趙云濤，王勝勇，盧家斌，葉剛橋，蔣 瑛（中冶南方武漢自動化有限公司，武漢 43020)

冷連軋電氣控制系統(tǒng)的研發(fā)

趙云濤，王勝勇，盧家斌，葉剛橋，蔣 瑛（中冶南方武漢自動化有限公司，武漢 43020)

在深入分析多套冷連軋系統(tǒng)優(yōu)缺點的基礎上，研究開發(fā)了一套用于五機架六輥冷連軋的電氣解決方案。闡述了控制系統(tǒng)的整體架構，介紹了厚度控制、液壓壓下控制、速度控制、張力控制及板形控制等工藝控制功能及主要特點。測試表明該系統(tǒng)具有較高的可靠性，控制精度達到國內(nèi)先進水平。

冷連軋機 電氣控制系統(tǒng) 工藝控制

1 引言

與單機架相比，連軋機具有生產(chǎn)率高、產(chǎn)品質(zhì)量容易控制和容易實現(xiàn)機械化與自動化等優(yōu)點，得到愈來愈廣泛的應用。在連軋過程中，整個機組的機械、電氣設備特性參數(shù)和工藝參數(shù)之間存在著相互聯(lián)系、影響和制約的關系，從而使其特性非常復雜。

自2003年以來，我國新建了不少冷軋板帶生產(chǎn)線，到2011年底，國內(nèi)的連軋機組已達到數(shù)十套，但五機架連軋機控制系統(tǒng)基本上被國外大型電氣公司所壟斷。為此，通過分析大型國有企業(yè)引進的多套全連續(xù)五機架連軋機組的優(yōu)缺點[1-3]，并總結多年冷連軋機電控裝置的研發(fā)、設計、生產(chǎn)經(jīng)驗，結合國內(nèi)機械制造水平，以新的軋制工藝為指導，研究開發(fā)了一整套可用于大壓下率、全連續(xù)、高產(chǎn)量、低成本、低投入的五機架六輥冷連軋機組電氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的成功研制為鋼鐵企業(yè)在國內(nèi)冷軋帶鋼市場競爭中取得優(yōu)勢提供了保證。

2 機組情況

2.1 系統(tǒng)性能參數(shù)

最大軋制壓力：16 500 kN;軋機出口軋制速度：最大1 250 m/min;帶鋼分切速度：最大250 m/min;卷取張力：最大72 000 N;軋制力矩：最大238 kN·m;帶鋼成品厚度：0.2～2.5 mm;帶鋼成品寬度：700～1 300 mm。

2.2 機組布置

五機架冷連軋機組由開卷機、張力輥、活套、1#～5#六輥冷軋機、飛剪和輪盤卷取機等主要機械設備組成。機組在 1#機架入口、1#～2#、2#～3#、3#～4#、4#～5#機架間及5#機架出口設有張力計，1#機架入出口和5#機架出口各有一臺測厚儀，以測量來料厚度和成品厚度，1#機架出口和5#機架入出口各有一臺測速儀，檢測帶鋼速度，參與秒流量控制，5#機架出口配置板形測量裝置;每個機架均為交流傳動系統(tǒng)，為工作輥傳動;輥縫按工藝自動設定，壓下系統(tǒng)采用全液壓壓下裝置。

3 電氣控制系統(tǒng)

五機架冷連軋電氣控制系統(tǒng)主要由供配電、傳動、基礎自動化和儀表以及過程自動化系統(tǒng)構成。

供配電系統(tǒng)充分考慮連軋機組負荷分配和可靠性，具有先進的綜合自動化保護系統(tǒng)，根據(jù)實際需要決定是否配置補償和濾波裝置。

傳動全部采用交流電機，調(diào)速裝置采用數(shù)字式交流變頻器。輔傳動系統(tǒng)主要對一些小功率的異步電機進行控制，例如對開卷機、張力輥以及一些小傳動輥的控制。采用“PWM型交直交變頻+鼠籠異步電機”調(diào)速系統(tǒng)，變頻裝置選用SIEMENS公司最新推出的Sinamics S120系列矢量變頻調(diào)速裝置，具有控制精度高、運行可靠，采用模塊化結構，易于維護等優(yōu)點。根據(jù)生產(chǎn)線的特點，采用公共直流母線的多電機接線方案。軋機主傳動采用中壓調(diào)速系統(tǒng)，使用三電平矢量控制技術以實現(xiàn)速度控制、電壓控制、電流控制、轉(zhuǎn)矩控制、慣性補償、緊急停車控制、故障診斷和報警顯示、電機保護及與上級自動化系統(tǒng)的通訊等功能。

在選用基礎自動化系統(tǒng)的電控裝備時，更多地考慮裝備的先進性、可靠性、可擴展性和將來操作維護的方便性。系統(tǒng)選用西門子最先進的64位控制器TDC為軋機工藝控制器，其他控制器均為西門子高性能的PLC S7-400，在考慮安全性時選用了SIEMENS公司的PLC S7-300F故障安全系統(tǒng)，提高了整個機組的安全級別?；A自動化系統(tǒng)設置了6個TDC機架，1個PLC機架，1個S7-300F機架及多套ET200M站?；A自動化系統(tǒng)控制軟件實現(xiàn)先進秒流量控制、高精度板形控制以及實時的診斷功能，具有控制精度高、系統(tǒng)響應快、配置靈活等特點。

整個機組基礎自動化和儀表系統(tǒng)的各控制元器件均集成在以TDC及S7-400系統(tǒng)為核心的自動化系統(tǒng)中，通過Ethernet及Profibus-DP網(wǎng)絡將各變頻調(diào)速裝置、遠程IO站及成套機械設備控制系統(tǒng)聯(lián)成一體，通過HMI及工程師站可以顯示及操作基礎自動化系統(tǒng)中的每一個設備，這種高集成使基礎自動化系統(tǒng)性價比更加優(yōu)越。HMI由2臺HMI服務器（一用一備)和多臺HMI客戶機組成。采用標準化的軟件結構，從而保證了系統(tǒng)有更好的協(xié)調(diào)性、畫面顯示更標準、信息報警系統(tǒng)更完善及操作維護更方便（在高集成網(wǎng)絡系統(tǒng)基礎上)等特點。

過程自動化系統(tǒng)由2臺服務器和2臺工程師站組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、模型計算、軋制規(guī)程和設定值計算功能。系統(tǒng)結合生產(chǎn)工藝構建模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡等高級算法進行計算。

4 系統(tǒng)主要控制功能

4.1 自動厚度控制（AGC)

帶鋼質(zhì)量最重要的指標之一是獲得厚度精度，帶鋼厚度偏差來自于兩個方面：一為冷軋前道工序來料的產(chǎn)品本身偏差，另一為冷軋自身產(chǎn)生的偏差。為達到厚度控制要求，冷連軋自動厚度控制功能由粗調(diào)AGC和精調(diào)AGC組成[4]。粗調(diào)AGC由前面機架實現(xiàn)，設置了第1機架的反饋AGC控制、前饋AGC控制，秒流量AGC控制、第2機架的前饋AGC控制。

流量AGC就是根據(jù)軋制帶鋼質(zhì)量不變原理，測量并控制出口帶鋼厚度。根據(jù)帶鋼的入口厚度、入口速度和出口速度計算出口厚度偏差進行控制，由于速度信號和厚度信號的測量精度都能達到很高的要求，而且入口側厚度偏差可以精確測量，并且能準確得計算出達到機架輥縫咬合處的時間，所以流量AGC可以達到很高的控制精度。

流量AGC控制是根據(jù)秒流量體積恒定原理實現(xiàn)的，秒流量AGC控制原理見圖1。

圖1 秒流量AGC控制原理圖

秒流量體積恒定原理是單位時間內(nèi)機架入口流入的軋件體積和機架出口流出的軋件體積相等，即：

式中，Bin為機架入口軋件寬度;H為入口軋件厚度;Vin為入口軋件速度;Bout為軋件出口寬度;h為軋件出口厚度;vout為軋件出口速度。

在軋制過程中由于所軋帶鋼寬度方向變化很小，因此可認為 Bin＝Bout，則有：

公式（2)為上述的秒流量體積恒定方程。

由公式（2)推導可得

在目前微米級AGC控制方式中，秒流量AGC控制由于控制精度高，適應范圍廣，得到了廣泛使用。秒流量AGC控制對機組測速系統(tǒng)精度要求很高，本系統(tǒng)中把秒流量原則擴展到冷連軋機的入口張力輥，作為軋制量為0的0機架。

精調(diào)AGC的控制環(huán)節(jié)主要由4、5機架反饋AGC，5機架前饋AGC，流量AGC等組成。

此外，在軋制過程中還設置了各種補償功能，使用的補償包括軋輥偏心補償、軋制效率補償、入口張力輥加速度補償和卷取機加速度補償?shù)?，用于最?yōu)化的控制性能。

4.2 液壓輥縫控制

輥縫控制主要設置輥縫位置控制、軋制力控制、傾斜控制、單側軋制力控制、隨動控制、單側位置控制等功能。輥縫控制的執(zhí)行機構是牌坊上的主液壓缸，輥縫實際值檢測由液壓缸內(nèi)的位移傳感器測量，而實際軋制力則通過裝在液壓缸內(nèi)的壓力傳感器或者機架上的壓頭來測量。

輥縫位置控制使用傳動側和操作側液壓缸實際位置的平均值，與位置的參考值比較后進行控制。軋制力控制器使用兩側液壓缸實際軋制力的合力進行控制，軋制力控制器設計為比例調(diào)節(jié)器，以獲得需要的動態(tài)性能。其中軋制力控制與輥縫位置控制為互補方式，兩種方控制式不能同時存在。而傾斜控制則作為輥縫位置控制或軋制力控制的補充，與之同時運行。

此外，系統(tǒng)還設計有自動抬起和快速抬起輥縫功能，以及換輥后的有帶標定、無帶標定[5]，伺服閥泄露補償，蝶形補償?shù)裙δ堋?/p>

4.3 速度控制

速度控制包括機組協(xié)調(diào)和速度斜坡發(fā)生器兩部分。機組協(xié)調(diào)在基礎自動化系統(tǒng)中執(zhí)行較高級的控制任務，它包括各動作的協(xié)調(diào)、啟動以及根據(jù)設備各種操作模式（穿帶或甩尾，設備的啟動和加速等)，為傳動和工藝控制的控制信號進行預調(diào)整。速度斜坡發(fā)生器負責連軋機傳動系統(tǒng)的控制，在生產(chǎn)線正常生產(chǎn)過程中，通常會有3個不同的運轉(zhuǎn)速度，傳動裝置根據(jù)帶鋼目前的生產(chǎn)狀態(tài)，可以選擇是否與其他段傳動裝置耦合或者是解耦，軋機區(qū)域速度曲線如圖2所示。

圖2 軋機區(qū)域速度曲線圖

在圖2中，V0～V1表示軋機區(qū)域在換輥完畢后的速度啟動階段;V1～V2為爬行速度階段;V2～V3表示升速軋制階段;V3～V4表示以最高速度運行階段;V4～V5表示焊縫將要進入軋機區(qū)域，啟動減速階段;V5～V6表示以過焊縫速度運行;V6～V7表示焊縫已通過軋機區(qū)域，啟動升速階段;V7～V8與V3～V4階段一致;V8～V9表示需進行換輥的降速過程;V9～V10表示以爬行速度運行階段;V10～V11表示啟動降速直至停車過程;換輥結束后，重復執(zhí)行上述階段。

4.4 張力控制

張力是冷連軋軋制過程重要的狀態(tài)變量，可防止軋件跑偏、使帶鋼板形平直、降低金屬的變形擾動和變形功。實際張力是通過測量輥兩側安裝的張力計來檢測的，當帶鋼通過測量輥時將產(chǎn)生徑向力，然后利用平衡原理即可計算出具體數(shù)值。

機架間的張力控制可通過調(diào)節(jié)后一機架的液壓壓下位置（或軋制力)來完成，也可通過調(diào)節(jié)后一機架的主電機速度來調(diào)節(jié)。在控制系統(tǒng)中張力控制器采用傳統(tǒng)的PI控制器，圖3為機架間張力控制實現(xiàn)策略。

開（卷)取機的張力控制由轉(zhuǎn)矩控制方式來實現(xiàn)，使開（卷)取機以恒張力的開（卷)取特性工作，并具有卷徑計算、磁通補償、慣性補償、摩擦損耗補償、斷帶保護等功能[6]。

4.5 板形控制

板形的實時測量是由5#機架后的板形輥來檢測的。板形輥由實心鋼軸組成，沿寬度方向分成多個測量區(qū)，每個測量區(qū)內(nèi)沿軸向在測量輥的四周均勻分布著四個溝槽以放置磁彈性傳感器。在帶鋼縱向張力作用下，當帶鋼被測量輥偏轉(zhuǎn)時，將給測量輥施加徑向力。通過測量輥測出的各測量區(qū)內(nèi)的局部徑向應力可以計算出各測量區(qū)內(nèi)帶鋼的張應力，進而計算出各測量區(qū)內(nèi)帶鋼的平直度?？刂葡到y(tǒng)通過比較板形儀實測的各個測量段的平直度值與目標平直度所規(guī)定的各測量段的目標值，根據(jù)板形偏差計算出調(diào)節(jié)量，然后通過軋輥傾斜控制、工作輥正負彎控制、中間輥正彎控制、中間輥竄動控制和分段冷卻等手段來調(diào)整帶鋼板形。

5 機組控制系統(tǒng)特點

主操作臺設有人機界面，用以機組狀態(tài)顯示、故障診斷和報警等;

基礎自動化和過程自動化系統(tǒng)完備，采用現(xiàn)場總線及快速以太網(wǎng)構成全機組網(wǎng)絡系統(tǒng)。采用西門子TDC控制器，保證控制系統(tǒng)響應的快速性和穩(wěn)定性。

五機架全液壓（AGC)自動厚度控制，包括前饋AGC、監(jiān)控AGC和秒流量AGC，滿足產(chǎn)品厚度精度要求。

圖3 機架間張力控制策略圖

板形控制具有預設定、前饋控制、閉環(huán)控制，并設置工作輥正負彎輥，中間輥正彎輥及橫移控制，軋輥分段冷卻控制。

軋制工藝參數(shù)自動設定，打印報表功能，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲等。

斜楔自動調(diào)整，工作輥、中間輥快速換輥。

從開卷到卷取實現(xiàn)全連續(xù)生產(chǎn)，機組配置有自動焊機、入口活套、出口飛剪和輪盤卷取機，設置自動上卷，具有高度和寬度對中功能。

整個軋制過程中實現(xiàn)了張力自動閉環(huán)控制，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率，并有斷帶保護、事故報警功能。

設置動態(tài)變規(guī)格功能，通過精確跟蹤楔形段起始點和結束點來依次改變壓下位置、機架間張力和軋制速度，從而使新的軋制規(guī)程在不停車情況下完成自動設定，進而提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

主傳動采用先進的交直交變頻方案。

6 系統(tǒng)實施效果

目前，控制系統(tǒng)測試已經(jīng)完成，該系統(tǒng)采用性價比極高的電氣配置，既適應了生產(chǎn)工藝要求，又降低了設備的成本，同時設備的可靠性、無故障率得到很大提高，投資只有進口同類生產(chǎn)線的1/3。通過測試，機組可穩(wěn)定運行在1 200 m/min以上。機組能夠生產(chǎn)板形良好的產(chǎn)品，精度達到±8I以內(nèi)，厚度精度可達到±1%以內(nèi)，產(chǎn)品質(zhì)量可達國內(nèi)同類機組先進水平。

7 結束語

冷軋板帶廣泛用于汽車、家電、建材、包裝等行業(yè)，其產(chǎn)量和質(zhì)量水平反映了一個國家鋼鐵工業(yè)技術水平的強弱。但目前五機架連軋機控制系統(tǒng)基本上被國外大型電氣公司所壟斷，為此，中冶南方投入了大量優(yōu)秀人力、物力用于本套冷連軋電氣控制系統(tǒng)研發(fā)。本文詳細介紹了系統(tǒng)的硬件配置、系統(tǒng)結構、軟件功能和技術特點。該系統(tǒng)的成功對我國冷連軋機組電氣控制系統(tǒng)降低建設投資費用，推動技術升級，提高冷軋領域的自主創(chuàng)新程度具有重要的現(xiàn)實意義。

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Research and Development of Electric Control System of Continuous Cold Rolling

Zhao Yuntao,Wang Shengyong,Lu Jiabin,Ye Gangqiao,Jiang Ying
(WISDRI (Wuhan)Automation Co.,Ltd.,Wuhan 43020,China)

On the basis of the in-depth analysis of advantages and disadvantages of several cold rolling systems,the authors developed an electric system solution for five-stand six-roll continuous rolling mill.This paper expounds the integral architecture of the control system and introduces the control functions and main features of thickness control,hydraulic screw-down control,speed control,tension control and plate profile control.Tests showed that the system was reliable and its control precision reached advanced level domestically.

continuous cold rolling,electric control system,process control

趙云濤（1982—)，男，內(nèi)蒙赤峰人，博士，工程師，主要從事軋機和平整機組電氣控制系統(tǒng)的研發(fā)及設計工作，E-mail：zyt1013@126.com。

（收稿 2012-03-01 編輯 潘娜)