轧机液压TCS-AGC控制与实践.pdf

第 4 O卷第 1 期 2 0 1 1年 2月 有 色 金 属 加 工 NONFERROUS MET AL S PROCE SSI NG Vo1． 4 0 N0．1 Fe br uar y 2 01 1 轧机 液压 T C SA G C控 制与实践 李 旺太 中国铝业 西北铝加 工分公 司 ， 甘肃 陇西 7 4 8 1 l 1 摘 要 介绍轧机 T C S系统 中液压 A G C的控制理论 ， 对液压 A G C系统 中的液压 厚度 一压力闭环 、 液压厚度 一 辊缝 闭环 、 压力 A G C控制行 系统分析 和描述 ， 对 P I 控制进行理论 推理。对我单 位 C L E C I M1 7 0 0 m m粗 轧机液 压厚度 一 压力控制环进行描述和分析 ， 本文具有较强 的针对性 。 关键 词 轧机 T C S A G C系统 ； 液压 A G C厚 度 一压 力 闭环 厚 度 控制 ； 液压 A G C厚 度 一辊缝 闭 环厚 度 控制 ； C L EC I M1 7 0 0 mm粗 轧 机 中图分类号 T P 2 7 1 文献标识码 A 文章 编号 1 6 7 1 6 7 9 5 2 0 1 1 0 1 0 0 5 80 5 T C S控 制 是 英 文 T e c h n o l o g i c a l P r o c e s s C o n t r o l S y s t e m “ 工 艺过程 控 制 系统 ” 之 意 。轧 机 T C S控 制 包 括 轧机 主控 制 系 统 ； 板 材 自动 平 整 度 控 制 A F C ， 自 动厚 度 控 制 A G C ； 弯 辊 控 制 等 。 在 这 些 控 制 中 ， A G C 自动厚 度控制 是轧 机主 要 的控 制系 统 ， 其 中的 液 压 A G C控制 比较 复 杂 。整 个 控 制 涉 及 到 电气 ， 计 算 机 ， 一 次仪表 ， 液 压系 统和 机 械 系统 ， 因此 对 于一 般 的 轧机维 护者来 说 ， 它是 一个 难 点 。这 里 通过 其 工 作原 理 分析 引起故 障 的原 因及 特殊 故 障的处理 方法 。 1 液压 A G C控 制 A G C是 英文 A u t o ma t i c G a u g e C o n t r o l S y s t e m 的简 称 ， 即轧机 自动厚 度 控 制 系 统 。在 生 产 过 程 中 ， 铝 板 箔轧机 中液压 A G C系统 由液压 泵站 、 压 上 油缸 、 伺 服 阀和压力传感器组成。液压泵站主要 由压上泵站 、 蓄 能器 、 油 箱和 循 环 液 压 泵 等 组 成 ， 所 有 液 压 泵 控 制都 由 P L C完 成 。压 上 油 缸 为短 行 程 、 活塞 式 液 压 缸 ， 安 装于下支撑辊处 ， 每个 油缸两侧各装有一个高精度位 移传感器 ， 以检测油缸位移 。并在传动侧和操作侧缸 体各装有一个高精度的压力传感器 ， 用来检测油缸 的 压 力 ， 整个控 制 由伺 服 阀控 制 油缸 流 量 。下 面介 绍 液 压 A G C系 统 中的几种 控制 方式 。 1 ． 1 液压 辊 缝 一 厚 度 A G C控 制 液压 辊缝 一厚 度 闭环 厚 度控 制是 液 压 A G C控制 的主要控 制 方 法 。它 的原 理 是 出 口厚 度 测 量信 号 与 厚度 给定信 号构 成 闭环 ， 通 过 修 正 辊 缝 基 准 ， 对 厚 度 进 行控 制 。 图 1所 示 是 液 压 辊 缝 一厚 度 闭环 厚 度 控 制 原理 图 。 图 1 液压厚 度 一辊缝 闭环厚度控 制原理 图 图 1中辊缝控制是 A G C控制的内环 ， 厚度控制是 这个平均值和一个辊缝给定信号相 比较 ， 用两者 的差 A G C控制的外环 。位置检测 由位移传感器 S O N Y磁 值来驱动伺服 阀， 调整压 上油缸使 辊缝差值趋于零 。 尺完成。在轧机 的操作侧和传动侧分别有两个传感 要说明的是在操作侧和传动侧 分别 有一套液压厚度 器 ， 用于检 测 液 压缸 也 就 是 辊缝 位 置 的 大 小 ， 然 后 将 一 压 力 闭环厚 度控 制 ， 用 于 轧机 的厚度 控制 。 这两个信号加以平均产生一个代表中央位置 的信号， S O N Y磁尺大部分安装在轧机压上油缸上专门设 收 稿 日期 2 0 1 00 32 3 作者简 介 李旺太 ， 高级工程师 。 计 的检 测 支 座 上 ， 少 部 分 安 装 在 油 缸 中， 我 单 位 C L E C I M生 产 的铝箔 1 ， 2 箔材 轧 机 的位 置 传感 器 磁 尺就安 装在 油缸 中。 第 1 期 有 色金 属加工 5 9 轧机 出口侧 安装 有 x射线测 厚仪 ， 在生产过程 中 ， 当轧机 后张力 投 入 ， 轧机 速 度 升 高到 一 定值 时 ， 测 厚仪将 自动 投 入并 测量 带 材 厚 度 ， 此 值 作 为 A G C控 制的厚度反馈信号 ， 它 与厚度 给定信 号进行 比较 ， 计 算出偏差值 ， 然后输入到 内环控制系统 中， 经 P I 运算 实现 整个 A G C控 制 。 1 ． 2 液压 厚度 一 压 力 A G C系统 液 压 厚 度 一压 力 闭 环 厚 度 控 制 是 另 一 种 液 压 A G C控 制 的主要 控 制方法 ， 其 原 理是 出 口厚 度 测量 信 号与厚度给定信号构成闭环 ， 通过修 正压力基准， 对 厚度进 行 控制 。图 2所 示 是 液 压 厚 度 一压 力 闭 环 厚 度控 制原 理 图 。 图 2液 压 厚 度 一压 力 闭环 厚 度控 制原 理 图 测厚 仪 检测 的厚 度 信 号 与 给 定 厚 度 组 成 该 控 制 的外环 ， 压力控制是液压 A G C厚度 一压力闭环厚度 控制方式 的内环。安装于压上油缸上 的压力传感 器 检测油缸 内的压 力， 经转换 得到 轧机轧制 力反馈 信 号 ， 这个 信号 和 一个 轧 制 力 给 定 信 号 相 比较 ， 用 两 者 的差值经 过 P I 运算 ， 伺 服 放大器 放 大 ， 驱 动伺 服 阀 ， 调 整 压上油 缸使 压力 差值趋 于零 。 要强调的是压力传感器作为液压 A G C液压厚度 一 压力 闭环厚度 控 制方 式 的 主要 反馈 元 件 ， 它 的精 度 尤其 重要 ， 须定 期 由计量 部 门进 行检 测 。 1 ． 3 压 力补偿控 制 G M T R 本 控 制也 被 称 为液 压轧 机 的 可变 刚性 ， 是 液 压 厚 度 一压力 双 闭 环厚 度 控 制 的 发 展 。压 力 补 偿 控 制 可 以有效地增加轧机刚性 ， 使轧机 的等效刚性远大于轧 机的自然刚性。在轧制过程 中， 控制系统分别检测轧 机操作侧 和传动侧 的轧 制压力 ， 根据 轧机 的刚性 曲 线 ， 计 算 出轧制 力 所 引起 的机 架 拉 伸 ， 相 对 于 预 计 机 架拉伸 的任 何变 化被 送入 辊 缝 控 制环 进 行 动态 补 偿 。 如果上 述变 化被 完 全 补偿 ，即 1 0 0 ％ 补偿 ， 则 轧 机 将 呈现一无限大刚性 ， 轧辊辊缝将不受来料厚度和硬度 的影 响 ， 产生 恒定 的 出 口厚 度 。 2 P I 控制理论 在 A G C各种控制 中， 控制偏差信号都要进行 P I 运算控 制 。而 P I 控 制 是 A G C的核 心 控 制 ， 因此 需 特 别了解 P I 控制原理。 2 ． 1 P I 控 制 P I 运算 中的 P参数 表示 比例 调 节 ， 它 的调 节规 律 叫比例调节规律 。其输出信号 I 1 t 与输入偏差信号 e 1 t 成比例关系， 即 M t K e t 。K 。 音 1 0 0 ％， I 是 一个 可 调 节 的 比例 增 益 ， P就 是 P I控 制 中 的 P 参数 。 比例调 节 的特 点是 反 映速 度快 ， 调节 作 用 立 即 见 效 。输入 的偏 差越 大 ， 输 出 的调节 作 用 越 强 。但其 作用也有缺点。因为这种调节作用 的输 出信号 与输 入信号成比例关系 ， 因此这种调节作用在 自动调节中 难免 要存 在静 差 。 积分作用 的调节规律 ， 其输出信号 u t 与输入偏 1 差信号 e t 成积分关 系， 即 u t 』 e t d ， T i 』 就是 P I 控 制 中 的 I 参 数 。从 公 式可 以看 出 ， 积 分作 用 的输出信号将随时间不断增大直到偏差信号 e t 0 。因此其 特点 是 消 除静 差 达 到无 静 差 控制 。其 缺 点 是调节作用随时间的积累而逐渐增强 ， 所 以调节动作 缓慢 ， 调节 不及 时 。 实 际中 ， 通 过 P I 共 同调 节 ， 才 能够 消 除 P或 I 各 自调 节 的缺点 ， 达 到理想 的控 制效 果 。 2 ． 2数字 P I 控 制推 理 由于 A G C控制 是 通过工 业计 算 机实 现 的 ， 其 P I D 控制是数字 P I D控制方式 ， 因此对传统模拟 P I D调节 器 的 P I 运算 需 要 进行 数 字 化 P I 运算 转 化 ， 才 能 够在 计算机实现数字化 P I 控制 。 模拟 P I D调节器中， P I 算式为 1 M t K [ e t 』 e t d ] 1 』 式 中 K c是 P I控制 的放 大 系数 ， T i 积 分 时 间 ， u t 是模拟量控制输出， e t 是偏差值。 式 1 可 表示成 如下 的传 递 函数 6 0 有色金属 加工 第 4 O卷 器 1 去 2 3 液 压 厚 度一 压 力A G c 控 制 在 轧 机 可以 将式 2 变换为方框图3 图4 所示。 上的应 用 图 3 P I 算式 方框 图 因为 P I 控 制依 照一定 的采 样 时刻 ， 从 生产 实 际过 程 中取得 数 据 ， 并 依 照 一 定 采 样 时 刻 ， 把 计 算 结果 进 行输 出。 因此 连 续 的时 间 函数 必 须 转 化 成 断 续 的 时 间函数。只要调节器的采样周期取得足够短 ， 断续 控制 形式 就趋 近 于 连续 控 制 形 式 。 为此 ， 要 把 式 2 变成 差分方 程 ， 需要进 行 如下 的替换 ， 即 t 堂l c 鳓 f 3 t d t 】 娃艟 谤 式 中 0为采 样周 期 。为 使 式子 简 便 ， 把 e k 0 记 做 e k 。 这样 很容 易从 式 1 中得 到 ， 在 第 k次 采样 时 刻 ， P I 计算 结果 r 口 丘 ] j f5 ] 式 中 K i K cI 0 ／ T i 表示 积分 系数 。 式 5 就是数 字 P I 控 制输 出 ， 这 样 就完 成 了数 字 P I 控制 运算 。再根 据式 5 方 程 ， 编 制控 制程 序 ， 在工 业计算 机上 实现 A G C控 制 。 液压 A G C控制中， 首先对厚度 ， 压力或辊缝等模 拟量反馈信号进行数 字转化， 然后与 A G C控制计算 机给定数字量厚度值 ， 压力或辊缝值 比较 ， 得到偏差 值。偏差值经 P I 运算 ， 输出控制信号 ， 再模数转化 、 信 号放大形成控制电压信号 ， 最后通过 电压 一电流转化 器 转化成 4 0 mA的 电流信号 ， 控 制 液压 伺 服 阀 ， 从 而 控 制板箔 材 的 厚 度 ， 实 现 A G C控 制 。如 果 发 现 A G C 控制系统控制不好 ， 就要对参数 P或 I 参数进行调节 ， 使其达到理想的控制效果 ， 具体调节方法 由于篇幅不 再描述 。 液 压 A G C 的 各 种 控 制 方 式 在 轧 机 上 被 广 泛 应 用 ， 各种 控制 方 式 的分 析 方 法 基 本 相 似 ， 因此 这 里 以 我 单位 C L E C I M1 7 0 0 MM 粗 轧机 应 用 的液压 厚 度 一压 力控制中的压力环进行描述 。其控制如图4所示 。 图 4 CLECI M1 7 0 0 mm 粗 轧 机 中的 液 压 厚 度 一压 力 AGC 控 制 压 力 环 原 理 图 在 压力 环 图 中 s e t p o i n t g e n e r a t i o n是 轧 制 力 目标 值 界面 ， s t i mu l u s ， e r r o r ， c o n t r o l l e r 是 数字 P I D调 节器 界 面 ； S e r v o l i n e a r i s a t i o n是伺服阀线性化压降补偿界面； f u l l b o r e f o r c e 是 压 力反 馈 界 面 ； e f f e c i t i v e c y l i n d e r f o r c e 是轧 制力 补 偿 界 面 。下 面对 各 个 控 制 界 面 分别 进 行 描述 。 双击 s e t p o i n t g e n e r a t i o n界 面 ， 打 开 轧 制 力 目标 值 界面 图 5所示 。图中有带材轧制力控制 目标值 ； 轧 制力微调 目标值 ； 弯辊及板 型控制 时轧制力微 调 目 标 ； 轧 制力 补偿 和限 幅 目标 等 关 于轧 制力 目标 方 面 的 控 制参 数 ， 通 过 该 界 面对 这些 参 数进 行 随 机 修 改 ， 保 证 轧机在 安 全有效 的 目标值 上控 制运 行 。 打开 E r r o r ， 进 入 轧 制 力 偏 差 运 算 控 制 界 面 图 6 所示 。从界 面看 出， 轧制力偏 差有三种计 算方式 。 分别为 方式 1 偏差值 传动侧轧制力 目标值 一操 作侧轧制力 目标值 ／ 2 一 传动侧轧制力反馈值 一操 作侧轧制力反馈值 ／ 2； 方式 2 偏差值 传动侧轧制 力 目标值 操作侧轧 制力 目标值 ／ 2 一 传动侧轧制 力反馈值 操作侧轧制力反馈值 ／ 2 ； 方式 3 偏差值 传动侧 操作侧 轧制力 目标值一传动侧 操作侧 轧 制力 反馈值 。 前两种计算轧制力 的方法基本相同 ， 只是将传动 侧与操作侧 目标值相加或相减后 与传动侧与操作侧 反馈 值相 加 或 减 得 到 的 偏 差 值 ， 输 入 到 P I D 调 节 器 中， 最后分别控制操作侧和传动侧液压缸 ， 从 而达到 第 1 期 有色金属加工 6 1 分别控制操作侧和传动侧轧制力 的 目的。其优点是 将传动侧的控制值与操作侧控制值联 系起来 进行共 同考虑 ， 综合调节 ， 最后分别得到各 自的控制值 。缺 点是独立性差 ， 相互具有干扰 。第三种方法是传动侧 控制与操作侧控制独立运算 ， 优点是传动侧与操作侧 参 数没有 联 系 ， 相 互 不 构 成 影 响 ， 控 制 精 度 好 。 缺 点 是 没有 考虑 传 动 侧 和 操 作 侧 相 互 的控 制 联 系 。在 实 际 中 C L E C I M1 7 0 0 m m 粗轧 机 选 择 第 三 种 方 式 来 参 与 偏 差计算 。 图 5 CLECI M1 7 O 0 mm 粗 轧 机 中的 液 压 厚 度 一压 力 AGC 控 制 压 力 环 目标 控 制 界 面 图 6 C L E C I M1 7 0 0 mm粗 轧机 中的液压厚度 一压力 AGC控 制压 力环偏 差计算界 面 c o n t r o l l e r 是 数 字 P I D调 节器 界面 ， 双击 它就 可 以 打开该界面如图 7所示 ， 图中有 P参数 ， I 参数 。根据 控制情况 ， 通过该界面可以对 P I 参数进行调节 ， 以达 到 最佳 控制 。界 面 中分 为 上下 两 部 分 ， 分别 为 操作 侧 N D S 、 传动 侧 D S 共用 控 制 P I 参 数和 D S 侧 和 N D S 侧独立控制 P I 参数 。独立 P I 参数是微调 ， 是对共用 参数在 D S侧 或 N D S侧控制 的补充调节。如果整个 A G C系统 控制 不 理想 ， 就可 以调节 共 用 控制 P I 参 数 ； 如果 是 D S侧或 N D S侧 一 侧发 生 控 制不 理想 ， 就适 当 调 节独 立 控制 P I 参 数 中的相 应 侧 的 P I 参 数 ， 直 到 达 到 理想 的控 制 ， C L E C I M1 7 0 0 m m 粗 轧 机 中公 用 参 数 P 0． 0 0 03 5， I0。 图 7 CLECI M1 7 0 0 mm 粗 轧机 中 的液 压 厚 度 一 压 力 A GC控制压力环 P I D调节器界面 双击 S e r v o l i n e a r i s a t i o n伺服 阀线 性化压 降补偿 界 面 ， 得 到 图 8所示 图。 图 中参 数 有 液压 系 统压 力值 显 示 ； 系统 反馈 压力 ； 压 降 控制 及 最 大最 小 限 幅值 ； 液压 缸反馈压力显示和 目标值调节 ， 压降和泄露修正调节 值 ； 系统压力 、 伺服阀及 液压缸系统参数补偿及参数 显示 。通过对 该界 面参数调 节 ， 利于提 高系统控 制 精 度 。 图 8 C L E C I M1 7 0 0 MM 粗轧机中的液压厚度 一 压 力 A GC控制压力环伺服阀线性化压降补偿界面 双 击 f u l l b o r e f o r c e进入液 压缸 压力 反 馈界 面 图 9所示 ， 该界面参数主要是通过压力传感器得到的液 6 2 有 色金属加 工 第 4 0卷 压 缸压力 及相 对应 电压 值 ， 及 通 过运 算 得 到轧 制 力值 等 ， 通过它 也 可 以了解液 压缸 的运行 情 况 。 图 9 C L E C I M1 7 0 0 MM 粗轧机 中的液压厚 度 一压 力 AGC 控 制 压 力 环 压 力 反 馈 界 面 e f f e c i t i v e c y l i n d e r f o r c e是 轧 制 力 补 偿 目标 界 面 图 l 0所 示 。它是 对 附加在 液压 缸 上 的除 轧制 力 外 的其它力 进行 补偿 的界 面 ， 包 括 平衡 缸 、 弯 辊 缸 、 伺 服 阀等组件 重量 的补 偿 。通 过 补偿 使 A G C控 制 更加 准 确 和稳定 。 通 过 以上 分 析 ， 使 我 们 了解 液 压 厚 度 一压 力 A G C控 制压力 环各 个界 面 的控 制 功能 ， 进 一 步理 解 整个 控 制 系统 ， 从 而在 系统 出 现故 障 时 ， 能 够 根 据 界 面 针 锋 相 对 的进 行监视 、 分 析 和处 理 问题 调 整 相关 参 数 、 查 找 原 因 ， 使 该 系统更 好 的为我 们提供 帮 助 。 4 结 语 本文 对 轧 机 T C S系 统 中 液 压 A G C控 制 及 液 压 A G C系统 中的液压 厚度 一压力 闭环 厚 度控 制 、 液 压厚 度 一辊 缝 闭环 厚 度 控 制 、 压 力 A G C控 制 进 行 理 论 分 析 。介绍 P I D控制 原理 ， 对 数 字式 P I D控制 进 行理 论 推导 ， 得 出 P I D 控 制 数 学 方 程 ； 同 时 通 过 对 我 单 位 c L E c I Ml 7 o 0 mm粗 轧机液 压厚 度 一压 力 A G C中 的压 力环及 其 每个 控 制 界 面参 数 进 行 详 细描 述 、 分 析 ， 使 得 我们 更进 一 步 了 解 液 压 A G C控 制 。通 过 本 文 ， 对 我们处 理液 压 A G C出 现 的故 障 ， 维 护 好 轧机 ， 具 有 一 定 的参 考价值 。 参 考文 献 [ 1 ]T H E R MO E L E C T R I O N C O R P O RA T I O N R M2 1 6 一 M1 X R A Y G A U G E DR AWI NGS MANUAL [ 2] V AI C L E C I M 3 ． 5 T H I C KN E S S G U AU G E 3 ． 5 ． 1 ． S Y S T E E M MA NU A L A1 8 2 5 3 B 0OK3 ． 5 T OME1 ／ 2 ． T 0ME2 ／ 2 ． [ 3]RM 2 1 6 - M1 X- R A Y G AU G E S E T I N G U P A N D P R E F O R MA N C E RECORDS ． 『 4] CL ECI M 1 7 0 0 mm Ro u g h i n g mi l l AGC VAI S P Y C o n t r o l 图 1 0 C L E C I M1 7 0 0 mm 粗轧机中的液压厚度 一 压 力 AGC 控 制 压 力 环 轧 制 力 参 数 界 面 Mi l l Hy dr a u l i c TCS AGC Co n t r ol An d Pr a c t i c e LI W a n g t a i N o r t h w e s t Al u mi n u m F a b r i c a t i o n C o mp a n y o f CHAL C O，L o n g x i， Ga n s u， 7 4 8 1 1 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th is p a p er I n t r o d u c e d mi l l TCS s y s t e m ，h y d r a u l i c AGC c o n t r o l t h e o r y a n d a n a ly z e d t h e h y d r au l i c s y s t e m ，h y d r a u l i c AGC t hi c k nes s pr es s ur e on t he clos ed- loop，h yd r aul i c t hick ne ss- r ol l s seam clos ed- loop，pr e ss ur e AGC con t r ol s ys t em a s well a s t h e PI c o n t r o l o f t h e o r e t i c a l r e a s o n in g．Th e t h i c k n e s s o f CL E CI M I T O O mm r ou g h i n g mi l l h y d r a u l i c - pr e s s u r e c o n t r o l lo o p i s des cr ibed and an al y ze d． Keywor dsRol li ng mi l l TCS- AGC sy s t em ； Hydr au l i c AGC t hi c k nes s- t he t h i ck n ess o f t h e c l os ed l oop c on t r ol o f pr es su r e； Hy d r a u l i c AGC t h ic k n e s s t h e t h i c k n e s s o f d o u b l e - l o o p c o n t r o l o f r o l l g a pCLE CI M1 7 0 0 mm Ro u g h i n g mi l l