平整機板形控制系統開發與應用

李志鋒，李紅雨，曹忠華，高恩運，秦大偉，張　巖

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧，鞍山114021）

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平整機板形控制系統開發與應用

李志鋒1，李紅雨2，曹忠華1，高恩運2，秦大偉1，張巖1

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧，鞍山114021）

摘要：介紹了鞍鋼冷軋1780單機架四輥平整機板形控制系統解決方案，包括平整機板形檢測、測量值采集、板形值計算原理等，并對平整機板形控制過程、軟件開發、應用情況進行了全面分析論述。

關鍵詞：冷軋機；平整系統；板形控制；徑向力

李志鋒，高級工程師，2005年7月畢業于蘭州理工大學計算機科學與技術專業。E-mail：xiao_yuan08@163.com

現代冷軋帶鋼通常需要進行退火處理，通過平整機改善其力學性能、消除屈服應力，控制帶鋼板形及表面形狀。由于平整處理是許多冷軋成品帶鋼加工的最后一道工序，因此，提高平整機的板形控制能力，對于改善冷軋帶鋼板形質量具有非常重要的意義［1］。2012年，鞍鋼對冷軋1780平整機組進行了技術改造，應用鞍鋼自主擁有的AnShaper?板形控制技術以及相應配套的硬件設備，著重對平整機組板形控制技術進行系統研發，應用于實際工業生產，實現了技術研發與實際應用相結合，效果良好。本文圍繞AnShaper?板形控制技術在鞍鋼1780平整機組的研發過程與應用情況論述，重點對平整機板形檢測原理、板形控制技術、控制系統軟件開發及應用效果進行了全面分析論述。并結合實際應用效果，提出了進一步開發和優化平整機板形控制系統的新思路。

1　板形檢測

1.1板形輥

AnShaper?系鞍鋼冷軋機板形控制核心技術研發成功的重要標志，于2011年形成AnShaper?注冊商標，該技術已在鞍鋼進一步優化和應用推廣。鞍鋼單機架四輥平整機板形控制系統開發正是在此背景下展開的，機組板形輥是根據鞍鋼1780平整機工藝特點量身定制。輥身長度1786mm，具有33個傳感器，每個傳感器有效測量寬度為52 mm，板形輥總檢測寬度為1716 mm。板形輥采用整輥鑲塊式結構、內嵌式信號處理系統，在線實時板形檢測由此套板形輥完成，發送到板形控制系統做進一步處理。

1.2檢測原理

板形檢測是完整板形控制系統的重要組成部分。由于板形缺陷主要是板帶在寬度方向上內應力不均引起的，因此通過獲取帶鋼在沿寬度方向的內應力分布，進而可以以應力來表征、判斷板形缺陷大小及類型［2］。在冷軋機和卷取機之間張力作用下，潛在板形缺陷極不明顯，而沿帶鋼寬度方向會出現張力分布不均勻，表現為顯在板形，即帶鋼平直部分張力較大，有波浪部分張力較小，所以用張應力差來表征板形是可行的［3］。

2　板形控制

2.1測量值采集

在軋制過程中，難以在線測量軋后帶鋼各條縱向的不均勻延伸，但帶鋼張力作用于板形測量輥上的徑向壓力可以在線測量。通過對徑向壓力進行力學換算，能夠得到沿帶鋼長度方向上的張應力和殘余應力分布，進而用來表征板形［2-3］。板形測量值信號正是基于此原理獲取的。AnShaper?板形測量值采用基于DSP高精度信號處理計算機系統，對板形輥檢測得到的原始板形信號進行一系列處理(放大、濾波、鎖相、補償等)，完成板形信號的有效值采集，并為板形控制系統提供相應的板形控制信號及觸發信號［4］。板形控制系統測量值采集的任務就是把板形檢測到的信號通過相應的算法設計轉化為易于計算機處理和用戶識別的板形信號(如徑向力值)。

2.2板形值計算

板形值計算主要是根據板形輥實測值，根據一定算法設計得到板形徑向力值。徑向力計算示意圖如圖1所示，在張力作用下，帶鋼以一定的包角通過板形輥，會在輥上面產生徑向壓力。

圖1　徑向力計算示意圖

國際上通常以I表示板形基本單位。一個I單位表示相對長度差為10-5。則板形表示為：

式中，Δ為沿帶鋼寬度方向最長與最短縱向變形長度差；＇和分別為沿帶鋼寬度方向最長和最短縱向變形的長度。

在帶張力軋制時，殘余應力的橫向分布表現為前張應力的橫向分布：式中，Δ()為殘余應力分布；()為前張應力分布；為平均前張應力。

2.3板形控制

板形控制是一個閉環(帶反饋)控制過程，控制目標是為了消除板形實際測量值和板形控制目標曲線間的偏差［5］。板形閉環控制是在穩定軋制工況下，以板形輥實際測得的板形信號用作反饋信息，計算實際板形值與目標板形值之間的偏差，進而進行板形控制模型分析，計算出能夠消除這些板形偏差所必需的執行機構的調節量，連續地對軋機各種實際板形執行機構發出調控指令，以使軋機能實時對軋制過程中的板形進行動態、連續調節，使帶鋼板形良好、穩定。板形控制的基本流程為：采集、傳輸實際板形信號到控制系統，分析板形偏差原因，根據實際板形信號采取相應的控制策略來調整板形［6-8］。

根據1780平整機現場工藝綜合研究，設計由傾斜和工作輥彎輥兩種執行機構來動態調整板形。實際研發過程中，根據平整機組的固有特點(小壓下量)，按照實際板形要求設定板形控制目標曲線，對邊部測量段板形值進行修正，將實際板形曲線控制到目標曲線上，消除兩者之間的差值，有效地控制板凸度，以滿足用戶對板形的要求。

1780平整機控制流程示意圖如圖2所示。安裝在平整機軋機出口的板形輥產生的板形檢測信號經過信號放大、濾波、模數轉換，DSP(數字信號處理)后，板形信號到達板形控制計算機，在板形控制計算機內進行板形控制信號進一步處理，形成板形控制信號發送給執行機構(傾斜、彎輥)以此來在線實時調整板形。同時板形控制計算機把板形相關的信息發送到板形HMI客戶端。在HMI客戶端上用戶可以觀察實時板形控制狀態，并發送控制命令(目標曲線調整、執行器使能等)給板形控制計算機。

圖2　1780平整機控制流程示意圖

3　板形控制系統開發

板形控制是一個閉環控制，包括板形設定控制和平直度控制。板形控制系統中這兩部分同時存在，不可相互替代，而先決條件是板形設定控制，平直度閉環控制是實現板形設定控制實施過程［6-7］。

在充分研究分析板形檢測機理及平整機板形控制方法的基礎上，開發了平整機板形控制軟件系統。該軟件系統包括平整機板形控制系統(通訊及控制算法)和平整機板形控制人機接口系統(HMI系統)。

平整機板形控制系統的硬件組成主要有：板形測量輥、信號采集單元、A/D轉換單元、PROFIBUS-DP控制單元、板形計算機(嵌入式)、板形控制計算機(HOST機)、SIMADYN-D控制器等部分組成。軟件部分主要包括運行在板形控制計算機上的實時控制程序和運行在HOST計算機上的接口通信程序。HOST機上運行的板形控制程序，主要是進行板形數據的處理、控制量計算和通信工作，使用C語言開發。

冷軋平整機板形控制HMI系統是平整機板形自動控制系統的重要組成部分。板形HMI實時顯示帶鋼運行參數和用于優化板形的必須信息給用戶。結合AnShaper?板形控制技術及平整機板形控制特點，在W indows操作系統下以VC6.0SP6開發完成了平整機板形控制人機接口系統(HMI系統)。該人機接口系統集板形檢測、板形控制于一起，為用戶提供了一個操作及監視的圖形界面。HMI系統以圖像化界面形式將板形控制中軋制線帶鋼的基本信息，控制狀態信息、重要參數、各類調控曲線、控制流程圖等顯示給用戶，實現了在線故障報警功能，同時提供了基本的操作控制功能：執行機構的使能控制、目標曲線的設定、控制參數的編輯等。平整機板形控制HMI畫面見圖3。

圖3　平整機板形控制HMI畫面

4　實際應用

平整機板形控制系統投入使用后，根據生產現場反饋，對板形控制程序進行了充分的調試、優化，確保了控制系統能夠穩定有效運行，實際應用后板形控制效果良好。

(1)板形質量得到改善。經生產線反饋，因板形不良導致的二次平整量明顯降低。在板形控制系統投入使用1個月后，統計發現因板形不良而重新平整量降低了59 ％。

(2)工作輥彎輥力(W RB)的調整量減小，輥形質量提高。由于實現了工作輥彎輥閉環反饋控制，工作輥彎輥調節效率提高，調幅多在±200 kN以內；平整機采用平輥軋制后，降低了工作輥輥形的加工處理難度，輥形質量提高，平整機組運行穩定性提高。

(3)系統在線運行穩定，系統運行穩定率大于97％，可實現平整生產過程板形閉環控制，同現場生產技術人員的實時觀測及重卷的帶鋼控制結構實際板形統計，系統板形控制準確率大于95％。通過附加傾斜和附加工作輥彎輥，板形偏差控制在5I以內。

5　結論

通過對鞍鋼1780平整機板形控制技術的研發與實際應用，使得鞍鋼人更進一步掌握了冷軋帶鋼板形控制技術，提高了平整機帶鋼板形質量，提高了平整機板形控制自動化水平。同時，在應用過程中，發現可以對本套板形控制系統進一步優化，以形成成型的產品供技術輸出。在未來實施過程中，可以從以下三點進行重點攻關：

(1)繼續研究板形輥硬度對板形質量的影響，根據實際需要提出板形輥硬度要求，聯系板形輥生產廠家，訂購合理硬度的板形輥，以適應不同工藝要求的冷軋生產線。

(2)研究板形控制目標板形算法及控制工藝，能夠根據來料規格和成品目標，不斷優化設定值層疊表，目標板形曲線能自動設定，并通過自學

習自動修正，進一步提高自動化水平。

(3)拓展軟件系統開發平臺，使用如VisualStudio開發平臺編程實現控制系統的通訊、模型開發及人機接口界面開發，使得通訊接口更加標準化。

參考文獻

［1］楊競，袁琦，曹建國，等.冷軋平整機板形控制特性研究［J］.冶金設備，2009.178(6)：10-14.

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［4］王軍生，彭艷，張殿華，等.冷軋機板形控制技術研發與應用［C］∥2012年全國軋鋼生產技術會論文集(上).北京：中國金屬學會.2012：46-51.

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［8］王國棟，劉相華,王軍生.冷連軋板形自動控制［J］.軋鋼, 2003,20(4):39-44.

(編輯袁曉青)

修回日期：2015-07-03

Developm ent and Application of Flatness Control System for Tem per M ill

Li Zhifeng1,Li Hongyu2,Cao Zhonghua1,Gao Enyun2,Qin Dawei1,Zhang Yan1
(1.Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning China; 2.Cold Rolled Strip Steel Mill of Angang Steel Co.,Ltd.,Anshan 114021,Liaoning,China)

Abstract:The solution to the flatness control system for the 1780 mm cold rolled singlestand temper mill with four-rolls was introduced,which includes the flatness-detecting system, measured values collecting system and the calculation principle for flatness values.And also the flatness control process for the tempermill,development of software and applications of operation of tempermillwere also analyzed and discussed.

Key words:cold rolled mill;temper system;flatness control;radial force

中圖分類號：TG333

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）01-0025-04