冷轧乳化液压力协调控制系统的研究与应用.pdf

第 3 7卷第3期 2 0 1 3年 5月 冶 金自 动 化 Me t all u r g i c a l I n d u s t r y Au t o ma t i o n V o 1 ． 3 7 N o ． 3 Ma v 201 3 系统 与装置 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． is s n ． 1 0 0 0 0 5 9 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 1 2 冷轧乳化液压 力协调控 制系统 的研究 与应用 费静 ， 张岩， 侯永刚， 秦大伟， 宋君 鞍钢股份有限公司 技术中心， 辽宁 鞍山 1 1 4 0 2 1 摘要 针对目前乳化液系统在生产过程单独靠压力阀开度来调节系统压力 ， 经常造成系统压力不稳定和精度低 的问题 ， 提出了乳化液压力协调控制策略， 引入压力影响效率函数， 通过压力调节阀和供乳主泵变频电动机相 互配合的协调控制， 满足了乳化液系统压力的快速高精度控制要求。生产结果数据表明， 该控制系统在现场的 成功应用提高了乳化液压力响应速度和控制精度 ， 提高了带钢表面质量， 取得了良好经济效益。 关键词 冷轧； 乳化液系统； 压力控制； 协调控制； 影响效率函数 文献标 志码 B文章编号 1 0 0 0 - 7 0 5 9 2 0 1 3 0 3 - 0 0 5 8 - 0 4 Re s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f e m u l s i o n p r e s s u r e c o o r d i na t e d c o nt r o l s ys t e m f o r c o l d r o l l i n g F E I J i n g ， Z H A N G Y a n ， HO U Y o n g g a n g ， Q I N D a w e i ， S O N G J u n T e c h n o l o g y C e n t e r o f A n g a n g S t e e l C o ． ， L t d ． ， A n s h a n 1 1 4 0 2 1 ， C h i n a Abs t r a c tTh e s y s t e m p r e s s u r e i s o n l y r e g u l a t e d b y p r e s s u r e v a l v e f o r e mu l s i o n s y s t e m ， wh i c h o fte n r e s u hs i n u n s t a bl e s y s t e m p r e s s u r e a n d l o w p r e c i s i o n i n t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s ． Ac c o r d i ng t o t h e p r o b l e ms a s me n t i o n e d a b o v e， t h e c o o r d i n a t i o n c o n t r o l s t r a t e g y o f e mu l s i o n p r e s s u r e i s p u t f o r wa r d， wh i c h i n t r o d u c e s t h e p r e s s u r e i n fl u e n c e o f e f fi c i e n c y f u n c t i o n ． B y c o n t r o l l i n g t h e p r e s s u r e v alv e a n d c o n v e r - s i o n mo t o r o f p u mp c o o r d i n a t e l y， r a p i d s p e e d a n d h i g h p r e c i s i o n c o n t r o l d e ma n d s o f e mu l s i o n s y s t e m a r e f u l f i l l e d． P r o d uc t i o n r e s u l t s s ho w t h a t s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o f t h e c o n t r o l s y s t e m h a s i mp r o v e d t h e r e s p o n s e s p e e d a nd c o n t r o l a c c u r a c y o f e mul s i o n p r e s s ur e wh i c h i mp r o v e s t h e s u r f a c e q u ali t y o f t he s t r i p a n d a c h i e v e s g o o d e c o n o mi c b e n e fit s ． K e y wor ds c o l d r o l l i ng； e mu l s i o n s y s t e m ； p r e s s u r e c o n t r o l ； c o o r d i n a t e d c o n t r o l ； i n fl ue n c e o f e f fic i e n c y f u n c t i o n 0 引言 良好的冷却润滑效果是实现冷轧机高速稳定 轧制的基础， 冷轧过程的冷却润滑功能由乳化液 系统完成。利 用乳化液系统 ， 在轧制过程 中保持 精确的乳化液喷射流量和稳定的压力 ， 不仅可以 改善带钢表面质量 ， 而且可以调整轧辊热凸度 ， 从 而提高板形 控制精度。 目前 ， 对乳化液 系统 的研 究主要集 中在工艺和设备方面 ， 文献 [ 1 ] 着重研究 了乳化液系统的乳化液成分性能 ， 文献 [ 2 ] 主要研 究了乳化液 系统 的工艺参 数优化和设备改造 ， 这 些研究都较少涉及乳化液控制系统的优化。而保 持乳化液供乳管路压力稳定是达到良好冷却润滑 效果 的重要保障 ， 因此乳 化液压力控制是乳化液 控制系统的核心。常规的乳化液压力控制通常是 调节系统旁通阀开度来调节供乳管路系统压力， 但 由于该 阀具有非线性特征 ， 经常会 出现调节偏 差大且能力不足的情况， 因此无法实现高精度系 统压力控制 。 基于此 ， 作 者结合 现场 实际 工艺 状况 ， 将 乳 化液系统旁通阀和主泵变频电动机均设定为控制 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 9 1 0 作者简介 费静 1 9 7 8 ， 女 ， 辽宁鞍山人 ， 工程师 ， 硕士 ， 主要从事冶金 自动化方 面的研究 工作 。 第3期 费 静 ， 等 冷轧乳化液压力协调控制 系统的研 究与应用 5 9 对象， 采用旁通阀开度和供乳主泵变频电动机速 度 同时调节的乳化液压力协调 控制策略 ， 引入压 力影响效率 函数 ， 建立 了乳化液压力协调控 制系 统 。系统于 2 0 1 1年应用于鞍钢 股份有 限公 司莆 田 1 4 5 0冷连轧生产线 ， 实现 了对乳 化液 系统压力 的精确 、 快速控制 。 ‘ 1 乳化液 系统调压 原理 乳化液系统 压力 调节 可 以通 过 2种 手段 进 行 1 提高主泵变频 电动机转速可以增大乳化液 输出量 ， 从而使乳化液系统压力增加； 2 增大旁 通压力调节 阀 口开度可 以加大乳化液 回流量 ， 从 而使乳化液系统压力 减小。基 于以上调压原 理 ， 协调控制旁通压力 调节 阀和供 乳主泵 变频 电动 机 ， 即旁通调压和变频调压协 同工作 ， 就可 以提高 乳化液系统压力的控制 能力和精度 。乳化液压力 控制系统如图 1所示 。 5 机架 机架 3 机架 机 架 1 机架 补油乳液 箱油箱 3 乳液 补油 乳液 油箱 2 箱 油箱 1 图 1 乳化液压力控制 系统 F i g ． 1 Emu l s i o n p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m 1 ． 1旁通调压原理 乳化液系统压力常规上是通过乳化液主供乳 管路 的旁通压力调节阀来实现 自动控制 。旁通压 力调节 阀是 一个 以压力 为控制 目标 的气动 比例 阀 ] ， 可 以通过精确控制主 阀芯 的位置来控制流 量 ， 从而通过控制旁通流量间接调节系统压力 。1 ～ 4 机架 的供乳管路压力分别 由4个压力计检测 ， 将它们的平均值作为旁通压力调节阀的压力反馈 值， 轧制时预先设置的系统压力作为压力目标值， 通过 P I D控制器进行闭环控 制 如 图 2所示 ， 最 终实现对乳化液系统总管路的压力调节。 系统总管路 乳化液流量 图 2 旁通调压原理框 图 F i g ． 2 P r e s s u r e a d j u s t i n g d i a g r a m o f t h e b y p a s s v a l v e 1 ． 2变频调压原理 变频调压是通过调节供乳主泵变频电动机的 转速来调节离心泵的输出流量， 以保证整个供乳 系统的系统压力恒定。主泵变频传动采用异步电 动机 ， 为电流 内环、 转速外环 的双 闭环控制 系统 ， 转速环要求稳 态无误 差 ， 以稳 定性最好 为原 则。 正常工作时 ， 要保持供乳管路系统压力恒定 一般 设定 为 8 0 0 k N ／ m ， 一旦压力计检测到系统压力 发生变化 ， 主泵变频 电动机接 收 P I D控制器的指 令 ， 调节电动机转速来改变离心泵输出流量 ， 从而 调节系统压力 ， 如图 3所示。 统总管路 化液流量 图 3 变频调压原理框 图 F i g ． 3 P r e s s u r e a d j u s t i n g d i a gra m o f t h e c o n v e r t e r mo t o r 2 压力协调控制系统 在实际应用中， 由于旁通压力调节阀有时会 出现调节能力不足 的问题 ， 同时变频 电动机距离 压力测量装置位置较远， 单独应用变频调压控制 会存在调节滞后问题， 所以这里首次提出依靠二 者协调控制共同作用完成乳化液系统压力的精确 控制。协调控制就是利用最小二乘法 的优化原 理 ， 求出两种调节负荷分配调节量 ， 即通过相互配 6 0 冶 金自 动 化 第3 7 卷 合达到消除乳化液系统压力偏差的目 的[引 。 在此引入影响效率函数， 将其定义为压力调 节手段的单位压力调节量对于压力偏差的影响效 果 一 ‘ △ ‘ 式 中， F i 为第 i 种压力调节手段对第 个测量点 的 影响效率 函数 ； A a 为第 i 种 调节手 段 的调 节量 负荷分配系数 ； A P 为调节量为 △ 时引起 的 第 个测量点的系统压力偏差变化量 。 从式 1 可 以看出， 影响效率 函数和系统压力 偏差具有变化的一致性 ， 在 系统压力偏 差 的控制 误差平方和最小化的控制 目标下 ， 采用最小二乘 算法建立压力控制效果最 优评价 函数 E， 以获得 两种控制手段各 自的最佳调节量 。 E [ △ P f 一 F △ ] 2 式中， n ， m分别为测量点数和调节手段数 目。 由压力偏差的控制误差平方和最小化的控制 目标可知 ， 各调节手段调节量 △ 应满足 0 3 对上式展开计算， 得到以下形式的线性方程 组 1 1 , b 1⋯ l l j b f ⋯ l l n b m l h I l l b 1 ⋯ l ij b ⋯ l i n b m1 4 1 m l b l ⋯ Z 耐6 ⋯ l m m b mZ 其中， l ,j ， k 1 m 9 i k ； b ； z 。 通过求解方程组 ， 其非零解存在且唯一 ， 即求 得 B Q Q Q T D Fl 1 ⋯ F 1 ⋯ F 1 Fl ⋯ F ⋯ F础 F1 ⋯ F ⋯ F 5 ，D [三二 ]。 矩 阵 口 中 的 各 项 对 应 控 制 执 行 机 构 相 对 于本次压力偏差的各个调节量 A a ， 在此即为旁通 阀开度和供乳泵变频电动机速度的各自调节量。 影响效率函数的设定具有极大的灵活性， 能 够及时反映生产过程 中乳化液系统压力情况的变 化 ， 使压力控 制 系统始终保 持在 最佳 工作状 态。 实际应用中 ， 压力调节手段有 2种 ， 压力 检测点有 4个 ， 因此在压力协调控制中 ， i 1 ， 2 1 ， 2 ， 3 ， 4 ； 4 ； m2 。通过 S i e me n s的高速处理器 T D C来 实现矩阵运算 ， 由压力协调控制系统计算旁通阀 和供乳泵变频电动机对应系统压力偏差调节 的调 节量 ， 然后应用 P I D控制器进行系统参数整定 j ， 最终实现乳化液系统压力的高精度控制。 3系统 实现流 程 鞍钢莆 田 1 4 5 0冷连 轧生产线乳化 液压力协 调控制时， 首先将变频电动机 的速度设置 为 8 0 ％ 额定转速， 启动变频主泵； 然后将旁通压力调节阀 开度设置为 5 0 ％满开度 ； 当压力传感器 检测 到实 际值并反馈给系统 以后 ， 通过影响效率 函数计算 两者的调节量， 变频泵为 0 ． 3 4 ， 旁通阀为 0 ． 6 6 。 在运行中， 通过不断检测实际压力， 将 目标值与实 际值进行比较， 得出的偏差用于修正更新计算， 用 计算所得的负荷分配调节量实时进行协调控制。 需要注意 的是 ， 当旁通压力调节 阀开度 大于 9 5 ％时， 说明乳化液系统压力较高， 单独利用旁通 压力调节阀已经很难实 现系统压力的减小 ， 此时 需切换至手动模式 ， 调整变频 电动机转速为 6 0 ％ 额定转速； 当旁通压力调节阀开度小于 5 ％时， 说 明乳化液系统压力较低， 单独利用旁通压力调节 阀已经很难 实现系统压 力的增大 ， 此 时只有将变 频 电动机的转速增大至 1 0 0 ％额定转速才能有效 增大系统压力 。 4 应用结果分析 鞍钢莆 田 1 4 5 0冷连 轧生产线采用 的供乳主 泵变频 电动机 额定参 数如下 功率 2 5 0 k W， 电流 4 5 0 A， 电压 3 8 0V， 转速29 8 0 r ／ m i n ， 离心泵 的扬程 为 1 2 2 ． 4 m； 变频调压 P I D控制器的整定参数分别 为 比例系数 K 0 ． 7 ， 积分时间常数 T l 1 S ， 微 分时间常数 T D 0 ． 0 2 S 。旁通压力调节阀参数为 扭转角度 9 0 3 。 ， 最大转矩 8 8 2 N m； 旁通调压 P I D控制器的整定参数分别为 K l ， 0 ． 8 S ， TD0． 0l S 。 现场投入乳化液压力协调控制系统前后 的控 制效果如图 4所示 ， 图中的旁通压力调节 阀开 第3 期 费静， 等 冷轧乳化液压力协调控制系统的研究与应用 6 1 匿 臀 Z a 投入前 世 嚣 量 奋 b 投入后 图 4 压 力协调 控制 系统控制效果 Fi g ． 4 Ef f e c t o f p r e s s u r e c o o r d i n a t i o n c o nt r o l s y s t e m 度 、 供乳主泵 电动机速度和系统压强每 0 ． 1 5 s 采 集一次。 在投入压力协调控制 系统之前 ， 泵 的变频 电 动机速度值不变， 只调节旁通压力调节阀的开度， 从图 4 a 可 以看 出系统压力一直处 于震荡不稳 定状态 ， 不能满足短时间内压力稳定 的要求 ； 在投 入压力协调控制系统之后， 在系统压力 目标值分 别设定在 8 0 0 k N ／ m ， 8 5 0 k N ／ m 和 9 0 0 k N ／ m 隋 况下 ， 以消除系统压力偏差为控制 目标 ， 通过协调 控制阀的开度和电动机 的速度变化 见图 4 b ， 系统达到稳态的时间为 2 0 s ， 超调量 为 4 ％ ， 体现 了系统压力调节的快速性和平稳 性 ， 满足 了现场 生产需求 。 5 结论 鞍钢莆田 1 4 5 0冷连 轧生产线 乳化液控制 应 用压力协调控制系统， 结合影响效率函数的控制 方法和 P I D控 制调节手段 ， 对 变频主泵 电动机 和 旁通压力调节阀进行协调控制， 实现了乳化液系 统压力快速响应高精度调节。 1 将乳化液系统 中的供乳主泵改为变频 电 动机控制 ， 提高了乳化液系统压力 调节精度和效 率， 有效地延长了泵站使用寿命， 提高了经济效 益 。 2 首次在乳化液控制系统 中提 出压力协调 控制的影响效率 函数 ， 通 过最 小二乘方法对系统 压力调节机构的负荷分配更加合理 ， 压力调节平 滑 、 波动小 ， 响应速度快 ， 提高了系统 的稳定性和 可靠性。 3 乳化液系统压力协调控制后 ， 控制精度有 大幅度提高 ， 系统的超调量只有 4 ％ ， 稳态时 间仅 为2 0 S ， 完全满足生产要求， 提高了轧制过程冷却 和润滑效率。 参考文献 [ 1 ] 张岩， 吴鲲魁 ， 王军生， 等． 冷轧乳化液使用功效的理 论研究[ C ] ／ ／ 2 0 1 0年全国冷轧板带生产技术交流会论 文集． 威海 中国金属学会轧钢分会， 2 0 1 0 1 0 5 - 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