矫直机二级控制系统的研究

冯金刚

(太原重型机械集团轧钢分公司，山西 太原 030024)

0 前言

矫直机是现代轧钢生产过程中的重要设备之一，它对改善钢材外形、提高成材率具有重要意义。

宽厚板生产中，尽管有液压AGC 等高精度控制手段的应用，钢板在经过精轧机轧制后也难免会出现如边浪、中心浪、贯穿浪、或翘曲等不同类型的缺陷，矫直机作为传统设备对钢板表面质量的进一步提高起着重要作用。某钢厂的生产线为开发新钢种的需要，设置了快速冷却装置，经过这样处理的钢板的屈服强度增加，屈强比降低，这对矫正和平直度的处理增加了难度，同时也对矫直机提出了更高要求，这就需要矫直机采用二级控制系统，以达到好的矫直效果。

1 二级控制系统

二级控制系统首先在Windows Server 操作系统的基础上开发了过程控制系统平台软件，然后在平台软件基础上进行各个过程控制系统模块功能的开发。

二级控制系统具有稳定性好、维护简单、移植性强、复杂性低、开发周期短、利于系统的二次开发等优点。

二级系统主要由两大部分组成。

1.1 平台软件部分

平台软件包括进程管理模块，TCP 通讯管理模块，IPC 通讯管理模块，OPC 通讯管理模块。

1.2 应用程序部分

应用程序包括原始数据管理模块，高精度数学控制模型，自学习功能模块，轧件跟踪模块，矫直辊管理模块，质量分析管理模块，质量报表系统，离线开发模块。过程控制系统应用程序如图1 所示。

图1 过程控制系统应用程序Fig.1 Process control system applications

二级控制系统主要完成根据待矫钢板的几何尺寸及钢种等数据，通过高精度矫直模型计算并进行矫直能力极限校核后，确定最优的矫直道次和矫直规程，下发给PLC 基础自动化控制系统，实现矫直过程的自动控制。

2 工艺要求及特点

矫直过程控制系统需要包括:跟踪系统、二级模型计算部分、一级自动控制部分、人机界面和数据库。矫直过程控制系统是中厚板生产线自动化的一个重要环节，对于提高板形质量、稳定生产有重要意义。

二级控制系统涉及基础自动化、过程模型设定和人机界面，系统结构和通信管理如图2 所示。

根据板形要求，通过二级模型运算，确定出满足要求的矫直规程，传给矫直基础自动化执行设定计算的规程，实现矫直过程的计算机自动控制。

从控制方法上看，矫直过程控制系统主要实现前馈控制和自适应优化控制功能。具体通过跟踪、数据通讯和过程模型设定计算三大模块来实现这两项功能。

图2 系统结构和通讯管理Fig.2 System structure and communication management

3 二级系统

工艺模型为矫直二级模型系统核心，它包括以下三个部分:

(1)策略层。根据材料规格、工艺要求等，计算矫直机的设定值:出入口辊缝、矫直速度;同时预测矫直力、矫直力矩、残余应力等。策略层根据从自学习的材料模型数据库计算的钢种材料参数和来料的规格参数，采用矫直计算理论模型计算确定矫直工艺参数。在这个过程通过调整采用不同的计算参数和模型，使计算值符合预设限制条件，如上辊系倾斜角度、塑性层厚度比例、最大矫直力、最大功率等。

(2)矫直理论模型。考虑中性层偏移、弹性能损失、提前接触、辊间摩擦力等因素的弹塑性理论和压弯量模型。

(3)自学习模型。由于中厚板弯曲变形有其特殊之处，任何一种热模拟实验方法都难以精确确定其弯曲工况。本模型以温度为变量的弹性模量数学模型和多系数的变形抗力数学模型为基础，为每个钢种建立材料模型数据库。其中系统采用多系数的变形抗力数学模型，具有自学习功能，运用最优化原理，对现场数据处理，从而得到符合现场的最优的变形抗力。在自学习过程中消除了辊系磨损、机架弹跳等因素对矫直过程的影响，把这些不确定因素归于变形抗力模型的系数中。采用这个变形抗力模型计算的数值可能不是这种材料的真正的数值，但用它确定的矫直工艺参数却是最好的、最优的。

三个部分有机的结合为系统提供矫直工艺参数，同时通过自学习功能提高矫直质量，使矫直工艺参数达到最优，为自动化提供必要条件。

图3 过程控制系统基本结构Fig.3 The basic structure of the process control system

4 二级系统的原理

矫直机是对多值原始曲率的钢板进行矫正，它是采用交变弯曲变形以消除其原始曲率的不均匀度，再逐渐将钢板矫平，即钢板上不同方向、不同数值的原始曲率，经过同一个反弯曲率的弹塑性反弯后，其残余曲率趋向一致。总体而言，第2、3 辊上的反弯曲率最大，设定的压下量也是最大的，以产生大的变形，迅速消除钢板的原始曲率不均匀度。矫直模型采用大变形方案。

在矫直模型中，以使轧件发生的塑性变形比率来衡量矫直效果和残余应力消除的水平。塑性变形比率Pf指在轧件厚度上已发生塑性变形的厚度(hp)与轧件厚度h 的比值，表达式如下:

式中，Ke、Kp分别为弹性变形曲率、塑性变形曲率。

通常为达到较好的矫直效果，塑性变形率在65%～90%之间取值。

矫直模型建立的基础是弹塑性力学的弯曲理论。为消除钢板的板形缺陷，在矫直过程中，必须保证钢板发生塑性变形。

钢板在受力时的变形情况分为弹性变形和塑性变形，如图4 所示。

图4 钢板的受力变形Fig.4 Steel deformation

(1)压弯量计算。自矫直机入口至出口，各矫直辊的压弯量采用线性递减原则的矫直方案，压弯量的计算与反弯曲率半径有关系。

式中，Svi为 压弯量;σ为屈服极限;H为钢板厚度;η为 塑性变化率;E为弹性模量;t为辊距。

(2)矫直力矩计算模型。根据各矫直辊的压弯量及微张力，各矫直辊的力矩计算模型为

式中，B为钢板宽度;H为钢板厚度;Svi为压弯量;η为塑性变形率;σ为屈服极限;T为张力。

(3)矫直力计算模型如图5 所示。

图5 矫直辊上的矫直力Fig.5 Force of the levelver roller

式中为Pi为各辊的矫直力;Mi为各辊的矫直弯矩。

(4)弯辊量计算模型。二级模型设定的弯辊量主要用于补偿因轧件对辊系反作用力造成的辊系挠度变形，以及消除边浪、中间浪、四分之一浪等板形缺陷。

式中，B为钢板宽度;H为钢板厚度;t为 辊距;E为 弹性模量;σ为屈服极限;Qs为板形。

5 二级控制系统实现

二级设定模型可以根据跟踪系统传送的钢板基本信息(钢板长度、宽度、厚度、钢种和温度等)，调用在线设定模型，对辊缝进行一次自动预设定(可人工修正)，在线给出基础辊缝、辊系倾斜量、弯辊量、边辊调整量、速度等设定值、矫直力和矫直扭矩等预测值。

一级控制系统负责控制执行机构，同时在矫直过程中动态调整。在矫直跟踪系统的基础上，根据二级控制系统的设定数据实时进行辊缝控制、速度控制和弯辊控制等，自动完成预设定的矫直过程。

在道次矫直完成之后，由操作人员根据板形情况决定是否需要再次矫直，如果不需要则完成本次钢板矫直，自动系统处于下块钢板矫直的等待状态。

矫直在线设定系统数据流，如图6 所示。

图6 在线设定系统数据Fig.6 Online setting system data stream

二级控制过程主要步骤如下有:

(1)输入预处理。设定计算的输入值如表1所示。设定计算允许操作员干预，当表2 中各项有操作员干预值时，将优先使用操作员干预值。

表1 设定计算输入数据表Tab.1 Setting the calculation input data

表2 操作员干预值列表Tab.2 Operator intervention value list

综合表1 表2 的输入数据，形成后续设定计算的原始数据。

(2)设定计算。设定计算是指在输入预处理原始数据的基础上完成矫直规程的提前设定。采用调用数据库在线调整参数层别的预设定方式，获得压下调整数据，然后进行力能校核、速度计算、弹跳补偿、咬入和预设定校验，最终形成预设定规程。计算流程如图7 所示。

图7 模型计算流程图Fig.7 Model calculation process

(3)设定值输出。将预计算的矫直规程设定值传送至基础自动化、人机界面、存入数据库以及报表形式输出，包括:压下制度及前后倾斜量、入口和出口边辊的调整量、矫直速度、弯辊量和左右倾斜量、残余应力和板形的预测值、塑性变形率。

(4)设定值执行。在线设定是在生产模式下把设定数据用于每个液压缸，主要给出位置设定的具体执行策略。

6 结论

该二级控制系统在应用于南钢热处理矫直机后，在矫直机能力范围内的钢板矫直后基本都满足用户要求。该系统在矫直机上应用后能够极大的提高矫直机的自动化水平及矫直效果，实践证明系统稳定、可靠，保证了正常的生产，对同行业具有较高的应用和参考价值。

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