基于溫度為主控參數的高磁感冷軋硅鋼控制研究★

李志宏，韓 鵬，杜 娟

（1.山西云時代太鋼信息自動化技術有限公司，山西 太原 030003；2.太原科技大學，山西 太原 030024）

高磁感冷軋硅鋼在鋼鐵產品中屬于高附加值的產品，是作為制造大型節能電機和變壓器的關鍵性材料。在高磁感冷軋硅鋼軋制過程中，軋制卷取溫度是一個非常重要的參數，它對硅鋼性能的優劣會產生直接的影響。然而，在目前的高磁感冷軋硅鋼生產中，更偏重于對硅鋼的厚度和板型控制，即對硅鋼的尺寸規格和外觀非常重視，對軋制過程中的卷取溫度這個參數重視度卻不夠，并沒有針對卷取溫度進行控制的手段和方法，因此，雖然硅鋼的厚度和板型達到了要求，但硅鋼的磁感性能往往達不到預期的目標，從而降低了由這些硅鋼制造的電機和變壓器的節能效果。為此，本文以卷取溫度為主控參數，對高磁感冷軋硅鋼控制進行研究，以提高硅鋼軋制性能[1]。

1 高磁感冷軋硅鋼硬件系統設計

國內外最常使用20輥軋機來對高磁感冷軋硅鋼進行軋制。本研究課題即以20輥軋機為主體設備，軋機兩側各有一個卷取機，軋制時，硅鋼鋼卷由一側卷取機輸入軋機進行軋制，并經支撐輥由另一側卷取機進行卷繞。此類軋機為可逆軋機，可以來回往復進行多道次的軋制。

為了方便對軋機參數進行檢測和控制，在軋機系統設計和配置了檢測儀表。在硅鋼鋼板上方設置卷取溫度計和測厚儀，用以測得硅鋼軋制過程中硅鋼鋼板的溫度和厚度；壓下油缸直接作用于20輥軋機輥系，對硅鋼鋼板進行擠壓軋制，壓下油缸處配置軋制力檢測儀，以檢測軋制力的大小；主軸電機經主軸驅動硅鋼鋼板快速向前移動，變頻器控制主軸電機的速度，在主軸上配置測速儀，用以測量主軸電機速度；乳化液管道中的乳化液經20輥軋機輥系的中心位置噴灑至硅鋼鋼板上，進行冷卻和潤滑，乳化液管道上設置壓力計和流量計，以便測量管道里乳化液的壓力和流量，并配置調節閥用以調節乳化液流量。高磁感冷軋硅鋼軋機系統及檢測流程如圖1所示。

圖1 高磁感冷軋硅鋼軋機系統及檢測流程

高磁感冷軋硅鋼軋機系統的主要控制參數是乳化液流量、主軸速度、軋制壓力、硅鋼厚度、卷取溫度。為實現閉環控制，設計配置可編程控制系統，以對相關參數進行采集和控制。可編程控制系統如圖2所示。

圖2 可編程控制系統

從圖2可知，乳化液流量、主軸速度、軋制壓力、硅鋼厚度、卷取溫度等數據由現場檢測儀表采集后輸入至可編程控制器，在可編程控制器里，要對這些數據進行必要的濾波處理，去掉異常的數據，然后把處理后的數據連同時間標簽一起送進數據庫服務器里進行存儲，并進行初步分類，以便進行查詢、趨勢顯示，同時，將處理后的數據送進模型工作站，進行參數辨識、建模等工作，最終由可編程控制器輸出信號來控制乳化液流量、主軸速度、軋制壓力。

2 高磁感冷軋硅鋼軟件功能研究

高磁感冷軋硅鋼控制軟件功能框圖如圖3所示。

圖3 高磁感冷軋硅鋼控制軟件功能框圖

2.1 參數預處理

將卷取溫度計測得的卷取溫度、乳化液管道上流量計測得的乳化液流量、乳化液管道上壓力計測得的乳化液壓力、主軸上測速儀測得的軋機主軸速度、壓下油缸處軋制力檢測儀測得的軋制力、測厚儀測得的鋼板厚度以及標志這些參數采集時間的時間標簽一同輸入參數處理模塊，參數處理模塊對卷取溫度、乳化液流量、乳化液壓力、軋機主軸速度、軋制力、鋼板厚度等重要參數進行平滑濾波和必要的修正等預處理。

2.2 模型辨識

參數處理模塊把處理后的卷取溫度、乳化液流量、乳化液壓力、軋機主軸速度、軋制力、鋼板厚度等重要參數輸出至辨識模塊，辨識模塊根據卷取溫度、乳化液流量、乳化液壓力、軋機主軸速度、軋制力、鋼板厚度等重要參數，并基于硅鋼鋼板軋制過程中物理變化機理及軋輥形變機理，分別辨識出溫度與乳化液流量關系模型、溫度與軋機主軸速度關系、溫度與軋制力關系模型[1]。

2.3 卷取溫度預測

由于溫度計不能安裝在軋機對鋼板的軋制位置（軋制點），因此測量的卷取溫度存在滯后性，必須對卷取溫度進行處理。卷取溫度預測模塊就可以實現對卷取溫度的處理。通過將卷取溫度輸入至卷取溫度預測模塊，以卷取溫度設定值的階躍響應作為預測模型，并根據在線檢測的50個歷史溫度信息進行預測，從而得到真正的卷取溫度，即預測卷取溫度。

2.4 模型修正和控制

2.4.1 乳化液流量模型修正和控制

辨識模塊輸出的溫度與乳化液流量關系模型連同卷取溫度預測模塊輸出的預測卷取溫度一起輸入至溫度與乳化液流量關系模型修正模塊。溫度與乳化液流量關系模型修正模塊根據預測卷取溫度對溫度與乳化液流量關系模型進行修正，并輸出當前乳化液流量設定值至乳化液流量控制模塊。乳化液流量控制模塊根據乳化液流量設定值進行控制算法計算，輸出乳化液流量控制量，以此去調節乳化液流量調節閥的開度，從而使乳化液流量大小發生變化。

2.4.2 軋機主軸速度模型修正和控制

同時，辨識模塊輸出的溫度與軋機主軸速度關系模型連同卷取溫度預測模塊輸出的預測卷取溫度一起輸入至溫度與軋機主軸速度關系模型修正模塊。溫度與軋機主軸速度關系模型修正模塊根據預測卷取溫度對溫度與軋機主軸速度關系模型進行修正，并輸出當前軋機主軸速度設定值至軋機主軸速度控制模塊。軋機主軸速度控制模塊根據軋機主軸速度設定值進行控制算法計算，輸出軋機主軸速度控制量，以此去控制軋機主軸變頻器頻率的輸出，最后由主軸變頻器控制主軸電機的速度大小，即硅鋼鋼板向前移動速度的大小。

2.4.3 軋制力模型修正和控制

同時，辨識模塊輸出的溫度與軋制力關系模型連同卷取溫度預測模塊輸出的預測卷取溫度一起輸入至溫度與軋制力關系模型修正模塊。溫度與軋制力關系模型修正模塊根據預測卷取溫度對溫度與軋制力關系模型進行修正，并輸出當前軋機軋制力設定值至軋制力控制模塊。軋機軋制力控制模塊根據軋制力設定值進行控制算法計算，輸出軋制力控制量，以此去控制壓下油缸，進而由壓下油缸輸出軋制力，對硅鋼鋼板進行擠壓軋制。

3 效果

某鋼廠正常生產時，預測卷取溫度范圍在200～350℃；乳化液流量范圍在3 500～4 800 L/min；主軸速度范圍在30～600 m/min；軋制力范圍在300～420 t。將本次研究成果應用于該廠，實現了基于溫度為主控參數的高磁感冷軋硅鋼工藝智能化控制，硅鋼軋制完卷取環節溫度控制精度達到±3.86℃，在確保硅鋼的厚度和板型達到要求的同時，提高了硅鋼高磁感性能[2]。此外，該研究的應用還創造了更大的經濟效益，為企業占據新戰略品種的制高點奠定了堅實的基礎，促進了同行業的工藝技術進步。