帶鋼冷軋計算機過程控制設定模型

1、帶鋼冷連軋計算機過程控制設定模型講解人鐘春生主要講解內(nèi)容一 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能二 過程設定模型 1 概述 2 壓下分配方式 3 負荷分配的優(yōu)化 4 厚度設定模型 5 模型的自適應與自學習三 冷連軋過程基本方程四 Hoogoven冷連軋過程模型的設定思路五 幾點建議一 冷連軋計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能 由于對冷軋薄板的質(zhì)量要求嚴、對生產(chǎn)安全、生產(chǎn)效率和勞動條件的要求也在不斷提高。因此計算機控制系統(tǒng)已成為冷連軋不可缺少的組成部分。隨著液壓控制系統(tǒng)的廣泛應用（液壓壓下、液壓彎輥、液壓竄輥機構(gòu)），以及人們對變形區(qū)形狀變化規(guī)律的研究和認識的深入，對冷連軋機控制系統(tǒng)已要求“兩高” ：（1）高速控制 除了一些順

2、序邏輯控制可以采用通用的可編程控制器（PLC)外，大部分功能要求實現(xiàn)高速控制，控制周期110ms，為此需要大量采用HPC（高性能控制器） ，HPC為多CPU控制器。（2）高速通訊 由于多個控制功能（例如厚度控制、張力控制、板形控制）最終都作用到變形區(qū)，因此存在較強的功能間耦合，需要互相傳遞補償信息。數(shù)據(jù)更新速度要求為12ms. 這個“兩高”的特點決定了冷連軋控制系統(tǒng)應是“快速”分布式計算機控制系統(tǒng)。目前，能為冷連軋機提供計算機控制系統(tǒng)的僅有67家大電氣公司，如：美國GE、西門子SIROLL、法國ALSTOM、日本日立和三菱以及瑞典的ABB公司。他們提供的系統(tǒng)，從系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)上看，可歸納為“區(qū)

3、域控制器群結(jié)構(gòu)”和“超高速網(wǎng)結(jié)構(gòu)”兩類。下面舉兩個例子： 屬于“區(qū)域控制器群結(jié)構(gòu)”的有美國GE的INNOVATION和西門子SIROLL系統(tǒng),如圖1所示： 系統(tǒng)由L1（一級）基礎自動化級，L2（二級）過程自動化級及L3（三級）生產(chǎn)控制級構(gòu)成?；A自動化級內(nèi)采用區(qū)內(nèi)高速網(wǎng)后分為兩層，上層為區(qū)域主管及用于質(zhì)量控制的HPC（如厚度控制、板形控制），下層則為主傳動數(shù)字控制器和機架控制器（SC）。機架控制器實際上即為各種液壓機構(gòu)的液壓數(shù)字控制器（液壓APC）。 屬于“超高速網(wǎng)結(jié)構(gòu)”的有日立、三菱系統(tǒng)。見圖2所示：計算機控制系統(tǒng)的主要功能 鋼卷跟蹤 輥縫設定 速度設定 張力設定 動態(tài)變規(guī)格 彎輥、竄輥及冷

4、卻水設定 速度控制 張力控制 厚度控制 板形控制 成品表面質(zhì)量監(jiān)控 軋機運行控制 現(xiàn)在正在應用的控制系統(tǒng)由于設備條件的限制，不一定這些控制功能都具備。如果不是全連續(xù)機組或酸洗-軋機聯(lián)合機組就不用動態(tài)變規(guī)格功能；沒有安裝板形儀和凸度儀就不用板形控制。二.設定模型 1 概述 通過若干數(shù)學模型對冷連軋各機構(gòu)進行設定值計算是冷連軋計算機控制(過程自動化級)的主要任務。 為了實現(xiàn)正確的設定計算，過程計算機需設有鋼卷跟蹤、數(shù)據(jù)采集與處理、模型自適應和自學習等項功能。 圖3給出了與設定計算有關(guān)的功能。 圖4給出了圍繞軋機設定在過程自動化級及基礎自動化級所應設置的應用軟件及相應的控制功能。前已提到過程自動化級

5、有一批程序為設定模型服務，包括初始數(shù)據(jù)輸入，鋼卷的數(shù)據(jù)跟蹤，數(shù)據(jù)采集和處理，模型的自適應以及自學習。 前面所說的鋼卷原始數(shù)據(jù)由生產(chǎn)控制級產(chǎn)生或由過程級的人機界面輸入，一般可存放近200個鋼卷的記錄數(shù)據(jù)，有鋼卷跟蹤程序保證數(shù)據(jù)記錄對號入座； 計算機還存儲有各種鋼卷的材料數(shù)據(jù)：鋼種、原料厚度、成品厚度等； 軋輥數(shù)據(jù)記錄：記錄著各機架上下工作輥與支撐輥的輥徑、工作輥的原始輥型、末架軋輥的粗糙度等級； 有幾千個自學習數(shù)據(jù)記錄； 軋機數(shù)據(jù)包括：軋機縱橫向的剛度，彎輥系統(tǒng)的剛度以及設備能力的極限值（最大允許的軋制力、軋制力矩、功率以及速度錐等）。 摩擦系數(shù)計算的相關(guān)參數(shù) ； 軋制力及前滑模型所用系數(shù)的表格

6、； 還有軋制規(guī)范的數(shù)據(jù)記錄等。 *通過統(tǒng)計分析找出相應規(guī)律來減少軋制規(guī)范數(shù)據(jù)的數(shù)量，采用某些插值計算公式可能是今后應努力的方向。 2.壓下分配方式 目前常用的有兩大類：絕對方式類和相對方式類。采用不同的方式計算壓下參數(shù)的式子是不同的。 3.負荷分配的優(yōu)化 （1）從等功率裕量觀點出發(fā) 其目標函數(shù)為：式中 21()inNiNHMNN11iniiNnHiNN（2）從等壓力的觀點出發(fā) 其目標函數(shù)是000000iPBPPiiFiCCiiPBShSOSSPPCCOS21()inNiNHMPP11iniiNnHiPP（3）從板形良好觀點出發(fā) 其目標函數(shù)是201001()()nShiiiiMShShShHSh

7、h（4）從主負荷觀點出發(fā) 要先判斷那個為主要矛盾此時，壓下量的臨界值是當此時的壓下量大于此臨界值時主要矛盾是力矩，反之是壓力。1()HHMcRPh4. 厚度設定模型 厚度設定又稱：基本設定，因為它除了需要計算輥縫、速度、張力等與厚度有關(guān)的參數(shù)外還給出了板形參數(shù)以外的其它參數(shù)設定值。 厚度設定實際上是負荷分配或厚度分配的一個實現(xiàn)。在厚度分配（各架出口厚度）已定的情況下，以其為依據(jù)即可通過前滑模型和流量方程確定各架的速度。同時，以此厚度分配為依據(jù)通過軋制力模型及彈跳方程可確定各架的輥縫。 各架輥縫的設定精度依賴于軋制力模型的預報精度，因此如何確定材料硬度（塑性變形阻力）及軋件軋輥間的摩擦系數(shù)是兩大

8、關(guān)鍵。 為了充分利用實測數(shù)據(jù)提高前滑及軋制力模型的計算精度，必須應用模型自適應和模型自學習。 冷連軋厚度設定計算分為： （1）預設定：在穿帶前，對輥縫等參數(shù)進行設定計算； （2）后設定：在本塊鋼進行軋制過程中進行多次模型自適應后進行修正性計算； （3）動態(tài)變規(guī)格：主要用于全連續(xù)冷軋或酸洗-連軋聯(lián)合機組變規(guī)格時。 上述三種計算所用的設定模型是相同的。最終獲得以下設定值： 1)穿帶時各架相對速度值及主令速度、最大速度值。 2）穿帶時各架輥縫值。 3）穿帶時各架的軋制力。 4）穿帶時機架間及前后卷曲張力設定值及低速時的張力附加值。 5）穿帶時各架的前滑。 6）冷卻劑劑量計算。 7）穩(wěn)速軋制時各架的輥

9、縫修正。 8）穩(wěn)速軋制時各架的軋制力。 9）本機架的臨界軋制力。 10）穩(wěn)速軋制時各架的前滑。 11）穩(wěn)速軋制時的張力設定。 12）用于AGC的機架彈性剛度系數(shù)。 13）用于AGC的軋件塑性剛度系數(shù)。 14）動態(tài)變規(guī)格時的楔形段長度。 15）動態(tài)變規(guī)格時主令速度因子。 16）軋制力矩及軋制功等。 上述各項，有些是用于設備控制，如輥縫、張力、速度等；有些則用于其它控制功能，如AGC的剛度系數(shù)。（4）前滑模型與速度設定計算 實際應用時可用簡化式 f=0.0015+0.222+0.222. 帶鋼的線速度與實際速度的關(guān)系為：1(1)ifxisi 冷軋機的速度設定有以下兩個值：（1）主令速度,它控制整個

10、軋機同步加減速，曲淑芝范圍是：0%100%。（2）各機架相對速度設定，一般按軋件的實際厚度和實際速度的秒流量向等條件來設定。還要考慮最末機架的最大速度。 在設定相對速度時，其上下限是要受整個機組的速度錐限制的，而且只有在選定了基準架的相對速度后才能確定各架相對速度的具體值。 這里要確定有：穿帶速度、末架最大速度、各架相對速度、各架穿帶及穩(wěn)態(tài)軋制時的主令速度等。 （5）軋制力模型和輥縫設定計算 軋制力模型一般都用Bland-Ford公式的Hill簡化式 由彈跳方程可知：000iPBPPiiFiCCShSOS11.08 1.7911.02RphQ5.模型的自適應與自學習 冷連軋即使采用高速軋制，一

11、卷鋼仍需十多分鐘。因此本卷鋼軋制環(huán)境中將有較大的變化，為此將進行多次模型系數(shù)的自適應，并在多次自適應的基礎上進行模型自學習，以用于下一塊鋼，因此又可稱為“本塊鋼自適應”和“下塊鋼自學習”，目的是提高設定精度。 自適應所用的基本公式是指數(shù)平滑法。 模型自學習采用的是含有多卷鋼信息的指數(shù)平滑式。這些都是常用的方法。 三. 冷連軋過程基本方程1.彈跳方程如圖5 如果用P-H圖(圖6)來解釋壓靠和零位2.反映輥縫形狀的凸度方程Cr=P/Kp+F/Kf+Ecwc+Ehwh+Erwx+E0P-軋制力，kN；Kp與軋制力有關(guān)的橫向剛度，kN/mm;Kf-與彎輥力有關(guān)的橫向剛度，kN/mm;F-彎輥力，kN；

12、Ecwc-設備可控輥型系數(shù)，mm；Ehwh-冷卻可控熱輥型系數(shù),mm；Erwx-綜合輥型影響系數(shù)，包括磨損和原 始輥型,mm；E0-自學習用常數(shù),mm。3.板形方程 板形方程實際上是“平坦度良好方程”： 因為各機架帶鋼出口處的相對凸度稍有不匹配的情況就產(chǎn)生板形問題。在有凸度儀的情況下，下式就可以得到保證：10hh4.流量方程 對冷軋板帶，可以說寬展極小，因此 111010(1)(1)inniiinnnhhhfhf5.連軋張力方程1( )Eiildt四. Hoogoven冷連軋設定模型的思路 前面第二部分我們介紹了用數(shù)學模型進行過程參數(shù)的設定方法,下邊我們介紹一下 Hoogoven公司的設定模型

13、新思路: 記得前面曾說過:“通過統(tǒng)計分析找出相應規(guī)律來減少軋制規(guī)范數(shù)據(jù)的數(shù)量，采用某些插值計算公式可能是今后應努力的方向” , Hoogoven公司的設定模型新思路就是這樣做的 前已用框圖說明,冷連軋機的設定計算包括兩大部分,即有關(guān)厚度方面的設定計算和有關(guān)板形方面的設定計算.可見厚度的設定至關(guān)重要. Hoogoven就是在這方面做了改進,核心思想是:首先在同類軋機的現(xiàn)場收集大量不同坯料厚度和成品厚度的現(xiàn)場數(shù)據(jù),然后用數(shù)理統(tǒng)計方法建立如圖8的一組(五條）直線,他們的縱坐標是每架軋機的壓下量占總變形量的比率，橫坐標是連軋機總壓縮率的自然對數(shù)。不同總真應變壓下分配規(guī)律y = 0.0071x + 0.

14、3269y = 0.0009x + 0.2658y = -0.003x + 0.2138y = -0.0036x + 0.1578y = -0.0015x + 0.035900.10.20.30.40.50.60.720.820.9891.0781.1661.261.331.491.5811.71.88總真實應變各機架壓下量分配比率機架1機架2機架3機架4機架5線性 (機架1)線性 (機架2)線性 (機架3)線性 (機架4)線性 (機架5)線性回歸結(jié)果：線性回歸結(jié)果：機架1的壓下分配的線性模型：y=0.0071x+0.3269機架2的壓下分配的線性模型：y=0.0009x+0.2658機架3的

15、壓下分配的線性模型：y=-0.003x+0.2138機架4的壓下分配的線性模型：y=-0.0036x+0.1578機架5的壓下分配的線性模型：y=-0.0015x+0.0359 有了這樣一組統(tǒng)計關(guān)系式，就可以方便的計算各架的預設厚度值了。 用這種方法設定計算的全部模型資料，國外公司或者國內(nèi)公司應該是全面提供的，其特征是，有一系列提供各種參數(shù)的表格，如基本數(shù)據(jù)輸入基本數(shù)據(jù)輸入（PDI）、）、通用數(shù)據(jù)表（ GDT ）、厚度范圍表（GRT）、變形抗力代碼表（變形抗力代碼表（RCTRCT）、三種）、三種工作方工作方式表（式表（WMTAWMTA、WMTBWMTB、WMTCWMTC）等等。）等等。 Hoo

16、goven設定思路的另一個特點是：它把產(chǎn)品大綱中規(guī)定的原料厚度和成品厚度細劃分成若干組（GRT)，每個小組有一個編號，在每個小組中找到1、2個標準產(chǎn)品，每個編號它對應著一系列預先計算好的軋機參數(shù)表格（GRT、GDT、RCT、WMTA、B、C等），偏離此標準的在此小組的其他變形規(guī)程的生成（RSG)和控制參數(shù)均由軋制規(guī)程生成自適應（SGA)來修正。 在軋制規(guī)程生成時，必須確定軋制過程中各架板帶的厚度、速度及機架間的張力值。而這些值可以從一系列的表中獲得，并分別定義。 把標準規(guī)程的板帶厚度、速度及機架間的張力值放置于一系列表中，然后用這些值即可計算出具體軋制規(guī)程中所需全部設定參數(shù)，比如計算出功率的模型、軋制力模型和軋機模型中的設定參數(shù)。 這種方法的初始工作是比較麻煩的，必須對對象軋機非常熟悉，才能填好這些表格。好在每種表格都有例子?？梢詤⒄?、比對生成。然后通過自適應和自學習來修正和完善。五.幾點建議（1）這種Hoogo