冷軋機的厚度自動控制系統分析

吳嘉

（ABB（中國）有限公司重慶分公司，重慶401121）

1 冷軋機厚度自動控制系統的構成和硬件配置

研究機構進行冷軋機厚度自動控制系統設計過程中，對當前硬軟件的發展進行了考慮，通過各種先進技術和設備的應用，增強自動化控制系統的有效性和科學性。與此同時，還滿足了冷軋機的各種性能要求，主要包括通信、控制和可靠性，只有達成上述目標，才能使冷軋產品的質量得到保障。據了解得知，研究機構所研發的自動化控制系統有如下幾個特點：（1）自動控制系統可以對在線雙機熱備進行合理的配置，究其原因，主要是自動控制系統的硬件構成包括過程控制和人機界面服務器，借助這些服務器，即可保障系統的運行效果。以數據庫服務器為例，該服務器可以配制硬盤和電源冗余，使每臺服務器都能發揮應有的作用；（2）過程控制系統和基礎自動化控制系統會共同使用人機界面服務器和DEV。所謂的DEV，就是指軟件開發終端；（3）基礎自動化控制系統在采用配置方案時，會將冷軋機組的機架數量作為依據，以此來滿足冷軋機系統運行的效果，并控制投資成本；（4）以太網TCP 通信協議是連接自動控制系統內部各子系統的網絡。為達成這一目的，研究人員將以太網卡分別放置在PCS 之中，促進了數據之間的分流，提高通信的時效性；（5）基礎自動化控制系統所采用的硬件設備為TDC、PLC 和FM458，從而使冷軋高速控制需求得到滿足；（6）TDC 機架應用了GDM,以滿足信號間的數據交換速度需求；（7）遠程監控和故障診斷模塊是系統的重要組成部分，這些模塊的應用，可以降低工作人員檢修和維護系統的難度。

2 過程控制系統的核心技術

過程控制系統屬于軟件系統，具有復雜程度高的特點，其實現方式為不同功能多個任務進程相互協同，通常情況下，可以將過程控制系統分為三個部分：系統軟件、中間件和應用軟件。其中操作系統為Windows 操作系統，同時選擇了中間件作為核心支撐軟件，而功能模塊是應用軟件的構成。

2.1 中間件

研究機構所研發冷軋機自動控制系統選擇了過程控制開發平臺，并將其作為中間件，據了解得知，該平臺已經在平整、橫切等系統中取得了良好的應用。平臺功能相對較多，分別為進程管理、日志報警管理、文件管理和通信管理等等，這些功能的實現，可以保存和定位出錯信息[1]。

2.2 應用軟件

2.2.1 負荷分配模型。冷軋設定計算效果會受到負荷分配合理性的影響，如果無法保證負荷分配的合理性，冷軋產品的質量就會下降。研究機構所構建的負荷分配模型，將生產線的實際情況作為依據，融合了蟻群算法和遺傳算法，這些算法的使用，有助于最佳負荷分配目標的自動化選擇，最后可以為使用者提供最優負荷分配目標的壓下數據，同時還能提供試算和干預接口，除自動干預之外，人工干預亦可。

2.2.2 集成多種變形抗力數學模型。在計算變形抗力時需要借助數學模型，故這個數學模型為核心模型，目前多項式模型和指數模型是常用數學模型，本文選擇了指數模型。由于材料性質的不同，因此需要采取不同的數學模型。為了使模型計算準確性得到保證，研究機構應用了先進儀器和模擬設備，完成了數學模型的開發[2]。

2.2.3 板形/板厚設定計算解耦補償策略。板形和板厚設定需要對雙方的計算結果進行使用，故在設定階段應采取解耦補償策略，使二者之間的耦合影響關系得以消除。將系統結構和實現方式作為依據，研究機構采取的解耦補償策略為分布計算，簡言之，就是分別計算板形和板厚，通過這種方式，提高計算的精度。在設定厚度時只有關注二者間的關系，方能在最大限度上確保彎輥力和壓下設定的精度，如圖1 所示。

圖1 補償策略

通過觀察圖1 可知，其補償流程為跟蹤料流- 規范軋制-分配負荷- 設定CPSC 張力- 設定CPSC 軋制壓力- 設定CPSC 軋輥速度、計算綜合輥形- 分配板形- 設定SSU 彎竄輥- 設定CPSC 壓下- 設定結果發送- 結束設定- 完成自動化控制[3]。

2.2.4 變形抗力自學習模型

計算軋制力模型的前提條件就是變形抗力模型，為了增強機組的適用性，降低軋制時間，研究機構在設計自動控制系統時，將自學習模型與變形抗力模型相融合。其優勢具體表現在以下方面：（1）該模型可以將軋制件測量數據作為依據，在測量數據與實際數據存在差距時，學習模型能夠自動修正偏差，并在此基礎上完成迭代計算，直至測量數據與實際數據相同為止。在初次軋制力計算完成后，方能進行下一道軋制力的計算，在完成全部軋制力計算后，通過最小二乘法的使用，實現對變形抗力模型的準確計算；（2）初次材料前兩卷軋制階段，變形抗力自學習較為適用，但是在這個階段結束后，常規自動學習會替代變形抗力自學習。實踐結果表明，該方法的應用，有助于模型自學習效率的提升，檢驗周期大大減少，產品合格率也會因此得到保障。

3 基礎自動化系統工藝控制的新技術

3.1 超薄規格動態壓下技術

想要實現對鋼產品薄度的有效控制，必須要保證冷軋機組運行的穩定性。但就實際情況而言，如果軋制材料為帶鋼材料，在實際軋制階段出現問題的概率較大，常見的問題為設備啟動過程中會出現劇烈的張力波動，導致帶鋼材料的軋制質量受損。問題產生的原因為傳動精度不足，控制能力差等。

出于解決上述問題的考慮，研究機構設計了一種動態壓下技術。該技術是指在進行超薄規格帶鋼生產時，過程控制系統的軋制力設定值為兩組，兩組厚度控制目標的設定值有所差別，其中第一組的設定值，設置目標為最終厚度，而第二組設定值的設置目標為保障啟動穩定性。在厚度到達臨界值時，其設定值會由第一個機架向最后一個機架過渡。雖然這種技術在實際應用階段會對成材率造成不利影響，但卻能保證薄規格產品軋制的穩定性。

3.2 卷芯偏心補償策略

設備老化、加工精度會影響冷軋機組運行的效果，容易導致卷筒偏心和局部突起問題的出現，這個問題就是所謂的卷芯偏心。其中，在軋制階段出現波動在所難免，如果不加以控制，必然會導致產品質量受損。為解決卷芯偏心問題，研究機構選擇了傅里葉變換法，預測了卷芯偏心引起的張力變化，并在此基礎上，通過補償開卷和卷取的轉矩的補償，消除張力，以實現控制波動的目的，從而保證產品的加工精確度。

3.3 板形/板厚解耦控制策略

在控制板形和板厚的過程中，需要做好軋機有載輥縫的控制，這是控制二者的有效措施，故在實際控制階段，二者必然會產生干擾，帶鋼厚度的控制效果也會顯著下降。為了控制不良現象，研究機構采取的方式為將板形和板厚解耦控制相分離，使二者互不干擾。

綜上所述，在新時期背景下各種先進的技術和設備被應用于工業加工領域，針對軋制系統存在的不足，研究機構設計開發了一種自動化控制系統，該系統由過程控制系統和基礎自動化控制系統構成，同時采取了超薄規格動態壓下技術、卷芯偏心補償策略以及板形/板厚解耦控制策略，通過這些方法的應用，對冷軋機常見的問題進行控制，實踐結果表明，自動化控制系統有利于保證產品的質量和精度。