阿亨巴赫鋁箔軋機(jī)板形自動控制系統(tǒng)

宋春穎

(南山輕合金有限公司，山東 龍口 265706)

南山輕合金有限公司鋁箔廠自2003年引進(jìn)德國阿亨巴赫公司制造的四輥不可逆軋機(jī)四臺，包括一臺粗軋機(jī)，兩臺中軋機(jī)，一臺精軋機(jī)。軋機(jī)的板形控制系統(tǒng)用的是阿亨巴赫公司開發(fā)的OPTIROLL?i2系統(tǒng)。下面主要闡述OPTIROLL?i2系統(tǒng)如何完成1級自動化的控制功能。

1 帶材平直度測量

1.1 帶材平直度測量原理

良好的平直度是鋁箔軋制要求達(dá)到的最基本質(zhì)量要素之一，OPTIROLL?i2的設(shè)計理念是基于力的測量原理。在每臺軋機(jī)出口側(cè)都安裝了一根板形輥，用于測量帶材作用在板形輥上的力，測量出帶寬方向的張力分布，就可以知道帶材的實際平直度。板形輥表面裝有60個壓電傳感器，傳感器的分布情況如圖1所示。圖1的橫坐標(biāo)代表板形輥表面的寬度方向，縱坐標(biāo)代表板形輥表面的圓周方向。

圖1 板形輥內(nèi)傳感器分布圖

從圖1可以看出60個傳感器以一種交錯方式安裝在板形輥的表面，傳感器不僅在板形輥寬度上以一定的間隔分布，而且在板形輥圓周上以六個不同的角度分布。板形輥中心區(qū)傳感器的數(shù)量是12個，分布間距是52mm ，兩端各裝配24個傳感器，間距為26mm。圓周方向角度分布分別是40度、80度、160度、200度、280度、320度，每個角度有10個傳感器。所以傳感器的數(shù)量總共是60個。每個傳感器對應(yīng)一個測量區(qū)，所以有60個測量區(qū)，每個測量區(qū)控制一個傳感器的測量范圍。一個測量帶的寬度是26mm，而中心區(qū)每個測量區(qū)的寬度是52mm，所以中間的12個傳感器總共占用了24個測量帶；兩端每個傳感器測量區(qū)寬度是26mm，所以兩端的48個傳感器總共占用了48個測量帶。因此總共有72個測量帶。所以，板形輥能測量的帶材最大寬度是72 x 26mm = 1872mm，最小寬度是900mm，板形輥直徑是280mm。

1.2 信號采集和傳遞

在軋制過程中，板形輥與帶材同步運(yùn)行，在圓周上以一定的角度與帶材接觸。在板形輥旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)傳感器在帶材下面移動時，一旦帶材接觸到這個傳感器就會產(chǎn)生脈沖形狀的信號。將分布在不同角度的六個傳感器組合成一個電氣單元，稱為一個通道，總共有10個通道。每個通道連接著一個隨板形輥一起旋轉(zhuǎn)的信號放大器，信號放大器將傳感器信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。隨后利用脈沖編碼調(diào)制解調(diào)器，將這些模擬信號變成脈沖碼。然后再通過稱為旋轉(zhuǎn)變送器的光學(xué)傳送鏈，將脈沖碼從旋轉(zhuǎn)部件送到固定裝置上，之后信號通過電纜被送到控制柜內(nèi)。在控制柜的PCM控制單元內(nèi)對每個通道的信號進(jìn)行計算，PCM控制單元將計算后的數(shù)據(jù)發(fā)送給M1系統(tǒng)，在M1系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換成平直度信號并進(jìn)行控制。

M1系統(tǒng)是Bachmann公司的產(chǎn)品，M1系統(tǒng)的PLC稱為MPLC。OPTIROLL?i 2板型控制程序MPLC包括SFM(Strip Flatness Measuring)帶材平直度測量程序、SFC(strip flatness control)帶材平直度控制程序和SCA(servo control adjustment)伺服控制調(diào)整程序。

1.3 信號處理

SFM程序的主要功能是計算帶材橫截面上的張力分布情況。SFM程序接收PCM發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電壓。SFM再根據(jù)電壓Ueff計算未校準(zhǔn)的測量力Fmea=Ueff/Stran/Samp[N], Stran是壓電傳感器的放大倍數(shù)，為常數(shù)4.36。Samp是信號放大器放大倍數(shù)，信號放大器有三個放大范圍，系統(tǒng)可根據(jù)帶材厚度自動選擇，厚度越小，靈敏度越高。低放大倍數(shù)為10，中放大倍數(shù)為40，高放大倍數(shù)為160。板形輥內(nèi)的傳感器需要定期校準(zhǔn)，一般每半年校準(zhǔn)一次。校準(zhǔn)需要用專用的校準(zhǔn)裝置,校準(zhǔn)程序為每個傳感器提供了一個校準(zhǔn)系數(shù)。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，板形輥內(nèi)傳感器測量的力Fmea與校準(zhǔn)系數(shù)的比值就是每個傳感器測量到的徑向力Frad，每個測量區(qū)的帶材張力Fti與徑向力Frad的關(guān)系如下所示 ：

Asensor是單個傳感器的表面積，droll是板型輥的直徑280mm.，Hexit是帶材出口厚度。先計算出每個測量區(qū)的張力，即絕對張力。所有測量區(qū)張力的平均值就是帶材寬度上的平均張力，系統(tǒng)利用平均張力值判斷帶材是否斷帶。如果斷帶，則平均張力值幾乎為零。當(dāng)軋制速度大于60m/min，而平均張力小于12N/mm2時就認(rèn)為斷帶。絕對張力與平均張力的差稱為相對張力，每個測量區(qū)的相對張力就代表實際的平直度，將每個測量區(qū)的相對張力值連接起來就是實際的平直度分布曲線。

2 平直度控制原理

SFC系統(tǒng)的主要功能包括計算板形偏差,執(zhí)行冷卻控制,計算彎輥、傾斜和上支撐輥可變凸度(VC)控制的基準(zhǔn)值。

2.1 計算板形偏差

平直度調(diào)整是根據(jù)板形偏差進(jìn)行調(diào)整的，目的是盡量將板形偏差調(diào)整為零。計算板形偏差除了要知道平直度的實際曲線，還需要知道平直度的設(shè)定曲線。平直度的設(shè)定曲線由操作人員通過預(yù)設(shè)定電腦設(shè)定。在預(yù)設(shè)定電腦界面上輸入帶材寬度和曲線尺寸就可以得到一條設(shè)定曲線。利用下面公式可計算基準(zhǔn)設(shè)定曲線。

SW[zones]=SW[mm]/26 (1)

SEL=36- SW[zones]/2 +1 (2)

SER=60- SEL +1 (3)

公式中SW[mm]為輸入的帶材寬度，SEL為左邊第一個有效傳感器，SER為右邊最后一個有效傳感器。知道了有效傳感器范圍用公式(4)即可計算基準(zhǔn)曲線的數(shù)值，其中b是指曲線尺寸，i的范圍在SEL與SER之間。例如在預(yù)設(shè)定畫面上輸入帶材寬度1440mm，曲線尺寸-12，根據(jù)公式(1)可以計算出占用的測量帶數(shù)量SW[zones]是56，根據(jù)公式(2)和(3) 可計算出左邊第一個有效傳感器SEL=9, 右邊最后一個有效傳感器SER=52,所以i的范圍是9到52。用公式(4)求出f(x9)到f(x52)之間的所有值，這一組數(shù)值就是平直度設(shè)定曲線的基準(zhǔn)值。與SFM傳過來的第9個測量區(qū)到第52個測量區(qū)的實際平直度數(shù)值相減，得到的差值就是系統(tǒng)需要降低的平直度誤差。

2.2 調(diào)整平直度的方法

調(diào)整平直度的方法包括軋制油分段冷卻、工作輥彎輥、工作輥傾斜和上支撐輥可變凸度(VC)。控制器示意圖如圖2所示，SFC首先將預(yù)設(shè)定的平直度曲線與SFM傳來的實際平直度曲線相減，計算出代表帶材寬度方向上板形誤差函數(shù)，誤差函數(shù)的方程式是 f(x)=e0+e1x1+e2x2。在理論上，當(dāng)實際板形達(dá)到目標(biāo)值時，板形誤差函數(shù)f(x)=0。系統(tǒng)計算出使誤差函數(shù)f(x)=0的二次系數(shù)和一次系數(shù)對應(yīng)的數(shù)值。將板形誤差函數(shù)f(x)的二次項系數(shù)值作為彎輥和VC的基準(zhǔn)值，用于控制對稱的板形缺陷。將板形誤差函數(shù)f(x)的一次項系數(shù)值作為傾斜基準(zhǔn)值，用于控制非對稱的板形缺陷。然后將這3個基準(zhǔn)值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的參考壓力值并傳給SCA系統(tǒng)，由SCA液壓系統(tǒng)輸出實際壓力控制彎輥、傾斜、VC，冷卻控制由SFC系統(tǒng)直接控制。

圖2 平直度控制器示意圖

2.3 冷卻控制

對于既不能通過傾斜也不能通過彎輥和VC消除的板形缺陷，將通過工作輥分段冷卻進(jìn)行消除。分段冷卻通過控制工作輥噴射梁上的噴咀來實現(xiàn)。噴咀梁原理圖如圖3所示，由圖可以看出每個工作輥對應(yīng)三排噴射梁。噴咀的噴射是成對控制的，也就是上下工作輥同一區(qū)域相對應(yīng)的噴咀是同時控制的。每排噴射梁上有60個噴咀，每排噴射梁的60個噴咀位置排列都與板形輥上的60個傳感器寬度方向位置排列一一對應(yīng)。

圖3 工作輥噴咀梁原理圖

軋制油冷卻是由基礎(chǔ)冷卻、自動冷卻和手動冷卻組成的。基礎(chǔ)冷卻的作用是維持最小流量。工作輥基礎(chǔ)冷卻是指在帶材寬度范圍內(nèi)，工作輥噴射梁C排和D排噴咀間隔一定距離循環(huán)噴油，間隔的距離在系統(tǒng)里定義為步長，根據(jù)設(shè)定的基礎(chǔ)冷卻值大小確定步長值。基礎(chǔ)冷卻值可在預(yù)設(shè)定畫面上設(shè)置。基礎(chǔ)冷卻值的范圍是0-19，值越大，噴油量越多。如果基礎(chǔ)冷卻值在0-9之間，則中間C排不噴，D排噴油的步長值是10減去基礎(chǔ)冷卻值。如果基礎(chǔ)冷卻值在10-19之間，則D排噴咀全噴，C排噴油的步長值是20減去基礎(chǔ)冷卻值。噴油量多少與帶寬和基礎(chǔ)冷卻值有關(guān)。例如基礎(chǔ)冷卻值設(shè)為12，帶寬是1440mm，根據(jù)帶寬可以計算出冷卻區(qū)是第9個噴咀到第52個噴咀，由于帶材邊部沒有基礎(chǔ)冷卻，所以基礎(chǔ)冷卻區(qū)是第11個噴咀到第50個噴咀之間，共40個噴咀。此時，D排第11個噴咀到第50個噴咀全都噴油，而C排噴咀噴油的步長值是20-12=8，就是說C排相鄰的兩個噴油噴咀的距離是8個噴咀。

軋制油自動冷卻控制示意圖如圖4所示。首先，計算出每個測量帶的實際張力與設(shè)定曲線的偏差并輸入冷卻控制器。然后，計算出實際流量與設(shè)定流量的偏差并輸入流量控制器。冷卻控制器的作用是：決定哪些噴咀噴油，哪些噴咀不噴油。流量控制器的作用是決定噴咀的流量大小。設(shè)定流量需在預(yù)設(shè)定畫面上設(shè)定，根據(jù)冷卻循環(huán)的實際壓力和打開噴咀的數(shù)量計算實際流量。冷卻控制器將每個測量區(qū)的張力差值轉(zhuǎn)換成級別值：根據(jù)張力差值的大小可以劃分為8個不同的級別，級別值的范圍是0到7，張力差值越大則級別值越小，張力差值越小則級別值越大。因為每個工作輥對應(yīng)三排冷卻噴咀，所以可將級別值轉(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制編碼。二進(jìn)制編碼輸出可以自動控制噴咀開關(guān)，例如測量區(qū)域級別是3，則二進(jìn)制編碼是“011”，“0”表示B排對應(yīng)位置噴咀關(guān)閉，第一個“1”表示C排對應(yīng)位置噴咀打開，第二個“1”表示D排對應(yīng)位置噴咀打開。噴咀由電磁閥控制，帶電不噴，不帶電噴。自動冷卻循環(huán)間隔時間是100ms。自動冷卻和基礎(chǔ)冷卻是相疊加的。手動冷卻通過可視化畫面對軋制油噴咀進(jìn)行操作，每個噴咀都可以在手動和自動之間單獨(dú)切換。手動冷卻優(yōu)先級高于自動冷卻和基礎(chǔ)冷卻。

圖4 軋制油自動冷卻控制示意圖

上下支撐輥各對應(yīng)一排噴射梁，每排有18個噴咀，支撐輥冷卻包括基礎(chǔ)冷卻和手動冷卻，基礎(chǔ)冷卻值的范圍是0到9。

3 伺服控制調(diào)整的原理

伺服控制調(diào)整(SCA)的目標(biāo)是盡可能的把帶材厚度偏差控制在一定范圍內(nèi)。SCA的功能包括低級功能和高級功能。低級功能包括輥縫控制、軋輥傾斜控制、工作輥彎輥的壓力控制、VC輥壓力控制。高級功能包括厚度控制和產(chǎn)量最優(yōu)化。

3.1 輥縫控制

輥縫控制有兩種控制模式，即位置控制模式和軋制力控制模式。位置控制在有縫軋制時起作用，一旦輥縫閉合，將自動轉(zhuǎn)換到軋制力控制。位置或軋制力的設(shè)定值既可以通過主操作臺上的旋鈕手動改變，也可以通過厚度控制系統(tǒng)進(jìn)行改變。位置控制通過索尼位置傳感器反饋推上缸的實際位置，軋制力控制通過壓力傳感器反饋推上缸的實際壓力，利用測量到的壓力值和推上缸的截面積來計算軋制力的值。將位置或軋制力的偏差信號經(jīng)過PID控制器調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后生成模擬電壓信號送到伺服閥，伺服閥控制液壓油使推上缸移動。輥縫有三種狀態(tài)：打開、閉合、輥縫固定值，輥縫固定值是指輥縫大小為4.5mm。由于使用的索尼位置傳感器是相對位置傳感器，所以在每次更換工作輥后都需要重新校準(zhǔn)輥縫。校準(zhǔn)的目的是重新設(shè)定索尼位置傳感器的零點。

3.2 彎輥、VC、傾斜控制

彎輥是利用液壓系統(tǒng)對工作輥軸承座施加壓力來實現(xiàn)的，通過正彎或負(fù)彎可改變工作輥之間的輥縫形狀，進(jìn)而控制帶材形狀。利用彎輥控制帶材邊部的板形效果較好。彎輥是正彎負(fù)彎共同作用產(chǎn)生的，而正彎、負(fù)彎的壓力范圍都是從30bar到180bar，所以可得出下列兩個方程式

(P+ref- P-ref)/(180-30)=B_ref (5)

P+ref+P-ref=180+30 (6)

P+ref—— 正彎壓力參考值

P-ref——負(fù)彎壓力參考值

B_ref —— 彎輥參考值

自動模式時，彎輥的參考值來自SFC程序；手動模式時，彎輥的設(shè)定值由操作手通過旋鈕手動設(shè)定。彎輥設(shè)定值的范圍是-100%到+100%。如果知道彎輥的設(shè)定值，就可以由方程式(5)和(6)計算出正彎和負(fù)彎壓力的設(shè)定值。當(dāng)彎輥設(shè)定值設(shè)定為-100%時，可計算出正彎的設(shè)定壓力是30bar，負(fù)彎的設(shè)定壓力是180bar；當(dāng)彎輥值設(shè)定為+100%時，可計算出正彎的設(shè)定壓力是180bar，負(fù)彎的設(shè)定壓力是30bar；當(dāng)彎輥值設(shè)定為0時，可計算出正彎參考值與負(fù)彎參考值相等都是105bar。當(dāng)輥縫處于打開狀態(tài)時，彎輥設(shè)定值為+30%。如果在軋制過程中斷帶，則彎輥設(shè)定值立即變?yōu)?100%。由方程式可畫出正彎壓力設(shè)定值、負(fù)彎壓力設(shè)定值與彎輥設(shè)定值的關(guān)系圖如圖5所示。彎輥控制器原理圖如圖6所示。該系統(tǒng)由2個獨(dú)立的用于正彎和負(fù)彎的快速控制環(huán)組成，設(shè)定值與實際壓力值比較之后的差值進(jìn)入PI控制器，經(jīng)過限幅處理，再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號送給伺服閥。

VC(可變凸度)輥是一種套輥，在輥套與心軸之間有一個液體腔。腔內(nèi)充滿壓力可調(diào)的高壓油，隨著壓力的增加輥的凸度會發(fā)生變化。VC輥對于控制帶材中心區(qū)域的板形效果明顯。VC輥最小壓力是25bar。

圖5 正彎、負(fù)彎與彎輥參考值關(guān)系圖

圖6 彎輥控制器原理圖

VC輥的壓力的設(shè)定值來自SFC或操作手通過旋鈕手動設(shè)定，將設(shè)定值與實際值比較之后的差值進(jìn)入PI控制器，經(jīng)過限幅后轉(zhuǎn)換成電壓信號，接著送給信號放大器，信號放大器與比例閥相連來控制壓力。

如果板形出現(xiàn)一邊緊一邊松的情況，可以用軋輥傾斜來糾正。傾斜控制用于位置控制模式和軋制力控制模式。實際的傾斜值是指位置控制模式下操作側(cè)和驅(qū)動側(cè)實際位置的偏差，或是指軋制力控制模式下操作側(cè)和驅(qū)動側(cè)軋制力的偏差。自動模式時，傾斜的設(shè)定值來自SFC程序；手動模式，傾斜的設(shè)定值由操作手通過旋鈕手動設(shè)定。SCA液壓系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值分別計算出操作側(cè)和驅(qū)動側(cè)軋制力或輥縫位置的設(shè)定值。

3.3 厚度控制

SCA(伺服控制調(diào)節(jié))的高級功能是控制帶材的厚度。SCA既可以在位置模式下控制帶材的厚度，也可以在軋制力模式下控制帶材的厚度。對于厚度大于110μm的帶材，采用位置控制模式控制帶材的厚度。厚度的設(shè)定值在預(yù)設(shè)定畫面上設(shè)定，接著傳給測厚儀系統(tǒng)。厚度的實際值通過安裝在出口的測厚儀來測量，測厚儀系統(tǒng)根據(jù)實際厚度和設(shè)定厚度計算出厚度偏差反饋給SCA系統(tǒng)。由于測厚儀與輥縫之間有一段距離，反饋回來的厚度偏差時間上會有一定的延時，所以SCA計算厚度偏差的平均值并輸入到厚度控制器中，以此來盡量減小延時造成的影響。厚度控制器根據(jù)帶材的硬度會選擇不同的放大系數(shù)，材料硬度通過軋制力和各道次壓下量進(jìn)行計算。厚度控制器的輸出值作為輥縫位置的附加調(diào)節(jié)量，與輥縫實際位置比較后一起輸入到位置控制器中，通過調(diào)整輥縫的位置來修正推上缸的位置偏差，進(jìn)而控制帶材的厚度。

對于厚度小于或等于110μm的帶材，采用軋制力控制模式控制帶材的厚度。在軋制力控制模式下，控制帶厚的最有效方法是控制軋制速度和開卷張力，開卷張力和軋制速度增加都會使厚度變薄。SCA根據(jù)實際厚度和設(shè)定厚度的偏差，可以計算出開卷張力的參考值和軋制速度的參考值。將參考值傳給軋機(jī)PLC的 FM458功能模塊，接著傳給直流調(diào)速器，直流調(diào)速器控制開卷張力和軋機(jī)速度。

產(chǎn)量最優(yōu)化是指在板形穩(wěn)定的情況下以最快的速度達(dá)到目標(biāo)厚度和最大速度。通過產(chǎn)量最優(yōu)化，就可以設(shè)法使軋制速度達(dá)到一個最大穩(wěn)定值。在開始軋制時厚度與目標(biāo)值相差較大，這時主要靠提高軋制速度改變帶材厚度。當(dāng)速度升到一定值使帶材達(dá)到目標(biāo)厚度后，主要通過改變帶材的后張力來控制帶材厚度。但這必須是在后張力的允許范圍內(nèi)，一旦超過了后張力的最大值或最小值，速度將自動改變，使后張力回到允許范圍之內(nèi)。速度控制的作用是讓厚度快速達(dá)到目標(biāo)值，張力控制的作用是使厚度維持在一定公差之內(nèi)。

4 結(jié)語

OPTIROLL?i2系統(tǒng)還有預(yù)設(shè)定、可視化、數(shù)據(jù)記錄、過程數(shù)據(jù)分析等2級自動化的功能，同時也為3級自動化提供了數(shù)據(jù)支持。OPTIROLL?i2系統(tǒng)是一種現(xiàn)代化的自動化系統(tǒng)，可靠性好，維護(hù)便利，易于掌握和具有快速故障診斷的功能。

[1]OPTIROLL?i2 system principles and hardware[z]

[2]OPTIROLL?i2 SFC and SCA Training[z]