基于溫度為主控參數(shù)的高磁感冷軋硅鋼控制研究★

李志宏，韓 鵬，杜 娟

（1.山西云時代太鋼信息自動化技術(shù)有限公司，山西 太原 030003；2.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024）

高磁感冷軋硅鋼在鋼鐵產(chǎn)品中屬于高附加值的產(chǎn)品，是作為制造大型節(jié)能電機和變壓器的關(guān)鍵性材料。在高磁感冷軋硅鋼軋制過程中，軋制卷取溫度是一個非常重要的參數(shù)，它對硅鋼性能的優(yōu)劣會產(chǎn)生直接的影響。然而，在目前的高磁感冷軋硅鋼生產(chǎn)中，更偏重于對硅鋼的厚度和板型控制，即對硅鋼的尺寸規(guī)格和外觀非常重視，對軋制過程中的卷取溫度這個參數(shù)重視度卻不夠，并沒有針對卷取溫度進行控制的手段和方法，因此，雖然硅鋼的厚度和板型達到了要求，但硅鋼的磁感性能往往達不到預(yù)期的目標，從而降低了由這些硅鋼制造的電機和變壓器的節(jié)能效果。為此，本文以卷取溫度為主控參數(shù)，對高磁感冷軋硅鋼控制進行研究，以提高硅鋼軋制性能[1]。

1 高磁感冷軋硅鋼硬件系統(tǒng)設(shè)計

國內(nèi)外最常使用20輥軋機來對高磁感冷軋硅鋼進行軋制。本研究課題即以20輥軋機為主體設(shè)備，軋機兩側(cè)各有一個卷取機，軋制時，硅鋼鋼卷由一側(cè)卷取機輸入軋機進行軋制，并經(jīng)支撐輥由另一側(cè)卷取機進行卷繞。此類軋機為可逆軋機，可以來回往復(fù)進行多道次的軋制。

為了方便對軋機參數(shù)進行檢測和控制，在軋機系統(tǒng)設(shè)計和配置了檢測儀表。在硅鋼鋼板上方設(shè)置卷取溫度計和測厚儀，用以測得硅鋼軋制過程中硅鋼鋼板的溫度和厚度；壓下油缸直接作用于20輥軋機輥系，對硅鋼鋼板進行擠壓軋制，壓下油缸處配置軋制力檢測儀，以檢測軋制力的大??；主軸電機經(jīng)主軸驅(qū)動硅鋼鋼板快速向前移動，變頻器控制主軸電機的速度，在主軸上配置測速儀，用以測量主軸電機速度；乳化液管道中的乳化液經(jīng)20輥軋機輥系的中心位置噴灑至硅鋼鋼板上，進行冷卻和潤滑，乳化液管道上設(shè)置壓力計和流量計，以便測量管道里乳化液的壓力和流量，并配置調(diào)節(jié)閥用以調(diào)節(jié)乳化液流量。高磁感冷軋硅鋼軋機系統(tǒng)及檢測流程如圖1所示。

圖1 高磁感冷軋硅鋼軋機系統(tǒng)及檢測流程

高磁感冷軋硅鋼軋機系統(tǒng)的主要控制參數(shù)是乳化液流量、主軸速度、軋制壓力、硅鋼厚度、卷取溫度。為實現(xiàn)閉環(huán)控制，設(shè)計配置可編程控制系統(tǒng)，以對相關(guān)參數(shù)進行采集和控制?？删幊炭刂葡到y(tǒng)如圖2所示。

圖2 可編程控制系統(tǒng)

從圖2可知，乳化液流量、主軸速度、軋制壓力、硅鋼厚度、卷取溫度等數(shù)據(jù)由現(xiàn)場檢測儀表采集后輸入至可編程控制器，在可編程控制器里，要對這些數(shù)據(jù)進行必要的濾波處理，去掉異常的數(shù)據(jù)，然后把處理后的數(shù)據(jù)連同時間標簽一起送進數(shù)據(jù)庫服務(wù)器里進行存儲，并進行初步分類，以便進行查詢、趨勢顯示，同時，將處理后的數(shù)據(jù)送進模型工作站，進行參數(shù)辨識、建模等工作，最終由可編程控制器輸出信號來控制乳化液流量、主軸速度、軋制壓力。

2 高磁感冷軋硅鋼軟件功能研究

高磁感冷軋硅鋼控制軟件功能框圖如圖3所示。

圖3 高磁感冷軋硅鋼控制軟件功能框圖

2.1 參數(shù)預(yù)處理

將卷取溫度計測得的卷取溫度、乳化液管道上流量計測得的乳化液流量、乳化液管道上壓力計測得的乳化液壓力、主軸上測速儀測得的軋機主軸速度、壓下油缸處軋制力檢測儀測得的軋制力、測厚儀測得的鋼板厚度以及標志這些參數(shù)采集時間的時間標簽一同輸入?yún)?shù)處理模塊，參數(shù)處理模塊對卷取溫度、乳化液流量、乳化液壓力、軋機主軸速度、軋制力、鋼板厚度等重要參數(shù)進行平滑濾波和必要的修正等預(yù)處理。

2.2 模型辨識

參數(shù)處理模塊把處理后的卷取溫度、乳化液流量、乳化液壓力、軋機主軸速度、軋制力、鋼板厚度等重要參數(shù)輸出至辨識模塊，辨識模塊根據(jù)卷取溫度、乳化液流量、乳化液壓力、軋機主軸速度、軋制力、鋼板厚度等重要參數(shù)，并基于硅鋼鋼板軋制過程中物理變化機理及軋輥形變機理，分別辨識出溫度與乳化液流量關(guān)系模型、溫度與軋機主軸速度關(guān)系、溫度與軋制力關(guān)系模型[1]。

2.3 卷取溫度預(yù)測

由于溫度計不能安裝在軋機對鋼板的軋制位置（軋制點），因此測量的卷取溫度存在滯后性，必須對卷取溫度進行處理。卷取溫度預(yù)測模塊就可以實現(xiàn)對卷取溫度的處理。通過將卷取溫度輸入至卷取溫度預(yù)測模塊，以卷取溫度設(shè)定值的階躍響應(yīng)作為預(yù)測模型，并根據(jù)在線檢測的50個歷史溫度信息進行預(yù)測，從而得到真正的卷取溫度，即預(yù)測卷取溫度。

2.4 模型修正和控制

2.4.1 乳化液流量模型修正和控制

辨識模塊輸出的溫度與乳化液流量關(guān)系模型連同卷取溫度預(yù)測模塊輸出的預(yù)測卷取溫度一起輸入至溫度與乳化液流量關(guān)系模型修正模塊。溫度與乳化液流量關(guān)系模型修正模塊根據(jù)預(yù)測卷取溫度對溫度與乳化液流量關(guān)系模型進行修正，并輸出當(dāng)前乳化液流量設(shè)定值至乳化液流量控制模塊。乳化液流量控制模塊根據(jù)乳化液流量設(shè)定值進行控制算法計算，輸出乳化液流量控制量，以此去調(diào)節(jié)乳化液流量調(diào)節(jié)閥的開度，從而使乳化液流量大小發(fā)生變化。

2.4.2 軋機主軸速度模型修正和控制

同時，辨識模塊輸出的溫度與軋機主軸速度關(guān)系模型連同卷取溫度預(yù)測模塊輸出的預(yù)測卷取溫度一起輸入至溫度與軋機主軸速度關(guān)系模型修正模塊。溫度與軋機主軸速度關(guān)系模型修正模塊根據(jù)預(yù)測卷取溫度對溫度與軋機主軸速度關(guān)系模型進行修正，并輸出當(dāng)前軋機主軸速度設(shè)定值至軋機主軸速度控制模塊。軋機主軸速度控制模塊根據(jù)軋機主軸速度設(shè)定值進行控制算法計算，輸出軋機主軸速度控制量，以此去控制軋機主軸變頻器頻率的輸出，最后由主軸變頻器控制主軸電機的速度大小，即硅鋼鋼板向前移動速度的大小。

2.4.3 軋制力模型修正和控制

同時，辨識模塊輸出的溫度與軋制力關(guān)系模型連同卷取溫度預(yù)測模塊輸出的預(yù)測卷取溫度一起輸入至溫度與軋制力關(guān)系模型修正模塊。溫度與軋制力關(guān)系模型修正模塊根據(jù)預(yù)測卷取溫度對溫度與軋制力關(guān)系模型進行修正，并輸出當(dāng)前軋機軋制力設(shè)定值至軋制力控制模塊。軋機軋制力控制模塊根據(jù)軋制力設(shè)定值進行控制算法計算，輸出軋制力控制量，以此去控制壓下油缸，進而由壓下油缸輸出軋制力，對硅鋼鋼板進行擠壓軋制。

3 效果

某鋼廠正常生產(chǎn)時，預(yù)測卷取溫度范圍在200～350℃；乳化液流量范圍在3 500～4 800 L/min；主軸速度范圍在30～600 m/min；軋制力范圍在300～420 t。將本次研究成果應(yīng)用于該廠，實現(xiàn)了基于溫度為主控參數(shù)的高磁感冷軋硅鋼工藝智能化控制，硅鋼軋制完卷取環(huán)節(jié)溫度控制精度達到±3.86℃，在確保硅鋼的厚度和板型達到要求的同時，提高了硅鋼高磁感性能[2]。此外，該研究的應(yīng)用還創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟效益，為企業(yè)占據(jù)新戰(zhàn)略品種的制高點奠定了堅實的基礎(chǔ)，促進了同行業(yè)的工藝技術(shù)進步。