1+4熱連軋二級設(shè)定計(jì)算系統(tǒng)

徐剛

(蘇州有色金屬研究院有限公司，江蘇蘇州215026)

鋁板帶熱連軋具有高效率和規(guī)模化效益的特點(diǎn)，是現(xiàn)代鋁加工技術(shù)發(fā)展的趨勢，也是控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域。二級控制系統(tǒng)(過程控制級)是整條熱軋生產(chǎn)線自動化控制的大腦和中樞，擔(dān)負(fù)著生產(chǎn)線原始數(shù)據(jù)的輸入、軋制策略的確定及自動軋制程序表計(jì)算、向一級基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)提供控制軋機(jī)和各種設(shè)備設(shè)定值的任務(wù)，在軋制過程中進(jìn)行軋件跟蹤和收集軋制中的各種實(shí)測值，此外還有系統(tǒng)長期及短期自學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)匯總和離線分析、質(zhì)量記錄和人機(jī)對話等功能。

二級過程控制系統(tǒng)中的設(shè)定計(jì)算部分是其核心，主要包括軋制力、軋制力矩、溫度、凸度、平直度模型和電機(jī)功率模型、工作輥熱膨脹和磨損分布模型、機(jī)架彈跳和載荷分布模型。并且各模型都有自學(xué)習(xí)修正。在軋制前，可根據(jù)所選定的軋制策略和產(chǎn)品目標(biāo)值，計(jì)算出初始軋制程序表，以及在每道次前逐道次計(jì)算出當(dāng)前道次各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的預(yù)設(shè)值、工作值和控制參數(shù)，并將其傳遞到一級基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)中。根據(jù)不同的產(chǎn)品目標(biāo)值，熱粗軋和精軋機(jī)在軋制過程中將采用不同的控制。

1 熱連軋二級設(shè)定計(jì)算的控制目標(biāo)

鋁熱連軋二級設(shè)定計(jì)算的控制目標(biāo)有兩個(gè):一個(gè)是帶坯的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu);另一個(gè)是帶坯的外部形狀、尺寸及表面質(zhì)量。具體而言，主要包括帶坯的終軋溫度、中凸度、厚度、平直度、表面質(zhì)量。

①帶材的終軋溫度

合理的終軋溫度應(yīng)該在金屬的再結(jié)晶溫度以上某個(gè)范圍。這樣，既能得到良好的再結(jié)晶組織又不損害帶材的表面質(zhì)量。

②帶材的中凸度

從板帶材軋制的全過程來看，中凸度由小逐漸變大的過程是可以實(shí)現(xiàn)的，由大逐漸變小的過程是難以實(shí)現(xiàn)的。所以熱連軋帶材的中凸度宜小不宜大，通常控制在0～0.8%的范圍比較適當(dāng)。

③帶材的厚度公差

帶材厚度公差的大小取決于生產(chǎn)線自動化控制水平的高低，帶材的厚差越小越好。

④帶材的平直度

平直度應(yīng)在一個(gè)合理的偏差范圍內(nèi)。由于帶材的中凸度要求帶材的斷面形狀是中間厚兩邊薄，因此只要在一定范圍內(nèi)控制帶材的中凸度滿足要求，一般來說帶材的平直度也能滿足要求。

⑤帶材的表面質(zhì)量

表面質(zhì)量應(yīng)以板帶冷軋時(shí)不允許有表面缺陷為控制目標(biāo)。

2 熱連軋二級設(shè)定計(jì)算的主要策略

雖然熱連軋機(jī)的基礎(chǔ)自動化部分都裝備有精度高、響應(yīng)速度快的各種閉環(huán)控制系統(tǒng)，如厚度自動控制系統(tǒng)(AGC)、凸度自動控制系統(tǒng)(APC)和溫度自動控制系統(tǒng)(ATC)等，可在線實(shí)時(shí)控制各種調(diào)整機(jī)構(gòu)如壓下、彎輥、串輥、乳液噴淋冷卻等，進(jìn)行相應(yīng)的偏差補(bǔ)償以控制帶坯的精度。但如果二級設(shè)定計(jì)算給出的各種參數(shù)，如輥縫位置、軋制力、速度等與帶材頭部進(jìn)入軋機(jī)后實(shí)測的參數(shù)值偏差較大，則可能導(dǎo)致超出各調(diào)整機(jī)構(gòu)的調(diào)整能力，或者是對某一偏差的調(diào)整會引起其它指標(biāo)的變化，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生相互干涉和混亂。因此，設(shè)定計(jì)算在熱連軋的過程控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它是整個(gè)熱連軋機(jī)自動化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心。

設(shè)定計(jì)算系統(tǒng)中包含了大量的以軋制理論、實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型，是實(shí)現(xiàn)順利軋制高精度帶坯的前提。一個(gè)良好的設(shè)定計(jì)算系統(tǒng)，不僅可大幅度縮短整條生產(chǎn)線的有負(fù)荷試車時(shí)間，減少試車料卷的數(shù)量，還可有效地提高生產(chǎn)的靈活性和生產(chǎn)效率，保證在軋機(jī)工況發(fā)生變化的情況下，如更換軋輥、合金品種和規(guī)格時(shí)能自動調(diào)整軋機(jī)的各種設(shè)定值，保證產(chǎn)品的精度不降低。

由于熱軋過程中帶坯的厚度、凸度和板形之間存在著非常緊密的關(guān)系，在某些情況下，對某一變量的調(diào)整將有可能引起其它指標(biāo)的惡化，因此設(shè)定計(jì)算在自動生成軋程表時(shí)，必須根據(jù)熱軋機(jī)的設(shè)備能力，包括各種調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的能力，以及材料的規(guī)格、品種、產(chǎn)品的目標(biāo)、控制目標(biāo)精度等原始參數(shù)和限定條件，采用相應(yīng)的軋制策略。

在軋程表計(jì)算過程中軋制力的預(yù)報(bào)精度是非常重要的。它是進(jìn)行各種軋機(jī)設(shè)定值計(jì)算的基礎(chǔ)。軋制力是由熱粗軋和熱精軋各機(jī)架所軋制的材料強(qiáng)度決定的，要想精確計(jì)算材料在軋制狀態(tài)下的強(qiáng)度，必須考慮相對應(yīng)的軋制溫度、潤滑和摩擦狀況、軋制速度等諸多因素。

綜上所述，設(shè)定計(jì)算系統(tǒng)的策略如下。

2.1 熱粗軋和熱精軋之間的軋制力分配

①根據(jù)平均分配加工率的原則來計(jì)算熱精軋各機(jī)架軋制材料的變形抗力;

②根據(jù)成品所需的凸度和工作輥熱膨脹狀況來計(jì)算熱精軋最后一個(gè)機(jī)架的軋制力;

③根據(jù)理想板形曲線和凸度變化限制條件所允許的范圍，并考慮各種調(diào)整機(jī)構(gòu)及其可調(diào)整的量來計(jì)算熱精軋各機(jī)架間的軋制力分配;

④根據(jù)優(yōu)化熱粗軋機(jī)和熱精軋機(jī)之間軋制力分配的目標(biāo)來確定中間帶坯的厚度和凸度。

2.2 熱粗軋機(jī)計(jì)算

①根據(jù)原始參數(shù)和先前的中間帶坯尺寸來計(jì)算軋程表;

②根據(jù)熱粗軋機(jī)工作輥熱凸度和所要求的帶坯凸度，來計(jì)算粗軋最后一道次的軋制力;

③根據(jù)軋機(jī)的設(shè)備、工藝參數(shù)和極限值，來確定熱粗軋的道次數(shù)和每一道次的加工率;

④在軋制過程中模型的自學(xué)習(xí);

⑤在重剪切頭時(shí)根據(jù)已軋道次的實(shí)際軋制數(shù)據(jù)對剩余粗軋道次進(jìn)行修正;

⑥在熱粗軋最后道次結(jié)束后，通過比較帶坯實(shí)際凸度與設(shè)定凸度對熱精軋的凸度模型進(jìn)行修正。

2.3 熱精軋機(jī)計(jì)算

①根據(jù)檢測到的中間帶坯尺寸和凸度計(jì)算軋程表;

②根據(jù)成品帶材所需的尺寸、溫度和軋機(jī)工作輥熱凸度，在保持相對凸度恒定的前提下分配熱精軋機(jī)各機(jī)架間的軋制力;

③運(yùn)用穿帶自適應(yīng)系統(tǒng)來提高設(shè)定值精度。

二級設(shè)定計(jì)算系統(tǒng)允許在熱粗軋和熱精軋之間重新分配軋制力，使得在各種熱軋方式中應(yīng)用凸度控制得到可能。即使軋機(jī)沒有機(jī)械凸度調(diào)整裝置，也可影響帶材的凸度。

3 粗軋?jiān)O(shè)定計(jì)算

二級設(shè)定計(jì)算系統(tǒng)中用于描述鋁帶熱軋中物理變化的數(shù)學(xué)模型是這套自動控制系統(tǒng)的核心，一般均是經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)的優(yōu)化，具有精度高、適用面廣的特點(diǎn)。系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)學(xué)模型將計(jì)算值與軋制過程中各種檢測儀表實(shí)測的參數(shù)值進(jìn)行比較，通過對相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正，以進(jìn)一步提高其精度。

由于數(shù)學(xué)模型不可能完全真實(shí)地反映軋制過程中所發(fā)生的各種現(xiàn)象，并且為了能夠使反映這些現(xiàn)象的復(fù)雜數(shù)學(xué)關(guān)系實(shí)用化，還必須對它們進(jìn)行簡化，這樣必定造成計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況之間存在偏差，為了修正這些偏差，在數(shù)學(xué)模型中引入了自學(xué)習(xí)項(xiàng)。

3.1 粗軋機(jī)設(shè)定計(jì)算

粗軋機(jī)設(shè)定計(jì)算流程如圖1所示。它利用數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)庫參數(shù)，根據(jù)原始數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、軋機(jī)的限制因素等計(jì)算出粗軋機(jī)的設(shè)定數(shù)據(jù)，以便為精軋軋制供給適當(dāng)厚度和寬度的中間坯。設(shè)定計(jì)算的結(jié)果發(fā)送到粗軋基礎(chǔ)自動化級控制器中。

設(shè)定數(shù)據(jù)包括:總道次數(shù)、中間坯厚度、軋件溫度、軋制力預(yù)設(shè)定、凸度預(yù)設(shè)定、軋制速度計(jì)算、輥縫計(jì)算、冷卻模式計(jì)算、彎輥力計(jì)算。

3.2 粗軋模型自學(xué)習(xí)計(jì)算

粗軋模型自學(xué)習(xí)計(jì)算是以許多實(shí)際的軋制數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對模型的預(yù)測精度進(jìn)行修正的功能。該功能通過比較檢測的實(shí)際值和計(jì)算值來檢查軋制數(shù)學(xué)模型的精確度。然后糾正粗軋機(jī)設(shè)定計(jì)算中模型的學(xué)習(xí)項(xiàng)，作為隨后的熱軋卷的設(shè)定。有兩種類型的學(xué)習(xí)方式:

圖1 粗軋?jiān)O(shè)定計(jì)算流程圖

①軋件間的短期自學(xué)習(xí)是為了吸收與時(shí)間有關(guān)的事物現(xiàn)象的變化。

②批次間的長期自學(xué)習(xí)是為了實(shí)現(xiàn)對因材料特性引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

4 精軋?jiān)O(shè)定計(jì)算

4.1 精軋機(jī)設(shè)定計(jì)算

精軋機(jī)設(shè)定計(jì)算流程見圖2。該設(shè)定計(jì)算利用數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)庫檢索，根據(jù)原始數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、軋機(jī)限制因素等計(jì)算出精軋機(jī)的設(shè)定數(shù)據(jù)，以便維持秒流量平衡并保證軋制出來的帶材厚度、凸度和溫度在目標(biāo)值附近允許范圍內(nèi)。設(shè)定數(shù)據(jù)包括:精軋機(jī)穿帶速度、精軋機(jī)軋制速度、加速率、精軋機(jī)前滑量、精軋機(jī)后滑量、精軋機(jī)出口帶材的厚度、機(jī)架間的張力、控制功能影響系數(shù)、清刷輥的開/關(guān)、精軋機(jī)輥縫、預(yù)測的軋制力、乳液冷卻分段通/斷、工作輥彎輥力。

4.2 精軋模型自學(xué)習(xí)計(jì)算

在軋機(jī)穿帶完成之后，自學(xué)習(xí)功能將各類現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入，檢查檢測數(shù)據(jù)是否合理，以便更新所存儲的過程模型學(xué)習(xí)項(xiàng)。

圖2 精軋?jiān)O(shè)定計(jì)算流程圖

該功能通過比較檢測的實(shí)際值和計(jì)算值來檢查數(shù)學(xué)軋制模型的精度。然后修正精軋機(jī)設(shè)定計(jì)算中的模型學(xué)習(xí)項(xiàng)或參數(shù)，作為隨后的熱軋卷的設(shè)定。同粗軋相似，有兩種類型的學(xué)習(xí)方式:

①軋件間的短期自學(xué)習(xí)是為了吸收與時(shí)間有關(guān)的事物現(xiàn)象的變化。

②批次間的長期自學(xué)習(xí)是為了實(shí)現(xiàn)對因材料特性引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

5 結(jié)論

二級設(shè)定計(jì)算系統(tǒng)是整個(gè)熱連軋機(jī)自動控制系統(tǒng)的核心之一，設(shè)定計(jì)算的準(zhǔn)確度直接影響產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量。一個(gè)良好運(yùn)行的設(shè)定計(jì)算系統(tǒng)將大大提高工廠效益。

［1］張殿華等.四機(jī)架熱連軋機(jī)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).冶金自動化1998(2)

［2］郭金龍等.鋁熱連軋粗軋區(qū)軋件溫度場的數(shù)值模擬.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2007(6)