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摘要：以笔者参加国内多条开坯生产线的自动化控制系统的设计、调试为例，从工艺流程、硬件配置、自动控制功能等方面对开坯机自控系统进行了阐述。
关键词：位置自动控制 同步控制 压靠 全自动轧钢
中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）29-382-01
0 引言
初轧-开坯技术于20世纪30年代产生，在60～70年代发展到顶峰，80年代以后由于连铸坯一火成材技术的风靡，初轧-开坯技术从此淡出江湖。到2000年以后，又随着连铸技术的发展及机械、汽车、建筑等行业对齿轮钢、合金弹簧钢、工模具钢、建筑用大中型型钢等高附加值产品需求逐步增加，初轧-开坯技术又得以重生，梅开二度再次成为钢铁业内的新宠。
1 工艺及设备概况
开坯轧机是优特钢线棒材和热轧H型钢等高附加值及节能环保型钢材产品生产的关键装备。现代的开坯机多以优质的大方坯为原料，其成品多为大圆钢和中间方圆坯。通常情况下，开坯机区域工艺布置大同小异，设备组成通常由出炉辊道、前延伸辊道、前工作辊道、前推床及翻钢钩、开坯机、电动压下装置、换辊装置、后推床及翻钢钩、后工作辊道、后延伸辊道等设备组成，根据轧制工藝及产品规程的不同，少量轧制生产线在开坯机前后设置有液压钳式翻钢机，以满足特殊中间坯料的翻钢辅助动作。
典型的工艺流程为：加热炉加热好的原料钢坯由炉内出炉辊道逐根送出炉外，经快速高压水除鳞后进入开坯轧机轧制。轧件在前后辊道、推床、翻钢装置的辅助下完成翻、移钢动作后送入二辊可逆式开坯机进行轧制，经往复多道次轧成需要的产品或中间坯料，再由辊道输送至后续工序进行分段、冷却、成品收集或分段后进行热连轧等操作。
2 自动化系统硬件配置
开坯区域的设备组成多，需要采集和处理的I/O数据数量也较多，尤其是推床、翻钢钩、电动压下、上辊平衡系统及开坯机主传动系统控制精度要求高，实时性强，设备间的动作连锁关系复杂。因此在配置CPU时宜选择运算能力强、内存较大的CPU，如西门子S7-416；为使电缆接线简单方便，多采用分布式I/O方式采集现场控制信号，如西门子ET200M远程I/O站。另外在主机架配置时，一般只配置电源模块、主CPU模块、通讯接口模块及必需的功能模块，不提倡在PLC主机架里配置I/O模块，主要原因是主机架I/O模块价格昂贵，且需单独订购备件，通用性差。
在实际应用中，开坯区基础自动化系统一般设置1套 SIMATIC S7-416控制器。采用电仪合一的方式实现开坯机前辊道至开坯后延伸辊道范围内工艺设备以及公辅介质系统的电气控制和仪表控制，通过工业以太网完成与轧线上其他PLC系统和ES、OS站之间的通讯。工程师站（ES）、操作员站（OS）的数量一般而言各设置1台即可完全满足实际生产需要。上述系统标准化程度高、可靠性高、易操作、易维护、易扩展。
3 主要自动化控制功能
1、位置自动控制
位置自动控制简称APC控制，其在自动控制技术中是非常重要的控制方式之一，在冶金行业有着广泛的应用。针对开坯轧机的控制特点，推床、翻钢装置、电动压下装置均可采用APC控制实现精确快速的定位控制。
首先推床、翻钢钩、电动压下装置均由交流变频电机驱动，电机内置增量型编码器用于传动装置的速度反馈，形成速度闭环控制，实现电机的高控制精度和高动态响应，另外在减速机输入轴设有位置反馈绝对式编码器，为推床、翻钢钩、电动压下装置的APC控制提供精确的实际位置反馈，构成位置闭环控制。
在邢钢、南钢、南钢金鑫等多条开坯生产线的实际数据表明，APC控制可以达到以下控制精度：1）推床定位精度：±2.0mm；2）翻钢钩定位精度：±5°；3）电动压下装置定位精度：±0.5mm，均能完全满足工艺设备的控制要求。另外，APC控制方式与传统的PID控制相比，控制精度更高，稳定性更好，并且调试周期短。
2、同步控制
推床的基本功能主要有对中和矫直，为了保证进行轧制的轧件能准确的对准轧机的轧槽中心线，轧机两侧的推床必须实现良好而精确的同步控制。系统的最佳构成应该为位置随动系统，即轧机前后两侧的推床，一侧跟随另一侧推床的移动而移动，一侧随另一侧的位移变化而变化。在实际控制过程中，轧制奇数道次时，以机前推床为主导，机后推床跟随机前推床动作；轧制偶数道次时，则反之。
3、自动压靠
轧钢过程中厚度控制对成品的质量起到决定性作用，因此辊系位移传感器的零点调整越准确则辊系控制越精密。根据弹跳方程，轧制不同厚度规格，不同特性钢种，我们需要不同的p0来进行标定。只有这样才使轧制控制过程更加精准，使整个系统在有效控制中，从而得出更加合格的产品。
当轧制压力达到一定数值后，机座弹性曲线与轧制压力就基本成线性关系。机座弹性变形曲线直线段的斜率，称为机座的纵向刚度系数，即为轧辊辊缝增大1mm所需要的轧制力大小，可用下式表示：
（1）
式中： 为有载辊缝， 为轧件厚度， 为空载辊缝，p为轧制力，C为机架总刚度。
在现场实际操作中，为了消除上述不稳定段的影响，都采用了所谓压靠的方法，即轧辊两侧以相同的轧制力同步压下达到预压制力p0，再将辊缝仪的指示清零，这样就可克服不稳定段的影响。压靠零位和轧制过程中轧辊辊缝和轧件厚度之间的关系。从图2中可以得到线性段具有如下关系：
（2）
式中： 为零位的辊缝指示值， 为预压靠力。
在正常轧制过程中，由于轧制力比较大，因此公式（2）可作为基本公式用于轧规设置和厚度控制。
在实际生产操作中，如果开坯机的轧制成品为中间坯料，且对厚度控制要求不高时，则可采取另外一种简单、实用的辊缝校零的方式来实现，即通过人工实测的辊缝平均值作为校准值输入到控制系统中即可完成辊系辊缝的校零。从邢钢、南钢等实际应用来看，上述方法完全能够满足开坯机轧制中间坯的尺寸精度要求。
4、半自动换辊
开坯机换辊是在轧机停止运转，轧辊扁头垂直水平面时，把上、下轧辊从轧机中抽出并吊走，并将预装好轴承座的新轧辊推入轧机并连接、调整使之处于待工作状态。
实现开坯机的全自动换辊从控制角度而言不难，但对现场的位移传感器、接近开关等检测元件的准确性要求高，实际生产操作中风险较大，所以一般很少使用。相对而言，半自动换辊解决了操作可靠性与换辊效率之间的矛盾，更加可靠实用。
5、全自动轧钢
开坯区域的全自动轧钢是根据工艺轧制规程表设定每个道次的轧制参数，包括是否翻钢、选择钩式翻钢或液压钳式翻钢、孔槽选择、轧件的宽度、高度、辊缝值、咬钢速度、轧制速度、抛钢速度及推床的入口短行程、咬入后短行程、出口短行程等，PLC程序根据轧线上布置的热金属检测器信号精确地控制前后推床的位置及翻钢钩的动作，将轧件对准轧槽后，在前后辊道、推床的辅助下将轧件送入开坯机进行轧制，直到尾部抛钢，辊道停止，电动压下快速的完成下个道次的辊缝值调节，即完成一个道次的轧制。如此往返轧制数个道次，即完成一个轧制周期。同一轧件经开坯机最后一个道次轧制抛钢后轧制周期结束。
全自动轧钢过程中，当出现异常情况时，可以随时进行人工干预，干预完成后恢复到自动模式，完成后续道次的自动轧制。
开坯机的全自动轧钢颠覆了传统的手动操作模式，摆脱了对操作工熟练程度的依赖，提高了轧制节奏，同时也提升了产品尺寸精度和成材率。
4 结束语
实际的生产运行情况证明位置自动控制APC、模拟轧钢、全自动轧钢等控制功能在实际的生产过程中非常的实用、可靠和先进。
5 参考文献
[1]王筱留 钢铁冶金学 北京 冶金工业出版社 2005
[2]孙一康 带钢热连轧的模型与控制[M] 北京 冶金工业出版社 2002
[3]李友善 自动控制原理 北京 国防工业出版社 1994
关键词：位置自动控制 同步控制 压靠 全自动轧钢
中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）29-382-01
0 引言
初轧-开坯技术于20世纪30年代产生，在60～70年代发展到顶峰，80年代以后由于连铸坯一火成材技术的风靡，初轧-开坯技术从此淡出江湖。到2000年以后，又随着连铸技术的发展及机械、汽车、建筑等行业对齿轮钢、合金弹簧钢、工模具钢、建筑用大中型型钢等高附加值产品需求逐步增加，初轧-开坯技术又得以重生，梅开二度再次成为钢铁业内的新宠。
1 工艺及设备概况
开坯轧机是优特钢线棒材和热轧H型钢等高附加值及节能环保型钢材产品生产的关键装备。现代的开坯机多以优质的大方坯为原料，其成品多为大圆钢和中间方圆坯。通常情况下，开坯机区域工艺布置大同小异，设备组成通常由出炉辊道、前延伸辊道、前工作辊道、前推床及翻钢钩、开坯机、电动压下装置、换辊装置、后推床及翻钢钩、后工作辊道、后延伸辊道等设备组成，根据轧制工藝及产品规程的不同，少量轧制生产线在开坯机前后设置有液压钳式翻钢机，以满足特殊中间坯料的翻钢辅助动作。
典型的工艺流程为：加热炉加热好的原料钢坯由炉内出炉辊道逐根送出炉外，经快速高压水除鳞后进入开坯轧机轧制。轧件在前后辊道、推床、翻钢装置的辅助下完成翻、移钢动作后送入二辊可逆式开坯机进行轧制，经往复多道次轧成需要的产品或中间坯料，再由辊道输送至后续工序进行分段、冷却、成品收集或分段后进行热连轧等操作。
2 自动化系统硬件配置
开坯区域的设备组成多，需要采集和处理的I/O数据数量也较多，尤其是推床、翻钢钩、电动压下、上辊平衡系统及开坯机主传动系统控制精度要求高，实时性强，设备间的动作连锁关系复杂。因此在配置CPU时宜选择运算能力强、内存较大的CPU，如西门子S7-416；为使电缆接线简单方便，多采用分布式I/O方式采集现场控制信号，如西门子ET200M远程I/O站。另外在主机架配置时，一般只配置电源模块、主CPU模块、通讯接口模块及必需的功能模块，不提倡在PLC主机架里配置I/O模块，主要原因是主机架I/O模块价格昂贵，且需单独订购备件，通用性差。
在实际应用中，开坯区基础自动化系统一般设置1套 SIMATIC S7-416控制器。采用电仪合一的方式实现开坯机前辊道至开坯后延伸辊道范围内工艺设备以及公辅介质系统的电气控制和仪表控制，通过工业以太网完成与轧线上其他PLC系统和ES、OS站之间的通讯。工程师站（ES）、操作员站（OS）的数量一般而言各设置1台即可完全满足实际生产需要。上述系统标准化程度高、可靠性高、易操作、易维护、易扩展。
3 主要自动化控制功能
1、位置自动控制
位置自动控制简称APC控制，其在自动控制技术中是非常重要的控制方式之一，在冶金行业有着广泛的应用。针对开坯轧机的控制特点，推床、翻钢装置、电动压下装置均可采用APC控制实现精确快速的定位控制。
首先推床、翻钢钩、电动压下装置均由交流变频电机驱动，电机内置增量型编码器用于传动装置的速度反馈，形成速度闭环控制，实现电机的高控制精度和高动态响应，另外在减速机输入轴设有位置反馈绝对式编码器，为推床、翻钢钩、电动压下装置的APC控制提供精确的实际位置反馈，构成位置闭环控制。
在邢钢、南钢、南钢金鑫等多条开坯生产线的实际数据表明，APC控制可以达到以下控制精度：1）推床定位精度：±2.0mm；2）翻钢钩定位精度：±5°；3）电动压下装置定位精度：±0.5mm，均能完全满足工艺设备的控制要求。另外，APC控制方式与传统的PID控制相比，控制精度更高，稳定性更好，并且调试周期短。
2、同步控制
推床的基本功能主要有对中和矫直，为了保证进行轧制的轧件能准确的对准轧机的轧槽中心线，轧机两侧的推床必须实现良好而精确的同步控制。系统的最佳构成应该为位置随动系统，即轧机前后两侧的推床，一侧跟随另一侧推床的移动而移动，一侧随另一侧的位移变化而变化。在实际控制过程中，轧制奇数道次时，以机前推床为主导，机后推床跟随机前推床动作；轧制偶数道次时，则反之。
3、自动压靠
轧钢过程中厚度控制对成品的质量起到决定性作用，因此辊系位移传感器的零点调整越准确则辊系控制越精密。根据弹跳方程，轧制不同厚度规格，不同特性钢种，我们需要不同的p0来进行标定。只有这样才使轧制控制过程更加精准，使整个系统在有效控制中，从而得出更加合格的产品。
当轧制压力达到一定数值后，机座弹性曲线与轧制压力就基本成线性关系。机座弹性变形曲线直线段的斜率，称为机座的纵向刚度系数，即为轧辊辊缝增大1mm所需要的轧制力大小，可用下式表示：
（1）
式中： 为有载辊缝， 为轧件厚度， 为空载辊缝，p为轧制力，C为机架总刚度。
在现场实际操作中，为了消除上述不稳定段的影响，都采用了所谓压靠的方法，即轧辊两侧以相同的轧制力同步压下达到预压制力p0，再将辊缝仪的指示清零，这样就可克服不稳定段的影响。压靠零位和轧制过程中轧辊辊缝和轧件厚度之间的关系。从图2中可以得到线性段具有如下关系：
（2）
式中： 为零位的辊缝指示值， 为预压靠力。
在正常轧制过程中，由于轧制力比较大，因此公式（2）可作为基本公式用于轧规设置和厚度控制。
在实际生产操作中，如果开坯机的轧制成品为中间坯料，且对厚度控制要求不高时，则可采取另外一种简单、实用的辊缝校零的方式来实现，即通过人工实测的辊缝平均值作为校准值输入到控制系统中即可完成辊系辊缝的校零。从邢钢、南钢等实际应用来看，上述方法完全能够满足开坯机轧制中间坯的尺寸精度要求。
4、半自动换辊
开坯机换辊是在轧机停止运转，轧辊扁头垂直水平面时，把上、下轧辊从轧机中抽出并吊走，并将预装好轴承座的新轧辊推入轧机并连接、调整使之处于待工作状态。
实现开坯机的全自动换辊从控制角度而言不难，但对现场的位移传感器、接近开关等检测元件的准确性要求高，实际生产操作中风险较大，所以一般很少使用。相对而言，半自动换辊解决了操作可靠性与换辊效率之间的矛盾，更加可靠实用。
5、全自动轧钢
开坯区域的全自动轧钢是根据工艺轧制规程表设定每个道次的轧制参数，包括是否翻钢、选择钩式翻钢或液压钳式翻钢、孔槽选择、轧件的宽度、高度、辊缝值、咬钢速度、轧制速度、抛钢速度及推床的入口短行程、咬入后短行程、出口短行程等，PLC程序根据轧线上布置的热金属检测器信号精确地控制前后推床的位置及翻钢钩的动作，将轧件对准轧槽后，在前后辊道、推床的辅助下将轧件送入开坯机进行轧制，直到尾部抛钢，辊道停止，电动压下快速的完成下个道次的辊缝值调节，即完成一个道次的轧制。如此往返轧制数个道次，即完成一个轧制周期。同一轧件经开坯机最后一个道次轧制抛钢后轧制周期结束。
全自动轧钢过程中，当出现异常情况时，可以随时进行人工干预，干预完成后恢复到自动模式，完成后续道次的自动轧制。
开坯机的全自动轧钢颠覆了传统的手动操作模式，摆脱了对操作工熟练程度的依赖，提高了轧制节奏，同时也提升了产品尺寸精度和成材率。
4 结束语
实际的生产运行情况证明位置自动控制APC、模拟轧钢、全自动轧钢等控制功能在实际的生产过程中非常的实用、可靠和先进。
5 参考文献
[1]王筱留 钢铁冶金学 北京 冶金工业出版社 2005
[2]孙一康 带钢热连轧的模型与控制[M] 北京 冶金工业出版社 2002
[3]李友善 自动控制原理 北京 国防工业出版社 1994