李 鐵

(中鋁洛陽(yáng)銅業(yè)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

冷軋帶材縱向厚度精度是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。為了提高厚度控制精度，厚度液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前，冷軋厚度控制已實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)態(tài)、加減速、動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中控制，其中，恒體積流控制模式的實(shí)現(xiàn)更具重要意義。

1 AGC厚度控制的模式和特點(diǎn)

在帶材冷軋機(jī)設(shè)備中，液壓厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)AGC是最核心的部分,帶材板形的好壞、公差大小均由其控制，好的厚度控制方式能有效提高產(chǎn)品質(zhì)量。

所有軋機(jī)厚度控制系統(tǒng)都是試圖測(cè)量和控制軋制輥縫中金屬的厚度，就液壓AGC系統(tǒng)而言，現(xiàn)有的控制模式主要有六種：

(1)監(jiān)控控制模式(MC-Monitor Control)

以監(jiān)控出口厚度的偏差信號(hào)作為反饋控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器對(duì)偏差信號(hào)放大，并考慮到軋制速度和帶材硬度因素進(jìn)行適當(dāng)處理后得到監(jiān)控模式的控制信號(hào)，對(duì)出口側(cè)帶材偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)；

(2)前饋控制模式(FFC-Feed Forward Control)

主要針對(duì)補(bǔ)償入口側(cè)來(lái)料厚度偏差，將入口側(cè)厚度偏差作為前饋信號(hào)，經(jīng)過(guò)延遲處理，以便和軋機(jī)入口側(cè)帶材的速度相適應(yīng)，同時(shí)獲得前饋控制模式的AGC控制信號(hào)，然后對(duì)入口側(cè)厚度偏差進(jìn)行補(bǔ)償，來(lái)保證出口側(cè)厚度偏差不超出允許值；

(3)質(zhì)量(體積)流控制模式(VFC-Volume Flow Control 或 MFC-Mass Flow Control)

基于金屬秒流量不變?cè)頌榛A(chǔ)的AGC控制，軋制過(guò)程中入口單位時(shí)間的金屬流量應(yīng)與出口單位時(shí)間的金屬流量相等，是一種比較理想的自動(dòng)厚度控制模式，可以保證來(lái)料厚度偏差、軋機(jī)彈跳等各種因素引起的出口厚度偏差得到全面補(bǔ)償。質(zhì)量流控制模式在計(jì)算控制量時(shí)，需要輸入的信號(hào)較多，不僅需要入口厚度和速度計(jì)算輸入體積(質(zhì)量)流，同時(shí)也要根據(jù)出口厚度和速度得到出口側(cè)體積流的期望值，將期望值與體積流(實(shí)際值)相比較，得到出口側(cè)厚度的偏差信號(hào)。體積流求出的厚度偏差信號(hào)具有同步性的優(yōu)點(diǎn)，因此用體積流控制模式可以得到更好的厚度控制質(zhì)量。運(yùn)行過(guò)程中入口側(cè)質(zhì)量流和出口側(cè)質(zhì)量流兩者之差產(chǎn)生控制信號(hào)，疊加到監(jiān)控模式控制信號(hào)上，再經(jīng)PID控制器得到VFC控制信號(hào)，其原理框圖如圖1所示。

(4)張力控制模式(TC-Tension Control)

主要應(yīng)用于薄帶軋制，軋制薄帶時(shí)，軋機(jī)上下輥壓靠呈負(fù)輥縫狀態(tài)，輥縫控制已起不到調(diào)節(jié)輥縫的作用，在輥縫不變的前提下，采用后張力控制來(lái)補(bǔ)償出口側(cè)帶材厚度的偏差；

(5)直接輥縫測(cè)量控制

直接測(cè)量輥徑或工作軸承間距離，以軋機(jī)本身作為大接觸式測(cè)厚儀。輥縫儀的設(shè)定值即為軋機(jī)輥縫的基準(zhǔn)值，通過(guò)軋制前的校準(zhǔn)，使輥縫儀在軋制工作點(diǎn)上建立準(zhǔn)確的零位。此后，軋制過(guò)程中儀器測(cè)量出的偏差ΔS隨時(shí)通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)液壓壓下油缸，迫使ΔS→0；

(6)厚度計(jì)厚度控制

應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，以牌坊、軋輥、軸承的彈性常數(shù)和材料本身的硬度，因軋制力的變化來(lái)計(jì)算輥縫的變化。

2 恒體積流控制方式數(shù)學(xué)模型與實(shí)現(xiàn)

本節(jié)主要闡述恒體積流的厚度自動(dòng)控制算法規(guī)則的基本方程和其在軋制過(guò)程中的運(yùn)行模式。

2.1 恒體積流數(shù)學(xué)模型

VFC控制算法規(guī)則基本方程為：軋機(jī)入料側(cè)帶材體積=軋機(jī)出料側(cè)帶材體積，即：長(zhǎng)度入×厚度入×寬度入=長(zhǎng)度出×厚度出×寬度出，Lin×Tin×Win=Lout×Tout×Wout

一般帶材冷軋時(shí)，Win=Wout

Lin×Tin=Lout×Tout

讓Tin=名義厚度GinNom±厚度偏差GinDev

Lin×[GinNom±GinDev]=Lout×Tout

2.2 恒體積控制基本原理的實(shí)現(xiàn)

恒體積流厚度控制的實(shí)現(xiàn)從其數(shù)學(xué)模型中不難看出，取決于入料側(cè)和出料側(cè)的長(zhǎng)度和厚度的采集(圖2)。

圖2 恒體積流VFC計(jì)算

兩側(cè)長(zhǎng)度的采集：如圖2所示，入料側(cè)和出料側(cè)各有一套脈沖測(cè)速計(jì)，假設(shè)測(cè)速輸出的脈沖數(shù)PPM為6350經(jīng)過(guò)四倍放大為25400，偏導(dǎo)輥的直徑為300mm。

則可計(jì)算出帶材的速度V=πd直徑×n脈沖數(shù)/min÷25400，根據(jù)數(shù)學(xué)模型則可以得出Vin×tin×Tin=Vout×tout×Tout，由于tin=tout，din=dout則可得出nin×Tin=nout×Tout。

兩側(cè)厚度的采集：如圖2所示，兩側(cè)厚度的采集依靠?jī)蓚?cè)的測(cè)厚儀采樣，由于測(cè)厚點(diǎn)到軋輥輥隙之間的距離不變，根據(jù)速度可得出測(cè)厚點(diǎn)到輥隙的時(shí)間，t=l÷Vin，AGC一次環(huán)恒體積流的調(diào)節(jié)原理是：算出入口帶材厚度采樣點(diǎn)離輥縫移動(dòng)一個(gè)固定間隔距離后的出口帶材厚度Tout，以它作實(shí)際厚度并按比例校正軋機(jī)壓下。

高速計(jì)算的一次環(huán)不要求使用出料側(cè)的厚度偏差。然而，被軋制帶材給出壓下量時(shí)，如果帶材寬度有變化，或測(cè)速輪的尺寸有微小誤差，或測(cè)厚儀的標(biāo)定有差異，該系統(tǒng)將自動(dòng)補(bǔ)償。

出料側(cè)測(cè)厚儀讀數(shù)主要是參考值。AGC二次環(huán)節(jié)連續(xù)測(cè)出的平均出料側(cè)的厚度偏差。如果一次環(huán)沒(méi)有保持實(shí)際目標(biāo)厚度讀數(shù)，即如果出料側(cè)厚度偏差平均值不是零，AGC計(jì)算機(jī)將按比例改變一次環(huán)來(lái)料長(zhǎng)度的計(jì)數(shù)，做微小調(diào)節(jié)使出料側(cè)帶材平均厚度偏差實(shí)際值為零，即保持目標(biāo)厚度。

該AGC系統(tǒng)也有自動(dòng)材質(zhì)硬度補(bǔ)償軟件，其比較實(shí)際出料厚度(ATout)與校正后的計(jì)算厚度(Tout)，構(gòu)成補(bǔ)償軟件。

軋輥偏心將影響任一種AGC系統(tǒng)的性能，故研磨軋輥要工序好且精細(xì)。軋輥偏心會(huì)引起出料側(cè)測(cè)量長(zhǎng)度Lout有一個(gè)同時(shí)的變化。這樣，AGC系統(tǒng)將迅速作出反應(yīng)，在很短的長(zhǎng)度間隔就作出校正，以保持出料厚度恒定。

帶材材質(zhì)硬度不均勻也可引起出料長(zhǎng)度Lout有一個(gè)同時(shí)的變化，AGC系統(tǒng)將檢測(cè)出頭一個(gè)單位長(zhǎng)度的變化，并給液壓壓下輸出一個(gè)比例的校正訊號(hào)。

3 恒體積流(AGC)控制系統(tǒng)的組成和分析

本節(jié)將對(duì)恒體積流控制系統(tǒng)的兩種硬件組成進(jìn)行分析和講解。

3.1 工控機(jī)為核心的恒體積流(AGC)控制系統(tǒng)的組成

以工控機(jī)為核心的恒體積流控制系統(tǒng)包括CPU、全部邏輯板、電源、接口、系統(tǒng)診斷和壓下卡[1]，如圖3所示。

圖3 工控機(jī)AGC壓下控制方塊圖

3.2 PLC為核心的恒體積流(AGC)控制系統(tǒng)組成

現(xiàn)在廣泛使用的是比較先進(jìn)的用西門(mén)子的PLC S7-400 為核心構(gòu)建的壓下控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 PLC壓下控制電路連接框圖

這套系統(tǒng)中壓下的核心運(yùn)算控制是在PLC S7-400 中的FM 458模塊實(shí)現(xiàn)的。其中EXH 438是信號(hào)輸入輸出板，包括3個(gè)接口：X1為8個(gè)模擬輸出、5個(gè)模擬輸入、2個(gè)增量式編碼器；X2為6個(gè)增量式編碼器；X3 為4個(gè)絕對(duì)值編碼器、16個(gè)數(shù)字輸入、8個(gè)數(shù)字輸出。它與FM458通信負(fù)責(zé)信號(hào)的輸入輸出，其中測(cè)厚儀、編碼器、位置傳感器、壓力傳感器、位置檢測(cè)信號(hào)均為EXH438的輸入信號(hào)，快速打開(kāi)閥、伺服閥和彎輥伺服閥為其輸出信號(hào)。操作臺(tái)連接遠(yuǎn)程分站ET200與S7-400通信；MMG、MMI、ENG連接制動(dòng)控制板與S7-400通信。上述內(nèi)容就基本構(gòu)成了PLC壓下控制系統(tǒng)，其與工控機(jī)控制系統(tǒng)相比結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、更穩(wěn)定。

PLC控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相比更穩(wěn)定、硬件結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、功能更強(qiáng)大，在未來(lái)以PLC為控制核心的壓下控制系統(tǒng)將成為主流。

3.3 恒體積流(AGC)控制系統(tǒng)分析

恒體積流AGC控制系統(tǒng)使用三種控制模式，即恒體積流VFC或質(zhì)量流MF控制模式、前饋控制模式和監(jiān)控控制模式，其同時(shí)運(yùn)行來(lái)計(jì)算和控制帶材厚度。

3.3.1 恒體積流控制

軋機(jī)啟動(dòng)時(shí)，恒體積流控制立即將帶材置入“按厚度”規(guī)程操作；軋制時(shí)保持帶材一直按厚度規(guī)則運(yùn)行；在工作輥的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，有能力做出大量校正。

如果用出料側(cè)測(cè)厚儀讀數(shù)來(lái)計(jì)算工作輥縫中帶材的厚度，被測(cè)帶材從輥縫至出料側(cè)測(cè)厚儀有個(gè)運(yùn)送滯后時(shí)間。恒體積流反饋運(yùn)算可消除這個(gè)滯后時(shí)間，因?yàn)樗挥煤?jiǎn)單地測(cè)量入料側(cè)和出料側(cè)帶材長(zhǎng)度與來(lái)料帶材厚度讀數(shù)。

實(shí)踐證明決定工作輥縫中帶材厚度的恒體積流方法是很精確的，其可在各種軋制條件下運(yùn)行，可在各種軋機(jī)上使用。

3.3.2 前饋控制

入料側(cè)測(cè)厚儀讀出來(lái)料厚度；同時(shí)入料側(cè)測(cè)速計(jì)算出來(lái)料帶材長(zhǎng)度；每間隔一個(gè)單位測(cè)量長(zhǎng)度有一個(gè)厚度讀數(shù)被儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)中。當(dāng)每個(gè)單位長(zhǎng)度帶材進(jìn)入軋機(jī)輥縫時(shí)，一個(gè)厚度讀數(shù)從計(jì)算機(jī)中取出，并與預(yù)期來(lái)料厚度相比較。其偏差構(gòu)成比例誤差信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)壓下，以補(bǔ)償來(lái)料厚度的變化。前饋環(huán)保持一個(gè)均勻厚度控制，但不一定是目標(biāo)厚度。

因此前饋控制保證出料厚度不受來(lái)料厚度偏差的影響；預(yù)期的校正防止了緊急入料偏差出現(xiàn)在軋機(jī)的出料側(cè)。工作輥行程超出0.25mm范圍工作時(shí)，其有很快的響應(yīng)和較高的分辨率；同時(shí)還有內(nèi)部限幅，保證校正信號(hào)在安全范圍內(nèi)。這個(gè)前饋環(huán)或預(yù)期校正在消除來(lái)料偏差對(duì)出料側(cè)帶材的影響很有效。

3.3.3 監(jiān)控控制模式

用出料側(cè)測(cè)厚儀讀數(shù)做軋輥位置校正，比用恒體積流VFC計(jì)算能做的校正要小。監(jiān)控控制著重系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的任何慢飄移而保持系統(tǒng)精度；其校正諸如測(cè)速計(jì)輪磨損引起的任何有規(guī)則的誤差。

綜上所述，前饋控制校正短期偏差；而監(jiān)控控制在軋制初始進(jìn)入按厚度控制時(shí)用來(lái)做壓下量變化的校正，而后做小的長(zhǎng)期校正；恒體積流則可在任何條件下對(duì)壓下進(jìn)行校正從而更好的控制帶材的厚度公差。

在恒體積流AGC系統(tǒng)中每隔一個(gè)單位軋制帶材長(zhǎng)度要計(jì)算和校正壓下位置一次；這種校正與軋制速度無(wú)關(guān)。如果壓下機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定和欠缺快速響應(yīng)，最好的厚度控制系統(tǒng)也不能有效的工作。壓下位置控制又盡可能最快的響應(yīng)，軟件包給出指令控制壓下上移或下移，同時(shí)每次調(diào)節(jié)都能在顯示屏幕上以點(diǎn)線(xiàn)展示出反應(yīng)曲線(xiàn)，且容易通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)調(diào)整而獲取最佳響應(yīng)效果。

4 生產(chǎn)實(shí)踐中影響系統(tǒng)精度的幾項(xiàng)要素

4.1 偏導(dǎo)輥精度對(duì)速度測(cè)量的影響

根據(jù)VFC數(shù)學(xué)模型和厚度控制原理可以看出速度在厚度控制過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。而速度信號(hào)的采集則是通過(guò)脈沖編碼器檢測(cè)偏導(dǎo)輥的轉(zhuǎn)速，然后再根據(jù)偏導(dǎo)輥的直徑計(jì)算得出即：V=πd×r(轉(zhuǎn)速)。

所以偏導(dǎo)輥運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)對(duì)速度的測(cè)量有著至關(guān)重要的影響。

(1)帶材和偏導(dǎo)輥之間存在打滑現(xiàn)象。這主要是由于偏導(dǎo)輥轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大或表面粗糙度不合適造成的；

(2)偏導(dǎo)輥同心度誤差過(guò)大造成的測(cè)速不準(zhǔn)。

4.2 軋輥研磨及裝配精度對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度的影響

AGC控制系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度的關(guān)鍵因素就是軋輥研磨及裝配的精度。

(1)軋輥研磨造成的影響

軋輥如果研磨得不好，會(huì)造成輥?zhàn)拥钠?，?dāng)支撐輥和工作輥的綜合偏心達(dá)到一定程度會(huì)造成軋制力波動(dòng)，直接結(jié)果就是帶材公差波動(dòng)。而且對(duì)于輥隙的綜合偏心值的系統(tǒng)補(bǔ)償與彈跳補(bǔ)償極性相反，這種補(bǔ)償是無(wú)法消除的。更為嚴(yán)重的是在輥?zhàn)友心r(shí)如果磨床振動(dòng)磨出的輥?zhàn)訒?huì)對(duì)軋機(jī)軋制過(guò)程中造成軋輥振動(dòng)，致使帶材表面產(chǎn)生振紋；

(2)軋輥裝配造成的影響

軋輥裝配出現(xiàn)問(wèn)題，有可能會(huì)使軋機(jī)軋輥產(chǎn)生振動(dòng)造成帶材公差波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成軋制力偏差，甚至校車(chē)無(wú)法完成。更有甚者會(huì)造成軋輥損壞，設(shè)備故障。

4.3 正確使用控制系統(tǒng)中的幾種控制模式

AGC控制系統(tǒng)中有恒體積流控制、前饋控制和反饋控制。如何在軋制過(guò)程中正確應(yīng)用這幾種控制方式，主要是根據(jù)其特性和來(lái)料的公差波動(dòng)情況決定。

(1)恒體積流對(duì)于來(lái)料公差波動(dòng)比較頻繁、范圍比較大時(shí)調(diào)節(jié)效果比較理想；

(2)前饋控制對(duì)于公差波動(dòng)范圍特別大(超過(guò)0.25mm)時(shí)調(diào)節(jié)效果和相應(yīng)頻率最為理想；

(3)監(jiān)控控制的校正范圍較小且比較穩(wěn)定，所以對(duì)于來(lái)料公差較小且非常穩(wěn)定時(shí)調(diào)節(jié)效果最佳，尤其對(duì)最后一次軋制道次而言作用更為明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行性測(cè)試，在應(yīng)用恒體積流控制方式的情況下，相比其他控制方式調(diào)節(jié)更為精確，對(duì)于產(chǎn)品提高產(chǎn)品質(zhì)量的縱向公差有非常顯著的效果；

(2)帶材冷軋機(jī)厚度自動(dòng)控制(AGC)系統(tǒng)是由壓下控制、速度控制、張力控制、加減速補(bǔ)償、軋輥偏心補(bǔ)償?shù)榷喾N控制功能相結(jié)合的控制系統(tǒng)。以恒體積流為代表先進(jìn)厚度控制手段的應(yīng)用使得對(duì)帶材厚度控制取得理想的效果。