唐钢1810mm热轧平整分卷自动化控制系统集成开发

【摘 要】介绍唐钢1810mm热轧平整分卷自动化控制系统。项目借鉴国内外先进平整机组的经验进行自主研发，掌握核心技术。对控制系统一级、二级、三级进行整体考虑，然后进行设计和优化，对控制系统硬件和软件功能进行针对性的集成和研发，开发一、二、三级综合自动化系统，提高系统自动化程度，改善控制效果，从而实现在线控制与优化的一体化，提高生产效率。

【关键词】热轧平整分卷 综合自动化系统 自动延伸率控制 钢卷跟踪 TDC

1 引言

近些年来，我国陆续建成了多条现代化的热连轧板带轧机机组，随着钢铁冶轧技术及其自动化程度的不断提高，国内外市场对热轧板带质量（如带钢的板形、机械性能和表面质量等）的要求也日益严格，平整分卷机组作为热轧成品卷出厂前最后一道工序，对于控制板形，改善力学性能和表面质量起着重要作用，已经成为生产高质量热轧成品商品板不可缺少的设备。

2 设计方案

硬件方面，本着控制结构简单，运行稳定高效，备件统一，维护方便的原则进行设计，使用响应速度更快、时间更短的SIMATIC TDC控制器进行自主集成。

软件方面，主要功能有：基础自动化的基于轧制力控制的自动延伸率控制；二级过程自动化的平整分卷生产跟踪系统；二级自动控制与产销系统通讯程序。同时，针对生产不同种类的产品时，被控对象的不确定性，引入了非线性增益的自适应控制模型，改善控制系统对产品的适应能力。平整分卷控制系统分为一级基础自动化控制系统和二级过程自动化控制系统两部分。系统结构图如图1所示。

图1 控制系统结构图

3 功能技术研发实现

3.1一级自动化系统软件的功能开发、程序编写

应用于平整机组的延伸率控制方法主要有基于张力控制的延伸率控制和基于轧制力控制的延伸率控制。由于基于张力控制的延伸率控制，对板带厚度超过1mm的带钢控制效果比较差，所以本系统采用基于轧制力控制的延伸率控制方案。如图2。

图2 基于轧制力控制的延伸率控制

延伸率 定义为平整处理前后带钢厚度变化的百分比 = h0 - h1 h1 * 100%

其中：h0 为入口带钢厚度，h1为出口带钢厚度。因带钢轧制过程中秒流量相等，在忽略宽展的情况下，有： = l1 - l0 l0 * 100%

其中：l0 为测量周期T内的入口带钢通过长度，l1为同一周期内出口带钢通过长度。带钢长度通过安装在平整机入口及出口的测量辊上的高精度编码器测量。

在使用轧制力使带钢产生延伸时，轧制过程可以表示为一个由“轧制力调节过程”和“带钢变形过程”两个环节串聯组成的模型。“带钢变形过程”反映带钢延伸率与平整机轧制力之间的关系。除轧制力外，在轧制过程中还有许多因素会影响带钢延伸率，主要包括：带钢的材料强度、带钢宽度、带钢厚度、轧制速度、带钢所受的拉力（出口及入口的带钢张力差）、工作辊直径、轧辊与带钢间的摩擦。

实际测试表明，虽然上述因素都将影响这一环节的传递特性，但该传递特性始终非常接近一条过零点的直线，即： = k*F。其中：F为轧制力，k为系统增益，该增益为一个变量，需要在控制过程中实时计算。在控制系统中，将实测的延伸率与设定的延伸率相比较，并将偏差换算成轧制压力的波动进行调节。如图3。

图3轧制模型图

带钢的轧制过程是非常复杂的，目前的轧制数学模型都是在理想条件下，忽略了许多因素简化金属成型过程而得到的，所以目前的数学模型很难满足高精度轧制的要求。这种情况下则需要引入自适应模型以确定受控系统的增益。自适应模型与受控系统具有相同结构并给予相同的输入信号，将模型输出与系统输出进行比较，不断修正模型的增益值直至两者的偏差达到最小。

根据自适应模型实时得到的增益系数，计算达到目标延伸率所需的轧制力，与预设定轧制力比较得到轧制力修正量，经限幅后传送到轧制力控制单元。

3.2平整分卷控制系统二级控制系统基本功能

过程自动化系统的功能主要包括以下几部分：钢卷跟踪，与三级系统进行通讯，轧制计划管理，生产记录等。

（1）过程自动化钢卷跟踪系统。我们根据系统中的各步骤的工艺要求编写了子程序和功能块，主要有跟踪与三级通讯程序、三级下达生产计划程序、人工录入PDI数据程序、生产配方管理程序、跟踪与一级通讯程序、跟踪与打捆机、打号机通讯程序、动态钢卷跟踪程序，上传三级生产实际程序，日志记录程序及系统报警程序等。

（2）二级自动控制与产销系统通讯程序。系统根据现场实际生产的需要，具体划分为4大功能块，一、与产销一期（L3）系统进行通讯，通讯的内容为从产销系统进行生产计划的下达。二、与产销系统进行通讯，通讯的内容为现场钢卷生产的实际数据（实际重量，生产时间，结束时间，班次，卷数等），将这些数据传递给三级产销系统。三、与产销系统进行通讯，通讯内容为二级的拒绝卷信息。四、与产销系统进行通讯，通讯内容为生产线上的生产停机信息。此4大模块将现场生产的实际情况完整的反映给三级系统，以便三级系统及时调整生产计划，提高生产效率。

4结语

系统投入运行以来，控制精度高，稳定可靠，功能完善，监控操作灵活方便。带身厚度公差控制在0.03mm内，延伸率公差控制在2%以内，屈服强度为600MPa时，平直度改善情况如表1所示。

系统自动化程度高，实现了自动换辊、自动上卷、自动卸卷等功能，大大节省了操作时间，提高了生产效率，同时也减少了操作人员的劳动强度。生产线消除了来料的浪形缺陷，改善了带钢的平直度和机械性能，产品的板形良好、卷形整齐无塔形、深受广大用户的好评，同时也创造了可观的经济效益和社会效益。可应用于平整分卷生产线的新建及技术改造，前景广阔。

参考文献：

[1]中国金属学会热轧板带学术委员会.中国热轧宽带钢轧机及生产技术，冶金工业出版社，2002.

[2]白振华.平整机轧制工艺模型[M].冶金工业出版社，2010.

[3]屈尔庆.平整分卷生产线过程自动化控制系统设计.世界金属，2013.

作者简介：赵晓曦（1982—），男，河北唐山人，本科，工程师，长期从事PLC编程调试工作，主持参与过棒材、热轧宽带、热轧平整分卷、焦化、冷轧镀锌线工程。