基于過(guò)程與PLC 等多級(jí)控制對(duì)軋機(jī)系統(tǒng)的升級(jí)改造*

唐 俊

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng)618000)

我國(guó)擁有以5000 mm 熱軋帶鋼為代表的先進(jìn)軋鋼機(jī)和軋鋼生產(chǎn)線，其中各類熱帶鋼占鋼材總產(chǎn)量的50%以上。所謂熱帶鋼精軋機(jī)是指把板厚為30～50 mm 的中間坯料軋制成1.2～25 mm 成品的設(shè)備，如圖1 所示，它是川西南某大型央企的七機(jī)架板材精軋生產(chǎn)線(設(shè)備)。該生產(chǎn)線是由7 機(jī)架(單機(jī))構(gòu)成的機(jī)組，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋼坯進(jìn)行連續(xù)7 次軋制，從而獲得所需的板材。其前段(坯料進(jìn)口方向)4 個(gè)機(jī)架是電動(dòng)壓下的四輥軋機(jī)，后段3 個(gè)機(jī)架是具有斷面控制性能良好的、軸向串動(dòng)的圓柱輥(High Crown HC)軋機(jī)，因限于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)水平與條件，其控制系統(tǒng)存在許多不足，已不能滿足生產(chǎn)要求，其不足概括為以下幾點(diǎn):

(1)檢測(cè)傳感器太少，不能完全反映軋制的狀態(tài);

(2)因獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不足，模型精度不高;

(3)維護(hù)高精度控制的結(jié)構(gòu)不完善;

(4)用于進(jìn)行高精度控制的計(jì)算機(jī)功能不強(qiáng);

(5)系統(tǒng)的可開發(fā)性不強(qiáng)，其功能不能合理分擔(dān)。為此，對(duì)連軋板材精軋生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進(jìn)行全面升級(jí)改造是非常必要的。

1 基本依據(jù)及思路

這條七機(jī)架板材精軋生產(chǎn)線被列為該央企重點(diǎn)技改項(xiàng)目，其目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)控制精細(xì)化，達(dá)到產(chǎn)品升級(jí)并節(jié)能減排等，除了對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行必要的修復(fù)或改造外，這里主要是針對(duì)控制精細(xì)化、產(chǎn)品升級(jí)進(jìn)行技術(shù)性研究，并提出升級(jí)改造的基本方案:一是建立在被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型(即傳遞函數(shù)模型或狀態(tài)空間模型)基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)自動(dòng)控制綜合設(shè)計(jì);二是應(yīng)用模糊控制理論，采用過(guò)程控制進(jìn)行主控制及各種質(zhì)量控制;三是采用可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller 簡(jiǎn)稱PLC)對(duì)各執(zhí)行元件的動(dòng)作進(jìn)行精確控制;四是采用活套技術(shù)保持無(wú)張力軋制以實(shí)現(xiàn)控制精細(xì)化。

2 控制算法與動(dòng)態(tài)分析

2.1 控制算法

由于軋機(jī)在實(shí)際軋制過(guò)程中，有很多不確定的因素導(dǎo)致很難建立起精確的數(shù)學(xué)模型。既然這樣，就不需要、也沒必要去建立預(yù)先無(wú)法知道的、過(guò)程精確的數(shù)學(xué)模型。自加利福尼亞大學(xué)控制論專家L. A. Zadeh提出的《Fuzzy Set》開創(chuàng)了模糊數(shù)學(xué)的歷史以來(lái)，到英國(guó)的E.H.Mamdani 成功地將模糊控制應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制中，它為解決精軋線控制系統(tǒng)這類非精確的數(shù)學(xué)模型問(wèn)題打開了一扇方便之門。其工作原理是:把由各種傳感器測(cè)出的精確量轉(zhuǎn)換成適合于模糊運(yùn)算的模糊量，然后將這些量在模糊控制器中加以運(yùn)算，最后再將運(yùn)算結(jié)果中的模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，以便對(duì)各執(zhí)行器進(jìn)行具體的操作控制［1-2］。因此，軋制前用傳感器實(shí)際測(cè)定的數(shù)據(jù)建立起初始模型，在軋制過(guò)程中當(dāng)板材穿過(guò)時(shí)，再用傳感器所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，這樣軋制中的動(dòng)態(tài)控制就轉(zhuǎn)化成以傳感器數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)的前饋控制，所謂前饋控制就是指“通過(guò)傳感器所獲得數(shù)據(jù)，經(jīng)分析、預(yù)測(cè)趨勢(shì)及可能出現(xiàn)的問(wèn)題，提前采取的措施”，因而可以把傳感器數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)進(jìn)行模糊控制研究。

2.2 軋制負(fù)荷模型

軋制負(fù)荷包括軋制力、軋制力矩等。軋制力是其中最重要的一個(gè)。目前軋制壓力的理論計(jì)算法尚未建立適用于各種條件的統(tǒng)一模型(公式)［3］，用不同公式計(jì)算的軋制力數(shù)值不同，有的懸殊還很大。其主要原因是推導(dǎo)這些計(jì)算公式都是在一定假設(shè)條件下進(jìn)行的，因此造成軋制負(fù)荷模型水平不高。

要提高軋制負(fù)荷模型水平，假設(shè)條件就要盡可能符合實(shí)際情況，這就是一大難點(diǎn)所在［4］。也就是說(shuō)，要達(dá)到最終產(chǎn)品要求，特別是為了提高最前端的板厚精度，應(yīng)該設(shè)定各軋機(jī)的輥縫及軋輥轉(zhuǎn)速等參數(shù)，把精軋前的板材厚度、溫度實(shí)際值作為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)軋制負(fù)荷、軋機(jī)剛性、板材溫度等參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)來(lái)確定各設(shè)定值。在研究西姆斯(Sims)簡(jiǎn)式的基礎(chǔ)上，根據(jù)奧羅萬(wàn)(Orowan)理論，并考慮奧洛萬(wàn)·西姆斯比(負(fù)荷比)，可以建立如下軋制負(fù)荷模型:

式中:P 為軋制負(fù)荷，N;fc為負(fù)荷比(奧洛萬(wàn)·西姆斯比);Km為變形阻力，N/mm2;W 為板寬，mm;QS為壓下力函數(shù);R's為平輥直徑，mm;H 為軋制前板厚，mm;h 為軋制后板厚，mm。

負(fù)荷比是不同情況下的調(diào)節(jié)系數(shù)，對(duì)于變形阻力模型，還需考慮在高溫、變形速度低的精軋前段的動(dòng)態(tài)軟化、低溫精軋后段的相變軟化等幾個(gè)因素對(duì)上游機(jī)架的殘余變形與本機(jī)架變形的累積變形量的影響，這些均可以通過(guò)負(fù)荷比進(jìn)行調(diào)節(jié)，也就是軋制負(fù)荷更加接近于實(shí)際，提高了軋制負(fù)荷模型水平。

重要的是，負(fù)荷比可以利用實(shí)際軋制數(shù)據(jù)與軋制負(fù)荷模型逆運(yùn)算的變形阻力值經(jīng)回歸而算出，這樣就利用了以前不能測(cè)定的機(jī)架間板厚實(shí)測(cè)值進(jìn)行輥縫調(diào)整，以獲得比以前更高的板厚精度。

2.3 預(yù)測(cè)模型與動(dòng)態(tài)分析

板坯軋制前，通過(guò)控制算法對(duì)各裝置進(jìn)行初始設(shè)定即可建立預(yù)測(cè)模型［5］。不過(guò)，預(yù)測(cè)模型終究是預(yù)測(cè)，到軋制時(shí)，有可能會(huì)發(fā)生某些改變，因此將產(chǎn)生由預(yù)測(cè)模型的誤差引起的偏差。如將此偏差放任自流，就會(huì)在最終機(jī)架出口側(cè)得到偏離目標(biāo)值的成品。鑒于此，嘗試用中間機(jī)架的實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)修正下游機(jī)架設(shè)定值的辦法，但仍不能獲得足夠的精度。為了能夠提高模型精度及獲得中間機(jī)架的板厚實(shí)測(cè)值，根據(jù)中間機(jī)架的實(shí)際數(shù)據(jù)，以前饋方式修正初始設(shè)定值，并按精軋機(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)定系統(tǒng)，合理設(shè)計(jì)上游機(jī)架數(shù)據(jù)采樣布局圖，提高預(yù)測(cè)模型的實(shí)用價(jià)值，如圖2 所示。

依據(jù)修正后的預(yù)測(cè)模型及板坯咬入前段各機(jī)架時(shí)的實(shí)測(cè)值，重新進(jìn)行模型計(jì)算，然后依次對(duì)后面機(jī)架的初始設(shè)定值進(jìn)行修正，使該系統(tǒng)具有前段機(jī)架動(dòng)態(tài)設(shè)定功能。利用這個(gè)功能，可以修正從尾段直達(dá)前段各機(jī)架的動(dòng)態(tài)誤差。

再根據(jù)板坯到達(dá)機(jī)架間測(cè)厚儀時(shí)的實(shí)測(cè)值，依次對(duì)后面機(jī)架的初始設(shè)定值進(jìn)行修正，則使系統(tǒng)具有機(jī)架間測(cè)厚儀動(dòng)態(tài)設(shè)定功能。在此，對(duì)精軋機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)定及中間機(jī)架板厚測(cè)定，主要是對(duì)輥縫及軋輥轉(zhuǎn)速進(jìn)行修正以使板厚誤差得到消除，其原理如圖3 所示。

在圖3 所示的各機(jī)架中，當(dāng)實(shí)測(cè)第i機(jī)架入口側(cè)的板厚時(shí)，該機(jī)架輥縫修正量ΔS計(jì)算［6-7］如下:

式中:ΔS為輥縫修正量，mm;H為入口側(cè)板厚，mm;G為增益;P為軋制負(fù)荷，N;M為軋機(jī)剛性系統(tǒng)，N/mm;ΔHX為入口側(cè)板厚偏差，mm。

式(2)主要是測(cè)定后段3 個(gè)機(jī)架板厚誤差，但前段4 個(gè)機(jī)架板厚誤差對(duì)后面有一定影響，即使在上游側(cè)NO.1 單機(jī)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)設(shè)定，下游側(cè)產(chǎn)生的板厚誤差也不能被吸收，故在后面3 個(gè)機(jī)架中設(shè)置測(cè)厚儀，在逐次進(jìn)行壓下修正的過(guò)程中，板厚誤差便可得到修正。

3 過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

過(guò)程控制(The process control)是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)能滿足軋制產(chǎn)品生產(chǎn)工藝及質(zhì)量需求，并與電氣、測(cè)量系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)、高度集成、性能穩(wěn)定的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。主要內(nèi)容包括功能分擔(dān)、各應(yīng)用功能(包括控制功能、在線檢測(cè)功能、實(shí)時(shí)監(jiān)控功能等)的開發(fā)、數(shù)據(jù)拾取、接口與數(shù)據(jù)傳輸方式、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置等。精軋機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)如圖4 所示。

3.1 主要目標(biāo)值的動(dòng)態(tài)控制

當(dāng)板材咬入各機(jī)架之后，應(yīng)把板厚、張力及板材速度、負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)偏差等參數(shù)作為主要目標(biāo)值由過(guò)程控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行過(guò)程動(dòng)態(tài)控制。

在精軋控制系統(tǒng)中，開發(fā)了許多新技術(shù)，如各種自動(dòng)控制系統(tǒng) (AutomaticGaugeControl System，簡(jiǎn)稱AGC):液壓AGC、絕對(duì)值A(chǔ)GC(ABS - AGC)、監(jiān)控AGC、反饋AGC(GM-AGC)、前饋AGC (FF -AGC);各補(bǔ)償技術(shù):油膜補(bǔ)償、活套補(bǔ)償、寬度補(bǔ)償、彎輥補(bǔ)償、X-射線監(jiān)控、沖擊補(bǔ)償、偏心補(bǔ)償;各種測(cè)量技術(shù):厚度計(jì)、凸度計(jì)以及PLC。它們各自有不同的特點(diǎn)和用途，AGC 是根據(jù)設(shè)定厚度通過(guò)PLC 程序模型向液壓伺服系統(tǒng)給出相應(yīng)的信號(hào)，以達(dá)到想要的板材厚度值。

經(jīng)分析對(duì)比，現(xiàn)采用組合式AGC，即機(jī)架鎖定板厚目標(biāo)值的絕對(duì)值A(chǔ)GC、用單機(jī)間板厚計(jì)監(jiān)控的AGC組合而成，以謀求更高的控制精度。為了維持機(jī)架間物流平衡，保持板帶張力恒定，在各機(jī)架間裝有活套，在活套控制及壓下補(bǔ)償中，所用計(jì)算機(jī)與AGC 相同，且控制周期也與AGC 相同，均為20 ms，可以控制壓下動(dòng)作及其連動(dòng)，使張力保持穩(wěn)定。

3.2 用PLC 對(duì)各執(zhí)行元件動(dòng)作進(jìn)行精確控制

軋機(jī)各執(zhí)行元件動(dòng)作的精確程度直接影響板材質(zhì)量，現(xiàn)采用PLC 對(duì)它們進(jìn)行精確控制，具體是:側(cè)導(dǎo)板位置控制、輥縫控制、軋輥冷卻控制、輥道控制、除鱗機(jī)控制、材料跟蹤和順序控制以及操作模式的協(xié)調(diào)等，其關(guān)鍵是要解決數(shù)據(jù)采樣周期的問(wèn)題。由于液壓位置控制系統(tǒng)有很高的響應(yīng)頻率和嚴(yán)格的穩(wěn)態(tài)精度要求，要實(shí)現(xiàn)上述各種精確控制，這個(gè)問(wèn)題就必須解決好。實(shí)驗(yàn)表明，液壓APC 的控制周期應(yīng)小于5 ms，S7 -400西門子PLC 具有極高的處理速度、強(qiáng)大的通訊性能和卓越的CPU 資源裕量，其邏輯運(yùn)算時(shí)間和定點(diǎn)加運(yùn)算時(shí)間均為0.08 μs，浮點(diǎn)加運(yùn)算時(shí)間為0.48 μs，最小定時(shí)中斷周期為1 ms，完全能滿足要求，控制周期不能太小，否則會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)加劇，在實(shí)際應(yīng)用中，確定液壓APC 的控制周期2 ms 較為合適，其它數(shù)據(jù)采樣周期據(jù)此適當(dāng)調(diào)整即可滿足要求。

3.3 活套控制設(shè)計(jì)

為了保證精軋控制過(guò)程的穩(wěn)定性，采用活套控制(looping control)技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化控制。

在使用奧斯本檢核表檢核實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，可以圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?個(gè)檢核項(xiàng)目進(jìn)一步細(xì)化，拓展出多個(gè)不同的問(wèn)題進(jìn)行思考，通過(guò)小組討論合作探究，形成新的實(shí)驗(yàn)思路或方案，具體檢核方法見表1。

用活套技術(shù)制成的掃描器(活套器)置于生產(chǎn)線活套架一側(cè)，在各機(jī)架之間設(shè)若干個(gè)活套器，并在相鄰機(jī)架間形成適合的套量，以保持無(wú)張軋制，其布置如圖5 所示，選定末機(jī)架為基準(zhǔn)機(jī)架并保持速度不變作為基準(zhǔn)速度設(shè)定，其上游各機(jī)架速度根據(jù)軋制工藝要求自動(dòng)按比例設(shè)定。其工作原理是把設(shè)定值與活套器掃描檢測(cè)出來(lái)的紅鋼實(shí)際位置值相比較，利用其偏差由快速響應(yīng)控制系統(tǒng)保持活套高度在預(yù)設(shè)定的范圍內(nèi)，自動(dòng)地凋節(jié)上游機(jī)架的速度，使偏差值逐漸趨于零，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制，參照文獻(xiàn)［8-9］，其設(shè)計(jì)過(guò)程是:

(1)建立以張力、(角)速度為變量的活套模型;

(2)根據(jù)逆線性二次型(Inverse Linear Quadratic，ILQ)理論，構(gòu)造擴(kuò)展矩陣，并求取狀態(tài)反饋矩陣;

(3)根據(jù)期望的閉環(huán)響應(yīng)極點(diǎn)求取ILQ 控制系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)值;

(4)通過(guò)閉環(huán)響應(yīng)系統(tǒng)，以偏差值趨于零為目標(biāo)自動(dòng)凋節(jié)上游各機(jī)架的速度及位移，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制。

3.4 傳感器的配置

改造前，因檢測(cè)軋制狀態(tài)的各類傳感器較少，所獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自然就不充分，造成模型精度不高?，F(xiàn)在無(wú)論從傳感器數(shù)量的配備上，還是在傳感器種類、性能上均有突破，并采取了合理布局，如圖6 所示。在種類方面引進(jìn)了先進(jìn)的測(cè)寬儀、高溫計(jì)、板形儀等，從布局上看，在最終機(jī)架出口側(cè)配置兩臺(tái)掃描式測(cè)厚儀，以測(cè)定寬度方向中央部分的板厚及寬度方向板厚分布數(shù)據(jù)。

4 采用高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)跟蹤后備系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控

高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)跟蹤后備系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng))主要任務(wù)是對(duì)全線的生產(chǎn)工藝過(guò)程進(jìn)行跟蹤、設(shè)定和數(shù)據(jù)采集等。操作者可根據(jù)軋線情況和跟蹤系統(tǒng)的提示，對(duì)軋件進(jìn)行跟蹤處理。每道次軋制完后，跟蹤系統(tǒng)都會(huì)根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行自適應(yīng)和對(duì)后續(xù)道次所設(shè)參數(shù)進(jìn)行修正［10］，并能快速適應(yīng)軋制條件的變化，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控、提高鋼板軋制精度的目的。

5 系統(tǒng)綜合能力評(píng)估

(1)控制模型的效能

由以前難以建立的數(shù)學(xué)模型到模糊控制的轉(zhuǎn)變，通過(guò)前饋方式可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)定以前不能測(cè)的板厚并獲得很高的板厚精度;采用傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)及二次開發(fā)［11］，實(shí)際負(fù)荷與計(jì)算負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)偏差由9%下降到3.5%，提高了控制模型的精度，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的提高起到了很好的作用。

(2)過(guò)程控制與高速網(wǎng)絡(luò)交換提升了控制能力

利用過(guò)程計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程的控制，以前各功能間的傳遞滯后及重復(fù)處理情況皆可消除，產(chǎn)品質(zhì)量及維護(hù)性能均得到改善;在過(guò)程計(jì)算機(jī)與過(guò)程之間的信息完全采用高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換，因此可用開發(fā)機(jī)進(jìn)行并行測(cè)試，尤其是在20 ms 內(nèi)動(dòng)作的實(shí)時(shí)控制可以并行運(yùn)行，提升了控制能力。

另外，由于采用了高速網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)跟蹤后備系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息快速交換與處理、過(guò)程監(jiān)控、在線參數(shù)調(diào)整，從而容易進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展、開發(fā)新的控制功能，縮短了開發(fā)周期。

(3)控制結(jié)果總測(cè)試

控制系統(tǒng)升級(jí)改造后，經(jīng)過(guò)總測(cè)試，自動(dòng)軋制率由改造前不足67%上升到改造后的97%以上;板材(前端)厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差由56 μm 減小到20 μm，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高。

6 結(jié)語(yǔ)

上述連軋機(jī)系統(tǒng)的升級(jí)改造項(xiàng)目所研究、應(yīng)用的核心技術(shù)可以概括為“Process+PLC+looping”多級(jí)控制系統(tǒng)。它突破了原控制系統(tǒng)的能力界限，得益于理論及工藝的創(chuàng)新;引入了功能先進(jìn)的(高性能過(guò)程計(jì)算機(jī)、高速網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)跟蹤后備系統(tǒng)等)控制裝置，不僅提高了控制模型的精度及自動(dòng)化程度，更重要的是軋件及設(shè)備維護(hù)性能均得到了改善，取得了良好效果。

除此之外，還通過(guò)引入新模型(理念)、新傳感器(技術(shù))，開發(fā)了動(dòng)態(tài)設(shè)定及機(jī)架間測(cè)厚儀監(jiān)控AGC;用PLC 進(jìn)行傳動(dòng)裝置與傳感器之間的接口轉(zhuǎn)換及模型研究，開發(fā)了軋制負(fù)荷等多種模型，這些對(duì)今后同類設(shè)備的升級(jí)改造提供了技術(shù)支持與借鑒。

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