热连轧厚度控制案例

案例2：热连轧板带钢厚度自动控制系统2012.2.20板带钢热连轧生产工艺流程加热炉中加热合格的坯料（约1200℃）经出炉辊道送出，经高压水除鳞后送入四辊可逆粗轧机轧3～7道次，轧制成满足尺寸要求的中间坯；中间坯经无芯轴热卷箱均热后，由飞剪切头去尾，再经精轧高压水除鳞后进7机架精轧机组轧至成品板材，经层流冷却后由2台地下卷取机成卷；然后进成品库贮存成品钢卷以备出厂。加热炉高压水除鳞粗轧机热卷箱飞剪七架精轧机层流冷却卷取机高压水除鳞炉前B辊道出炉C辊道热轧过程流程图影响板带厚度变化的因素在轧制过程中，对板带厚度产生影响的因素概括起来有以下几个方面：(1)温度变化的影响：温度变化对板带钢厚度波动的影响，实质就是温度差对厚度波动的影响，温度波动主要是通过对金属变形抗力和摩擦系数的影响而引起厚度差。(2)张力变化的影响：张力是通过影响压力状态，以改变金属变形抗力，从而引起厚度发生变化。张力的变化除了对带钢头尾部厚度有影响之外，它也会影响其他部分的厚度发生变化。当张力过大时，除了会影响厚度，甚至会引起宽度发生改变，因此在热连轧过程中一般采用微套量的恒定小张力轧制，而冷连轧是在冷态进行轧制，并且随着轧制过程的进行，会产生加工硬化，所以冷轧时采用较大张力进行轧制。(3)速度变化的影响：它是通过摩擦系数、变形抗力、轴承油膜厚度来改变轧制压力和压下量而起作用。(4)辊缝变化的影响：当进行带钢轧制时，因轧机部件的热膨胀，轧辊的磨损和轧辊偏心等会使辊缝发生变化。轧辊和轴承的偏心也会使辊缝发生变化，却将直接影响实际轧出厚度变化。轧辊和轴承的偏心所导致的辊缝周期性变化时，在高速轧制情况下，会产生高频的周期性厚度的波动。除上述影响因素之外，来料厚度和机械性能不均匀，也是通过轧制压力的变化而引起带钢厚度发生变化。轧制时由于带钢有焊缝，焊缝处的硬度要比其他部分高，因此会引起厚度的波动。带钢的实际轧出厚度与预调辊缝值和轧机弹跳值之间的关系可用弹跳方程描述：式1中：轧件出口厚度；：空载辊缝；P：轧制压力；K：轧机的刚度系数。KPSSSh00h0S厚度自动控制系统的基本方式厚度计(GM)式AGC：在轧制过程中，任一时刻的轧制力和空载辊缝都可以检测到，因此可以用弹跳方程计算出任一时刻的实际轧出厚度。在这种情况下，就等于把整个机架作为测量厚度的“厚度计”，这种检测厚度的方法称为厚度计法(GM)，根据弹跳方程得出的厚度和厚度偏差信号进行厚度自动控制的系统称GM-AGC或P-AGC。厚度计式AGC系统结构图如下图所示。P0Sh：出口厚度给定值：出后厚度实际值：厚度偏差，：辊缝实际值：消除厚差所需的调节量0h1hh10hhh0SS这种方法可以克服传递时间滞后，但是对于压下机构和机械系统，以及计算机运行的时间滞后仍不能消除。该控制系统从本质上讲属于反馈控制。监控AGC：监控AGC利用安装在轧机出口侧的测厚仪直接测出口厚度，然后根据厚度偏差反馈调整压下装置，改变空载辊缝，并据此实现厚度控制。系统结构图如图2所示。监控AGC与GM-AGC的区别在于厚度检测的方法不同，而控制算法完全一样，即式1仍然成立：由于测厚仪可精确的测量带材出口厚度(测厚仪的测量精度通常为左右)，所以它可与厚度计式AGC一起使用，以弥补间接测量不准确的不足。由于监控AGC监测的是轧机成品厚度偏差，并一次进行控制，因此它的控制精度直接影响整个轧机的控制精度。然而由于测厚仪结构、安装及维护的限制，测厚仪一般装在离轧机轧辊中心线有一定距离的地方(通常1m左右)。由于厚度变化量的测出与辊缝调节量的控制不在同一时间内发生，所以实际轧出厚度的波动不能得到及时的纠正，使监控AGC系统的操作存在一个纯滞后，其滞后时间为m1vl式中，：测量滞后时间；：轧辊中心线到测厚仪的距离；：轧制速度。lv正是由于这个纯滞后的存在，使得实际轧出厚度不能得到及时的反应。轧机仅采用监控AGC很难取得良好的控制效果。特别是在入口带材的厚度经常波动或存在其它短周期干扰时。对于这种有较大时滞的闭环控制系统，采用比例控制很难保证控制系统的稳定性。而要保证稳定控制，则需要降低放大倍数，这将影响静态精度。通常，为提高系统的稳定性，测厚仪监控系统是断续采样的，有的还设置死区，以避免系统频繁动作。采样周期根据滞后时间和系统时间常数确定，使调整点走到测厚仪时再进行下一次采样。监控AGC也是反馈控制。前馈式AGC:由于反馈式AGC都存在控制滞后，因而限制了控制精度的进一步提高。特别是当来料厚度波动较大时，更会影响带材的实际轧出厚度的精度。为了克服这一缺点，现代连轧机上广泛采用前馈式厚度自动控制系统，简称前馈式AGC。前馈式AGC结构如下图所示：：机架i的入口厚度实际值；：机架i的入口厚度设定值；：机架i的入口厚差。iH0HH其控制原理就是利用测厚仪或以前一机架作为“厚度计”在带钢未进入本机架之前测量出其入口厚度，并与给定厚度值相比较，当有厚度偏差时，便预先估计出可能产生的出口厚度偏差，从而确定为消除此偏差所需要的辊缝调节量，然后根据检测点进入本机架的时间和移动所需的时间，提前对本机架进行厚度控制，使得厚度的检测点正好就是的检测点。轧机对来料厚度偏差有一定的自动纠正能力。因带钢在头几个机架中的温度比较高，带钢的塑性刚度系数较小，所以其纠正厚度偏差的能力也就较大。由于前馈式AGC是属于开环控制系统，其控制效果不能单独检查，而且并不是所有影响厚差的因素都能进行预控。因此，常采用前馈和反馈控制相结合的方法，形成互补，以提高厚控系统总的控制精度。iH0HHhSSHHH秒流量AGC：秒流量型厚度自动控制是一种由计算机控制的新型AGC系统，它的基本原理是根据金属的秒流量相等的条件(物流方程)去测量带材的出口厚度。秒流量控制是基于如下的事实：入口带材的秒流量(单位时间内通过入口的体积或质量)等于出口带材的秒流量(单位时间内通过出口的体积或质量)。因为带材的宽度在轧制过程中保持不变，所以只要分别测量相同时间内带材在入口和出口侧通过的带钢长度，以及入口侧带钢的宽度，就可以计算出带钢在出口处的厚度。秒流量控制的理论基础是物流方程即金属的秒流量相等条件outinVVoutoutoutinininWTLWTL式中：L、T、W分别为带材的长、厚、宽。因冷轧过程中带材宽度基本上保持不变，即所以outinWWoutoutininTLTL因此只要对带材入口和出口长度及来料厚度做简单测量，就可以计算出带材在出口处的厚度。该系统不依赖于轧机本身或测厚仪做厚度测量，是一种非常直截了当、具有极高可靠性和优良性能的控制手段。但仍有许多因素使得秒流量AGC存在偏差，如压下时带材宽度有变化，入口厚度存在高频波动等等，因此为保证出口厚度精度一般不单独使用这种控制方法。液压厚度自动控制系统：20世纪下半叶以来，流体传动与控制技术得到了长足的发展，由于其功率大、惯性小、相应速度快等优点，在各工程领域中得到了广泛的应用。轧机的压下系统也逐步采用电液伺服技术，对提高成品带钢的精度有很大的现实意义。借助液压压下系统还可以实现轧机的刚度可调，做到在轧制过程中的实际辊缝固定不变，即“恒辊缝控制”，从而保证了实际轧出厚度不变，还可根据生产实际情况的变化，相应地控制轧机刚度，获得所需要的轧出厚度。系统方案设计设计包括以下五个紧密联系的控制系统单元：1）基于直流调速的轧机主传动控制系统；2）基于电液压控制的活套及张力控制系统；3）基于自整定PID的自动厚度控制系统（AGC）；4）基于交流变频调速的辊道控制系统；5）基于PROFIBUS和WINCC的总线通讯和监控系统。系统控制量分析连轧机系统主要有七台轧机电机拖动连轧机运行，整个连轧系统的电机、直流调速装置、辅助系统电器、继电器、传感器等电气元件都要同时工作，PLC必须将所有这些设备的信号实时的采集、处理、发出控制信号，控制复杂，要求较高，而且在PLC控制系统的工作过程中，还要与工控机进行实时通讯，所以本系统中需要采样和控制的变量较多，其控制量见下表名称类型名称类型轧机电机起停控制变量坯料到位状态采样变量轧机电机正反转控制变量各轧机电机状态采样变量轧机电机转速控制变量各轧机电机转速采样变量直流调速装置控制控制变量板材张力采样变量活套起落及角度控制变量各活套状态及高度控制变量辊道电机起停及转速控制变量辊道电机转速采样变量厚度液压缸位置控制变量辊缝高度采样变量液压油泵起停控制变量钢板厚度采样变量润滑系统起停控制变量轧制压力控制变量冷却系统起停控制变量各设备的报警信息采样变量板带钢热连轧机组控制系统的一个重要任务就是要实现轧制过程的自动化、精确化。根据上述对热连轧系统运动控制的分析可知，系统工作过程中涉及到对轧机电机，辊道电机，活套液压，厚度系统液压等的控制，以及现场各种传感器，电磁阀等电气元件的信号采集和控制。因此采用以S7-300PLC系统为核心，结合工控机、直流调速装置和变频器等组成热连轧精轧系统的电气控制系统，实现板坯热连轧各个过程的协调、跟踪、各种信息的传输、显示、数据管理、人机界面等。整个系统控制原理图见下图，整个系统通过PROFIBUS总线方式将S7-300PLC、变频器、直流调速装置等连接起来，工控机与S7-300PLC通过MPI进行实时通信，从而组成一个层次分明的控制网络。工控机S7-300PLC远程I/O按钮开关传感器液压站飞剪控制速度主令控制精轧公共控制电机电机电机3台直流数字调速装置并联组合3台直流数字调速装置并联组合电机电机电机电机测厚仪变频器辊道控制电机系统的输入、输出量统计系统的控制信号主要有开关量输入信号，包括传感器、按钮、液压站和阀站开关量信号等;开关量输出信号，包括对指示灯、接触器以及液压换向阀等的控制。而对变频器和直流调速装置的控制，则采用PROFIBUS总线通讯的形式，直接将控制信号写入相应装置中，既避免了模拟量控制中存在的问题，而且大大节省了开关量点数。变量表（略）SIMATICS7-300的系统结构SIMATICS7-300PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展，其结构如下图所示。系统的主要组成包括：(1)中央处理单元(CPU)SIMATICS7-300提供了多种不同性能的CPU，以满足用户的要求，CPU模块除完成执行用户的主要任务外，还为S7-300背板总线提供5V直流电源，并通过MPI与其它中央处理器或编程装置通信。(2)信号模块(SM)信号模块SM使外部不同的过程电平和S7-300的内部信号相匹配，并将S7-300的内部信号电平转化为外部控制过程所需要的信号电平。主要由SM321数字量输入模块、SM322数字量输出模块、SM323数字量输入/输出模块、SM331模拟量输入模块、SM332模拟量输出模块、SM334模拟量输入/输出模块。(3)通信处理器(CP)用于连接网络和点对点连接，例如，具有RS-232C接口的CP340，与现场总线联网的CP342-5DP等。(4)功能模块(FM)用于高速计数、定位操作(开环和闭环控制)如FM352电子凸轮控制模块、FM353步进电动机定位模块、FM351伺服电动机定位模块等。(5)接口模块(IM)用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。S7-300通过分布式的主机架(CR)和3个扩展机架(ER)，可以操作多达32个模块。(6)负载电源模块(PS)用于将SIMATICS7-300连接到120/230V交流电源或24/48/60/110V直流电源。前连接器用于简单方便地连接传感器和执行器。PLC选型要点在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体应考虑以下几点。1．性能与任务相适应2．PLC的处理速度应满足实时控制的要求3．PLC应用系统结构合理、机型系列应统一4．在线编程和离线编程的选择PLC容量包括两个方面：一是I/O的点数，二是用户存储器的容量。根据功能说明书，可统计出PLC系统的开关量I/O点数及模拟量I/O通道数，以及开关量和模拟量的信号类型。应在统计后得出I/O总