中板轧机液压压上AGC系统的研究与设计.pdf

2 0 1 2年 2月 第 4 0卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S F e b ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 3 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 3 ． 0 2 6 中板轧机液压压上 A G C系统的研究与设计 侯建新 ， 张飞， 韩爽， 殷 实 北京科技大学冶金工程研究院，北京 1 0 0 0 8 3 摘要介绍了某钢厂 2 6 0 0 mm中板轧机液压压上系统的机械和电气特性，其液压系统采用了下置式液压缸，控制系 统由基础 自动化系统和过程自动化系统组成并采用多种智能算法 ，该设计提高了轧制效率和轧件精度，值得在类似轧机 上推广 。 关键词液压压上；中板 ；自动厚度控制 中图分类号T P 2 7 3 ；T G 3 3 3 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 3- 0 9 1 4 Re s e a r c h a n d De s i g n o f Hy d r a u l i c Sc r e w up AGC S y s t e m o f Pl a t e M i U HOu J i a n x i n．Z HANG F e i ，HAN S h u a n g，Y I N S h i I n s t i t u t e o f Me t a l l u r g y E n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Me c h a n i c a l a n d e l e c t r i c al c h a r a c t e ris t i c s o f h y d r a u l i c s c r e w u p s y s t e m o f s o me 2 6 0 0 mm p l a t e mi l l w e r e i n t r o d u c e d ． Hy d r a u l i c c y l i n d e r s o f t h e mi l l w e r e d o w n s e t t i n g t y p e ． T h e c o n t r o l s y s t e m wa s c o mp o s e d o f b a s i c a u t o ma t i o n s y s t e m a n d p r o c e s s a u t o ma t i o n s y s t e m a n d l o t s o f i n t e l l i g e n t a l g o r i t h ms a d o p t e d ． Ro l l i n g e f f i c i e n c y a n d p r o d u c t i o n p r e c i s i o n i s h i g h l y i mp r o v e d b y t h e d e s i g n ． I t i s wo r t h y o f p o p u l a r i z e i n s i mi l ar mi l l s ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s c r e w u p；Me d i u m p l a t e ； Au t o ma t i c g a u g e c o n t r o l 液压 A G C A u t o m a t i c G a u g e C o n t r o 1 由于具 有 低惯量、高响应、高精度及易于实现计算机控制等特 点，被广泛地应用于现代化板带轧机生产线的自动厚 度控制系统中⋯。作者在某厂 2 6 0 0 m m中板轧机设 计中采用了液压 A G C系统，辊缝调整为电动压下 液压压上，自动化系统采用两级计算机控制 ，即基础 自动化系统 L 1 和过程 自动化系统 L 2 ，实现 了全轧制过程的网络数据跟踪、动态 自适应轧制规程 设定及自学习模型和全 自动压下控制。 1 系统方案设计 1 ． 1 系统组成 整个系统分为控制系统、执行系统、操作装置和 检测系统 4 个部分。其中，控制系统包括基础 自动化 系统、过程自动化系统；执行系统包括液压缸、伺服 阀、压下传动装置；操作装置包括操作台、机旁箱、 监控站；检测系统包括厚度、位移、压力、温度、位 置测试等仪表。 1 ． 2液压 系统 与传统设计不同，在该系统中，采用了下置式液 压缸 ，A G C缸布 置在 下支 承辊 轴 承座 下方 的机架 窗 口底部。这一点与传统中厚板轧机将液压 A G C缸布 置在机架窗口上方 在上支承辊上的结构是完全 不同的，在新引进的项 目中多采用这种布置形式，这 种布置具有以下特点 1 减小 了机架窗 口尺寸 。 2 调整下工作辊上表面标高方便，配辊要求 低 。 3 液压缸距离控制阀组距离近，响应时间短。 4 液压系统采用的高压软管短，稳定性好。 1 ． 2 ． 1 A G C液压缸 A G C液 压 缸 图 1 是一种长行程、活 塞式 的液压 缸，其无 杆 腔直 径 9 7 0／ n l n ，有 杆腔直 径 8 7 5 i n n l ，最 大行程 2 0 0 I n ／ n 。为 了 能够很好地满足轧机 A G C系 统对 响应 特 性 的要求，液压 缸的设 计中重点考虑 了对双 图1 A G C 液压缸 侧压力腔的压力面积之 比。缸体、活塞、缸盖采用合 金锻件，连接螺栓为高强度合金螺栓 ，采用组合密封 装置，可使液压缸在小摩擦力下以高频率运行，密封 系统在热轧中板恶劣的环境中，具备较长的使用寿命。 收稿日期2 0 1 1 0 1 2 5 基金项目国家 8 6 3 计划 2 0 0 9 A A 0 4 Z 1 6 3 作者简介侯建新 1 9 5 7 ～ ，男 ，研究员，研究方向为材料加工机械装备和控制系统。E m a i l h o u j i a n x i n l 9 8 6 0 3 1 3 y a h o o ． e n。 9 2 机床与液压 第 4 0卷 在每个液压缸的中心，安装一个 内置式 M T S位 移传感器 ，精度为 1 m，用于测量液压缸活塞位移。 液压缸两腔各装有一个 H Y D A C压力传感器 ，该传感 器专用于轧钢液压高精度测量，精度在 0 ． 3 ％以内， 上升时间小于 0 ． 5 m s 。在液压缸上装有 T U R C K接近 开关，用于液压缸活塞行程保护。 1 ． 2 ． 2 液压系统控制阀组 控制阀组安装在距离液压缸约3 IT I 的地方，阀组 原理图如图2所示。传动侧和操作侧控制方式相同， 图中只表示一侧。 图2 控制阀组原理图 伺服阀选用 MO O G公司 7 9 F 2 0 2 9系列三级伺服 阀，在伺服阀主进油口设计了 5台容量分别为 5 0 L 的高压蓄能器组 两个液压缸共用 ，可提供瞬间大 流量，对液压脉动进行滤波 ，有动态补偿作用 ，加快 液压系统的响应时间，吸收冲击。充气压力为系统工 作压力的 0 ． 8 5倍。另外为了减小管路压力 的波动， 回油管路和控制油路均设有蓄能器。 在液压缸有杆腔设计了背压回路。 在伺服阀先导级设计了带有压差报警装置的高精 度双筒高压滤油器，滤芯精度为 5 m。 每个液压缸的过载保护是通过一个 电磁插装式溢 流阀实现的，设定电磁溢流阀的机械卸油压力为 3 0 M P a 。电气卸油压力为2 8 ． 5 M P a ，它也是一个系统安 全阀。这两组安全阀都将为轧机提供机械保 护。另 外，通过安装在液压缸上的位移传感器，由 A G C的 电气控制系统提供保护。 1 ． 2 ． 3 液压站 液压泵为恒压变量泵 ， 2 用 1 备，排量为 2 5 0 L ／ r ， 最高工作压力为 3 5 MP a ，单泵工作最大输出流量为 3 6 2 L ／ ra i n ，双泵工作可连续提供 的最大流量为 7 2 4 L ／ m i n 。液压站原理 图如 图 3所示 。 图3 液压站原理图 2 自动化系统结构和硬件配置 T e c h n o l o g y a n d D r i v e C o n t r o 1 进行轧机 A G C工艺控 2 ． 1 系统结构 制 ，用于完成电动压下 、液压压上及进行厚度控制； 系统采用两台西门子控制器 一台S I M A T I C T D C 一台 S I MA T I C s 7 - 4 0 0 P L C P r o g r a m m a b l e L o g i c C o n 。 第 3期 侯建新 等中板轧机液压压上 A G C系统的研究与设计 9 3 t r o l l e r 用作轧机顺序控制，完成区域设备联锁、轧 机和辊道速度控制、轧机辅助动作控制，轧区设备的 逻辑控制等。 在轧机操作室，设置一组操作台，根据功能分为 速度操作 台和压下操作台，并设有操作及监控 H M I H u m a n M a c h i n e I n t e r f a c e 。H M1 人机监控系统使用 西门子的WI N C C软件进行开发。操作台设置远程I ／ 0 站 ，通过 P r o fi b u s D P网与主控制器进行数据交换。 T D C与 P L C系统之间通过 以太 网交换数据 。 2 ． 2硬 件 配置 2 ． 2 ． 1 T D C控 制器 S I M A T I C T D C控制器 图4 的 C P U采用 6 4位 R I S C处理器 ，其性能是 S I MA D Y N D控制 器 P M 6 C P U 性能的 3 倍。 2 6 6 M H z 时钟频率、3 2 M字节 S D R A M 内存，最短循环扫描时间 1 0 0 s ，典型值为 3 0 0 W s ； 典型浮点运算时间0 ． 9 s 乘法 。最快控制周期可 小于 1 m s ，适合于应用在分布式生产过程的快速系 统中。硬件集成化程度高 ，百分之百的工业级芯片 ， 适 用于各种温度环境和工业现场环境 。 I SI EM ENSI J l M A II C I DCt - , I 一 。 -K UR 5213 _J 口 。 口 血日 ESET 1 1 ● _R ⋯⋯ 口 口 A B C D E F G H J K L M N P R S T U V W X 口 口 口 口 图4 T D C控制器 2 ． 2 ． 2 P L C控制器 S I MA T I C s 7 ． 4 0 0 P L C具有模块化、易扩展、坚 固耐用、网络支持广和界面友好的特点，非常适用于 过程控制行业 中需要处 理大量数据的任务 ，快速处 理 和确定的响应时间确保制造业中高速运行机器周期极 短。s 7 ． 4 0 0在协调整个工厂和通过从站控制低层通 讯线 路 方 面表 现 出色，各 种性 能 的 C P U都 能 与 s 7 ． 4 0 0配合使用，因此 s 7 ． 4 0 0的可伸缩性相 当优 异，I ／ O容量接近无限。 2 ． 2 ． 3 远程 I ／ O站 E T 2 0 0 M E T 2 0 0 M是一款高度模块化 的分布式 I ／ O系统 ， 防护等级为 I P 2 0 。它使用 7 - 3 0 0可编程序控制器的 信号模块，功能模块和通讯模块进行扩展。由于模块 的种类众多，E T 2 0 0 M尤其适用于高密度且复杂的 自 动化任务，而且适宜与冗余系统一起使用。 3基础 自动化级 L 1 功能 该系统可以实现的主要功能包括轧机液压辊缝控 制、轧机电动辊缝控制、轧机 自动厚度控制、轧机 自 动调零调平控制、液压缸同步 自动控制、液压缸限位 保护与报警、过程参数显示、轧制过程重要数据采 集 、故障状态记录、人机界面等。 轧机 自动厚度控制系统是提高热轧钢板同板差的 主要手段。影响板带厚度均匀性的因素非常复杂，主 要包括 轧件本身的因素，如坯料厚度不均、坯料硬 度波动 含水印等；轧制因素，如轧辊偏心、咬 钢时轧件对轧辊冲击 、温度对 轧辊尺寸和轧制力 的影 响等。针对这些干扰因素，采用数字控制计算机进行 厚度 自动控制，综合采用多种形式的厚度 自动控制算 法，以适应不同钢种、不同成品规格以及各工艺参数 变化的要求，减轻干扰因素对轧机出口板材厚度的影 响。A G C控制模型主要有 压力 A G C ，控制模型建 立在轧机弹跳方程原理基础上；监控 A G C ，利用 出 口测厚仪检测到的板厚偏差作为主反馈量来控制板带 出口厚度 。 液压 A G C系统是以液压缸驱动，对辊缝进行动 态微调，具备两个基本内闭环，即轧制力闭环和位置 闭环。一般与 自动位置控制系统 A P C，A u t o m a t i c P o s i t i o n C o n t r o 1 一起使用，自动位置控制系统是指 在指定的时间将控制对象的位置 自动地调节到预先由 过程机设定的位置 ，调节后的位置与目标值之差保持 在允许的误差范围内。液压 A P C作为液压 A G C的内 环，执行厚度外环液压 A G C控制向其输出位置 或 轧制力的动态调节量，即辊缝调节量。 A P C首先根据二级轧制模型由 A P C系统设定一 个辊缝参考位置，进行辊缝粗调，在此基础上，通过 高响应的伺服液压缸来修正轧制过程中的辊缝变化 ， 进行辊缝精调。除了以上两种基本闭环外，一些可预 知的影响板厚的因素通过建立数学模型同时被考虑 ， 以开环方式参与控制 。 A G C系统采用的基本方程是弹跳方程 S S F OG 1 式中h为出口厚度，s为轧辊辊缝值，P为轧制力 ， 尸 0 为预压力 ， 为轧机的刚性系数，．s 为弯辊力造 成的厚度变化 ，0为油膜轴承的油膜厚度变化 ，G为 辊缝零位。 3 ． 1 G M A G C 系统 G M A G C也称厚度计型 A G C，在 B I S R A A G C基 础上增加了轧机压下效率补偿环节，有效地提高了系 统动态响应特性。实用 G M A G C系统如图 5所示。 G M A G C系统的特点是在 B I S R A A G C基础上加入 了轧 件 塑 性 系数 Q，考 虑 了轧机 压 下 效 率 补偿 9 4 机床与液压 第4 0卷 MQ ／ M。G M A G C厚度模型仍使用线性轧机弹跳 方程，限制了控制精度。 Pd ， 图5 实用 G M A G C系统 G M A G C控制算法表达式如下 j A P A h A S 2 A S A S 一 △ 3 3 ． 2监 控 A G C 系统 该 A G C系统是根据轧机出口侧装设精度比较高 的测厚仪 ，直接测出钢板实际轧出厚度并与给定的目 标厚度 即锁定厚度 值进行比较，当两者数值相 等时，厚度计输出为零 厚度计的输出量就是厚度 偏差值 矶即8 h0 。若实测厚度值与给定的目标 厚度不等而出现厚度偏差肌 时，便将该 孔 反馈给厚 度 自动控制装置进行辊缝调节。 监控 A G C系统框图如图 6所示，图中， 为厚 度设定值 ， 为控制输出， 为外扰，G s 为 P I 控 制器， s 为轧机系统传递函数， 为无延迟的机 架出口厚度 无法测量 ，Y为出口厚度 延迟时间 后的数值 ，通过测厚仪实测获得 。 图6 监控 A G C系统 这种 A G C系统的特点是 厚度变化的检测量与 控制量不是在同一时间内发生的 因为测厚仪离工 作辊中心线有一定距离 ，因此当检测点检出厚度的 波动不能得 到及时 的反映 ，而有 一定 的滞后时 间 。 3 ． 3补 偿 A G C 为了进一步提高厚调精度，需采取各种补偿措施， 主要是弯辊力补偿、偏心补偿、油膜轴承厚度补偿、 轧辊热凸度和磨损变化的补偿、伺服阀流量补偿等。 4 过程 自动化级 L 2功能 L 2主要任务是对全线的生产工艺过程进行跟踪、 设定和数据采集等。控制系统要求运行稳定、功能设 置灵活实用、产品质量控制精确，能否运行稳定主要 取决于计算机硬件系统的合理配置以及中间件和应用 软件的结构设计及编程质量，功能设置的灵活实用主 要体现在控制系统的功能和接口是否可以很好地适应 中厚板各种不同的生产工艺要求和关键参数控制，以 方便工艺技术人员实现产品和工艺开发，产品质量要 控制精确，关键在于设定计算所涉及的数学模型、控 制策略、自适应算法等。 4 ． 1 硬 件 配置 的核心设备是两台P c服务器轧钢过程控制 服务器 P C S 主要运行轧钢过程 自动化的中间件 和应用软件 ；轧钢过程历史数据服务器 H D S 用于 存储所有的生产数据和报表。 L 2系统还配备了四套软件维护开发终端 D E V 、 两套 H M I 工程师站和两台网络打印机，方便技术人员 对过程控制计算机系统进行监视、维护和开发。 控制系统软件分为操作系统及系统软件、 中间件、应用程序。操作系统和系统软件采用成熟和 通用的商业产品。中间件为实现过程 自动化控制功能 的应用程序及其开发平台和运行环境 ，直接代表中厚 板 L 2的软件系统水平，并且它们的稳定性和功能设 置将直接影响用户的使用和生产。 4 ． 2 实现功 能 板坯从炉内抽出放到辊道上，L 2开始对其进行 跟踪和启动第一次轧机设定计算。然后 ，由人工或 L 1 控制辊道将板坯经过高压水除鳞后输送到轧机入 口侧导板处，若需要可进行轧前转钢，侧导板对中并 测宽后，L 2启动第二次轧机设定计算。 板坯开始轧制后 ，每道次轧制完后，L 2都会根 据实际测量数据对模型进行 自适应和对后续道次设定 参数进行修正，并能快速适应轧制条件的变化，尽可 能提高钢板出口精度。根据轧制工艺不同，板坯在轧 制过程中进行 1 ～ 2次转钢。 5 结束语 通过现场实际运行的情况来看，该系统稳定可靠， 能快速响应各种手动和自动的调节，厚度精度达到国 内先进水平， T D C控制器作为西门子系列中最高性能 的控制器，能很好地满足冶金行业快速控制的要求。 参考文献 【 1 】 金学俊． 液压 A G C在板带轧机上的应用[ J ] ． 液压气动 与密封， 2 0 0 0 ， 8 2 4 4 5 4 7 ． 【 2 】 李献国． 中厚板四辊轧机特点分析[ J ] ． 一重技术， 2 0 0 8 ， 1 2 5 5 1 61 7 ． 【 3 】 张飞， 童朝南， 王寅虎 ， 等． 基于卡尔曼滤波器 的液压 A P C系统[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 7 7 5 7 6 ． 【 4 】 孙一康． 带钢热连轧的模型与控制[ M ] ． 北京 冶金工业 出版社， 2 0 0 2 ． 【 5 】 王君， 王国栋． 各种压力 A G C 模型的分析与评价[ J ] ． 轧 钢， 2 0 0 1 ， 1 8 5 5 1 5 4 ． 【 6 】 F e i Z h a n g ， Q u a n Y a n g ， N a n k a i S h e n t u ， e t a 1 ． R e s e a r c h a n d A p p p l i c a t i o n o f H o t R o l l i n g Mo n i t o r A G C A l g o ri t h m[ C] ． 2 0 1 0 I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o n E l e c t r i c a l a n d C o n t r o l E n g i n e e rin g， Wu h a n， J u n e 2 0 1 0 5 4 5 15 4 5 4．