铝热连轧轧件跟踪的应用与优化

郑自链

（中铝瑞闽股份有限公司，福建福州 350015）

0 引言

典型的“1+3”铝热连轧机组配置如图1所示。主要工艺过程：铝板锭经过加热炉加热，加热炉翻料机将铝板锭输送到炉前辊道，后经过单机架热粗轧机往返轧制成中间坯,经过重剪和轻剪切头切尾，再经过3机架精轧机连轧并由卷取机卷取。

对于“1+3”热连轧机组，从生产计划、进出炉、粗轧机轧制、精轧机轧制、生产实绩汇报的整个过程，均需要对相关的轧件带材进行检测和跟踪，以实现轧制过程自动化，包括实现基础自动化（L1级）的自动轧制功能，过程自动化（L2级）的排产和工艺信息下达、信号采集，以及与工厂制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）的生产计划接收和汇报。所以轧机跟踪系统是轧制过程自动控制中计算机系统的基础，也是自动化轧制不可或缺的部分[1]。

1 轧件跟踪的工艺过程

轧件跟踪是轧机自动轧制和过程自动控制的基础。轧件跟踪分为微跟踪和宏跟踪2类：微跟踪是跟踪系统的基础，通过微跟踪可以获取轧件在机组中实际的物理位置，触发相应的自动轧制功能和宏跟踪的标志位，同时在轧机模拟运行时，实现虚拟跟踪信号和数据管理，完成模拟轧制功能；宏跟踪包含轧件详细的工艺数据和所处的工艺状态，宏观上对带材的数据进行跟踪使带材和数据互相对应，同时完成工艺设定计算和工艺模型自学习的功能。“1+3”热轧机组的轧件跟踪流程如图2所示。

图2中①MES（L3）将生产计划下至L2，包含轧制序列，以及每个序列中的轧件信息流，包含卷号、合金号、轧件基本工艺信息和目标成品信息等。

L2在生产完后将生产实绩汇报给MES，包含已轧制轧件的卷号、合金号、轧件成品工艺信息等。

图2中②制造执行系统MES（L3）将生产计划下至立推炉，立推炉将炉内实际的装料计划返回给MES。

图1“1+3”热轧生产线

图2中③立推炉L1通过微跟踪确定铸锭在炉子中实际的位置和加热工艺信息。在出炉时将出炉的铸锭号和工艺信息发送给L2。

图2中④L2在接收到炉子的出料轧件号后，将相应的工艺预设值发送给粗轧机，粗轧L1根据收到的工艺预设定值进行生产轧制。当辊道接收到铸锭后，粗轧L1建立相应轧件的带材跟踪，实现自动轧制功能，并且在相关测量点将测量值发送给L2，以便进行工艺模型收集和优化设定值。

图2中⑤精轧机L1根据L2发送的工艺预设定值使轧机处于待命状态，在粗轧机轧制完将轧件运输到精轧入口轻剪处，精轧微跟踪系统和粗轧机微跟踪系统交换数据，完成轧件跟踪信息的接收和控制。精轧机在轧制完后将成品工艺信息发送给二级，并通过微跟踪系统，将卷材输送到平面库鞍座，等待移卷。图2中⑥为立推炉和粗轧机微跟踪之间信号通信，便于自动控制立推炉出料和粗轧机接料。

图2中⑦为粗轧机和精轧机微跟踪之间的信号通信，便于自动控制粗轧抛料和精轧接料，以及轧件所处的辊道的控制权交接。

图2“1+3”热轧机组的轧件跟踪流程

2 热轧各区域轧件的跟踪

在实际自动化生产过程中，轧件的微跟踪能让控制系统随时了解在机组中轧件的实际位置和控制状况，实现在规定的时间和联锁条件下启动和关闭各有关功能程序，对指定的轧件准确地进行各种控制、数据采集、操作指导，同时防止可能的设备事故发生[2]。在“1+3”热连轧生产线上，共有3个独立的跟踪功能来实现全线的轧件跟踪，即立推炉铸锭跟踪、粗轧机带材跟踪和精轧机带材跟踪。

2.1 立推炉区域的轧件跟踪

立推炉的轧件跟踪从铸锭吊入入口对中辊道开始到铸锭出炉完成。铸锭由行车吊出放至入口对中辊道，在对中完成后进入上料行走机构时，轧件跟踪触发。立推炉的人机接口（也称人机界面）会要求操作人员确认铸锭信息，建立该铸锭的轧件跟踪，铸锭进炉后将依照顺序推料的原则刷新炉内铸锭序列，即如果有进料，各个位置的铸锭信息和工艺信息按照顺序前移一位。同理出炉时重新刷新铸锭序列。

2.2 粗轧区域的带材跟踪

粗轧机的跟踪从铸锭翻到粗轧辊道开始到带材尾部离开轻型剪辊道。带材跟踪较立推炉复杂，因为轧件在轧机上往返轧制，物理上不断延展，带头带尾的位置不断变化。需要依据跟踪模型进行计算，并且依靠标定信号进行标定。粗轧机的带材跟踪模型有2个轧件跟踪信息，满足2块料的连轧需要。

2.3 精轧区域的带材跟踪

精轧机的跟踪从轻剪剪切完成后接收粗轧来料到带卷由平面库鞍座被吊离。精轧机是将带材轧制成单卷，因此其带材跟踪对于准备或者正在轧制的带材，依靠入口光电开关和F1-F3机架的咬料信号来标定计算头部和尾部的位置，完成自动轧制。对于轧制成卷的卷材，则依靠运卷小车和相应光电传感器的状态来跟踪卷材的位置。

3 热粗轧机轧件带材跟踪原理及实现

3.1 跟踪模型计算原理和硬件组成

粗轧机机组从炉前辊道到轻剪出入口辊道全长约347 m，共计36组辊道，每一组辊道由一个传动控制速度，辊道旁安装19组对射式光电开关。跟踪计算模型中将每一组辊道划分为一个跟踪区，沿着辊道方向设定为一个X轴，设定第6#光电开关的位置坐标是0，往精轧方向为正值，反之则为负值。每一组辊道的物理位置都有对应的坐标位置，在带材正向或反向运动时，根据头部和尾部所在位置跟踪区的辊道线速度计算头尾的位移，从而得到带材跟踪的信息，同时依靠对射式光电开关进行位置整定。当光电开关被遮挡，输出常1信号，反之输出常0信号。轧机的“咬料信号”相当于一个光电开关，带材咬入输出1信号，无咬入输出0信号。因此当带材正向移动时，光电开关输出上升沿信号时，模型自动将带头位置标定为该光电开关的位置，光电开关输出下降沿信号时，模型自动将带尾位置标定为该光电开关位置，反向运动时候则相反。

3.2 跟踪模型的软件实现

带材跟踪的程序编写是基于西门子S7-400 PLC，带材跟踪的数据见表1。

表1 带材跟踪的标志位名称及含义

2个带材跟踪计算有主辅之分，即默认情况下投用1#跟踪，只有当1#跟踪被占用，第二块料进入轧机时，2#跟踪才投用。这样使2个跟踪有序进行工作而不至紊乱。

因此，该跟踪计算的实质是基于“事件”触发的程序原理。程序的流程如图3所示。

4 问题及优化措施

4.1 跟踪开始计算的标志位问题系统的带

材跟踪建立是在轧件头部经过某个特定的光电开关时（第六组光电开关），将头部位置标定为位置0，轧件尾部也同理，从而刷新带材头尾的位置。在实际现场应用中，安装在辊道旁的光电开关由于现场设备的震动、环境灰尘等因素，标定信号不稳定，易造成误标定，使跟踪自动紊乱，造成自动轧制功能混乱甚至引起设备故障。

针对上述情况，可以采用立推炉翻料机在铸锭翻至辊道时开始建立带材跟踪。可通过和立推炉的控制器通信，获取立推炉的微跟踪信息。通信报文如表2所示。

图3 程序流程

表2 微跟踪信息标志位名称及含义

当立推炉翻料机将铸锭翻到辊道上时，触发出炉完成标志位，模型根据接收的炉号和出炉的铸锭长度自动建立跟踪并且计算出头尾的位置。

4.2 光电开关的抗扰动滤波问题

由于现场工况，对于光电开关的修正信号需要采用滤波处理和设置有效感应距离等来最大限度的保证标定信号的准确。由于现场的光电开关不是按照距离平均分布的，因此对有效感应距离进行差异化，不同的光电开关位置对应不同的感应距离，以提高标定信号的准确度。

4.3 辊道速度的异常问题

在光电开关之间，运动中的带材是根据带材头尾所处的辊道线速度来计算位置，如果在生产过程中该辊道的传动单元发生故障（如堵转、过载等），此时刚好计算速度取该辊道的速度，而该速度为0，这样跟踪模型计算出的位置就会出现大偏差。因此需要将该计算速度的取值进行有效性判断。如果该速度无效，则自动取后一组辊道速度进行计算。

4.4 人工干预功能

设计跟踪修正功能，便于操作人员根据实际位置方便的进行修正，可以及时避免因为跟踪信号错误造成的设备控制混乱。跟据现场经验，带材打滑及带材跟踪失真多发生在轧机出、入口侧和立辊轧机入口侧，因此设计人工可以在这几处一键修正带材跟踪的功能。

4.5 自动剪头时带材跟踪的处理

在重剪和轻剪自动剪切时，系统是依照带材跟踪进行定位停车的。以剪切尾部为例，定位停车的计算公式为S1=S0-ΔSΔS1。其中，ΔS是人工设定需要剪切的长度；ΔS1=v2/2a是带材停车的速度斜坡位移；S0是剪刃的坐标位置。当带材尾部到达S1位置后，启动停车信号，辊道停止。在实际应用过程中发现定位停车的偏差很大，而且不同宽度带材偏差不同。主要原因为离重剪入口侧最近的一个光电开关距离为3.4 m，当轧件带尾经过该光电开关重新整定位置后，到定位停车位置都是依靠辊道线速度计算的。辊道线速度和角速度的关系见式（1）。

式中v——辊道线速度，m/s

n— 辊道转速，r/min

I— 减速箱速比

a— 辊道加速度，m/s2

D—— 为轧件边缘所处的辊道直径，m

影响整个定位停车的精度的因素是D，即轧件边缘所处的辊道直径。对于锥形辊道来说，辊道直径D由带材宽度W决定。针对该问题，可以对应不同的宽度提供相应的位移补偿SK，来修正停车目标值S1，提高定位精度。则定位停车的计算公式可以转换为S1=S0-ΔS-ΔS1+SK。

即对于不同的带材宽度Wi，人工标定定位，采集补偿值SKi，建立多组（Wi，SKi）数据表。程序中将采样的数据表进行采样点间线性化处理，对不同宽度的带材计算出不同补偿系数，这样采用的数据越多，计算出来的补偿量越准确，能够有效减少停车产生的精度偏差。

5 结束语

轧件带材跟踪是轧机自动控制系统的基本功能，稳定准确的跟踪系统能够确保自动轧制功能的正常准确运行。虽然跟踪系统在原理上和工程应用上已经相当成熟，但是对于不同的设备工况，还有很多技术细节需要考虑和完善。

［1］朱海涛.铝板带热连轧机带材跟踪控制［J］.铝加工，2006（4）：23-25.

［2］丁修堃.轧制过程自动化［M］.北京：冶金工业出版社，2009：36-52.