中板軋機液壓壓上AGC系統的多級控制

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（1.北京科技大學 高效軋制國家工程研究中心，北京 100083；2.邯鄲紅日冶金有限公司，河北 邯鄲 056304）

液壓AGC（automatic gauge control）由于具有低慣量、高響應、高精度及易于實現計算機控制等特點，被廣泛地應用于現代化板帶軋機生產線的自動厚度控制系統中［1］。我們在某廠2 600 mm中板軋機設計中采用了液壓AGC系統，輥縫調整方式為電動壓下、液壓壓上，自動化系統采用兩級計算機控制：基礎自動化系統（L1）和過程自動化系統（L2），實現了全軋制過程的網絡數據跟蹤、動態自適應軋制規程設定及自學習模型和全自動壓下控制。

1 系統方案設計

1.1 系統組成

整個系統分為控制系統、執行系統、操作裝置和檢測系統4個部分。其中，控制系統包括傳動控制、基礎自動化、過程自動化，執行系統包括液壓缸、伺服閥、電磁閥、電動壓下傳動，操作裝置包括操作臺、機旁箱、監控站，檢測系統包括厚度、位移、軋制力、油壓、溫度、位置等儀表。圖1為軋機電動壓下、液壓壓上裝置示意圖。

圖1 軋機電動壓下、液壓壓上裝置Fig.1 Electric screw down and hydraulic screw up devices of the mill

1.2 液壓系統

與傳統設計不同，我們采用了下置式液壓缸，AGC缸布置在下支承輥軸承座下方的機架窗口底部。這一點與傳統中厚板軋機將液壓AGC缸布置在機架窗口上方（在上支承輥上）的結構是完全不同的，在新引進的項目中多采用這種布置形式，這種布置具有以下特點［2］：1）減小了機架窗口尺寸；2）調整下工作輥上表面標高方便，配輥要求低；3）液壓缸距離控制閥組距離近，響應時間短；4）液壓系統采用的高壓軟管短，穩定性好。

1.2.1 AGC液壓缸

液壓缸采用長行程、活塞式液壓缸，為了能很好地滿足軋機AGC系統對響應特性的要求，液壓缸的設計中重點考慮了對雙側壓力腔的壓力面積之比。缸體、活塞、缸蓋采用合金鍛件，連接螺栓為高強度合金螺栓，采用組合密封裝置，可使液壓缸在小摩擦力下以高頻率運行，密封系統在熱軋中板惡劣的環境中，具備較長的使用壽命。AGC液壓缸示意圖如圖2所示。

圖2 AGC液壓缸Fig.2 Hydraulic cylinder of AGC

圖2中，在每個液壓缸的中心，安裝1個內置式MTS位移傳感器，精度為1μm，用于測量液壓缸活塞位移。液壓缸兩腔各裝有1個HYDAC壓力傳感器，該傳感器專用于軋鋼液壓高精度測量，精度在0.3%以內，上升時間小于0.5ms。在液壓缸上裝有TURCK接近開關，用于液壓缸活塞行程保護。

1.2.2 液壓系統控制閥組

伺服閥選用MOOG公司79F2029系列3級伺服閥，在伺服閥主進油口設計了5臺容量分別為50 L的高壓蓄能器組（2個液壓缸共用），可提供瞬間大流量，對液壓脈動進行濾波，有動態補償作用，加快液壓系統的響應時間，吸收沖擊。充氣壓力為系統工作壓力的0.85倍。另外為了減小管路壓力的波動，回油管路和控制油路均設有蓄能器。

在液壓缸有桿腔設計了背壓回路。

在伺服閥先導級設計了帶有壓差報警裝置的高精度雙筒高壓濾油器，濾芯精度為5μm。

每個液壓缸的過載保護是通過一個電磁插裝式溢流閥實現的，設定電磁溢流閥的機械卸油壓力為30MPa。電氣卸油壓力為28.5MPa，它也是一個系統安全閥。這2組安全閥都將為軋機提供機械保護。另外，通過安裝在液壓缸上的位移傳感器，由AGC的電氣控制系統提供保護。

1.2.3 液壓站

液壓泵為恒壓變量泵，2用1備，排量為250 L，最高工作壓力為35MPa，單泵工作最大輸出流量為362L／min，雙泵工作可連續提供的最大流量為724L／min。

2 系統組成

2.1 系統結構

基礎自動化系統采用2臺控制器：一臺TDC控制器作為軋機AGC工藝控制器；另一臺PLC控制器作為軋機順控控制器，主要任務是完成區域設備聯鎖、軋機和輥道速度控制、軋機輔助動作控制，軋區設備的邏輯控制等。

L2的核心設備是2臺PC服務器：軋鋼過程控制服務器（PCS）主要運行軋鋼過程自動化的中間件和應用軟件；軋鋼過程歷史數據服務器（HDS）用于存儲所有的生產數據和報表。L2系統還配備了4套軟件維護開發終端（DEV）、2套人機交互終端（HMI）工程師站和2臺網絡打印機，方便技術人員對過程控制計算機系統進行監視、維護和開發。

在軋機操作室，設置一組操作臺及HMI臺。HMI人機監控系統使用西門子的WINCC軟件進行開發。為縮短接線長度，操作臺設置遠程I／O站，通過ProfiBus－DP網與主控制器進行數據交換。

2.2 硬件配置

2.2.1 SIMATIC TDC控制器

TDC（technology and drive control）控制系統為多CPU高性能數字控制系統，適合完成實時、多任務的復雜生產過程控制和高速運算。主要任務是完成電動壓下、液壓壓上及進行厚度控制。TDC控制器如圖3所示。

2.2.2 SIMATIC S7－400PLC控制器

具有模塊化、易擴展、堅固耐用、網絡支持廣和界面友好的特點，內置PROFIBUS－DP接口可直接連接PROFIBUS網，速率最快達12Mb／s。主要任務是完成區域設備的聯鎖、軋機和輥道的速度控制、軋機輔助動作控制，軋區設備的邏輯控制等。

圖3 TDC控制器Fig.3 TDC controller

2.2.3 ET200M 遠程I／O系統

適合于復雜的自動化控制。遠距離傳輸介質采用光纖，可提高系統的抗干擾能力。

2.2.4 高速以太網

各控制器之間、以及L1與L2和HMI之間都是采用基于TCP／IP協議的以太網，網絡電纜遠距離采用光纖，近距離采用雙絞線，采用交換機技術，通訊速率為100M。

2.2.5 ProfiBus－DP網

L1級與L0級傳動控制器采用Profibus－DP現場總線相連接，減少了硬件接線。Profibus－DP為令牌通訊主從方式，通訊速率最高可達12 Mbaud，并可通過Repeater擴展通訊距離。

2.3 現場主要儀表

2.3.1 位移傳感器

位移傳感器采用MTS的磁致伸縮傳感器，電動壓下為外置式，液壓壓下為內置式。SSI絕對值輸出，串行同步信號，給控制器提供實時的同步位置輸出，掉電后也能保持原數據，傳輸距離可達到200m，輸出抗干擾性極高，分辨率為0.001 mm。傳感器工作原理是利用2個不同磁場相交產生應變脈沖信號，然后計算這個信號被探測所需要的時間，得出準確的位置。

2.3.2 壓頭

壓頭選用KELK的Rollmax軋制力測量系統，應變片式壓頭，具有響應快、精度高、線性好、穩定可靠的特點。系統采用惠斯通電橋原理，當壓頭的彈性體受力變形后，電橋就輸出對應于軋制力的偏差信號，此信號被送到數字信號處理單元。

2.3.3 紅外高溫計

對軋件溫度進行測量。從軋件表面聚焦紅外線輻射能量至內部檢測元件，然后將此能量轉換成連續的電信號，通過信號處理器、微處理器進行處理，包括發射率補償、數字線性化、變焦等，可實現如峰值采集、平均值計算、跟蹤、保持和過高或過低報警等時間函數的選擇，最后輸出結果。

2.3.4 測厚儀

測厚儀是非接觸式X射線測量系統，具有溫度補償、合金補償功能。厚度測量范圍6～50mm。

2.3.5 熱金屬檢測器

熱金屬檢測器主要用于冶金工業系統中，通過對紅熱高溫工作的檢測，判斷工件的運動位置，輸出為控制用開關信號。

2.3.6 油壓傳感器

采用HYDAC油壓傳感器測量液壓系統油壓，主要用于對APC（automatic position control）和AFC（automatic force control）閉環控制放大倍數的補償。當壓頭出現故障時，可替代測壓頭來測量軋制力［3］。

3 控制功能

3.1 基礎自動化

3.1.1 概述

該系統可以實現的主要功能為：軋機液壓輥縫控制、軋機電動輥縫控制、軋機自動厚度控制、軋機自動調零調平控制、液壓缸同步自動控制、油缸限位保護與報警、過程參數顯示、軋制過程重要數據采集、故障狀態記錄、人機界面等。

軋機自動厚度控制系統（AGC）是提高熱軋鋼板同板差的主要手段。影響板帶厚度均勻性的因素非常復雜，主要包括：軋件本身的因素，如坯料厚度不均、坯料硬度波動（含水?。┑?；軋制因素，如軋輥偏心、咬鋼時軋件對軋輥沖擊、溫度對軋輥尺寸和軋制力的影響等。針對這些干擾因素，采用數字控制計算機進行厚度自動控制，綜合采用多種形式的厚度自動控制算法，以適應不同鋼種、不同成品規格以及各工藝參數變化的要求，減輕干擾因素對軋機出口板材厚度的影響。AGC控制模型主要有：壓力AGC，控制模型建立在軋機彈跳方程原理基礎上；監控AGC，利用出口測厚儀檢測到的板厚偏差作為主反饋量來控制板帶出口厚度。

3.1.2 自動壓靠調零

由于采用電動壓下、液壓壓上的輥縫調節方式，在進行自動壓靠的時候需要動態調整液壓缸，在某些情況下會使得軋機下工作輥上表面與軋制線標高不在合理范圍內，導致無法正常生產，因此針對該軋機研究一套特殊的自動壓靠方法。

若電動壓下的操作側、傳動側位移傳感器反饋數據分別為SEWS，SEDS，液壓壓上操作側、傳動側位移傳感器反饋數據分別為SHWS，SHDS，并通過程序處理，使得當上、下輥系朝輥縫變大的方向動作時，相應位移傳感器反饋數據也是變大的，圖4所示為操作側的輥縫示意圖，圖4中垂直向上、向下的箭頭分別表示電動壓下、液壓壓上傳感器反饋數據增大的方向。這樣，如果零位對應的位移傳感器反饋數據是SEWS0，SEDS0，SHWS0，SHDS0，則操作側輥縫GWS、傳動側輥縫GDS分別為

式中：GEWS，GEDS，GHWS，GHDS分別為電動壓下的操作側、傳動側輥縫和液壓壓上的操作側、傳動側輥縫。

圖4 操作側輥縫構成示意圖Fig.4 Component parts of work－side gap

假定電動壓下和液壓壓上在正常工作范圍內小幅動作時其機械特性是不變的，此處的小幅動作對應從工作輥開始接觸進而達到預壓靠力P0這一過程空載輥縫的改變量（2 600mm中板軋機約為2～3mm）。根據設備參數和現場實驗結果，以上假定是合理的，因而可以進行一定范圍內的零位平移，舉例：如果零位整體上移2mm，那么新零位對應的位移傳感器反饋數據是SEWS0＋2，SEDS0＋2，SHWS0－2，SHDS0－2，對應某一輥縫設定而言，也就是相當于液壓缸活塞要多伸出2 mm，電動壓下螺絲要少伸出2mm，如果忽略機械特性的變化，可以認為輥縫沒有改變。

3.1.3 自動位置控制

液壓AGC系統是以液壓缸驅動，對輥縫進行動態微調，具備2個基本內閉環，即軋制力閉環和位置閉環。一般與自動位置控制系統（APC）一起使用，自動位置控制系統是指在指定的時間將控制對象的位置自動地調節到預先由過程機設定的位置，調節后的位置與目標值之差保持在允許的誤差范圍內［4］。液壓APC作為液壓AGC的內環，執行厚度外環液壓AGC控制向其輸出位置（或軋制力）的動態調節量，即輥縫調節量。APC首先根據二級軋制模型設定1個輥縫參考位置，進行輥縫粗調，在此基礎上，通過高響應的伺服油缸來修正軋制過程中的輥縫變化，進行輥縫精調。除了以上2種基本閉環外，一些可預知的影響板厚的因素通過建立數學模型同時被考慮，以開環方式參與控制。

AGC系統采用的基本方程是彈跳方程［5］：

式中：h為出口厚度；S為軋輥輥縫值；P為軋制力；P0為預壓力；M為軋機的剛性系數；SF為彎輥力造成的厚度變化；O為油膜軸承的油膜厚度變化；G為輥縫零位。

3.1.4 自動厚度控制

液壓AGC系統采用厚度外環，以進行鋼板的AGC控制。AGC系統采用 GM AGC（gaugemeter AGC）、監控AGC以及多種補償AGC。

GM AGC的實際厚度是利用彈跳方程計算出來的，其基本原理是：利用彈跳方程，根據測壓儀和輥縫儀分別測得軋制壓力偏差信號ΔP和輥縫位置的變動量ΔS，然后把這2個變量疊加起來，得到鋼板軋出厚度的偏差值Δh，將該Δh反饋給厚度自動控制裝置進行調節。這是AGC系統中基本的控制功能。監控AGC系統是根據軋機出口側裝設精度比較高的測厚儀，直接測出鋼板實際軋出厚度并與給定的目標厚度（即鎖定厚度）值進行比較，當兩者數值相等時，厚度計輸出為零（厚度計的輸出量就是厚度偏差值Δh）即Δh＝0。若實測厚度值與給定目標厚度不等而出現厚度偏差Δh時，便將該Δh反饋給厚度自動控制裝置進行輥縫調節。

為了進一步提高厚調精度，需采取各種補償措施，主要是彎輥力補償、偏心補償、油膜軸承厚度O補償、軋輥熱凸度和磨損變化的補償、伺服閥流量補償等。

3.2 過程自動化

3.2.1 概述

L2主要任務是對全線的生產工藝過程進行跟蹤、設定和數據采集等?？刂葡到y要求運行穩定、功能設置靈活實用、產品質量控制精確，能否運行穩定取決于計算機硬件系統的合理配置以及中間件和應用軟件的結構設計及編程質量，功能設置的靈活實用主要體現在控制系統的功能和接口是否可以很好地適應中厚板各種不同的生產工藝要求和關鍵參數控制，以方便工藝技術員實現產品和工藝開發，產品質量要控制精確，關鍵在于設定計算所涉及的數學模型、控制策略、自適應算法等［6］。

3.2.2 初始數據管理

在板坯進入軋線之前，軋線L2系統必須事先獲得其初始數據（PDI），并根據軋制順序和跟蹤信息，向軋機設定計算和大型儀表及時準確地提供板坯初始數據。

板坯初始數據的主要數據項目有板坯號、煉鋼爐號、板坯尺寸、板坯重量、化學成份、目標尺寸、產品公差、工藝指令（如轉鋼次數、交叉軋制方式）等。

3.2.3 軋件跟蹤

跟蹤的目的是確定鋼板在生產線上的實際位置和相關狀態（比如軋制階段、道次號等），以便將鋼板與預定的控制時序進行關聯，監視和啟動各工藝過程的控制功能（比如設定計算、模型自適應、測量值收集與處理等）。

由于中厚板生產工藝復雜，而且實際生產環境中也可能出現檢測器誤動作，這就要求對L1各控制器發送來的信號數據進行有效性判斷，以及在更新鋼板狀態和位置時進行可行性分析。主要手段有：判斷當前跟蹤區和相鄰跟蹤區的鋼板數量、判斷更新鋼板的前后狀態、考慮信號變化間隔的合理性等。

3.2.4 軋機設定

軋機設定是指L2系統根據板坯初始數據、設備參數及人工干預量，配合跟蹤信息和部分實測數據（如出爐溫度、板坯寬度），通過一系列數學模型和算法制定一套可行的軋制規程，并在此基礎上計算出軋機、側導板、除鱗和冷卻介質、輥道等設備的設定數據和工序指令，將其發送給L1執行。

根據中厚板生產工藝特點，鋼板從出爐到軋制結束離開測厚儀這段時間內要進行多次軋機設定計算，每次的計算條件、目的和方法都各不相同。一般分為預計算、再計算、后計算、模型自適應。

3.2.5 軋機模型自適應

模型自適應是提高模型預報精度的有力手段，可分為道次之間自適應和鋼板之間自適應兩種情況。

道次之間的模型自適應是在軋機設定后計算完成后啟動，通過比較測量值和后計算值，確定相應數學模型的誤差，并采用指數平滑法來更新模型自適應系數。這樣，后續道次的軋機設定再計算將能采用最新的模型系數，以提高模型預報精度。

鋼板之間的模型自適應在每塊鋼軋制完成后啟動，它計算的依據有各道次的自適應系數以及最后成品的厚度、寬度、溫度、板形等實測數據。鋼板之間自適應可分為短期和長期兩種，短期自適應是前后兩塊鋼板（規格和鋼種相同）之間的修正，長期自適應是軋制批次（規格和鋼種不同）之間的修正。有測厚儀時，適應過程是自動完成的，當沒有測厚儀時，需要人工測量板厚，并對模型計算值進行相應修正。

自適應功能所要修正的模型有：軋制力模型和軋制力矩模型，寬展模型，溫度模型，軋機彈跳模型。

4 結論

兩級自動化系統的配合能顯著提高軋件的尺寸精度，迅速適應軋制規格的變換，顯著提高鋼板的力學性能。還可減少誤軋次數、精簡操作環節、提高軋制節奏。通過投產后現場的實際運行情況來看，該系統操作便捷、穩定可靠，能快速響應各種手動和自動調節，厚度精度達到國內先進水平，提高了產品競爭力，為企業創造了良好的經濟效益。

［1］金學俊.液壓AGC在板帶軋機上的應用［J］.液壓氣動與密封，2000，82（4）：45－47.

［2］張殿華，王君，李建平，等.首鋼中厚板軋機AGC計算機控制系統［J］.軋鋼，2001，18（1）：51－55.

［3］張飛，童朝南，王寅虎，等.基于卡爾曼濾波器的液壓APC系統［J］.機床與液壓，2007，35（7）：75－76.

［4］孫一康.帶鋼熱連軋的模型與控制［M］.北京：冶金工業出版社，2002.

［5］丁修堃，張殿華，王貞祥.高精度板帶鋼厚度控制的理論與實踐［M］.北京：冶金工業出版社，2009.

［6］宋勇，荊豐偉，藺鳳琴，等.寬帶鋼熱軋二級控制系統［J］.金屬世界，2010（5）：64－67.