胡 冰

（本鋼板材股份有限公司采購中心，遼寧 本溪 11700）

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酸軋機組自動控制系統(tǒng)的設計與應用

胡 冰

（本鋼板材股份有限公司采購中心，遼寧 本溪 11700）

針對酸軋機組生產(chǎn)線特點，結(jié)合工程項目情況介紹了酸機組自動控制系統(tǒng)的設備組成和控制方式，該系統(tǒng)的核心控制功能包括張力控制、自動板型控制、自動厚度控制。系統(tǒng)已成功應用于國內(nèi)某酸軋機組生產(chǎn)線，運行穩(wěn)定可靠，提高了整個產(chǎn)線的自動控制能力。

酸洗；張力控制；自動厚度控制；自動化控制系統(tǒng)

隨著國內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)線能力的擴大和一大批新建生產(chǎn)線的投產(chǎn)，冷軋帶鋼市場已經(jīng)出現(xiàn)嚴重的產(chǎn)能過剩、供大于求的現(xiàn)象，要在激烈的競爭中占領市場，必須進一步降本增效，提高質(zhì)量。冷軋技術［1］和工藝的日趨成熟，在軋制技術上尋求突破已很難提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此冷軋的上一道工序酸洗越來越被重視。本文以國內(nèi)某酸軋機組生產(chǎn)線的酸洗過程自動控制系統(tǒng)為背景，介紹軋制過程中的調(diào)節(jié)原理和簡述該生產(chǎn)線的主要電控系統(tǒng)。

1 軋制調(diào)節(jié)原理

本節(jié)重點說明張力控制、自動板型控制、軋機自動厚度控制的技術原理。

1.1張力控制

在帶鋼正常軋制過程中，根據(jù)工藝的需要，帶鋼張力應保持恒定，這是張力控制的基本要求，因此該功能提供軋機機架間帶鋼張力水平控制。測量張力的方法是在張力輥軸承下面安裝壓力傳感器，測出張力輥承受的壓力，再根據(jù)力的平衡條件計算出張力的大小。機架間張力控制有兩個模式。如果滿足所有的轉(zhuǎn)換標準，那么每個機架間的張力控制模型可以被轉(zhuǎn)換。初始化機架速度和軋制力設定來自于軋機設定功能。

圖1　兩個機架間張力控制原理圖

張力由速度變換點下游機架速度調(diào)節(jié)。變換點由上游和下游張力確定，上游張力調(diào)節(jié)是從速度控制模式轉(zhuǎn)換成軋制力控制模式。當控制滿足變換標準時，速度控制模式停止，自動轉(zhuǎn)變成軋制力控制模式，此時調(diào)節(jié)軋制力的恒定來保持帶鋼張力力度［2］。在調(diào)試過程中軟件調(diào)節(jié)范圍外的張力調(diào)節(jié)器不允許改變軋制力調(diào)節(jié)參數(shù)。當帶鋼從開卷機到卷取機穿帶完成后，系統(tǒng)首先建立靜張力，靜張力的設定值由系統(tǒng)根據(jù)穩(wěn)定運行時機組張力的百分比給定。建立靜張力過程時，開卷機順時針方向旋轉(zhuǎn)，卷取機拉緊帶鋼，帶鋼張力達到給定值后，開卷機處于靜止賭轉(zhuǎn)狀態(tài)。當控制系統(tǒng)接收到機組的運行指令后，開卷機和卷取機同時逆時針方向旋轉(zhuǎn)。此時開卷機速度給定值的方向為逆時針方向，速度給定值的大小低于卷取機給定值，使開卷機速度滯后卷取機的速度，因此機組加速過程實質(zhì)是卷取機拖動開卷機加速旋轉(zhuǎn)。最優(yōu)閉環(huán)控制是在使用張力控制來防止板型問題和帶鋼斷帶的厚度控制，同時也包括高配置的張力死區(qū)來執(zhí)行張力限位類型控制來調(diào)節(jié)機架速度。但有時涉及到帶鋼模式，小下壓量模式用于末架在生產(chǎn)一些產(chǎn)品時需要采取很小的壓下量的情況。軋機設定參數(shù)維持速度模式控制末架張力調(diào)節(jié)來完成整個產(chǎn)品的生產(chǎn)。

1.2軋機自動厚度控制

自動厚度控制是使用機架軋制力和速度，通過一個或者多個速度傳感器的反饋值來控制帶鋼厚度，最優(yōu)化的厚度控制需要將合適的傳感器放置在正確的位置執(zhí)行多回路控制。在上游機架的厚度控制要比稍后機架的厚度控制有效率。主要控制類型描述如下：①前饋AGC是在到達軋制位置前提前測量來料帶鋼偏差并追蹤將要采取校正動作的軋制位置。對應機架需要一個上游測厚儀。調(diào)節(jié)包括輥縫，上游機架速度，或者兩者同時。例如，通過1機架S1出口測厚儀X1測量達到的帶鋼厚度誤差被采樣并追蹤到 2機架 S2軋制位置。當帶鋼對應段臨近S2軋制位置，適當?shù)恼`差校正將到達S1的速度。同時相應的在 S2發(fā)生交互的輥縫控制來維持機架張力調(diào)節(jié)；②反饋AGC是反饋控制測量一個機架出口的帶鋼厚度偏差并使用該信息來進行上游調(diào)節(jié)。通過一個適當?shù)暮瘮?shù)，將機架出口厚度偏差乘以超差的數(shù)量。結(jié)果作為機架需要改變的輥縫位置的控制信號。調(diào)節(jié)器補償給位于機架內(nèi)設備和儀表的執(zhí)行單元。

一些厚度偏差無法由前饋控制系統(tǒng)檢測，而且又無法及時的通過反饋系統(tǒng)糾正。這些偏差包括來料硬度的變化，加速過程中由于軋制方式和軋制摩擦的改變造成的打滑。秒流量控制要求在軋制一段距離后等于機架出口厚度。這就通過避免帶鋼到達下游測厚儀前等待過程中的傳遞誤差達到提高AGC性能的目的，需要一個入口測厚儀和速度計以及一個出口測厚儀。簡單來說，秒流量就是進入軋機的等于從軋機出來的，在寬度不變的情況下：

秒流量公式所需要的信息包括上游和下游的測厚儀提供所需要的厚度值，根據(jù)速度計計算的入口和出口的長度。如果出口速度計故障，系統(tǒng)根據(jù)自適應秒流量控制和前滑值計算出口長度。前滑通過比較計算厚度和出口測厚儀的測量厚度進行自動更新。

2 電氣設備與系統(tǒng)組成

2.1傳動系統(tǒng)組成

5架軋機的傳動裝置主要有5臺主驅(qū)動器、143臺調(diào)速電機、定速電機和加熱器等裝置共計271臺、連接的總負載61514kW/h。機架No.1由一臺主驅(qū)動電機傳動，電機的主要參數(shù)為：額定功率5470kW、電壓1890/2020V、電流1890/1850A、轉(zhuǎn)數(shù)297/913r/min、功率因數(shù)92%/89%；機架No.2-No.5的驅(qū)動電機參數(shù)均為：額定功率 7800kW、電壓2700/2880V、電流1890/1810A、轉(zhuǎn)數(shù)424/1300r/min、功率因數(shù)92%/90%。電機類型均是TMdrive-70e2，它是一種全數(shù)字化矢量控制的三電平的脈沖寬度調(diào)制（PWM）變換器（交流轉(zhuǎn)換直流）和逆變器（直流轉(zhuǎn)換交流）電機驅(qū)動系統(tǒng)，對大型的軋機電機驅(qū)動系統(tǒng)來說是完美的選擇。注入增強柵晶體管（IEGT）使一個電壓驅(qū)動功率器件具有低電壓和高速轉(zhuǎn)換能力?？紤]到應用需求，總體來講，它既適用于鼠籠型感應電動機也適用于同步電動機的應用需求。

2.2基礎自動化系統(tǒng)組成

基礎自動化系統(tǒng)是用東芝三菱電氣現(xiàn)金的控制解決方案實現(xiàn)，系統(tǒng)的構(gòu)架圖是用來描述典型的主要過程控制系統(tǒng)，通常使用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括軟件功能層次結(jié)構(gòu)，由指定的一個級別描述。設施根據(jù)它們自己的特殊需要使用軟件功能層次架構(gòu)中的不同級別。所提供的特定設備和功能將用于指定的其他地方。而過程控制中一級提供了對過程電氣設備、液壓和氣動執(zhí)行器的直接控制。閉環(huán)工藝控制，各種位置調(diào)節(jié)器，測序和設備保護功能都包含在這一級中。通過各個區(qū)域啟動設備運行的物料微跟蹤，為2級宏跟蹤功能提供支持。二級提供了熟悉過程模型和復雜的工藝功能加上準實時控制功能所需的軟件基礎。在工廠運行期間，2級提供給過程控制（1級）參考值，接收程序反饋用于模型更新，宏跟蹤，數(shù)據(jù)采集和報告。有限的閉環(huán)控制功能也包括在2級里［3］。

2.3過程自動化系統(tǒng)組成

過程自動化系統(tǒng)通過四部分網(wǎng)絡與以下系統(tǒng)通信。高可用性解決方案提供了一種增強系統(tǒng)在線實用性的方法。具體方案如下：我們將提供具有很高連續(xù)性的Stratus FtServer-W服務器作為這個系統(tǒng)的2級服務器。在一個組件發(fā)生故障時，冗余系統(tǒng)備用件組件，從而保證繼續(xù)工作，避免停機。二級系統(tǒng)由2套FtServer服務器組成，每套FtServer服務器有雙冗余?？刂凭钟蚓W(wǎng)通信和變更檢查子系統(tǒng)提供二級系統(tǒng)與TMEIC主控制局域網(wǎng)的通信。該控制局域網(wǎng)是二級系統(tǒng)與由控制器和驅(qū)動器組成的一級系統(tǒng)間主通信路徑。該子系統(tǒng)可以讀取和寫入局域網(wǎng)，并能監(jiān)視某些信號的更改。用于每個控制產(chǎn)品應用程序可以進行獨立配置。配置在產(chǎn)品重新啟動后生效［4］。

2.4宏觀跟蹤和微觀跟蹤概述

通常采用宏觀跟蹤和微觀跟蹤兩種基本跟蹤類型［5］。宏觀跟蹤是為了確定帶鋼在過程區(qū)域的特定邏輯區(qū)域內(nèi)。被跟蹤的每個過程區(qū)都有一個功能名，可以再分為幾個區(qū)。在區(qū)域內(nèi)的位置信息未知。也就是說，在一個10m的區(qū)域內(nèi)只有板坯進入和離開該區(qū)域時才能知道帶頭的位置。宏觀跟蹤通常通過二級計算機完成，并可通過識別區(qū)界線支持微觀跟蹤。宏跟蹤區(qū)域是從入口步進梁到出口步進梁。微觀跟蹤不斷確定材料指定部分的位置。例如，連續(xù)跟蹤帶頭后 1m的某點位置，當該點到達指定位置后啟動剪切操作［6］。微觀跟蹤通常在一級控制器內(nèi)完成，傳送傳感器數(shù)據(jù)支持宏觀跟蹤。

3 結(jié)論

該工程目前已投入試生產(chǎn)階段，運行正常，理論和實踐證明，全數(shù)字化矢量控制的三電平的脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動系統(tǒng)應用于軋鋼主傳動，取代其他調(diào)速系統(tǒng)，是完全可實施的技術方式，特性指標可達到并超過其他系統(tǒng)，將大大減少設備的維修和維護量，有利于節(jié)省能源，提供生產(chǎn)，是國內(nèi)外酸軋機組電氣設備選型和發(fā)展的趨勢。隨著計算機和電氣自動化技術的發(fā)展，通過兩化融合推進產(chǎn)線過程控制系統(tǒng)的的建設，持續(xù)提升基礎設施，鋼鐵行業(yè)的自動化水平會更上一層樓。

［1］王國棟. 中國鋼鐵軋制技術的進步與發(fā)展趨勢［J］.鋼鐵，2014（7）：23-29.

［2］張巖，邵富群，王軍生，等. 灰色預測模型在冷軋動態(tài)張力控制中的應用［J］. 東北大學學報（自然科學版），2011（5）：614-617.

［3］劉文仲. 中國冷連軋過程控制計算機系統(tǒng)及數(shù)學模型的應用［J］. 冶金自動化，2015（5）：1-7，21.

［4］劉恩洋，彭良貴，張殿華，等. 熱軋帶鋼層流冷卻自動控制系統(tǒng)開發(fā)與應用［J］. 中國冶金，2009（8）：6-10.

［5］陳金山，李長生. 1750mm冷連軋不銹帶鋼高效軋制的跟蹤實現(xiàn)［J］. 機械設計與制造，2015（3）：163-165，169.

［6］馬偉亮. 寶鋼熱鍍鋅機組焊縫跟蹤系統(tǒng)［J］. 冶金自動化，2013（1）：53-56.

Design and Application of Automatic Control System for the Acid Rolling Mill

Hu Bing
（Benxi Steel Plate Co.，Ltd，Procurement Center，Benxi，Liaoning 117000）

Based on the characteristics of acid mill production line，the article introduced the configuration of equipment and control mode，The key functions of control system including tension control，plate shape control，automatic thickness control. System has been applied in a domestic acid rolling mill production lines successfully，stable and reliable operation，improve the ability of automatic control of the entire production line.

acid pickling； tension control； automatic thickness control； automatic control system

胡 冰（1983-），男，遼寧省本溪市人，碩士研究生，工程師，研究方向為智能檢測技術。