冷连轧机控制系统

随着计算机及接口技术的发展，应用计算机控制生产工艺过程的工业生产领域愈来愈多。轧钢生产系统中应用计算机来控制生产过程的实例也不断增加。轧制过程自动控制中，应用最为成熟、最为广泛的计算机控制过程为热、冷轧板带钢生产过程的控制。我国从国外引进的大型冷连轧机自动化程度高，全部采用了计算机控制。然而我国自行设计制造的中小型冷连轧机自动化程度普遍较低，一般都没有采用计算机控制。为了提高上海第十钢铁厂冷连轧机组的自动化水平，提高产品精度和成材率，作者参与研制开发了该机组的计算机控制系统。本文主要介绍该计算机控制系统的硬件构成、软件设计思想及实际应用情况。 1　冷连轧机组工艺设备简介 　　国内自行设计制造的Φ160mm／380mm×350mm三机架冷连轧机主要生产抗拉强度σb≤900MPa的普碳钢、优质钢和低合金钢。产品规格为(0.6～1.5mm)×(120～250mm)，钢卷内径为Φ410mm，最大外径为Φ1100mm，最大卷重为1000kg。坯料规格为(2～3mm)×(1000～1550mm)热轧带钢。原料经纵剪机组分剪成宽度较小的钢卷，以适应该冷连轧机组的原料要求。图1为机组组成示意图。表1为机组设备参数，表2为机组工艺参数。 2　控制系统硬件构成 　　该冷连轧机计算机控制系统由一台主计算机(上位机)、一台CJ-801单板机(下位机)等组成。该系统中还包括模拟量输入、输出接口板，数字量输入、输出接口板等。该计算机系统的硬件构成见图2。 　　CJ-801单板机用于1#和3#机架压下动作控制，该单板机以中断方式工作，工作周期为200ms，上位机每200ms向单板机发一中断请求信号，同时向单板机送出辊缝调节量。单板机接收到辊缝调节量后，转换成相应的压下电机工作时间输出给执行机构控制压下。设定校正、加减速厚度补偿、2＃～3＃机架间张力调厚、卷取恒张力控制、质量分类、报表打印等功能由上位机完成。首先通过检测仪表测量必要的有关生产过程的信息，经D＋7A接口板处理后，把模拟量转换成数字量送入上位机进行控制运算，然后上位机把压下AGC的控制信号输出给单板机。2＃～3＃机架间张力控制信号及卷取恒张力控制信号则直接输出给相应的控制机构进行控制。该机组中1＃和2＃主电机的速度控制由系统原有的模拟调节电路完成。在线检测得到的厚差、辊缝值是以数字量形式给出的，数字量通过S-100总线和主机及单板机联系，数字量和主机的联系以及主机和单板机的联系见图3。 　　该系统共有10路模拟量输入信号：P1、P2、P3；T12、T23、T34；V1、V2、V3、V4。7路模拟量输出信号：t12、t23、t34；v1、v2、v3、v4。其中Pi、Vi、vi分别为第i机架的轧制压力、轧辊速度；Ti i+1、ti i+1为第i机架和第i+1机架之间的张力。V4、v4分别为卷取机的速度信号；T34、t34分别为第3机架和卷取机之间的张力信号。上述模拟量的输入、输出由D＋7A板完成。 3　主要控制功能 　　根据冷连轧机计算机控制系统控制功能设置的一般原则及厂方要求，确定该冷连轧机组的计算机控制系统配置下列功能：在第1机架设置反馈和监控AGC系统；2＃～3＃机架间设置自适应张力AGC系统；在卷取机上设置卷取恒张力系统；整个连轧机组的辊缝和速度的设定控制；加、减速过程带厚动态补偿控制；质量分类、报表打印等。 4　控制软件设计思想 4.1　管理程序 　　由于该冷连轧机组轧制速度较低，而且各个控制功能没有区分优先级，所以管理程序中没有设置优先级判断等功能。在一个控制周期200ms内，上位机可完成所有控制功能的执行，因此各个控制功能依次由管理程序调用执行，各控制功能具有相同的优先级。管理程序框图见图4。 4.2　加、减速过程动态补偿 　　由于该冷连轧机减速过程很短，所以对减速过程不进行补偿控制。加速轧制阶段的外部干扰除了坯料的厚度和硬度波动以外，还有由于轧制速度变化而引起的摩擦系数波动、机架间张力波动等。由于上述干扰量与轧制速度之间没有明显的规律性，因此，在加速轧制阶段采用直接根据X-射线测厚仪测出的成品厚差Δh3调节3＃机架压下的方式进行补偿。 4.3　1＃机架压下AGC 　　采用常规压下AGC方式进行控制，采用反馈式GM-AGC和用第3机架后测厚仪实测结果Δh3进行修正的监控AGC，对轧件厚度进行粗调。 4.4　2＃～3＃机架间张力AGC 　　张力AGC用于对轧件厚度进行精调，它对于冷连轧机轧制产品厚度精度的提高具有重要作用。为提高该控制系统的控制效果，在张力AGC控制中采用自适应控制理论。冷连轧机组张力AGC系统是一个动态时变系统，采用自适应控制方式是合理的。自适应控制是首先根据在线实测的系统输入、输出数据，在线辨识出被控系统的数学模型，然后根据最新辨识出来的数学模型来计算下一步的控制量。这种方法可以跟踪被控系统的变化，进而提高轧件的厚度控制精度。 　　2＃～3＃机架间自适应张力AGC是对张力AGC系统的数学模型的所有参数进行自适应修正。2＃～3＃机架间张力调节是通过调节3＃机架主电机速度来实现的，3＃机架轧机速度的改变可以引起机架间张力的改变，从而达到调节张力的目的。用差分模型表示的2＃～3＃机架间张力AGC系统的二阶数学模型为 Δh3(k)=0.662012.Δh3(k-1)-0.111850.Δh3(k-2)＋0.013059.ΔV3(k-1)-0.069285.ΔV3(k-2) 式中　Δh3为第3机架后实测成品厚差，ΔV3为第3机架主电机速度调节信号。在每个控制周期中首先利用在线实测的Δh3和以前时刻的控制量ΔV3，采用渐消记忆递推最小二乘法等系统辨识算法在线辨识出数学模型的所有参数，然后再根据最新辨识出来的系统数学模型计算出该控制周期的控制量ΔV3。 4.5　卷取恒张力控制 　　由于卷取张力恒定对于轧件出口厚度的精度有直接的影响，在这部分控制功能中也采用了自适应控制理论，控制思想与4.4相同。卷取恒张力自适应控制也是对系统数学模型的所有参数进行在线修正。这里提到的自适应控制与数学模型的自适应修正与传统意义上的轧制过程数学模型的自适应修正意义完全不同。