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0 前言 萊鋼輕型材熱軋生產線中，為了保證產品尺寸精度、提高產品質量，避免由于各種原因產生堆鋼和拉鋼現象，在粗軋區（1#—8#軋機）的軋機間引入了微張力控制思想，這是保證軋機高通過率的一個關鍵自動控制環節。由于軋制過程中的工藝參數很多，如變形量、軋制速度、軋制力矩、軋制溫度等，控制較為復雜。實際生產工藝要求也決定了與其他帶鋼生產中的張力控制相比較有其自身的特色。 1 微張力控制系統的組成 萊鋼輕型材生產線的軋機設備采用意大利DANINELI公司產品，電控設備由瑞典ABB公司提供，采用集散控制策略，操作站使用HP-UNIX操作系統，通訊協議使用IEEE802.3國際標準，軋機一側設置操作箱，以實現遠程/本地操作和換型使用。整個軋制系統集輥縫控制、厚度控制、軋制過程管理、數據顯示及操作控制、故障診斷及遠程診斷于一體，由上到下分為操作站設定、過程站控制、傳動執行3部分。 操作站設定級完成與張力自動控制有關的上層設定及其系統監控功能。主要是張力控制中軋機組態的選擇,即通過畫面設定哪幾架軋機之間被選作微張力控制,哪幾架軋機之間被選作自動活套控制。包括：HMD信號檢測；物料跟蹤；速度設定；標準模式下的速度校正因子設定；非標準模式下的過速校正因子保護；軋件入口速度跟蹤；軋件出口速度跟蹤。 過程控制站為ABB的MasterPiece 200/1,它主要完成與微張力控制和自動活套控制有關的物料跟蹤、邏輯時序互鎖、傳動執行級的速度級聯、速度給定及微張力控制算法等功能。 傳動執行級主要完成微張力控制部分軋機的傳動,在系統中由ＤＣＶ700全數字直流調速裝置完成。控制系統由MP200/1過程站和AS520操作員站組成。過程站由CPU機架帶I/O機架組成，CPU機架上安裝了CPU模板DSPC172、內存模板DSMB176以及32通道的DI/DO模板，通過通訊模板DSCS140連接到MasterBus300總線上，與加熱爐、精整等其它過程站進行通訊，I/O機架由總線擴展模塊DSBC172實現總線擴展。 系統控制程序使用AMPL(ABB MasterPiece Language)編制，實現了結構化程序設計。工業控制程序往往功能繁，多該語言根據工業控制要求，將編程元素設計成一個個圖形功能塊，稱為PC元素。PC元素內有三種結構類元素PCPGM、CONTRM和FUNCM，PCPGM是程序結構的最高層，旨在完成一個完整的控制功能，一個PCPGM下允許一個或幾個CONTRM，而一個CONTRM下又可包含一個或幾個FUNCM，從而使整個程序結構呈階梯狀，實現了結構化設計。在CPU內還有一個實時數據庫，它的作用是永久存儲數據和在程序間傳遞數據。數據庫內的元素稱為DB元素，這些元素包括過程站所使用的的I/O模板和信號及程序中產生的其它數據信息。 2 微張力控制原理 （1）原理介紹 微張力控制實質上是通過對相臨兩工作機架中上游機架的電機轉距進行檢測，加以記憶存儲，形成表示鋼坯內張力大小的實際值，與設定的張力給定值的偏差，通過比例、積分控制校正上游機架的速度，協調兩機架之間的關系，實現微張力控制。其控制關鍵是準確測量各軋機的軋制力矩。系統通過檢測對應機架的電樞轉距間接得到該值。當本機架的軋機咬鋼而軋件尚未進入下架軋機時，系統計算出的力矩值便是本軋機的軋制力距值。當下架軋機也咬鋼時，重新計算得到新的力矩，兩力矩之差是軋件上的張力力矩。若偏差值為正，表示機架間堆鋼；若偏差值為負，表示機架間拉鋼。系統就是根據該偏差值的正負和大小，給出相應的速度修正來平衡軋機的速度，保證機架間的軋件張力被限制在一定范圍內，實現微張力控制。 由于微張力控制將兩相臨機架通過軋件聯系起來，使其存在偶合關系，系統不具備魯棒性，為此，引如速度校正因子進行解耦。當微張力控制開始時，速度校正因子進行自我補償調節，通過不斷的自動修正，消除初始偏差，在兩軋機間形成均勻協調的速度。微張力原理圖如下圖：  （2）控制過程 軋機轉距的變化是一個非線性增大量，濾波元素接受上游機架的波形轉距參數后，乘以轉距常數得到張力級聯參數并存儲本機架張力值。將張力進行比較后得到一個張力偏差，該張力偏差值分別進行比例和積分運算，積分運算值作為速度校正因子參與速度級聯控制，得到上游機架的速度。 軋機速度設定主要由兩部分組成：一部分是決定軋鋼生產速度主信號，由最末機架出口速度為基準向上游分配，即每過一個輥縫，除以一個速度校正因子；另一部分是疊加在主基準上的速度修正量，即比例校正。這樣在主級聯速度給定的基礎上通過速度修正調整上游機架的速度給定，協調上、下游機架間的速度關系，使鋼坯在微張力控制下正常軋制。 由此可見，微張力控制實質上是在上游軋機主傳動控制上增加張力外環，由微張力給定值與檢測值形成的偏差，與比例增益相乘形成微張力控制的比例速度校正量；偏差值與增益常數形成速度校正因子，傳遞給控制環節形成自整定的速度校正，調節上游機架的速度，實現微張力控制。 3 算法描述 （1）軋機力距測算：正在咬鋼的軋機讀出電機轉距NLDTRQ,則有： 第N架軋機微張力級聯值=第（N-1）架軋機微張力級聯值；否則，對于已不再咬鋼的上游機架張力級聯值為： 第N架軋機微張力級聯值=NLDTRQ*(齒輪箱齒比)*2。0*10*6E/（軋輥直徑*軋輥受力面積）； （2）力矩存儲：第N架軋機的張力偏差計算： 第N架軋機微張力實際值=第N架軋機微張力級聯值-第(N-1)架軋機張力存儲值； （3）微張力控制：兩機架間有鋼時，引入速度校正因子R進行上游機架速度校正： 第N架軋機速度校正因子=第N架軋機積分增益*第N架軋機張力修正值； 上游機架速度校正： 第N架軋機校正速度=第N架軋機比例增益*第N架軋機張力修正值； 4 實際應用中存在的問題 在鋼坯即將進入下架軋機之前和剛進入下架軋機不久，本架軋機轉矩的變化代表兩架之間有推、拉關系存在。實際上，一架軋機轉矩在鋼坯進入下架軋機之前和之后的相關性僅在較短時間內很高。所以，使自由軋制轉矩和實際軋制轉矩的取樣時間盡量靠近，同時掌握實際軋制轉矩的取樣和微張力調節過程的持續時間，以保證使轉矩信號在高相關性時把微張力控制完成。否則，轉矩中將包括一些非張力形成的干擾信號，造成誤判斷和誤調節。 另外，由于每臺軋機的各種信號由調速裝置經高速通訊網絡傳給PLC，由調速裝置送來的轉矩信號需濾除由速度控制所產生的高頻干擾信號。濾波時間常數應根據軋機的線速度和軋機之間距離計算確定。雖然濾波時間常數越大或PLC控制程序中濾波平均次數越多所得到的轉矩信號越平穩，但得到的轉矩信號的延遲也越大。并且，若濾波平均次數過多，還會較大地降低程序的運行速度，影響微張力控制效果。反之，同樣得不到好的微張力控制效果。所以，微張力的調整和使用要求是很高的。 在實際應用中，造成影響粗軋區微張力控制的因素是多樣的。主要有：機架前、后的光電管位置偏移、或者光電管損壞、靈敏度降低等原因造成輥道上軋件定位跟蹤的偏差或錯誤；電機過流導致的無法軋制；后繼工藝堆鋼、拉鋼…..另外，操作人員的熟練程度也是影響正常軋制的因素之一。 5 結束語 該控制系統不僅達到了通用人機界面的功能，而且針對現場的實際情況和操作人員的具體要求做了特殊技術處理，可以幫助工作人員更有效地監視和控制軋制自動化系統，對生產過程的改善起到了良好的效果。 目前，該輕型材生產線是國內引進的同類項目中自動化程度最高、應用效果做好的生產線，投產的第一年就達到設計生產能力。設備作業率可達87%，年產量由設計能力45萬噸/年上升到了75萬噸/年。 維護期間，我們在深入分析研究控制程序的基礎之上，根據生產要求，對控制程序進行了大量修改，從控制程序角度改進和完善了功能。另外，適應鋼材出口的需要，對增加的新設備也納入自動化控制。事實證明，對于引進的項目，只有吃透控制程序，真正了解其內部實現方法，才能維護好這套系統，使之最大限度地發揮作用。 參考文獻： [1]自動控制原理，劉自厚編，冶金工業出版社。 [2]ABB編程參考手冊。 [3]中小型材剪切優化分析和設計，孫漢峰，冶金自動化，1997（6）。 |