中厚板轧机液压AGC计算机控制系统.pdf

中厚板轧机液压A G C计算机控制系统 张殿华 王 君李建平 牛文勇王国栋 东北大学轧制技术及连轧自 动化国家重点实验室 沈阳 1 1 0 0 0 6 摘要 本文以 某钢铁公司中厚板轧钢厂3 3 4 0中厚板轧机液压A G C改 造1 程为背景， 给出了 A G C系统的计算机硬件配置和传感器配置。 从压F 丝杆位置控制及液压缸位置控制两个方 而来对轧机辊缝控制系统进行了 研究， 分析了 液压缸控制原理。并根据现场实测数据求出 了 本轧机的液压 A P C系统频率响应特性。 最后， 本文给出了高精度绝对 A G C的工程实现 方法及各种补偿办法。 【 关 键 词 】 中 厚 板 轧 机 A G O A P } 计 算 机 控 制 系 统 T h e A G C C o m p u t e r C o n t r o l S y s t e m O f T h e P l a t e R o l l i n g Mi l l Ab s t r a c t B a s e d o n t h e h y d r a u l ic A G C m o d e rniz a t i o n p r o j e c t o f 3 3 4 0 m m P la t e m i l l , t h i s p a p e r p r e s e n t t h e c o m p u t e r a n d s e n s o r c o n f i g u r a t i o n . F r o m t w o a s p e c t s s c r e w d o w n c o n t r o l a n d h y d r a u l ic c y l i n d e r c o n t r o l , t h e m i l l r o l l e r g a p c o n t r o l a n d h y d r a u l i c c y l i n d e r c o n t r o l s y s t e m a r e d i s c u s s e d a n d p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c c y l i n d e r c o n t r o l l i n g . D i s c u s s e s it s m e c h a n i c a l f e a t u r e , v e l o c i t y d r o p c u rv e a n d . B a s e d o n f ie l d d a t a s a m p l e d , t h i s p a p e r g i v e s t h e r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e h y d r a u l i c A P C s y s t e m . A t e n d o f t h i s p a p e r , t h e h ig h p r e c is i o n e n g i n e e r i n g a b s o l u t e A G C m o d e l i s d e v e lo p e d . K e y w o r d ] P l a t e r o l l i n g m i l l A G C A P C C o m p u t e r c o n t r o l s y s t e m II I 度自 动控制 A u t o m a t ic G a u g e C o n t ro l, A G C 是 现代轧 机的一 个基本的 控制手 段， 它使钢板延轧制方向 上厚度均匀， 减小同 板差和异板差， 从而改善产品 质量，提高成材率。 所以说， A G C系统是现代中厚板轧机所必不可少的， 没有A G C系统的轧机， 它的 产品就 没有竞争能力。 某中厚板轧钢厂原有的3 3 4 0 m m四辊精轧机的压 「 装置为电 动压下，开环控制，成品 精度不高，不能轧出高附加值的 优质钢材，难以 实现负公差交货， 造成企业资源大量浪费， 使企业产品失去了市场竞争力。基于此，该厂决定对四 辊精轧机进行液压 A G C改造。东 北大学轧制技术及连轧自 动化国家重点实验室承担了这个项目的系统设计，以及软件的设 计和调试工作。实现了提高产品厚度精度、减轻 厂 人劳动强度、降低操作失误及负一 I 差盈 重的目 标，从而降低成本， 提高了产品在市场上的竞争力，增加了企业效益。 1 轧制工艺参数 3 3 4 0 mm 四辊轧机主要设各参数如 h 一 作辊直径D 9 1 4 m m, T作辊辊面宽度 3 3 4 0 m m，支撑辊直径V 3 7 1 m m ，支撑辊辊面宽度 3 2 5 1 m m，开口度 3 0 4 .8 mm，机架 断面 6 6 5 3 2 1 m m ，压下方式电动压下 、液压微调.电 动压下速度 0 -5 . 1 9 m m l s ,液压压 F 速度2 .5 m m l s 空载 、 5 .0 m m l s 带载 ， 最大轧制力3 4 0 0 0 k N , 轧制速度 0 -3 . 8 4 m / s , 3 4 8 2 计算机系统的硬件配置 整个计算机系统的构成如图， 所示。基础自 动化站S 7 -4 0 0 P L C ，完成系统所有的逻 辑控制，井负责液压缸和压下丝杠的位置 A P C 和轧制力 〔 A F C 闭环控制。它利用A GC 方法来消除轧制过程中每道次的厚度偏差。基础自 动化站 户 L C 从上位机工作站 I P C 和操作员站 O P 4 7 接收辊缝设 定指令， 进行轧制过程的辊缝自 动设定，并把轧 制过程的轧制力、辊缝、钢板温度的平均值再传回到上位机工作站 I P C 和操作员站 O P 4 7 中去。 1 0 0 , m 0_ ; 3凡m ，200m s 图1中厚板轧机计算机控制系统结构框图 上位机工作站 I 户 C . ，其配置与通用个人计算机相当，内装有 WIN D O W N 丁操作系统 和WI N C C监控软件。该站主要用于 钢材原始数据的录入，轧钢规程的设定计算、操作F 规程的录入、 修改、存储，以 及各种过程变量的显示。 它通过西门 子J 业以 太网与S - 4 0 0 P L C相 连， 并 通 过以 太网 从P L C接收 轧 制 状况 数 据 和 历 史 数 据。 其 轧 制 过 程的 拳 据文件 以 炉号为文件名称，可进行查看和打印。 操作员 控制站 0 P 4 7 包括一个彩色液品显示器和触摸键盘的个人计算机，内装有 WI N D O W N T操作系统和 WI N C C监控软件。它置于操作台 上，为操作者提供AGC 系 统日 常操作所需要的数据和界面， 用于 操作工进行轧钢规程的调用、设置、修改、 存储， 以 及各种过程变量的实时监视、 故障报警、 故障记录等。 操作员 控制站 0 P 4 7 通过M P I 网与P L C进行通讯。P L C从O P 4 7中接收辊缝设定值，利用它来设定道次间的辊缝。 P L C与上位机I - 作站 [ P C 之间采用西门子T业以 太 I n d u s t r ia l E t h e rn e t 网， 介 质为粗同轴电缆;P L C与操作员站 O P 4 7 之间采用西门子 M P I 网，介质为 R 绞屏蔽电 40 3 传感器及伺服阀的配置 项帽 传感器采用美国M T S S y s t e m s C o r p o r a t io n 公司 的 磁致 伸缩数字 式绝 对位移 传感 器，来测量丝杠位移量的位移， 操作侧和传动侧各一个，安装在压下丝杠的顶端，可直接 测 -s 4 杠的静态、 动态位移， 此安 装方式为国内 首 创。 液压缸位移传 感器采用 采角法国 法 国P M公司的线性差动变压器 〔 L V D 下 位移传感器，安装在液压缸的入口 从操作台看为 轧机的左侧和出口 从操作台看为轧机的右侧两端可直接测量液压缸的静态、动态 位移。轧制力传感器采用 A B B公司的 M i l lma t e压磁式环型测力压头，安装在丝杠和液压 缸之间，操作侧和传动侧各一个。油压传感器采用美国 L U C A S油压传感器，用来测量液 压缸油压，土要用于对 A P C和 A F C闭环控制放大倍数的补偿。当压头出现故障时，可替 代测压头来测量轧制力。钢板温度采用国产红外测温仪来进行测量，以测u - - 辊来料、精 3 4 9 轧机入口 和出口钢板的温度，并以以 B C D码的形式送入 P L C .激光测宽仪两台，分别安 装与三辊轧机和四辊轧机、成品测厚仪和矫直机之间，测量二辊来料以及成品宽度。激光 测厚仪 1台，安装在四辊精轧机和测宽仪之间，测量成品的厚度。伺服阀采用 M O O G 7 2 -3 8 3 ，通过控制阀门的开口度来控制液体的流量，并进而来控制液压缸的油柱高度，来 达到最终来控制轧机辊缝之目的。 4 电 动压下自 动位置控制 E A P C 压 下 丝 杠位置 采 用 两 套 独 立的 项 帽 传 感 器 检 测， 操作 侧 和 传 动 侧各， 套。 采岁 磁 致伸 缩数字式绝对位移传感器，安装在压下丝杠的项端，丝杠中 心开孔，可直接测量丝杠的静 态、动态位移， 此安装方式为东北大学国 家重点实验室首创。这些传感器的测量值通过串 行接口 s S I输出到S S I -1 D 1 6 板上，被转换成并行2 4位二进制数字信号，并送到 P L C 的数字输入板上。当时钟频率为1 8 7 k H z 时，串行通讯最大 距离为2 0 0 m , 5液压缸控制H C C H y d r a u l ic C y l i n d e r C o n t r o l 5 . 1 . ，液压缸H A P C控制 液压缸位置自 动控制 〔 A P C 是指在指定时刻将液压缸的位置自 动地控制到预先给定 的目 标值上， 使控制后的位置与目 标位置之差保持在允许的偏差范围内的过程。 液压 A P C 是液压压下系统的基本环节，是实现液压压下快速准确的位置定位功能，用于小压F 量对 轧机辊缝位置控制， P L C对两液压缸 操作侧和传动侧 实际位置和给定值不断进行检测 对其进行P I D闭环控制。定位精度主要取决于位置传感器的精度。 图2 给出了操作侧液压 A P C控制原理图，传动侧与其是一样的。液压 A P C A _ 作时， 将位置基准值 由A G C模块、 附加补偿和手动干预给出与液压缸位移传感器反馈值相 比 较，所得的位置偏差信号与一个和液压缸负载油压相关的可变增益系数相乘后送入位n 控制器 P I D调节 器 ， 其输出值并不直接给伺服放大器，而是与一个与 之并行的压力限幅 控制器 P I D调节器的输出值相比较，二者的最小值作为伺服放大器的输入值 开口度 信号 ，通过伺服放大器驱动伺服阀，控制液压缸位置上下移动以消除辊缝误差。位置调1 i 器与压力限幅调节器设有不同的放大倍数。 液压A P C的控制周期为3 m s . 油压传感器用来校正由 压力信号引起的系统放大倍数的非线性，同时，也可在A B B压 力传感器有问题时，用它来作为轧制力的反馈信号。 通过伺服阀阀口油流量 柱塞移动速度不仅与伺服阀开口度有关，还与阀口 压力差 有关 Q K x I x俪 即控制对象具变增益 特性，从而不利整定参数，为此系统加入了非 线性补偿环P 以改 善系统性能。流量非线性补偿分上下运动两种情形 下 行△P P S - P L 上行△P P A Y , 这里 P S -油源压力， 3 0 0 b a r 泵出口一， O b a r 管路损失 2 9 0 b a r 2 9 M P a 凡 Y I-液 压 缸的 油 压 实际使用时， 作如下整定 变增益系数K p 由「 式表示 凡 一 rK e 3 5 0 其中户 。 为液压缸的 最大压力。 擞 作 侧7 传 动侧 电动 位 留 反 饰 里 1 lfr h_ i M 一对 轧制 压力为P 时的 轧 制刚 度系 数 k b -与 轧 件宽 度相关的 系数; A S 。 一油膜补偿量 O S 一轧辊热 膨 胀补 偿量， 主要跟轧 制时间 有关 A S , 轧辊磨损补偿量， 主要跟轧制时间有关。 为了获得良 好的异板差和同板差，必须进行基于高精度 A G C模型的液压压下位置控 制。厚度控制方案如下 在精轧第一和第二道次采用相对A G C ，以 便获得比较准确的厚度 信息 在其 余的几个道次， 在轧件咬入后，根据实际轧制力和预报轧制力的偏差程度及对 异板差指标和同板差指标的偏重情况，来决定选择绝对 A G C或相对 A G C 。当偏差在给定 的限 度内时， 采用绝对A G C ，以 便提高每批料头几块钢的轧制精度， 适应小批量、多品种 的要求。 绝对 A G C 以预报轧制力作为基准轧制力，以目 标厚度作为基准厚度设定，确保异板 差良 好。 锁定值 A G C以头部实际轧制力作为基准轧制力，以 头部实际轧制厚度作为基准 厚度设定，确保同板差良 好。采用 A G C时，需要对轴承油膜厚度、轧辊偏心、轧辊热膨 胀及磨损、轧件宽度、轧件头部及尾部等项进行动态补偿。轴承油膜厚度是轧制力、轧制 速度及轧制加速度的函数，轧辊热膨胀及磨损则与累计轧制时间 或轧制长度有关。 7 A G C系统各种补偿 7 . 1轧件宽度的补偿 在实际的轧制过程中，当轧件宽度一改变时，则从工作辊传递给支撑辊的轧制压力沿 宽度方向的分布也要变化，轧辊的弯曲 变形也要发生变化。由于这些原因，轧件的宽度变 窄后，T L 机的刚度系数就下降。考虑板宽的影响后，轧机的弹性变形量A S可按下式计算 八 p一 P O M 一 C b L 一B L 一 轧辊辊身 长度 3 5 2 B -带钢的宽 度 C -轧机刚度的宽度修正系数 7 . 2油膜轴承油膜厚度补偿 在轧制中。 当加速/ 减速时。 铝锡合金轴承的油膜将发生变化。 化 时 ， 油 膜 歹 也 发 生 变 化 。 这 些 干 扰 将 反 映 在 出 二 厚 度 上 。 与此类似，当轧制力变 为了补偿因为油膜厚度发生变 化而在出Q 厚度上产生的干扰。AGC 系统利用在不同轧制力下转动速度和厚度构成的曲 线来计算油膜厚度的变化，从而使液压缸动作来避免其对厚度产生影响。采样模型如下t 1 . 山, a V 1 P V I P b 7 . 3轧辊热膨胀 在一个道次中，轧辊将受热膨胀而影响出口 厚度，在道次之间，轧辊有机会冷却和收 。一个补偿模式利用简单的 膨胀/ 收缩模型来调整液压缸从而消除热胀对出口 厚度的影 缩响 7 .4 车 L 辊磨损 这个操作与轧辊膨胀相类似。轧辊摩损可简化 成一条近似直线模型、调整液压缸来补 偿轧辊磨损对出口 厚度造成的影响。当选取零点时， 轧辊摩损模式应使它的调整量复位。 7 . 5头部补偿 日 本专家也把头部补偿称为 沉入补偿。 轧机咬钢时， 由 于以 下三种原因使厚差增大 1 液压缸及管路中有空气泡存在; z 板头温度低、硬度大; 3 压下丝杠在有轧制力情况下 的串动。实际测量表明，第 3 个因素影响最大，第 1 个因素影响最小。在咬钢瞬间需 要增大一定的压下量，作为沉入补偿。沉入补偿量及补偿时间有过程机设定。 实际补偿方法如下空载摆辊缝完成之后，记下顶帽传感器的位置，轧制过程中，顶 帽所发生的任何变化，均通过液压缸来进行动态补偿。考虑的头尾低温的实际情况.实际 补偿时， 将顶帽 传感器的偏差 乘以 一个系数 氏 0 _ K h s 1 .5 。 这种补 偿是一 个渐变的过程， 而不是一个方波. 7 . 6偏心滤波及补偿 偏心主要指的是支撑辊的偏心，因为工 作辊的直径很小， 其偏心量很小;而支撑辊的 直径较大， 偏心影响 严重。 实 测表明 轧机的 偏心量在新换支 撑辊时， 约为 土 5 0 林 m , 轧制力的变化包括很多不同的频率分量，把基波分量看成是由轧辊偏心引起的，用F 列 的 公 式 表 示 2 1 AP B c o s wt C s i n m t 式中 B 二今艺A P k c o s k I 今 艺 △P k s i n k 1 l 2 k 7r L n 实际系统中，分别在上下支撑辊的操作侧安装了3 6 齿的栅轮，并使其中的一个栅齿比 3 5 3 卜 . 碑 . 曰 . 湘 . 目 . 阅 润 肉 . . . . ‘ 一闷一‘ 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 其它的栅齿长出，用它来确定支撑辊的零位。栅轮的外面，安装了 2个接近开关，分别检 测支撑辊旋转的角度和相对零位。 把这 4个数字输入信号送入 P L C后，P L C就可以按以 上给出的模型进行偏心滤波，进而完成补偿工作。 8 结论 该项目1998 年8 月正式启动，1 9 9 9 年 11 月投入运行，2 0 0 0 年4月验收。经 考核， H A P C定位精度。 . 0 1 m m，同板差蕊1 0 . 1 m m的命中率 9 5 ,异板差蕊1 0 . 1 5 m m 的命中率z 9 5 。板凸度-0 . 1 5 m m，每， 0m钢板侧弯量-4 0 m m 。各项指标均达到了设 计要求，成品指标达到国内先进水平。 参考文献 [ 1 ]陈建 华， 张 殿华. 中 厚 板轧 机A G C 系 统的 研究 东 北大 学 硕士 论 文， 2 0 0 0 .3 [ 2 ] V . B . G i n z g u r g . H i g h - q u a l i ty s t e e l r o l l i n g t h e o r y a n d p r a c t i c e , 1 9 9 3 , N e w Y o r k , t h e u n i t e d s t a t e s o f A m e r i c a , 1 6 6 - 1 6 9 , 2 8 9 - 2 9 2 3 5 4