攀钢1450mm热连轧机自动宽度控制(AWC)技术

作者：焦景民（1、2），付开忠（1），付广夫（1），张 芮（1），孙黎鸿（1），蔡少华（1），王登刚（1），雷洪刚（1），宋 敏（3），李国涛（3） 作者单位： （1）攀枝花新钢钒股份有限公司热轧板厂 （2）东北大学 （3）北京金自天正智能控制股份有限公司 ［摘 要］攀钢自动宽度控制系统由二级过程计算机和一级自动化系统TCS组成，二级计算机通过准确的跟踪系统跟踪带钢和处理数据，并通过模型系统计算AWC所需的辊缝等工艺参数；通过前馈和反馈技术，TCS按照二级模型给出的工艺参数实时变换立辊开口度来控制带钢的宽度。 攀钢1450mm热连轧机组粗轧区由两台粗轧机组成，每台粗轧机由立辊轧机和水平辊轧机组成，如图1所示。 粗轧主要通过立辊的侧压来控制中间坯的宽度，从而达到控制精轧出口带钢的宽度；粗轧机在奇道次轧制时，中间坯宽展由立辊挤压后进行轧制产生的宽展与水平辊轧制时产生的宽展组成；偶道次轧制时，立辊打开，只有水平辊轧制时产生的宽展。中间坯的宽展决定了中间坯各道次的出口宽度，而宽展又受到原始坯料宽度、厚度、轧辊直径、压下量、侧压量、温度等多方面因素的影响，致使中间坯宽度在全长方向上变化不均，尤其是头尾的变化较大。 为了得到理想的中间坯宽度形状，攀钢1450mm热连轧机安装了长行程伺服阀液压缸控制立辊开口度的自动宽度控制(AWC)系统，主要功能包括中间坯头尾短行程控制、形状补偿控制和温度补偿控制功能。 利用跟踪系统激活自动宽度控制模型系统和各道次的自学习功能，通过通信系统获得精轧的规程设定，用来确定粗轧的出口宽度，并利用精轧出口的实测宽度反馈快照数据进行自学习计算，控制精轧出口的带钢宽度。 攀钢14501mm热连轧机自动宽度控制系统包括一级自动控制系统和二级自动控制系统。TCS计算机主要负责设备的执行，Alpha计算机主要负责轧制规程及AWC各项功能的模型计算。 1 自动宽度控制系统网络结构 网络系统采用星型结构，见图2，粗轧二级系统与加热炉Alpha计算机、精轧机Alpha计算机、数据中心PC服务器、一级自动化系统、三级自动化系统之间的通信采用TCP／IP。 图2 AWC系统网络结构 粗轧二级系统与其它Alpha计算机之间通过两种类型的数据表进行数据交换，分别采用信息表和共享表。该系统采用五个独特的网关程序与外部计算机与一级自动化系统进行通信，通信方式采用标准的TCP／IP协议，但每个连接只用一个套接字，粗轧二级系统作为服务端，外部计算机作为客户端。网关程序接收到外部数据后无条件地把数据传送给粗轧二级系统内部与之建立连接的进程，网关程序也无条件地把内部进程发送到网关的数据传送给与粗轧二级系统建立连接的外部计算机。为了监视粗轧二级计算机与外部计算机的连接状况，粗轧二级计算机与外部计算机之间相互发送心跳信号(每10s一次)，如果超时没有收到心跳信号(Watchdog)，粗轧二级系统将重新进行监听并报警，等待外部计算机重新建立连接。 粗轧二级系统内部进程之间的通信是将每个进程视为独立的服务客户进程，既是服务端，又是客户端，分别由一个服务类和客户类实现，每个进程采用多线程的方式建立每个TCP／IP连接。 2 跟踪系统 粗轧二级跟踪系统是AWC宽度控制的前提，只有正确地跟踪，AWC模型系统才能在正确的时刻被启动，宽度控制才能得以执行，其主要功能为：跟踪带钢在轧线上的准确位置；启动相关的条件和相应的事件；提供粗轧模型自学习功能所需的合理实测数据。粗轧跟踪区域的划分见图3。 图3 粗轧跟踪区域的划分 跟踪从加热炉出炉到热卷箱前辊道。整个二级跟踪系统划分为7个跟踪区，分别是Fur、Approach、Standl、Interl、Inter2、Stand2和Exit跟踪区，前4个区由粗轧机R1跟踪进程管理，后3个区由粗轧机R2跟踪进程管理。 2.1 跟踪系统的实现 粗轧二级系统收到加热炉计算机发来的出钢信息后，粗轧R1跟踪进程把钢卷放人Fur跟踪区；当热金属检测器HMD201检得、辊道正转、Fur跟踪区有钢、Approach跟踪区无钢时，粗轧R1跟踪进程把钢卷放入有钢放入Approach跟踪区；当热金属检测器HMD202检得、Approach跟踪区有钢、Standl跟踪区无钢日十，粗轧R1跟踪进程把钢卷放人Standl跟踪区；当热金属检测器HMD204检失、Standl跟踪区有钢、Interl跟踪区无钢、经几秒钟延时且钢坯到达末道次后，粗轧R1跟踪进程把钢卷放人Interl跟踪区，R1跟踪进程到此结束。然后用TCP／IP电文把钢卷信息送到R2跟踪进程，R2跟踪进程收到由R1跟踪进程送来的钢卷信息后，从数据库中读取相应的带钢数据，如果这时Inter2跟踪区无钢，则粗轧n2跟踪进程把钢卷放入Inter2跟踪区，同时送一条电文通知R1跟踪进程把板坯从Interl跟踪区删除；当热金属检测器HMD206检得、Inter2跟踪区有钢、Stand2跟踪区无钢时，粗轧R2跟踪进程把钢卷放入Stand2跟踪区；当热金属检测器HMD209检失、Stand2跟踪区有钢、Exit跟踪区无钢、经几秒钟延时且钢坯到达末道次后，粗轧R2跟踪进程把钢卷放人Exit跟踪区；当热金属检测器HMD210检失，粗轧R2跟踪进程删除Exit跟踪区中的板坯，粗轧区跟踪结束。 2.2 跟踪系统中疑难问题的处理 2.2.1 跟踪映射时竞争资源的问题 在跟踪进程的每一处映射段都设置跟踪程序，发现如果R1和R2抛钢时间差小于30ms时，其中一块钢就会消失，通过分析，事实上是发生了同时映射、资源竞争问题，因此把跟踪区的共同映射资源加上锁，在同一时刻请求资源的程序如果遇上锁就等待，映射完成后的程序释放资源，打开锁，并设置一个局部事件标志通知其他等待的程序锁已经打开，等待的程序就会按照先进先出的顺序依次进行映射，获取资源。 2.2.2 抽头问题 由于轧出时带钢翘头，操作工抽回业平整，然后再轧，可能来回抽几次，这就影响轧制道次的计算，每次得到咬钢信号后，轧制道次增加1，每次抽头，再咬人，实际道次没变，而程序中道次增加了。 最初的处理办法是在咬钢前锁住道次，带钢头部轧出遇到第1个HMD时解锁，这时道次才可以增加，这只能保证在出门HMD没有检得带钢时，操作工抽头，再咬入时道次不增加。后来改为延长锁定时间，取更远一点的HMD做解锁信号，但这也没有根本解决问题，如果操作工轧出较长的带钢后再拉回来平整，只要解锁的HMD检得，再咬钢时道次就会增加。 完全解决抽头的办法是把抛钢信号引入跟踪条件，当出口HMD检得，并且抛钢时才解锁，这样操作工无论如何抽头，都不会同时满足这两个条件，只有带钢真正轧出此道次，锁才能打开，这样就完全保证了物流和信息流的一致。 3 模型系统 WC模型系统程序总流程图如图4所示。 图4 AWC模型系统总流程图 3.1 模型计算 由于水平辊模型计算与一般的轧制工艺计算步骤和方法基本相同，这里不再详述，仅介绍立辊模型的计算。 3.1.1 立辊磨损模型的开发 最初的AWC系统中没有立辊磨损模型，每次立辊更换后，轧出的带钢严重窄尺，使AWC控制功能失效，严重影响产品质量。 经过分析，立辊更换周期较长，一般3个月才更换一次，而带钢宽度的控制主要是通过设定立辊的辊缝来完成。正常轧制时，由于每天立辊磨损不大，依靠立辊的计算机自学习系数完全可以弥补，随着立辊的磨损增大，立辊自学习系数随着增加，这样当立辊磨损很大时，自学习系数也变得很大，这时的模型就适应这时的立辊直径(磨损后的直径)。但换完立辊后，几个月累积的磨损已经很大，不能忽略了，按这时计算机的自学习系数计算的辊缝就会由于新立辊的大辊径而变得很小，轧出的带钢自然就窄尺了。 为此开发了立辊磨损模型，建模方法如下。从实际中可以看出立辊的磨损量和轧制吨数具有非常好的相关性，通过大量的数据收集，计算结果数据稳定，大约是每千吨轧制量产生的立辊磨损量为0．05mm。 带钢立辊磨损模型为： C＝F／WLC 式中，C为立辊磨损量；F为轧制力;W为带钢宽度；L为带钢长度；C为磨损系数。 则磨损系数 C的计算如下： C＝GW／(FL) 通过实测每千吨轧制量产生的立辊磨损量计算出该轧制计划中单块钢的磨损量C，而F，W和上采用该轧制计划中的实测平均值，就计算出了磨损系数C，但此系数是通过平均值计算出来的，因此还需要在线计算进行修正。 把模型放人计算机中在线运行，但不参与控制，每个轧制计划完成后，模型就会计算该立辊在该轧制计划中的累计立辊磨损量。换辊后由磨床测出该立辊在该轧制计划中的实际磨损量，计算磨损量与实测磨损量进行比较，就得到了偏差磨损量，用此偏差磨损量对磨损系数C进行修正，用此方法进行反复迭代计算，就找到了精确的磨损系数C，立辊磨损模型就创建完成了。 3.1.2 立辊模型 立辊模型计算程序框图见图5。 图5 立辊模型计算程序框图 立辊模型通过跟踪系统激活，在板坯入炉到轧制之前共进行5次设定计算：板坯入炉时，粗轧计算机系统对该板坯进行第1次设定计算；板坯在出炉前第3块钢的位置时，对该板坯进行第2次设定计算；板坯在出炉前第2块钢的位置时，对该板坯进行第3次设定计算；板坯在出炉前第1块钢的位置时，对该板3.1.3 头尾短行程控制 针对带钢的不规则头尾形状，通过在线改