鞍钢1450 mm五机架冷连轧机过程控制系统

李红雨，宋君，王奎越，曹忠华，李志锋，金耀辉

（1.鞍钢股份有限公司冷轧厂，辽宁鞍山114021；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009）

鞍钢1450 mm五机架冷连轧机过程控制系统

李红雨1，宋君2，王奎越2，曹忠华2，李志锋2，金耀辉2

（1.鞍钢股份有限公司冷轧厂，辽宁鞍山114021；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009）

简要介绍了鞍钢1450mm五机架冷连轧机组的工艺参数、仪表配置及过程控制系统。从整个机组的过程控制全线物料跟踪、在线数学模型和模型自适应三方面对该冷连轧过程控制系统进行了分析。过程控制系统运行情况表明，全线的物料跟踪、钢卷跟踪准确无误，在线数学模型系统制定的轧制规程合理，模型自适应对模型起到了很好的修正作用，满足了整个连轧机组在线控制的要求。

冷连轧；物料跟踪；数学模型；过程控制；模型自适应

冷连轧计算机控制系统由于涉及到复杂数学模型和生产线的核心技术，一直以来都被外国企业所垄断。目前，国内建成的成套冷连轧生产线的控制系统基本上依赖进口，这使得国内钢铁企业在引进冷连轧机生产线时，需要为控制系统支付高额费用；同时，国外公司在核心技术上对国内企业的技术封锁也越来越严格，关键的冷轧数学模型、轧机负荷分配方法等工艺核心部分都以动态链接库的形式出现，导致国内企业无法根据现场实际需求，实现对模型和算法的优化和改进，严重制约着后期的产品工艺优化和新产品的开发［1］。

2010年，鞍钢集团在福建莆田新建了一条1450 mm冷轧生产线，生产线主要由1条酸洗轧机联合机组、1条冷轧连续退火机组、1条热镀锌机组、2条重卷机组、3条包装机组及相应的配套公辅设施组成。本文详细分析了1450 mm酸洗冷连轧机的过程控制系统，并对系统中的物料跟踪、轧制工艺数学模型及模型自适应部分进行了分析研究。

1　机组工艺及过程系统

1.1机组主要工艺参数

该冷连轧机组设计年产量100万t，主要以生产冷轧薄板和家电板为主，兼顾汽车和建筑用板。所轧制热轧卷来料厚度范围为1.8～6.0 mm，宽度范围为850～1 350 mm；成品厚度范围为0.20～ 3.0 mm，最高机组速度为1 200 m/min。钢牌号包括碳素结构钢、优质碳素结构钢、IF钢、低合金高强钢等，同时可以为家电生产线提供高质量的冷轧家电板产品。

鞍钢1450 mm冷连轧生产线的热轧原料卷在经过开卷、拉矫、酸洗、切边等生产流程后进入五机架冷连轧机组。冷连轧机组为五机架全六辊UCM轧机，为了能够轧制出高质量的冷轧薄板产品，轧机线配备了6套ABB张力计、4套IMS测厚仪、4套激光测速仪和一套BFI板形辊。整个轧线仪表布置图如图1所示。

1.2过程控制系统

冷连轧机过程控制系统最主要的功能是为一级PLC计算出最优的轧制设定值参数，并通过自适应自学习对模型进行优化。除此之外，过程控制系统的功能还包括：与基础自动化和酸洗过程机的通讯；钢卷跟踪；测量值采集与处理；成品数据及设备运行数据统计；原始数据及设备数据的管理；提供人机接口、报表输出及班组管理等。为实现上述功能，过程控制系统应具有较高的可靠性和高速数据处理能力以满足实时控制系统的要求，能够灵活支持多种通信方式。同时，为了保证系统稳定运行、方便系统的开发和维护，过程控制系统还应具备强大的健壮性和通用性，系统中各功能模块具有低耦合性［2］。

对过程控制系统要求是：可靠性高、具有实时控制系统的时间响应要求、能够利用数据库提供大量数据的存储、具有强大的数据审计功能和运行轨迹跟踪功能、能够灵活支持多种通讯方式（特别是工业用标准通讯方式），能够为设备提供生产设定值，如果有可能，应该进行智能优化。

整个二级过程控制系统包含三大部分：数据库、过程控制系统和人机接口HMI系统。数据库采用的是Oracle10g，过程控制系统采用的是Visual studio开发环境，HMI系统则由 Oracle forms开发完成。其中过程控制系统又分为四个模块，分别是：钢卷跟踪、模型计算、数据通信、数据采集。整个系统功能流程图如图2所示。

2　钢卷跟踪

鞍钢1450 mm连轧机为连续生产机组，从酸洗入口步进梁到轧机出口步进梁最多共有20卷钢卷，为了跟踪和控制冷连轧生产过程中的物料数据流和控制流，在任意时刻都必须能知道不同带钢或钢卷所处的位置及其状态，以便提供或接收准确的数据，控制其它进程的执行。

当热轧原料卷放到酸洗入口步进梁上时，就被注册到跟踪系统中，并在生产线上全过程被跟踪监视，直到由生成的成品卷从出口步进梁上吊走。

基础自动化中的带钢跟踪（MTR）使用现场检测元件（速度编码器或焊缝检测仪）用来计算带钢在生产线上的准确位置，并将跟踪信息以及现场实测数据传输给二级计算机和一级系统的其他功能单元。二级控制系统中的带钢跟踪从一级系统中接收电文，跟踪带钢或钢卷的位置及状态。

在整个冷连轧机区域内往往同时存在多卷带钢，为了协调冷连轧生产过程中的物料数据流和控制流，在任意时刻都必须明确轧机区域内钢卷所处的位置及其状态，以便提供或接收准确的数据，控制其它功能的执行，所有这些功能是由基础自动化和过程自动化中的跟踪功能协同完成的。

钢卷跟踪是过程控制系统的调度，它的主要功能是根据轧机L1循环上传的焊缝位置、设备动作及事件信号等信息，维护从轧机入口到出口鞍座整条轧线上的钢卷物理位置、带钢数据记录及带钢状态等信息，协调生产过程的顺序与节奏，并且实现带钢断带及分卷等特殊情况的处理。同时，跟踪还要根据事件信号启动其它功能模块，触发数据采集与发送、轧机自动设定和模型自适应等功能。整个酸轧生产线涉及到的主要跟踪点、触发事件及相关数据流。冷连轧生产线全线跟踪示意图见图3所示。

3　轧制过程数学模型

在冷连轧模型系统中，工艺数学模型是轧机设定计算的基础。冷连轧轧制规程制定、轧机参数设定计算、基础自动化控制参数及动态变规格参数计算中都将用到工艺数学模型。整个过程控制模型系统通过理论解析和现场测试数据回归相结合的方法建立了在线控制工艺参数计算的数学模型，给出了轧制力参数的在线模型和迭代算法。系统中的数学模型均是经过在线控制使用的实用模型，可以用于生产实际控制［3］。

3.1轧制力模型

轧制力模型在模型系统中处于核心地位,它是辊缝设定值计算、轧制负荷分配、AGC增益系数计算及板形控制设定的基础，轧制力模型的计算精度将直接影响厚度和板形的控制质量以及生产的稳定性。整个变形区包括入口弹性压缩区、塑性变形区和出口弹性恢复区。带钢上承受的轧制力总和如公式1所示：

在塑性变形区内将各个微单元上的轧制力求和，就可以得到使带钢发生塑性变形的轧制力，计算公式为：

根据虎克定律，入口弹性区的轧制力为：

出口弹性区的轧制力为：

3.2轧制力矩与电机功率模型

在变形区内，由轧制力所产生的力矩为所有微单元对轧辊产生的力矩之和，计算公式为：

轧件在水平方向上受到前后张力的作用，因此总的力矩还应包括前后张力产生的力矩。其中，后张力力矩使轧制力矩增大，前张力力矩使轧制力矩减小。因此，考虑张力力矩后的轧制力矩为：

3.3摩擦系数模型

冷轧过程控制模型系统中的摩擦系数计算结果将影响轧制力和前滑计算。摩擦系数是反应摩擦程度的参数，它与工作辊和带钢之间的摩擦系数主要与机架轧制油的润滑特性、工作辊表面状态、工作辊材质以及机组运行速度等因素有关。摩擦系数计算公式如下：

4　模型自学习

在鞍钢1450 mm酸轧过程控制系统中，轧制力模型、平直度模型等模型中存在的不精确性要通过模型自适应来修正。模型自适应要完成的任务就是对模型系数进行自适应计算，使模型的计算值经模型系数修正后逼近实际测量值［4］。

在自适应模块中要计算的模型系数有：轧制力模型系数、前滑模型系数、压下模型系数、轧制力矩模型系数、辊缝形状（二次项和四次项）。

计算出的这些模型系数将被保存起来，并通过短期继承过程将其应用于后续的相似带钢计算中，模型系数的长期继承过程由神经网络来完成。

模型系数自适应是对当前带钢进行的。在自适应模块中，通过对比模型计算所得值与当前带钢的相应测量值，确定自适应系数。

以轧制模型为例：通过给轧制力模型提供经检验的测量值，计算出被称作后计算设定值的量（在此为轧制力），将此计算值与相应的实际测量值进行比较，得到的比值定义为修正轧制模型的未经滤波的模型系数。

在自适应环节中，利用以上原则计算出的模型系数进一步划分为速度因子、长时因子、日因子和短时因子，四种因子的乘积为总的模型自适应因子。在自适应过程中，速度因子、长时因子和日因子由相应的神经网络获得，自适应模块的实际功能是计算总模型系数中的短时因子。

为了避免大的波动，要对计算出的短时模型因子进行滤波。未经滤波的模型因子与旧模型因子进行比较，并进行滤波，结果作为新的模型因子。滤波过程中的放大增益（加权因子）依赖于测量值的置信度，如果测量值检验结果良好，即置信度高，则放大作用强，否则，放大作用减至最小。整个模型公式的自适应如图4所示。

5　现场实际应用效果

鞍钢1450 mm冷连轧机过程控制系统已经在线稳定运行将近3年，完全满足了生产质量控制要求，轧制力模型计算值与实测值的比较如图5所示。

现场统计数据表明，通过模型自适应功能系统轧制力模型具有较高的控制精度，99.0%以上带钢的轧制力设定精度高达96.2%，达到了控制要求。为了提高电机功率的计算精度，根据现场测试数据拟合了各机架电机机械功率损耗模型参数，同时采用了模型自适应算法。通过对现场轧制数据的统计和分析可知，电机功率模型的计算偏差可控制在5%以内，满足了控制要求。

6　结语

本文依托于鞍钢莆田1450 mm冷连轧机组生产线新建项目，通过对冷连轧机过程控制物料跟踪系统、模型设定系统中数学模型、模型自适应算法等核心功能的研究，掌握了冷连轧生产线的控制系统及关键工艺技术，为鞍钢未来自主设计、集成和开发冷连轧机组自动化控制系统打下坚实基础。整个过程控制系统自投入在线应用以来，程序控制稳定，设备运行良好，产品的各项性能指标均达到或超过规定的指标，具有较高的控制精度，创造了明显的经济效益。

［1］刘金刚，王文天，李志锋，等.1450 mm冷连轧生产线过程控制系统功能分析［J］.鞍钢技术，2009（1）：35-37.

［2］王国栋，刘相华，王军生.冷连轧计算机过程控制系统［J］.轧钢,2003,20（2）:42-43.

［3］白金兰，王军生，王国栋，等.提高冷轧过程控制轧制力模型的设定精度［J］.钢铁研究学报，2006，18（3）：22-24.

［4］陈树宗，彭文，姬亚锋，等.基于目标函数的冷连轧轧制力模型参数自适应［J］.东北大学学报，2013，34（8）：1128-1131.

（编辑 袁晓青）

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

李红雨，硕士，工程师，1999年毕业于北京科技大学钢铁冶金专业。

E-mail：lhy@ansteel.com.cn

2015-02-25