李紅雨，宋君，王奎越，曹忠華，李志鋒，金耀輝

（1.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧鞍山114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

鞍鋼1450 mm五機(jī)架冷連軋機(jī)過程控制系統(tǒng)

李紅雨1，宋君2，王奎越2，曹忠華2，李志鋒2，金耀輝2

（1.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧鞍山114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

簡(jiǎn)要介紹了鞍鋼1450mm五機(jī)架冷連軋機(jī)組的工藝參數(shù)、儀表配置及過程控制系統(tǒng)。從整個(gè)機(jī)組的過程控制全線物料跟蹤、在線數(shù)學(xué)模型和模型自適應(yīng)三方面對(duì)該冷連軋過程控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析。過程控制系統(tǒng)運(yùn)行情況表明，全線的物料跟蹤、鋼卷跟蹤準(zhǔn)確無誤，在線數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)制定的軋制規(guī)程合理，模型自適應(yīng)對(duì)模型起到了很好的修正作用，滿足了整個(gè)連軋機(jī)組在線控制的要求。

冷連軋；物料跟蹤；數(shù)學(xué)模型；過程控制；模型自適應(yīng)

冷連軋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由于涉及到復(fù)雜數(shù)學(xué)模型和生產(chǎn)線的核心技術(shù)，一直以來都被外國企業(yè)所壟斷。目前，國內(nèi)建成的成套冷連軋生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)基本上依賴進(jìn)口，這使得國內(nèi)鋼鐵企業(yè)在引進(jìn)冷連軋機(jī)生產(chǎn)線時(shí)，需要為控制系統(tǒng)支付高額費(fèi)用；同時(shí)，國外公司在核心技術(shù)上對(duì)國內(nèi)企業(yè)的技術(shù)封鎖也越來越嚴(yán)格，關(guān)鍵的冷軋數(shù)學(xué)模型、軋機(jī)負(fù)荷分配方法等工藝核心部分都以動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式出現(xiàn)，導(dǎo)致國內(nèi)企業(yè)無法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型和算法的優(yōu)化和改進(jìn)，嚴(yán)重制約著后期的產(chǎn)品工藝優(yōu)化和新產(chǎn)品的開發(fā)［1］。

2010年，鞍鋼集團(tuán)在福建莆田新建了一條1450 mm冷軋生產(chǎn)線，生產(chǎn)線主要由1條酸洗軋機(jī)聯(lián)合機(jī)組、1條冷軋連續(xù)退火機(jī)組、1條熱鍍鋅機(jī)組、2條重卷機(jī)組、3條包裝機(jī)組及相應(yīng)的配套公輔設(shè)施組成。本文詳細(xì)分析了1450 mm酸洗冷連軋機(jī)的過程控制系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)中的物料跟蹤、軋制工藝數(shù)學(xué)模型及模型自適應(yīng)部分進(jìn)行了分析研究。

1　機(jī)組工藝及過程系統(tǒng)

1.1機(jī)組主要工藝參數(shù)

該冷連軋機(jī)組設(shè)計(jì)年產(chǎn)量100萬t，主要以生產(chǎn)冷軋薄板和家電板為主，兼顧汽車和建筑用板。所軋制熱軋卷來料厚度范圍為1.8～6.0 mm，寬度范圍為850～1 350 mm；成品厚度范圍為0.20～ 3.0 mm，最高機(jī)組速度為1 200 m/min。鋼牌號(hào)包括碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、IF鋼、低合金高強(qiáng)鋼等，同時(shí)可以為家電生產(chǎn)線提供高質(zhì)量的冷軋家電板產(chǎn)品。

鞍鋼1450 mm冷連軋生產(chǎn)線的熱軋?jiān)暇碓诮?jīng)過開卷、拉矯、酸洗、切邊等生產(chǎn)流程后進(jìn)入五機(jī)架冷連軋機(jī)組。冷連軋機(jī)組為五機(jī)架全六輥UCM軋機(jī)，為了能夠軋制出高質(zhì)量的冷軋薄板產(chǎn)品，軋機(jī)線配備了6套ABB張力計(jì)、4套IMS測(cè)厚儀、4套激光測(cè)速儀和一套BFI板形輥。整個(gè)軋線儀表布置圖如圖1所示。

1.2過程控制系統(tǒng)

冷連軋機(jī)過程控制系統(tǒng)最主要的功能是為一級(jí)PLC計(jì)算出最優(yōu)的軋制設(shè)定值參數(shù)，并通過自適應(yīng)自學(xué)習(xí)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。除此之外，過程控制系統(tǒng)的功能還包括：與基礎(chǔ)自動(dòng)化和酸洗過程機(jī)的通訊；鋼卷跟蹤；測(cè)量值采集與處理；成品數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；原始數(shù)據(jù)及設(shè)備數(shù)據(jù)的管理；提供人機(jī)接口、報(bào)表輸出及班組管理等。為實(shí)現(xiàn)上述功能，過程控制系統(tǒng)應(yīng)具有較高的可靠性和高速數(shù)據(jù)處理能力以滿足實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的要求，能夠靈活支持多種通信方式。同時(shí)，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、方便系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)，過程控制系統(tǒng)還應(yīng)具備強(qiáng)大的健壯性和通用性，系統(tǒng)中各功能模塊具有低耦合性［2］。

對(duì)過程控制系統(tǒng)要求是：可靠性高、具有實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)要求、能夠利用數(shù)據(jù)庫提供大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)審計(jì)功能和運(yùn)行軌跡跟蹤功能、能夠靈活支持多種通訊方式（特別是工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)通訊方式），能夠?yàn)樵O(shè)備提供生產(chǎn)設(shè)定值，如果有可能，應(yīng)該進(jìn)行智能優(yōu)化。

整個(gè)二級(jí)過程控制系統(tǒng)包含三大部分：數(shù)據(jù)庫、過程控制系統(tǒng)和人機(jī)接口HMI系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫采用的是Oracle10g，過程控制系統(tǒng)采用的是Visual studio開發(fā)環(huán)境，HMI系統(tǒng)則由 Oracle forms開發(fā)完成。其中過程控制系統(tǒng)又分為四個(gè)模塊，分別是：鋼卷跟蹤、模型計(jì)算、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集。整個(gè)系統(tǒng)功能流程圖如圖2所示。

2　鋼卷跟蹤

鞍鋼1450 mm連軋機(jī)為連續(xù)生產(chǎn)機(jī)組，從酸洗入口步進(jìn)梁到軋機(jī)出口步進(jìn)梁最多共有20卷鋼卷，為了跟蹤和控制冷連軋生產(chǎn)過程中的物料數(shù)據(jù)流和控制流，在任意時(shí)刻都必須能知道不同帶鋼或鋼卷所處的位置及其狀態(tài)，以便提供或接收準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，控制其它進(jìn)程的執(zhí)行。

當(dāng)熱軋?jiān)暇矸诺剿嵯慈肟诓竭M(jìn)梁上時(shí)，就被注冊(cè)到跟蹤系統(tǒng)中，并在生產(chǎn)線上全過程被跟蹤監(jiān)視，直到由生成的成品卷從出口步進(jìn)梁上吊走。

基礎(chǔ)自動(dòng)化中的帶鋼跟蹤（MTR）使用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件（速度編碼器或焊縫檢測(cè)儀）用來計(jì)算帶鋼在生產(chǎn)線上的準(zhǔn)確位置，并將跟蹤信息以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給二級(jí)計(jì)算機(jī)和一級(jí)系統(tǒng)的其他功能單元。二級(jí)控制系統(tǒng)中的帶鋼跟蹤從一級(jí)系統(tǒng)中接收電文，跟蹤帶鋼或鋼卷的位置及狀態(tài)。

在整個(gè)冷連軋機(jī)區(qū)域內(nèi)往往同時(shí)存在多卷帶鋼，為了協(xié)調(diào)冷連軋生產(chǎn)過程中的物料數(shù)據(jù)流和控制流，在任意時(shí)刻都必須明確軋機(jī)區(qū)域內(nèi)鋼卷所處的位置及其狀態(tài)，以便提供或接收準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，控制其它功能的執(zhí)行，所有這些功能是由基礎(chǔ)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化中的跟蹤功能協(xié)同完成的。

鋼卷跟蹤是過程控制系統(tǒng)的調(diào)度，它的主要功能是根據(jù)軋機(jī)L1循環(huán)上傳的焊縫位置、設(shè)備動(dòng)作及事件信號(hào)等信息，維護(hù)從軋機(jī)入口到出口鞍座整條軋線上的鋼卷物理位置、帶鋼數(shù)據(jù)記錄及帶鋼狀態(tài)等信息，協(xié)調(diào)生產(chǎn)過程的順序與節(jié)奏，并且實(shí)現(xiàn)帶鋼斷帶及分卷等特殊情況的處理。同時(shí)，跟蹤還要根據(jù)事件信號(hào)啟動(dòng)其它功能模塊，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送、軋機(jī)自動(dòng)設(shè)定和模型自適應(yīng)等功能。整個(gè)酸軋生產(chǎn)線涉及到的主要跟蹤點(diǎn)、觸發(fā)事件及相關(guān)數(shù)據(jù)流。冷連軋生產(chǎn)線全線跟蹤示意圖見圖3所示。

3　軋制過程數(shù)學(xué)模型

在冷連軋模型系統(tǒng)中，工藝數(shù)學(xué)模型是軋機(jī)設(shè)定計(jì)算的基礎(chǔ)。冷連軋軋制規(guī)程制定、軋機(jī)參數(shù)設(shè)定計(jì)算、基礎(chǔ)自動(dòng)化控制參數(shù)及動(dòng)態(tài)變規(guī)格參數(shù)計(jì)算中都將用到工藝數(shù)學(xué)模型。整個(gè)過程控制模型系統(tǒng)通過理論解析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)回歸相結(jié)合的方法建立了在線控制工藝參數(shù)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，給出了軋制力參數(shù)的在線模型和迭代算法。系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型均是經(jīng)過在線控制使用的實(shí)用模型，可以用于生產(chǎn)實(shí)際控制［3］。

3.1軋制力模型

軋制力模型在模型系統(tǒng)中處于核心地位,它是輥縫設(shè)定值計(jì)算、軋制負(fù)荷分配、AGC增益系數(shù)計(jì)算及板形控制設(shè)定的基礎(chǔ)，軋制力模型的計(jì)算精度將直接影響厚度和板形的控制質(zhì)量以及生產(chǎn)的穩(wěn)定性。整個(gè)變形區(qū)包括入口彈性壓縮區(qū)、塑性變形區(qū)和出口彈性恢復(fù)區(qū)。帶鋼上承受的軋制力總和如公式1所示：

在塑性變形區(qū)內(nèi)將各個(gè)微單元上的軋制力求和，就可以得到使帶鋼發(fā)生塑性變形的軋制力，計(jì)算公式為：

根據(jù)虎克定律，入口彈性區(qū)的軋制力為：

出口彈性區(qū)的軋制力為：

3.2軋制力矩與電機(jī)功率模型

在變形區(qū)內(nèi)，由軋制力所產(chǎn)生的力矩為所有微單元對(duì)軋輥產(chǎn)生的力矩之和，計(jì)算公式為：

軋件在水平方向上受到前后張力的作用，因此總的力矩還應(yīng)包括前后張力產(chǎn)生的力矩。其中，后張力力矩使軋制力矩增大，前張力力矩使軋制力矩減小。因此，考慮張力力矩后的軋制力矩為：

3.3摩擦系數(shù)模型

冷軋過程控制模型系統(tǒng)中的摩擦系數(shù)計(jì)算結(jié)果將影響軋制力和前滑計(jì)算。摩擦系數(shù)是反應(yīng)摩擦程度的參數(shù)，它與工作輥和帶鋼之間的摩擦系數(shù)主要與機(jī)架軋制油的潤(rùn)滑特性、工作輥表面狀態(tài)、工作輥材質(zhì)以及機(jī)組運(yùn)行速度等因素有關(guān)。摩擦系數(shù)計(jì)算公式如下：

4　模型自學(xué)習(xí)

在鞍鋼1450 mm酸軋過程控制系統(tǒng)中，軋制力模型、平直度模型等模型中存在的不精確性要通過模型自適應(yīng)來修正。模型自適應(yīng)要完成的任務(wù)就是對(duì)模型系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)計(jì)算，使模型的計(jì)算值經(jīng)模型系數(shù)修正后逼近實(shí)際測(cè)量值［4］。

在自適應(yīng)模塊中要計(jì)算的模型系數(shù)有：軋制力模型系數(shù)、前滑模型系數(shù)、壓下模型系數(shù)、軋制力矩模型系數(shù)、輥縫形狀（二次項(xiàng)和四次項(xiàng)）。

計(jì)算出的這些模型系數(shù)將被保存起來，并通過短期繼承過程將其應(yīng)用于后續(xù)的相似帶鋼計(jì)算中，模型系數(shù)的長(zhǎng)期繼承過程由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來完成。

模型系數(shù)自適應(yīng)是對(duì)當(dāng)前帶鋼進(jìn)行的。在自適應(yīng)模塊中，通過對(duì)比模型計(jì)算所得值與當(dāng)前帶鋼的相應(yīng)測(cè)量值，確定自適應(yīng)系數(shù)。

以軋制模型為例：通過給軋制力模型提供經(jīng)檢驗(yàn)的測(cè)量值，計(jì)算出被稱作后計(jì)算設(shè)定值的量（在此為軋制力），將此計(jì)算值與相應(yīng)的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較，得到的比值定義為修正軋制模型的未經(jīng)濾波的模型系數(shù)。

在自適應(yīng)環(huán)節(jié)中，利用以上原則計(jì)算出的模型系數(shù)進(jìn)一步劃分為速度因子、長(zhǎng)時(shí)因子、日因子和短時(shí)因子，四種因子的乘積為總的模型自適應(yīng)因子。在自適應(yīng)過程中，速度因子、長(zhǎng)時(shí)因子和日因子由相應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得，自適應(yīng)模塊的實(shí)際功能是計(jì)算總模型系數(shù)中的短時(shí)因子。

為了避免大的波動(dòng)，要對(duì)計(jì)算出的短時(shí)模型因子進(jìn)行濾波。未經(jīng)濾波的模型因子與舊模型因子進(jìn)行比較，并進(jìn)行濾波，結(jié)果作為新的模型因子。濾波過程中的放大增益（加權(quán)因子）依賴于測(cè)量值的置信度，如果測(cè)量值檢驗(yàn)結(jié)果良好，即置信度高，則放大作用強(qiáng)，否則，放大作用減至最小。整個(gè)模型公式的自適應(yīng)如圖4所示。

5　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果

鞍鋼1450 mm冷連軋機(jī)過程控制系統(tǒng)已經(jīng)在線穩(wěn)定運(yùn)行將近3年，完全滿足了生產(chǎn)質(zhì)量控制要求，軋制力模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較如圖5所示。

現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，通過模型自適應(yīng)功能系統(tǒng)軋制力模型具有較高的控制精度，99.0%以上帶鋼的軋制力設(shè)定精度高達(dá)96.2%，達(dá)到了控制要求。為了提高電機(jī)功率的計(jì)算精度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)擬合了各機(jī)架電機(jī)機(jī)械功率損耗模型參數(shù)，同時(shí)采用了模型自適應(yīng)算法。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)軋制數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析可知，電機(jī)功率模型的計(jì)算偏差可控制在5%以內(nèi)，滿足了控制要求。

6　結(jié)語

本文依托于鞍鋼莆田1450 mm冷連軋機(jī)組生產(chǎn)線新建項(xiàng)目，通過對(duì)冷連軋機(jī)過程控制物料跟蹤系統(tǒng)、模型設(shè)定系統(tǒng)中數(shù)學(xué)模型、模型自適應(yīng)算法等核心功能的研究，掌握了冷連軋生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)及關(guān)鍵工藝技術(shù)，為鞍鋼未來自主設(shè)計(jì)、集成和開發(fā)冷連軋機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。整個(gè)過程控制系統(tǒng)自投入在線應(yīng)用以來，程序控制穩(wěn)定，設(shè)備運(yùn)行良好，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過規(guī)定的指標(biāo)，具有較高的控制精度，創(chuàng)造了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］劉金剛，王文天，李志鋒，等.1450 mm冷連軋生產(chǎn)線過程控制系統(tǒng)功能分析［J］.鞍鋼技術(shù)，2009（1）：35-37.

［2］王國棟，劉相華，王軍生.冷連軋計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)［J］.軋鋼,2003,20（2）:42-43.

［3］白金蘭，王軍生，王國棟，等.提高冷軋過程控制軋制力模型的設(shè)定精度［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2006，18（3）：22-24.

［4］陳樹宗，彭文，姬亞鋒，等.基于目標(biāo)函數(shù)的冷連軋軋制力模型參數(shù)自適應(yīng)［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（8）：1128-1131.

（編輯 袁曉青）

Process Control System for Five-stand Tandem Cold Strip Mill in 1450 mm Production Line of Angang

Li Hongyu1，Song Jun2，Wang Kuiyue2，Cao Zhonghua2，Li Zhifeng2，Jin Yaohui2
（1.Cold Rolled Mill of Angang Steel Co.,Ltd.,Anshan 114021,Liaoning,China；2.Iron&Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning,China）

The technological parameters,configuration of instrument and process control system for the five-stand tandem cold strip mill in 1450 mm production line of Angang are briefly introduced.The process control system is analyzed with regard to the following three aspects such as materials tracking on the whole production line,on-line mathematical model and self-adaption of the model.The operational situation of the process control system shows that the materialstracing and steel coils-tracing are accurate with no failures,the rolling schedule based on the online mathematical model system is suitable and the self-adaption of the model plays a correct role in adjusting the model,which meets the requirements of the on-line control for the tandem cold strip mill.

tandem cold rolling;material-tracking;mathematical model;process control; self-adaptation of model

TG333

A

1006-4613（2015）03-0026-05

李紅雨，碩士，工程師，1999年畢業(yè)于北京科技大學(xué)鋼鐵冶金專業(yè)。

E-mail：lhy@ansteel.com.cn

2015-02-25