內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院 李小東 邢東旭

1.簡介

由于冷連扎生產(chǎn)過程復(fù)雜、控制點(diǎn)多、設(shè)備分布比較廣，各工序各設(shè)備要求同時(shí)并行工作，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)交換量大，產(chǎn)品的精度要求也比較高，因此，多采用分布式計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)控制。分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，就是將生產(chǎn)過程控制與企業(yè)生產(chǎn)管理結(jié)合起來，由并行的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)全面控制，包括：生產(chǎn)管理級(jí)(L3)，過程控制級(jí)(L2)和基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)(L1)。這種控制系統(tǒng)傳輸誤差低、可靠性高、運(yùn)算和控制速度快、開發(fā)和維護(hù)方便，是冷連扎機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。包鋼冷連軋機(jī)過程控制系統(tǒng)作為冷軋薄板連續(xù)生產(chǎn)線的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)完成數(shù)學(xué)模型設(shè)定計(jì)算、帶鋼跟蹤、測(cè)量值采集、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)通訊和人機(jī)接口等工作，以便保證整條工藝生產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)，要完成如此復(fù)雜的工藝流程，其過程控制系統(tǒng)是非常重要的。做為當(dāng)今世界非常完美的西門子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是完成邏輯控制任務(wù)和人機(jī)接口，通訊處理的最優(yōu)選擇，也為我們過程控制系統(tǒng)提供了最佳解決方案。

2.過程控制級(jí)（L2）

過程控制級(jí)功能主要包括數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)、帶鋼跟蹤、測(cè)量值采集、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)通訊和人機(jī)接口等，具體功能如下：

(1)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)主要包括設(shè)定計(jì)算和自適應(yīng)學(xué)習(xí)。設(shè)定計(jì)算是利用PDI數(shù)據(jù)通過冷軋工藝參數(shù)模型和相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)來計(jì)算各機(jī)架帶鋼目標(biāo)厚度，同時(shí)計(jì)算出高速條件下的變形抗力、張力、摩擦系數(shù)、軋制力、電機(jī)功率等參數(shù)。自適應(yīng)學(xué)習(xí)是采集過程控制中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的偏差，對(duì)模型進(jìn)行修正，使模型計(jì)算值逼近相應(yīng)條件下的實(shí)際情況，從而獲得更高的設(shè)定精度。

(2)帶鋼跟蹤包括帶鋼跟蹤和生產(chǎn)過程跟蹤。帶鋼跟蹤即以1個(gè)物理鋼卷和1個(gè)order鋼卷為對(duì)象進(jìn)行跟蹤即入口為物理跟蹤，在線為order跟蹤；生產(chǎn)過程跟蹤由L1計(jì)算機(jī)微跟蹤和L2計(jì)算機(jī)宏跟蹤組成。L2計(jì)算機(jī)基于L1計(jì)算機(jī)發(fā)送的事件信號(hào)進(jìn)行宏跟蹤，控制軋機(jī)的生產(chǎn)狀態(tài)，并在相應(yīng)時(shí)刻觸發(fā)其他控制功能，如：自動(dòng)設(shè)定和數(shù)據(jù)采集、通訊與交換等。跟蹤范圍包括：入口卷處理段、活套段、張力拉矯段、酸洗段、軋機(jī)入口段、軋機(jī)段、軋機(jī)出口段和出口卷處理段。

(3)測(cè)量值采集L1計(jì)算機(jī)在冷連軋過程中對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和存儲(chǔ)，這些數(shù)據(jù)包括：軋制結(jié)果數(shù)據(jù)，如軋制力、軋制速度、輥縫、張力等；生產(chǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)，如鋼卷長度、直徑、重量、生產(chǎn)日期等；設(shè)備消耗信息，如乳化液和軋輥相關(guān)信息；質(zhì)量控制信息，如帶鋼厚度、帶鋼板形等。數(shù)據(jù)通過PLC經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)送到L2計(jì)算機(jī)，進(jìn)行分析處理，處理后的結(jié)果用于自適應(yīng)計(jì)算和新的設(shè)定值計(jì)算。

(4)報(bào)表統(tǒng)計(jì)根據(jù)處理后的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)、軋輥數(shù)據(jù)、停機(jī)數(shù)據(jù)等對(duì)生產(chǎn)報(bào)表和質(zhì)量報(bào)表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

(5)數(shù)據(jù)通訊與L3和L1進(jìn)行生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的收發(fā)、軋輥數(shù)據(jù)的收發(fā)、實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的接收及設(shè)定數(shù)據(jù)的發(fā)送。

(6)人機(jī)接口用于畫面顯示和操作。操作人員可以通過人機(jī)接口將操作發(fā)送到L1計(jì)算機(jī)。

3.冷軋軋制力模型

3.1 軋制力模型特點(diǎn)

(1)軋件幾何形狀更接近推導(dǎo)理論公式時(shí)所作的假設(shè)，即寬度比厚度大得多，寬展很小，可以認(rèn)為是平面變形問題。軋件厚度小，可以認(rèn)為平截面假設(shè)和滑動(dòng)摩擦理論較符合實(shí)際，軋件內(nèi)部不均勻變形可以忽略。從這一點(diǎn)看，根據(jù)力平衡關(guān)系推導(dǎo)出的微分方程式比較接近冷軋實(shí)際。

(2)冷軋時(shí)一般需采用潤滑劑，這是由于冷軋時(shí)軋輥和軋件接觸面上的摩擦力對(duì)軋制力等工藝參數(shù)的影響較大，采用不同的潤滑劑及軋制條件不同時(shí)(如軋制速度、軋件和軋輥的材質(zhì)及表面狀態(tài)等)摩擦系數(shù)不同，這就給軋制力理論計(jì)算帶來很大困難。如何正確計(jì)算摩擦系數(shù)，對(duì)軋制力的精確計(jì)算至關(guān)重要。對(duì)于確定的設(shè)備和穩(wěn)定生產(chǎn)條件，上述影響因素的變化不大，因此結(jié)合具體情況，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，找出合適的計(jì)算公式或得到理論公式中的某些系數(shù)是完全可能的。

(3)冷軋板帶材的一個(gè)重要條件是采用較大的前后張力，軋件越薄，張力的作用越大。張力可減小軋制力，有利于冷軋的進(jìn)行。當(dāng)板形不好時(shí)，通過橫斷面上張力分配的作用，可在一定程度上自動(dòng)改善板形。因此，大張力軋制亦是為了獲得平直板形所必須的，總之計(jì)算板帶材軋制力時(shí)，必須考慮前后張力的影響。

(4)冷軋時(shí)，由于軋件較薄較硬，因此接觸弧長中單位壓力大，使軋輥在接觸弧處產(chǎn)生壓扁現(xiàn)象，因而加長了接觸弧的實(shí)際長度。所以，冷軋薄板時(shí)，軋輥的壓扁現(xiàn)象不容忽視，在計(jì)算軋制力時(shí)必須加以考慮。

(5)軋件的變形抗力有加工硬化的影響，故各道次的變形抗力往往和前面各道次的加工率相關(guān)，而且對(duì)本道次來說，它也是沿著接觸弧變化的，軋件在出口處比入口處要硬，計(jì)算時(shí)應(yīng)取平均值，一般按照累積壓下率來計(jì)算平均變形抗力。

3.2 軋制力模型算法

比較典型的軋制力數(shù)學(xué)模型有斯通(M.D.Stone)、亞歷山大-福特(Alexander-Ford)、布蘭特-福特(Bland-Ford)、采利柯夫、Bland-Ford-Hill等。Bland-Ford-Hill公式是最常用的制止力計(jì)算公式，本文以該模型算法為依據(jù)，對(duì)軋制力模型進(jìn)行分析。

考慮到軋制力模型的特點(diǎn)，冷軋軋制力公式，一般采用下列形式：

Pm=Bml＇cQpKtK/1000式中：P—軋制力，kN；

Bm—軋制平均寬度，m；

l＇c—考慮壓扁后的變形區(qū)接觸面積和接觸弧長，mm；

R—軋輥半徑，mm；

R＇—壓扁后軋輥半徑，mm；

Pm—平均單位壓力，MPa；

Qp—考慮壓扁后的外摩擦應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)；

Kt—張力影響系數(shù)；

K—考慮寬度方向主應(yīng)力影響系數(shù)后的變形阻力，寬展很小時(shí)，一般取K=1.5，MPa；

我廠軋制力模型公式采用下列形式：（其中包括軋制力公式、軋制力矩公式、軋制功率公式）：

Ws—帶鋼寬度；

R—工作輥半徑；

F—軋制力；

T—軋制轉(zhuǎn)矩；

P（x）—軋制壓力；

h（x）—帶鋼厚度；

Vr—工作輥圓周速度；

Xn—中性線位置；

P—軋制功率。

4.結(jié)束語

總之，過程控制系統(tǒng)在冷連軋機(jī)中的應(yīng)用是一個(gè)非常成功的典范，為包鋼冷軋薄 板的連續(xù)生產(chǎn)，提高產(chǎn)量，降低成本，減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度做出了許多貢獻(xiàn)，同時(shí)也為同行業(yè)的計(jì)算機(jī)控制提供了一種最佳自動(dòng)化選擇方案。

[1]西門子控制系統(tǒng)手冊(cè)[M].北京:西門子(中國)有限責(zé)任公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)自動(dòng)化系統(tǒng)部,1999,32.

[2]孫一康.帶鋼冷連軋計(jì)算機(jī)控制[M].冶金工業(yè)出版,2002.