制装置进行调节。其控制框图如图3
GM-AGC+监控AGC的控制方式的采用,有效克服了直接测厚AGC系统传递时间的滞后和检测的困难。
4、人工智能宽度和厚度控制算法
考虑到宽度和厚度控制系统的大滞后性,为了削弱反馈控制作用太强引起的的振荡,反馈控制采用仿人智能PI控制算法,即采用大偏差时,为了防止积分饱和,采用纯P调节,且比例系数取得相对较大,使其迅速趋进目标值;小偏差时,为了实现无差控制,采用PI调节,且比例系数取得相对较小。如图4所示:
其中:
A-引入I调节时的偏差界限;
E(j)-0～k次采样中,在A范围内的各偏差。
5、结论
在综合运用以上几种控制方式的基础上,智能宽度和厚度控制系统在实践中取得了良好的效果,特别是头尾短行程的运用使产品的宽度精度大大改善,取得了很大的经济效益,液压AGC理论的应用,从根本上解决了传统理论的延迟时间过久,检测数据不够准确的弊端。达到了预期的最佳效果。这为液压AGC的控制工作提供了坚实的理论基础。
参考文献:
[1]蒋慰孙,俞金寿。过程控制工程。北京:烃加工出版社出版,1988.
[2]孙一康,带钢热连轧数学模型基础。北京:冶金工业出版社,1979.
[3]孙一康,带钢热连轧的模型与控制。北京:冶金工业出版社,2002.
关键词:网络结构;短行程;AGC
1、概述
宽度和厚度尺寸精度是热轧带钢产品质量的重要指标。良好的宽度精度不仅可以降低带钢的切边损耗,提高产品的成材率,而且将给热轧用户及后部工序创造更好的生产条件。宽度偏差每减小1mm,成材率就可以提高0.1﹪左右。厚度指标更是带钢的硬性指标,1mm决定一个规格的产品,因此0.2mm厚度偏差是轧制中不可饶恕的失误。因此宽度和厚度控制技术的开发与应用对节能降耗,提高经济效益尤为重要。
宽度自动控制系统大多数使用类似的方法,用两种独立的控制策略控制轧件头尾和中部,即头尾部的短行程控制和轧件本体的宽度自动控制系统,包括前馈控制、轧制力反馈控制、宽度动态设定等。
自动厚度控制包括前馈、反馈、偏心补偿及监控AGC。当自动厚度控制系统调整压下,控制厚度时,必将使轧制力发生变化,从而改变轧辊辊系弯曲变形而影响辊缝形状,最终影响出口断面形状和带钢平直度(板形),而当自动板形控制系统调整弯辊控制断面形状及平直度时,必将改变辊缝形状而影响出口厚度。因此功能间要相互协调,相互传递补偿信号。从而给液压AGC的实现增加了相当的难度。AGC系统是热连轧精轧机组自动控制中一个极为重要的组成部分,是提高热轧带钢全长厚度精度的主要手段。
2、控制系统的网络结构
采用在工业过程控制领域内具有强大生命力的DCS控制系统,系统由操作员/工程师站、数据库、可编程控制器、通讯网络、现场设备组成。如图1所示。
其中操作员/工程师站完成如下功能:
(1)程序的修改、维护。
(2)过程状态显示。
(3)历史/当前趋势显示。
(4)生产过程的人工干预。
(5)数据采集及报表打印。
数据库实现如下功能:
(1)模型数据的提取与存储。
(2)自学习数据的提取与入库。
可编程控制器完成的功能为:
(1)根据钢种和设定进行带钢的宽度和厚度控制
(2)带钢的头尾跟踪;
(3)根据实测的带钢宽度和厚度进行动态调整和补偿;
(4)根据实测的带钢宽度和厚度按等级对预设定的模型参数进行长期和短期自学习
(5)通过Profibus-DP直接控制现场设备。
(6)通过Ethernet与精轧及卷取可编程控制器、数据库、操作员/工程师站联系,获取相关信息。
3、带钢宽度和厚度动态控制
3.1宽度控制
3.1.1带钢头尾短行程控制
短行程控制是在大侧压下用于克服板坯头尾部所产生的失宽及提高板带成材率的一项先进技术。基本思想是:根据大侧压调宽时带钢头尾部收缩的轮廓曲线,在轧制过程中不断改变立辊轧机的辊缝,使其变化曲线与辊缝的变化对称且相反,以补偿侧压失宽量。再经过水平轧制后,使带钢头尾部的宽度失宽量减少到最低限度。
在实际控制中,立辊的短行程控制曲线可用2段或多段直线近似代替。短行程曲线的头部端点的开口度最大,随着轧制的进行逐步缩小开口度直到达到静态开口度,尾部则相反,这样带钢通过平辊的继续轧制,可使带钢头尾部的不规则形状得到改善。头尾短行程头尾控制距离通常取1～1.5m.。
立辊开口度随轧入长度收小的曲线应根据粗轧区出口处测宽仪所测信息及事先统计所得的存于计算机内的曲线来确定(应用粗轧出口测宽仪信息对曲线进行学习修正)[1]。为了实现SCC还需对板坯头尾及轧入长度进行跟踪和计算以便按要求曲线对开口度放开进行控制。为了计算轧入长度应以头部到达立辊前HMD及尾部离开HMD作为起点按立辊速度进行延时计算。短行程控制示意图如图2所示
3.1.2轧制力反馈宽度自动控制
轧制力宽度自动控制是针对轧制力变化引起的立辊轧机有载辊缝波动,而相应调节侧压位移量以补偿辊缝的波动,保持有载辊缝恒定,确保轧出的带坯全长度上宽度均等。因此,AWC可对水印或黑印影响以及对清理凹陷影响起到补偿的控制作用。AWC控制属于一种反馈控制修正法,它根据轧制力变化的反馈信号计算出辊缝波动的补偿调节,进而通过液压系统迅速实现辊缝波动的补偿调节,从而达到消除板宽偏差的目的。
3.2、厚度控制
厚度控制关键在于液压AGC控制,针对于AGC的控制难度,我们主要采用了测厚仪反馈控制加监控AGC的方法。GM-AGC(测厚仪方式)的实际厚度是利用弹跳方程计算出来的。基本弹跳方程的公式如下:
其中:
SF: 弯辊力造成的厚度变化
O: 油膜轴承的油膜厚度变化
G: 辊缝零位(热膨胀及磨损)
C: 轧机的刚性系数,牛顿/毫米
S: 轧辊辊缝值,毫米
GM方式的基本原理是:利用弹跳方程,根据测压仪和辊缝仪分别测得轧制压力偏差信号δp,辊缝位置的变动量Δs,然后把这两个变量叠加起来,得到带钢轧出厚度的偏差值δh,将该δh反馈给厚度自动控制装置进行调节。其控制框图如图3
GM-AGC+监控AGC的控制方式的采用,有效克服了直接测厚AGC系统传递时间的滞后和检测的困难。
4、人工智能宽度和厚度控制算法
考虑到宽度和厚度控制系统的大滞后性,为了削弱反馈控制作用太强引起的的振荡,反馈控制采用仿人智能PI控制算法,即采用大偏差时,为了防止积分饱和,采用纯P调节,且比例系数取得相对较大,使其迅速趋进目标值;小偏差时,为了实现无差控制,采用PI调节,且比例系数取得相对较小。如图4所示:
其中:
A-引入I调节时的偏差界限;
E(j)-0～k次采样中,在A范围内的各偏差。
5、结论
在综合运用以上几种控制方式的基础上,智能宽度和厚度控制系统在实践中取得了良好的效果,特别是头尾短行程的运用使产品的宽度精度大大改善,取得了很大的经济效益,液压AGC理论的应用,从根本上解决了传统理论的延迟时间过久,检测数据不够准确的弊端。达到了预期的最佳效果。这为液压AGC的控制工作提供了坚实的理论基础。
参考文献:
[1]蒋慰孙,俞金寿。过程控制工程。北京:烃加工出版社出版,1988.
[2]孙一康,带钢热连轧数学模型基础。北京:冶金工业出版社,1979.
[3]孙一康,带钢热连轧的模型与控制。北京:冶金工业出版社,2002.