板带钢冷轧的板型自动控制系统
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摘要：本文主要介绍在板带钢冷轧生产过程中广泛应用的板型自动控制系统，具体包括了自动厚度控制系统、自动位置控制系统以及自动张力控制系统，并分析了版型自动控制系统对于板带钢生产中在降低成本和提高效率方面起到的积极作用。
关键词：板带钢；板型自动控制
引言
板带钢材产品是汽车、建筑、家电等行业所必不可少的原材料，而板型自动控制系统在板带钢材的制备过程中发挥着至关重要的作用。现代板带钢冷轧技术的特点体现在多变量轧制过程中涉及的物理量较多，它们随着时间与空间变化，而且这些系统变量相互之间存在着强耦合性，这就对于开发应用在板带钢冷轧生产中基于上述变量的板型自动控制系统提出了更新更高的要求。
1 自动厚度优化控制系统
自动厚度控制系统(Automatic Gauge Control System，简称AGC系统)是板带钢冷轧板型自动控制系统重要的一个组成部分，它负责对板带钢材厚度精度进行自动控制，从而使得板带钢材的厚差符合工业标准，同时提高板带钢材的成品率。本文主要介绍的是一种改进的自动厚度优化控制系统，不仅能够解决多变量的相互耦合作用，又可以对板带钢材轧机系统进行优化控制，从而保证产品质量，提高轧机的生产效率。以一个通常的板带钢材轧机系统为例, 整个轧机系统由轧机设备、自动厚度控制系统和厚度传感器组成这种控制方式和轧制速度结合起来可以获得最优的轧制速度，一方面保证产品质量，另一方面又可以提高轧机效率。
1.1 自动厚度控制系统的控制模式
（1）张力控制模式
在自动厚度控制系统的张力控制模式下，板带钢材厚度的闭环控制主要通过开卷张力进行。在这种控制模式下，张力输出直接控制轧机的驱动模块，从而开卷驱动电机的电枢电流进行自适应性调节。而金属卷的实际张力一般情况下是通过计算或测量得到的，但实际中也会通过电机电枢电流得到，这就需要电枢电流和绝对张力成正比。这种张力自动厚度控制模式可以用于厚度适中和厚度较小的板带钢材的轧制过程。
（2）速度前馈控制模式
速度前馈主要功能是用来将因为速度变化而造成的出口厚度的扰动降低到最小程度。该模式的实现可以通过一个前馈变换增益，把速度的变化转化为对张力设定值或者压力（辊缝）设定值的调整量。而在实际中设定值的改变是通过将设定值减去速度变化量来实现的，这样可以很大程度上抵消了速度变化带来的影响，实现解耦控制。如果厚度过于薄，通过控制可以使得速度同时下降，如果厚度过厚，通过控制可以使得速度同时上升，在这种情况下速度前馈控制模式将不会被启动。
1.2 自动厚度控制系统的优化模式
（1）速度优化控制
速度优化控制的主要原理是，在轧机开卷启动的过程中，通过一定的方法使得轧制速度在很短的时间内形成线性增长，直到厚度值降到一个预先设定的值以下。在轧机正常的运行过程中，该系统可以用来保持张力控制量保持在一个允许的操作范围内。如果张力大于操作范围上限，系统可以通过控制提高速度，从而使得张力变小，如果张力小于操作范围下限，系统可以通过控制降低速度，从而增大张力。在自动厚度控制系统的张力控制模式下，速度优化的目的是让开卷机张力工作在张力的最小值下，这样便允许足够高的速度，同时在任何方向都留有充足的张力用来控制范围。
（2）压力优化控制
压力优化控制的目的是用来对轧机的负荷进行优化，从而使得轧机工作在允许最大的轧制速度。通常轧机的压力会把开卷张力稳定在其允许范围内的一个数值上，这样使得张力能够在两边方向都能对厚度误差保持敏感快速的响应。压力优化控制系统和张力自动厚度控制系统、速度优化控制协同工作，如果张力超过所需中间范围值的上限，通过控制系统使得压力增大，而如果轧制速度比设定值小，并且张力小于允许速度增长的张力限值，控制系统将减小压力以允许最大的轧机速度。
2 自动位置控制系统
自动位置控制(Automatic Position Control，简称APC) 是板带钢材轧机版型自动化控制系统中另一个重要组成部分。自动位置控制系统通过预先将各种轧制规程存储到系统内，在实际运行过程中根据所需的板带钢材轧制条件(如钢种、锭型、钢坯等信息)自动或是手动选择符合条件的轧制流程并按照此流程对轧机进行自动控制，控制的精度和行程的时间是其主要指标。为了满足轧机生产的要求，更好地完成对于位置的自动化控制，这就要求相关人员能计算出其控制规律，设计出高效可靠的程序，自动位置控制的软件设计就是基于这一目标而进行的。其性能指标主要包括两个方面，一是响应时间快，二是定位精度高，也就是定位误差较小。
在整个系统中，因为压下位置是通过电动机进行驱动的，所以可以考虑借助电动机的同轴传动的自整角机或者是编码器来检测。压下位置可由操作台上人工给定，也可通系统自动给定。压下位置控制的原理是一个带位置感应反馈的三环控制系统，其中位置调节器可以通过PLC编程实现，自动位置控制系统的控制功能主要有以下几点。
（1）设备间通信功能
以TMEIC-GE传动设备为例，PLC与传动之间通过TC-NET网络进行通信，PLC将数据通过TC-NET网传输到传动装置，然后对电机动作进行控制。如果不使用通信，则可以直接使用通过PLC采集模拟量信号，也能够实现PLC与传动装置之间的数据接收和发送。
（2）压下硬保护
为了防止“座辊”、“冲顶”故障的发生，可以在轧辊的上极限和下极限位置分别设置一个限位开关。如果检测到该限位开关动作，应当断开直流传动装置电源，自动位置控制系统会将送给传动装置的速度给定信号置零，并将故障的类型在HMI画面上显示，进而防止“座辊”、“冲顶”故障的发生。
3自动张力控制系统
在板带钢材的冷轧过程中，张力是一个重要的工艺参数。任何因素引起的张力值波动，一方面会破坏本机架的平衡状态，还会通过板带钢的顺流和逆流破坏轧机系统的平衡。所以保持冷轧机机架间张力为常数对于提高产品的厚度和板形精度有重要意义。
为了保证低速、分卷、轧机调节三个不同工作周期中机架间张力的稳定和生产板形的质量，通常情况下自动张力控制系统根据情况不同可以分为两种工作模式：速度ATC控制模式(低速ATC)和压下ATC控制模式(高速ATC)。机架间张力的控制主要用于保持张力在给定值接近的固定范围内从而在很大程度上避免了断带的发生。在实际中每个机架间都安装有一台张力计提供张力反馈，两机架间的速度、辊缝位置的变化都将直接影响到机架间的张力。上游机架速度降低或是下游机架辊缝位置增加均会使得机架张力增加，相反，上游机架速度升高或下游机架辊缝位置减少都会使机架张力降低。
4 结束语
版型自动化控制系统在板带钢材的冷轧生产中的应用很好的解决了生产工艺中的一些疑难问题，可以获得较高的控制精度和控制效果，从而实现节能降耗、提高生产效率的目标。
参考文献
[1] 杨节. 轧制过程数学模型［M］.北京：冶金工业出版社，1983
[2] 汪祥能. 现代带钢连轧机控制［M］.沈阳：东北大学出版社，1996
作者简介
姓名：刘昕
性别：男
出生年月：1982.11.09
单位：河北钢铁集团唐山分公司
职称：中级
籍贯：河北唐山
研究方向：冷轧酸连轧电气自动化（侧重轧机方面）