李富強(qiáng)，宋君，趙勇，張鵬，胡秀梅（.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧鞍山40；.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山4009）

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冷軋平整機(jī)模型研究與仿真

李富強(qiáng)1，宋君2，趙勇1，張鵬1，胡秀梅1
（1.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧鞍山114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

摘要：對(duì)鞍鋼1450 mm平整機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，分析了軋制力、張力等模型設(shè)定參數(shù)，提出了修正軋制力公式及提高模型設(shè)定計(jì)算精度的方法。同時(shí)利用VB開發(fā)了模型參數(shù)設(shè)定計(jì)算仿真程序。仿真程序能夠結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，離線準(zhǔn)確地計(jì)算出各軋制參數(shù)設(shè)定值，為提高冷軋薄板成品質(zhì)量提供支持。

關(guān)鍵詞：冷軋；平整機(jī)；延伸率；模型參數(shù)；仿真設(shè)定

李富強(qiáng)，工程師，2003年畢業(yè)于鞍山科技大學(xué)金屬材料工程專業(yè)。E-mail:Lzlfq9549@163.com

鞍鋼股份有限公司冷軋廠1450 mm平整機(jī)組2007年投產(chǎn)至今，經(jīng)過(guò)多次技術(shù)改造，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，絕大部分產(chǎn)品質(zhì)量都已達(dá)到用戶要求。但當(dāng)機(jī)組在生產(chǎn)厚度0.8 mm以下薄帶鋼時(shí)，會(huì)出現(xiàn)帶鋼延伸率波動(dòng)大、控制不穩(wěn)定的情況，而且?guī)т撛奖≡綄?，現(xiàn)象越嚴(yán)重。為解決上述問題，本文以鞍鋼股份有限公司冷軋廠4#線1450 mm平整機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與數(shù)學(xué)模型為主要研究對(duì)象，對(duì)平整機(jī)計(jì)算機(jī)模型控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。分析了目前國(guó)內(nèi)外冷軋平整計(jì)算機(jī)模型控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并在原平整機(jī)模型控制思想的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了原有的模型控制系統(tǒng)中的模型公式，同時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)了一套模型控制仿真程序，優(yōu)化后的計(jì)算機(jī)模型系統(tǒng)在生產(chǎn)線上投入使用后，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)際效果較好。

1　平整工藝與控制系統(tǒng)

1.1平整工藝

1450 mm單機(jī)架平整機(jī)組設(shè)計(jì)年產(chǎn)能80萬(wàn)成品厚度范圍0.3～2.0mm，寬度為700～1 380mm。產(chǎn)品品種主要覆蓋CQ、DQ、DDQ等，機(jī)組運(yùn)行最高速度為1 200 m/min。平整機(jī)組工藝布置圖見圖1。

圖1　平整機(jī)組工藝布置圖

1.2過(guò)程控制系統(tǒng)

冷軋平整機(jī)組計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由過(guò)程控制系統(tǒng)（二級(jí)）、基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)（一級(jí)）和人機(jī)界面（HMI）三部分組成，過(guò)程控制系統(tǒng)同時(shí)預(yù)留有同生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（三級(jí)）的接口［1］。

過(guò)程控制系統(tǒng)功能流程圖見圖2。整個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)分為4大模塊和負(fù)責(zé)模塊間通訊、系統(tǒng)與外部通訊的中間件系統(tǒng)（subsys系統(tǒng)），4大模塊包括物料跟蹤模塊、測(cè)量值處理模塊、通訊代理模塊和數(shù)學(xué)模型計(jì)算模塊。

圖2　過(guò)程控制系統(tǒng)功能流程

過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)、基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)和人機(jī)界面之間均通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互通訊?；A(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)各個(gè)功能單元模塊之間通過(guò)西門子現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)和光纖網(wǎng)三種通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)與搖盤操作臺(tái)、遠(yuǎn)程I/O模塊、傳動(dòng)裝置、儀器儀表設(shè)備之間通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)進(jìn)行通訊［2］。

2　平整數(shù)學(xué)模型分析優(yōu)化

表1　軋制規(guī)程號(hào)與張力對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2　壓下補(bǔ)償系數(shù)表

3　模型設(shè)定參數(shù)仿真

數(shù)學(xué)模型設(shè)定值計(jì)算模塊是1 450 mm平整機(jī)組過(guò)程控制系統(tǒng)的核心模塊。通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到平整機(jī)軋制的所有預(yù)設(shè)定參數(shù)再通過(guò)過(guò)程控制系統(tǒng)中物料跟蹤數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送給基礎(chǔ)自動(dòng)化。數(shù)學(xué)模型計(jì)算預(yù)設(shè)定值時(shí)需要帶鋼的原料卷信息、訂單信息和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)值等數(shù)據(jù)，整個(gè)計(jì)算機(jī)程序中算法的基礎(chǔ)是冷軋平整工藝數(shù)學(xué)模型。

控制系統(tǒng)提供了平整機(jī)生產(chǎn)線所必需的各類數(shù)學(xué)模型。整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分為兩大模塊：設(shè)定值模型計(jì)算模塊和物料跟蹤數(shù)據(jù)處理模塊。設(shè)定值模型計(jì)算模塊主要負(fù)責(zé)根據(jù)鋼卷的原料信息、平整機(jī)組的設(shè)備參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)自動(dòng)化發(fā)送過(guò)來(lái)的儀器儀表檢測(cè)實(shí)際值來(lái)為即將要上線的鋼卷利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出鋼卷在機(jī)組軋制時(shí)所需要的各種軋制參數(shù)，參數(shù)包括軋制力、機(jī)組各段張力、工作輥彎輥力、前滑值、輥縫值和延伸率調(diào)節(jié)的增益系數(shù)；物料跟蹤數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)顯示鋼卷進(jìn)行跟蹤，響應(yīng)基礎(chǔ)自動(dòng)化的請(qǐng)求把鋼卷原料信息、軋制設(shè)定值、軋輥數(shù)據(jù)等信息發(fā)送給基礎(chǔ)自動(dòng)化，同時(shí)還對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，生成成品數(shù)據(jù)、軋輥數(shù)據(jù)、原料卷數(shù)據(jù)、實(shí)際值數(shù)據(jù)等信息［3］。

3.1設(shè)定計(jì)算仿真軟件

為了使現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)技術(shù)人員和操作人員更加方便地了解不同規(guī)格鋼種帶鋼的軋制設(shè)定值參數(shù)，作者在研究課題的基礎(chǔ)上利用Microsoft Visual Studio 2008 vb.net編程工具開發(fā)了一套針對(duì)1 450 mm平整機(jī)組模型設(shè)定計(jì)算的離線仿真程序。該程序給生產(chǎn)技術(shù)操作人員提供了友好的人機(jī)交互界面，通過(guò)簡(jiǎn)單的操作就可以計(jì)算出機(jī)組任何規(guī)格帶鋼軋制預(yù)設(shè)定值參數(shù)。程序雖然是離線，但通過(guò)程序也可以訪問機(jī)組在線過(guò)程控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，程序可以把實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃中的前20卷鋼卷信息從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀出顯示在界面窗口中，在軋制鋼卷前操作工可以手動(dòng)計(jì)算鋼卷的設(shè)定值作為軋制時(shí)的參考值。整個(gè)數(shù)學(xué)模型仿真程序計(jì)算流程圖如圖3所示。

圖3　設(shè)定值計(jì)算流程框圖

3.2設(shè)定計(jì)算仿真結(jié)果

通過(guò)作者編制的1 450 mm平整模型設(shè)定值仿真程序，分別對(duì)原有軋制力模型有優(yōu)化后的軋制力模型進(jìn)行離線模擬仿真，在整個(gè)模擬的過(guò)程中選擇了不同鋼種、不同厚度寬度的15卷鋼卷，模擬計(jì)算過(guò)程中使用的是冷軋1 450 mm平整機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際工廠數(shù)據(jù)。

依據(jù)鞍鋼股份有限公司冷軋廠提供的軋制設(shè)定值原始參數(shù)，運(yùn)用原模型和優(yōu)化后模型對(duì)平整軋制力進(jìn)行模擬仿真，數(shù)據(jù)對(duì)比折線圖如圖4所示。

圖4　SPCC軋制力對(duì)比

通過(guò)離線模擬仿真程序在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的情況，1 450 mm平整機(jī)在軋制厚度小于1.2 mm的原料鋼卷時(shí)，帶鋼的延伸率控制都非常穩(wěn)定，軋制過(guò)程中沒有出現(xiàn)較大的波動(dòng)。經(jīng)過(guò)模擬仿真系統(tǒng)的修正后，機(jī)組帶鋼延伸率波動(dòng)的情況出現(xiàn)的幾率變小，重平率明顯降低。

對(duì)仿真程序投入前后的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，并從中抽取了2卷厚度在1.2 mm以下規(guī)格的鋼卷，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的延伸率波動(dòng)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。系統(tǒng)投入前、后延伸率控制效果見圖5所示。從圖中可見，在生產(chǎn)厚度小于1.2mm薄帶鋼時(shí)，優(yōu)化后延伸率一直處于控制范圍內(nèi)（±1.2‰），而且比較穩(wěn)定。說(shuō)明鞍鋼1 450mm冷軋平整機(jī)組模型系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)工作可靠有效。

4　結(jié)論

（1）平整機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程中，延伸率控制主要受工藝、數(shù)學(xué)模型預(yù)設(shè)定、電氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)及來(lái)料等諸多因素影響。

（2）分析了平整軋制力、張力、輥縫、前滑和摩擦系數(shù)等軋制參數(shù)，優(yōu)化了原有的軋制力模型公式，提高了預(yù)設(shè)定精度，生產(chǎn)中取得了良好效果。

圖5　系統(tǒng)投入前、后延伸率控制效果圖

參考文獻(xiàn)

［1］齊克敏.異步恒延伸軋制的試驗(yàn)及理論研究［D］.沈陽(yáng):東北工學(xué)院,1986.

［2］李明.計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)在平整機(jī)組中的研究與應(yīng)用［D］.武漢:武漢科技大學(xué)控制理論與控制工程,2011.

［3］曾長(zhǎng)操.平整機(jī)軋制力和延伸率的研究［D］.秦皇島:燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2002.

（編輯袁曉青）

修回日期：2015-07-17

Study on M odel for Cold Rolling Tem per M ill and M odel Simulation

Li Fuqiang1，Song Jun2，Zhao Yong1，Zhang Peng1，Hu Xiumei1
（1.Cold Rolled Strip Steel Mill of Angang Steel Co.,Ltd.,Anshan 114021,Liaoning,China; 2.Iron&Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning,China）

Abstract:Based on the study of themathematicalmodel for the process control system of the 1450 mm cold rolling tempermill in Ansteel,such setup parameters for themodel as rolling force and tension were analyzed so that the formula for correcting the rolling force and the method for improving the calculation precision of setup parameters for the model were proposed.The simulation program for setting and calculating themodel parameters was developed by VB,which can accurately calculate the setting values of different rolling parameters off-line together with the actual production data and provide the technical support for improving the quality of cold rolled steel sheets.

Key words:cold rolling;tempermill;elongation;model parameter;simulation setting

中圖分類號(hào)：TG333

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-4613（2016）02-0040-04