热粗轧机厚度自动控制系统应用

陈淦　陈秋霞

摘 要：铝材厚度控制精度是热轧铝板产品质量的关键指标之一，研究厚度自动控制系统技术及其应用具有重要意义。基于此，文章综合分析了厚度误差产生的因素，同时阐述了厚度自动控制的具体应用以及故障诊断。

关键词：热粗轧机；厚度自动控制系统；弹跳；辊缝

引言

厚度控制系统是轧制自动化系统中不可缺少的一部分，它关系到板带的厚控精度与性能及其成品率。热粗轧轧制的产品质量，不单单影响在粗轧机工序，影响到整个热轧线的生产效率，更能影响到热精轧的轧制产品质量问题。因此厚度控制成为生产中的重中之重，通过自动厚度控制达到消除厚差以及产品质量问题。

1 厚度误差产生原因分析

一般而言，厚度误差的产生原因包括三个方面，即轧件材料因素、轧机控制系统干扰因素和机械设备因素。

（1）轧件来料干扰因素。其中，轧件来料的宽度、硬度、厚度、平直度和断面等因素都会影响到产品的厚度。

（2）轧机控制系统的干扰因素。控制系统中影响铝板厚度精度的主要因素包括轧机的速度、轧制力、弯辊、张力、厚度传感器。

（3）机械及液压装置的干扰因素。轧机机械装置本身的缺点及某个参数的变化会影响出口带钢的厚度，表现为轧辊弹跳、轧机刚度、轧辊直径及宽度的变化、轧辊热胀冷缩、轧辊轴承油膜厚度等。

2 厚控控制系统组成

（1）检测装置包含位置测量和压力测量，其中压下测量采用增量式编码器，用于检测压下电机的速度，进而计算出压下量。压上测量采用磁尺位移传感器，测量压上缸行走位置，用于位置环控制。压力传感器，用于测量压上油缸压力，用于压力环控制。

磁尺位移传感器具有高精度、高可靠性、高频响性，响应频率快，维护方便等优点。压力传感器采用进口元件，保证高可靠性和稳定性。高可靠性的检测装置，保证板带的轧制精度。

（2）执行机构包含压上液压油缸，压下电机和螺杆，弯辊缸，伺服阀，伺服阀放大版，西门子S7-400PLC控制器。通过调节压上缸伺服阀的进油和出油来控制油缸的升缩，进而达到精确控制辊缝的目的。通过调节伺服阀的进油和出油来控制弯辊缸的伸出、缩回，从而控制弯辊力的大小。

（3）控制部分包含三个部分，分别为油缸模式，AGC控制模式和人机界面（控制软件）。

油缸模式包含位置闭环，压力闭环，弯辊控制。AGC控制模式包含GM-AGC，弹跳补偿，倾斜补偿。人机界面包含HMI主界面和轧制表。HMI主界面由轧机刚度测量，系统靠零，控制参数修正，系统诊断，带材设定和输入数据，轧制表和轧制序列，报警状态等组成。

3 热粗轧机自动厚度控制具体应用

3.1 轧机靠零

由于在板带轧制过程当中，轧辊对板带的压力使轧件产生塑性变形，板带从入口厚度H压缩到出口厚度h。与此同时，板带也给轧辊以大小相同、方向相反的反作用力，这个反作用力传到轧机本体各部位的零件，使各零件产生一定的弹性变形。这些弹性变形累积后都反映在轧辊的辊缝上，使辊缝增大，这就被称为弹跳。实践表明，在轧制力P的作用下，工作机座会产生弹性形变量ΔS其形变量ΔS与轧制力P之间的关系曲线，称为弹跳曲线。

由于机座各零件之间的非线性接触变形并不是稳定的，并且每次换辊都会有变化，所以在实际生产中轧辊的实际零位是不难确定的，这样摆辊缝时的基准点就不能够确定，因此不能将弹跳方程直接用于控制板带的轧出厚度。在实际生产中，为了消除上述不确定的影响，就需要轧机靠零。

靠零过程按照一下步骤执行：（1）电动压下抬起开辊缝50mm；（2）液压压上上升40mm；（3）压下电机动作下压；（4）轧制力大于30吨时，液压压上；（5）轧制力大于90吨，工作辊以靠零转速转动；（6）轧制力大于900吨，支撑辊旋转1-2圈后，存储参考零点，然后开辊缝至指定位置，结束。实践表明轧机靠零可以消除各不确定因素，为轧制精度提供保障。

3.2 自动位置控制系统（APC）/自动压力控制系统（AFC）

在轧制过程中先将辊缝自动地控制到预先给定的目标值，并且使控制后的实际位置与目标位置误差值保持在允许的偏差范围之内，这种控制系统称为自动位置控制系统，简称为APC系统。为了按要求轧出所给定厚度的轧件，首先必须在轧件进入辊缝之前，应预先设定辊缝；其次，在轧制过程中，为了使轧后的轧件厚度保持均匀一致，还必须跟随轧制条件的变化及时地调整辊缝的大小，而这些都是通过APC的设定和辊缝调节及时完成的。

3.2.1 自动位置控制系统（APC）

由于粗轧机来料厚度大，并且每个道次压下量较大，在自动摆辊缝的过程中，液压缸的行程有限，故采用电液APC系统。这样电动APC起粗调作用，液压APC配合电动APC起精调作用。

电动APC系统，电动压下位置采用双闭环控制模式，外环为目标位置控制方式，内环为速度环控制方式。通过增量型旋转编码器来检测压下电机的位置和速度，通过计算得到停车的提前量，在到达停车点前向压下电机发送停车命令。由于停车后会有位置偏差，但是此位置偏差可以通过压上油缸的位置调整加以补偿，这种控制方式可以避免因位置超调而引起电机反转所产生的压下螺丝与螺母之间的间隙。

液压APC系统由伺服阀放大器、伺服阀、压上油缸以及索尼磁尺等环节组成，其工作过程为，当轧辊的实际或辊缝与设定值之间产生偏差，此偏差信号经FM458计算并经伺服阀放大器，驱动伺服阀动作，进而驱动油缸，从而使轧辊的位置向目标设定值移动，直到轧辊的实际位置与设定值相等，使偏差为零，油缸停止移动，辊缝保持不变。

3.2.2 自动压力控制系统（AFC）

压力控制是AGC控制的第二个基本内环，它需与其它AGC模式一同使用。安装在压上油缸上的压力传感器检测负载操作侧与传动侧油缸的压力，经转换得到轧机轧制力反馈信号，反馈的轧制力信号和压力给定信号相比较，用两者的差值来驱动伺服阀，调整压上油缸使差值趋于零来实现实际轧制负载与操作者给定轧制负载相一致。压力控制主要用于轧机预压靠调零、軋机调试、轧机刚度测量、压力-张力速度AGC控制及故障诊断等。

4 故障诊断

在实际生产过程中，难免出现故障。故障可以发生在液压油缸漏油，磁尺位移传感器损坏，压力传感器损坏，压上伺服阀堵塞等，导致厚控受到影响。这些故障可以通过HMI诊断画面，报警表以及labview数据记录曲线综合判断出故障范围和位置。数据的记录和各传感器的在线观察，为故障排除提供了便捷。

5 结束语

热粗轧机厚度自动控制系统对于保证铝材厚度的加工精度具有重要意义。文章综合分析了热粗轧机厚度误差的产生原因，分析了自动控制系统在瑞闽热轧机的具体应用。自动厚度控制系统在实际生产中取得了良好的效果，为产品质量提供基础。

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