包钢冷轧过程控制系统及轧制力算法研究

内蒙古科技大学信息工程学院 李小东 邢东旭

1.简介

由于冷连扎生产过程复杂、控制点多、设备分布比较广，各工序各设备要求同时并行工作，实时性强，数据交换量大，产品的精度要求也比较高，因此，多采用分布式计算机过程控制系统进行生产控制。分布式计算机控制系统，就是将生产过程控制与企业生产管理结合起来，由并行的计算机来实现全面控制，包括：生产管理级(L3)，过程控制级(L2)和基础自动化级(L1)。这种控制系统传输误差低、可靠性高、运算和控制速度快、开发和维护方便，是冷连扎机控制系统的发展方向。包钢冷连轧机过程控制系统作为冷轧薄板连续生产线的关键部分，负责完成数学模型设定计算、带钢跟踪、测量值采集、报表统计、数据通讯和人机接口等工作，以便保证整条工艺生产线的连续生产，要完成如此复杂的工艺流程，其过程控制系统是非常重要的。做为当今世界非常完美的西门子计算机控制系统是完成逻辑控制任务和人机接口，通讯处理的最优选择，也为我们过程控制系统提供了最佳解决方案。

2.过程控制级（L2）

过程控制级功能主要包括数学模型系统、带钢跟踪、测量值采集、报表统计、数据通讯和人机接口等，具体功能如下：

(1)数学模型系统主要包括设定计算和自适应学习。设定计算是利用PDI数据通过冷轧工艺参数模型和相应的系统参数来计算各机架带钢目标厚度，同时计算出高速条件下的变形抗力、张力、摩擦系数、轧制力、电机功率等参数。自适应学习是采集过程控制中的实测数据，根据理论计算值与实测值的偏差，对模型进行修正，使模型计算值逼近相应条件下的实际情况，从而获得更高的设定精度。

(2)带钢跟踪包括带钢跟踪和生产过程跟踪。带钢跟踪即以1个物理钢卷和1个order钢卷为对象进行跟踪即入口为物理跟踪，在线为order跟踪；生产过程跟踪由L1计算机微跟踪和L2计算机宏跟踪组成。L2计算机基于L1计算机发送的事件信号进行宏跟踪，控制轧机的生产状态，并在相应时刻触发其他控制功能，如：自动设定和数据采集、通讯与交换等。跟踪范围包括：入口卷处理段、活套段、张力拉矫段、酸洗段、轧机入口段、轧机段、轧机出口段和出口卷处理段。

(3)测量值采集L1计算机在冷连轧过程中对实际数据进行采样，对生产设备的实际数据进行收集和存储，这些数据包括：轧制结果数据，如轧制力、轧制速度、辊缝、张力等；生产结果数据，如钢卷长度、直径、重量、生产日期等；设备消耗信息，如乳化液和轧辊相关信息；质量控制信息，如带钢厚度、带钢板形等。数据通过PLC经以太网发送到L2计算机，进行分析处理，处理后的结果用于自适应计算和新的设定值计算。

(4)报表统计根据处理后的实际生产数据、轧辊数据、停机数据等对生产报表和质量报表进行统计。

(5)数据通讯与L3和L1进行生产统计数据的收发、轧辊数据的收发、实际生产数据的接收及设定数据的发送。

(6)人机接口用于画面显示和操作。操作人员可以通过人机接口将操作发送到L1计算机。

3.冷轧轧制力模型

3.1 轧制力模型特点

(1)轧件几何形状更接近推导理论公式时所作的假设，即宽度比厚度大得多，宽展很小，可以认为是平面变形问题。轧件厚度小，可以认为平截面假设和滑动摩擦理论较符合实际，轧件内部不均匀变形可以忽略。从这一点看，根据力平衡关系推导出的微分方程式比较接近冷轧实际。

(2)冷轧时一般需采用润滑剂，这是由于冷轧时轧辊和轧件接触面上的摩擦力对轧制力等工艺参数的影响较大，采用不同的润滑剂及轧制条件不同时(如轧制速度、轧件和轧辊的材质及表面状态等)摩擦系数不同，这就给轧制力理论计算带来很大困难。如何正确计算摩擦系数，对轧制力的精确计算至关重要。对于确定的设备和稳定生产条件，上述影响因素的变化不大，因此结合具体情况，通过现场实测统计，找出合适的计算公式或得到理论公式中的某些系数是完全可能的。

(3)冷轧板带材的一个重要条件是采用较大的前后张力，轧件越薄，张力的作用越大。张力可减小轧制力，有利于冷轧的进行。当板形不好时，通过横断面上张力分配的作用，可在一定程度上自动改善板形。因此，大张力轧制亦是为了获得平直板形所必须的，总之计算板带材轧制力时，必须考虑前后张力的影响。

(4)冷轧时，由于轧件较薄较硬，因此接触弧长中单位压力大，使轧辊在接触弧处产生压扁现象，因而加长了接触弧的实际长度。所以，冷轧薄板时，轧辊的压扁现象不容忽视，在计算轧制力时必须加以考虑。

(5)轧件的变形抗力有加工硬化的影响，故各道次的变形抗力往往和前面各道次的加工率相关，而且对本道次来说，它也是沿着接触弧变化的，轧件在出口处比入口处要硬，计算时应取平均值，一般按照累积压下率来计算平均变形抗力。

3.2 轧制力模型算法

比较典型的轧制力数学模型有斯通(M.D.Stone)、亚历山大-福特(Alexander-Ford)、布兰特-福特(Bland-Ford)、采利柯夫、Bland-Ford-Hill等。Bland-Ford-Hill公式是最常用的制止力计算公式，本文以该模型算法为依据，对轧制力模型进行分析。

考虑到轧制力模型的特点，冷轧轧制力公式，一般采用下列形式：

Pm=Bml＇cQpKtK/1000式中：P—轧制力，kN；

Bm—轧制平均宽度，m；

l＇c—考虑压扁后的变形区接触面积和接触弧长，mm；

R—轧辊半径，mm；

R＇—压扁后轧辊半径，mm；

Pm—平均单位压力，MPa；

Qp—考虑压扁后的外摩擦应力状态系数；

Kt—张力影响系数；

K—考虑宽度方向主应力影响系数后的变形阻力，宽展很小时，一般取K=1.5，MPa；

我厂轧制力模型公式采用下列形式：（其中包括轧制力公式、轧制力矩公式、轧制功率公式）：

Ws—带钢宽度；

R—工作辊半径；

F—轧制力；

T—轧制转矩；

P（x）—轧制压力；

h（x）—带钢厚度；

Vr—工作辊圆周速度；

Xn—中性线位置；

P—轧制功率。

4.结束语

总之，过程控制系统在冷连轧机中的应用是一个非常成功的典范，为包钢冷轧薄 板的连续生产，提高产量，降低成本，减少操作人员的劳动强度做出了许多贡献，同时也为同行业的计算机控制提供了一种最佳自动化选择方案。

[1]西门子控制系统手册[M].北京:西门子(中国)有限责任公司自动化与驱动集团自动化系统部,1999,32.

[2]孙一康.带钢冷连轧计算机控制[M].冶金工业出版,2002.