迁钢2160热轧液压活套软接触控制的研究与应用.pdf

第 3 6卷第 6期 2 0 1 2年 1 1月 冶 金自 动 化 Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y Aut o ma t i o n Vo 1 ． 3 6 No ． 6 NO V ．2 0l 2 系统与装置 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 -7 0 5 9 ． 2 0 1 2 ． 0 6 ． 0 1 3 迁钢 2 1 6 0热轧液压活套 软接触控制 的研 究与应用 刘 兴 华 北京首钢 自动化信息技术有限公司 首迁运行事业部 ， 河北 迁安 0 6 4 4 0 0 摘要 为解决热连轧生产过程中带钢的“ 缩颈” 和“ 鱼头” 现象， 在传统活套控制器的基础上叠加了趋近控制器， 即对液压活套进行软接触控制， 其控制效果的好坏对带钢成品宽度有重要影响。笔者就活套软接触控制的必 要性、 趋近控制器的数学模型及其软硬件实现分别加以阐述分析。最后， 结合现场生产实际说明其良好的控制 效果 。 关键词 热连轧 ； 液压活套； 软接触； 趋近控制器 中图分类号 T G 3 3 4 ． 9 文献标志码 B文章编号 1 0 0 0 - 7 0 5 9 2 0 1 2 0 6 - 0 0 5 8 - 0 5 Re s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f s o f t t o uc h c o n t r o l f o r h y d r a u l i c l o o p i n 2 1 6 0 h o t r o l l i n g mi l l o f Qi a n g a n g L I U Xi n g h u a S h o u q i a n M a i n t e n a n c e D i v i s i o n ， B e i j i n g S h o u g a n g A u t o ma t i o nI n f o r ma t i o n T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， Q i a n ’ a n 0 6 4 4 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e a p p r o a c h c o n t r o l l e r i s a d d e d t o t r a d i t i o n a l l o o p C O I l t r o l l e r i n o r d e r t o s o l v e t he n a r r o wi n g o f t h e s t r i p he a d a n d fis h he a d i n h o t s t r i p r o l l i n g， whi c h me a ns t h e s o ft t o u c h c o n t r o l i s u s e d f o r h y dr a u l i c l o o p．Th e e f f e c t o f t h e s o ft- t o uc h c o n t r o l wi l l a f f e c t t h e a c c u r a c y o f fin i s h e d wi d t h d i r e c t l y ．T h e i mp o r t a n c e o f t h e s o ft t o uc h c o n t r o l a n d t h e ma t he ma t i c a l mo d e l o f a p p r o a c h c o n t r o l l e r a r e a na l y z e d， a n d t h e a c t u a l i z a t i o n o f t h e ha r d wa r e a n d s o f t wa r e o f t h e c o n t r o l l e r i s i n t r o d u c e d i n t h e p a p e r ．T he p r o du c t i o n p r a c t i c e s h o ws t h a t t h e s o ft t o u c h c o n t r o l h a s g o o d c o n t r o l e f f e c t ． Ke y wor ds h o t s t r i p r o l l i n g；h y d r a u l i c l o o p；s o ft- t o u c h；a p p r o a c h c o n t r o l l e r 0 引言 为保证轧制过程的稳定 ， 提高产品质量， 现代 带钢热连轧机 在精轧机组 相邻机 架设有 活套装 置 ， 以在机架间保持一个稳定 的小套量。活套 主 要有两个作用， 一是保持机架 间金属秒流量相等 ， 二是实现机架间微张力控制。由于热连轧 的轧制 速度较快 ， 因此在带钢头部 和尾部要求 活套有较 快的响应速度 。如果 活套辊 与带 钢接触 速度过 快 ， 就会 瞬时产 生很大 的张力 ， 导致带 钢头部变 窄， 形成“ 缩颈” ， 影 响带钢 的头部尺寸精度 ； 如果 与带钢接触速度太慢 ， 则不能及时建立恒定张力， 轻则头部变 宽， 形成 “ 鱼头” 状 ， 重 则可能导致 堆 钢 。同时在轧机抛钢 时刻 ， 若活套下降动作缓 慢 ， 则导致活套角度过高 ， 带钢就会甩尾 。为解决 以上问题， 需要通过控制器实现从活套辊快速抬 起到接触带钢建立恒定张力之 间的平滑过渡以及 活套的稳速落套 ， 也就是实现活套辊与带钢 的软 接触。 2 0 0 6年 ， 首钢迁安钢铁有限责任公司热轧 2 1 6 0 轧线精轧活套在传统活套控制基础上增加 了两门 子趋近控制器功能块 ， 控制 活套 的抬起 和下 降速 度。在使用 中， 我们对趋 近控 制器 的内部机 理进 行了研究 ， 因而能够对其参数 进行一定 的优 化调 整 ， 最终取得了较好的软接触效果。 1 传统活套控制 带钢轧制过程中， 活套控制分三个 阶段 活套 收稿 日期 2 0 1 2 4 3 3 2 9； 修 改稿收到 日期 2 0 1 2 -0 9 - 2 5 作者简介 刘兴华 1 9 8 2 一 ， 女 ， 河北 张家口人 ， 助理工程师 ， 主要从事 自动化仪表维护工作。 第6 期 刘兴华 迁钢 2 1 6 0热轧液压活套软接触控制的研究与应用 5 9 从等待位起套至带 钢张力形成 、 稳定轧制状态下 的张力控制 、 抛钢落套 j ， 因此活套控制主要包括 起落套控制 、 活套张力和套量调节 。 传统的活套控制 系统 为实现稳定控制 ， 设置 有位置 、 速度及力矩三个 闭环控制 ， 其 中位置环处 于最外环 ， 速度环次之 ， 最 内环为力矩环 。活套从 起套到落套要经过上升 、 预下 降和下降三个 阶段。 在活套上升阶段 ， 为保证 活套快速起 套 ， 位置环设 定位置 为 活套 辊 抬 起 的最 高 角 度 6 1 。 ， 活 套 由 1 0 ． 2 E 升到正常工作点 由于实际无法达到最大 值 ， 一般维持在 2 3 。 左右 ， 因此保证 了速度环迅速 饱和 ， 从而切换 为力矩环控制。力矩环设定力矩 包括活套重力转矩 、 活套起套加速力转矩 、 带钢重 力转矩 、 伺服阀偏移补偿转矩 、 带钢弯 曲转矩 以及 张力转矩 等 ， 其与 活套角 度 和实 际带 钢相关 。 活套张力控制的 目的是使带钢在恒定 的微张力状 态下进行轧 制 J ， 通过伺服 阀驱 动活套机构 的液 压缸带动活套辊动作来 实现。在预下 降阶段 ， 实 现活套 的小套量 控制 ， 通过位置 环控制使活套下 落至预先设定 的角度 。在下降 阶段 ， 此时 已经失 张 ， 设定角度为 1 0 ． 2 。 ， 最终使 活套落在轧制线位 置 。 活套位置 由码盘检测 ， 反映 到液压 系统就是 液压缸的位置。实际力矩通过检测液压缸有杆腔 和无杆腔压力经计算后 获得 ， 作 为反馈值 用于控 制伺服阀 ， 形成力矩闭环控制 。 活套正常工作过程 中， 在上升 阶段 ， 活套辊还 未与带钢接触时是没有 张力存 在 的， 这 时力矩闭 环控制无法建立 ， 起套速度很慢 ， 而且给伺服 阀的 输出逐渐增大 ， 很难做到活套辊 与带钢的平稳接 触 ， 因此需要通过对活套进行 软接触 控制来 实现 平稳过渡。同时在下降阶段 ， 为了保证 活套稳速 落套， 避免带钢甩尾， 也需要进行软接触控制。下 面以活套起套过程为例 ， 介绍软接触控制的原理 。 2 活套软接触控制 2 ． 1控 制原 理 在活套辊失去 了和带钢的接触或者接触还没 有建立 、 控制处于开环状态的趋近阶段 ， 活套辊若 能以一个特定的趋近速度接触带钢 ， 则趋 近过程 就可 以被控制 。通过趋近控制器控制活套辊抬起 速度 ， 使之在接近带钢时速度逐渐减小 ， 从而平稳 地接触带钢 ， 避免缩颈现象的产生 ， 这就是活套 的 软接触控制。 带趋近控制器 的活套控 制系统如 图 1所示 。 为实现平滑的软接触 ， 在原有 的控 制器上附加一 个非线性增益的趋近控制器 ， 它根 据张力力 矩设 定值和实际值之间的偏 差进行调节 。在没有建立 张力之前趋近控制处于开环控制 阶段 ， 此时控制 器的输出很大 ， 叠加在力矩控制器输出之上 ， 驱动 液压伺服阀带动活套辊快速抬升活套 ； 而在即将 接触带钢的时候该控制器的输 出迅速下降为 0且 被封锁 ， 并转 由力矩 控制 器控制 活套建 立张力 。 也就是说 ， 趋近控制器只在活套上升阶段起作用 ， 在正常工作点 达到设定张力时 仅力矩控制器工 作 。力矩控制 器和趋 近控 制器并行工作后 ， 两个 控制器的输 出叠加作 为伺 服阀 的输入 ， 既提 高了 趋近阶段活套辊 抬起 的速度 ， 也实现 了活套辊 与 带钢的软接触。 忸 直 制 器 理 发 制 器 刀 怒 制 器 ． 伺月 j 夕 E 区 P 调节 限幅 一 H H l _ i 死 P l调 节 限 幅 l P I 调 节 ； l出 实 际 粪 。 趋 近 控 制 器l 速 度 设 微 分 环 节 I 非 线 性 环 节； 实际张力力矩 } 匣圃 角度传感器 图 1 带趋近控制器 的活套控 制系统 F i g ．1 Lo o p c o n t r o l s ys t e m wi t h a pp r o a c h c o nt r o l l e r 趋近控制器 没有 任何存储功能 ， 也就是它没 有任何微分和积分能力 以及磁滞特性 。不同的力 矩设定值需 要有不 同的特性 曲线 ， 因此趋 近控制 器 由一组特性曲线组成。 冶 金自 动化 第3 6卷 2 ． 2 趋近控制器的数学模型 根据生产控制要求 ， 趋 近控制器输 出的表达 式为 二 f r △ M △ 0 1 n ppr { l 【 X f A M／ M △ ≥0 其中， X f KP I JM ， f M ， AM M 一 M 上述式中， d x 啪 * 为趋 近控制 器输 出 ； Y ,e ， 为活套最 大落套速度设定值 ； X 为活套最大起套速度设定 值 ； AM为力矩偏差值 ； 为力矩设定值 ； M 为力 矩实际值 ； K 和 佗 w 为 比例增益 ； 为指数 K K 和 在设备调试 时根据经验 和调试结果 取理 想值 。 引入变量 Z 和 Z， 将式 1 进行标准化处 理 z I -- z n Z 0 2 其中， z A M ， z Z 0 的部 分如图 2所示 。 图 2 趋近控制器输出特征曲线 1 F i g ． 2 C u r v e o f a p p r o a c h c o n t r o l 1 正常轧制 时， z的取值 间接 反映 出活套实 际 张力的大小 ， Z0时实 际张 力力矩等 于设定力 矩 ， 此时活套完全 接触带 钢， 即此点 为完全接触 点 ； Z1时实际力矩为 0， 此时活套辊还未接触到 带钢 ， 为活套辊初始抬起时刻 ， 即此点为初始接触 点。控制要求趋近控制器在 Z 0和 Z1附近都 要输出平稳。从 图2可以看 出， Z1附近曲线非 常陡峭 ， 也就是此时 z 在初始接触点附近对 Z 的变化很敏感 ， 轻微 的扰动就会引起控制器输 出 很大的变化 ， 在趋近过程 内， 控制器的输 出很难达 到理想的趋近速度且保持稳定 。 鉴于此 ， 考虑对其进行改善， 以降低输 出变化 对 z的敏感性 ， 最终使 Z1和 Z 0时控制器输 出对 z的变化不太敏感 ， 且能够在起 套阶段 以一 个相对理想 的速度趋 近带钢 。从 图 2可 以看 出， 曲线 ZZ 的斜率随着 z的增大逐渐增大 ， 越来越陡峭， 但是在 Z0附近斜率变化不 明显。 而控制要求 z 在初始接触点附近 z近似 为 1 对 z变化不要太敏感 ， 因此考虑将 Z 0的曲线 用作 Z1 处 ， 同时考虑到 z的取值范围为[ 0， 1 ] ， 可以首先将原有曲线缩小 1 ／ 2， 然后将缩小之后的 曲线围绕点 O ． 5 ， 0 ． 5 顺时针旋转 1 8 0 。 ， 旋转之后 的曲线如图 3所示。 图 3趋近控制器输 出特征 曲线 2 Fi g． 3 Cur v e o f a p p r o a c h c o n t r o l 2 从图 3可 以看 出曲线基本能达到控制要求 ， 根据 函数的初等变换可得 图 3中曲线的函数表达 式 曲线关于原点对称 ， 因此 Z 0的情况 图中没 有画出， 后同 Z 一 W一 Z 0 ． 5 z 1_ ． 5 [ 1一 z l 1 Z 0 0≤ Z 0 ． 5 0． 5≤Z 1 Z≥ 1 3 从图 3还可以看 出， 改变 值 可以改变 Z1 和 Z 0两端 曲线 的形状 。从 活套控制 的实际情 况来看 ， Z1时 活套辊初始抬起的时刻 n值较 大效果 比较好 ， 但是 Z 0 活套接触带钢时刻 时 n值较小对实际控制更加有益。这就要求曲线类 型 2的上下两部分非对称 比较好 ， 有 2个方法 可 叠 d 一●● 第6 期 刘兴华 迁钢 2 1 6 0热轧液压活套软接触控制的研 究与应用 6 1 以实现 1 在 整个控 制过程 中， 不断修 改 凡值 ； 2 在曲线 2的基础上对曲线形状进行修改 ， 让两 部分曲线 形状是非对称 的。考虑现场实 际情 况 ， 活套抬起过程时间短暂 也就是趋近控制器的作 用时问很短 ， 不断改变 值控制难度较 大， 因此 考虑采用第 2种方法。 由图 3很容易发现通过修改拐点 k 。 的位置 ， 同时考虑 z的范围[ 0 ， 1 ] ， 通过曲线的反转可以改 变曲线形状。变换后的曲线如图 4所示。 图 4趋近控制器输 出特征 曲线 3 Fi g． 4 Crave o f ap p r o a c h c o nt r o l 3 图4中曲线的函数表达式为 Z 一 W一Z Z 0 O Zk k o o t 卜 1 一 Z ] ≤ l 1 Z≥ 1 4 设定力矩 实际力矩 基小增益 最人增 益 设定速度 反向系数 指数 F t 固定参数 点 当 k 。 0 ． 5时， 类型 3与类型 2完全相 同， 即类型 2是类型 3的特殊形式。从图4可以看出， 当 k k , ,o t 右移时控制器输出对扰动的灵敏度增大 ； 当 k k ． o t 左移时 ， 控制器输出对扰动 的灵敏度减小 。根 据实际情况 ， 在 [ 0， 1 ] 之 间任意修改 k k ． o t 值 ， 可随 意改变曲线两端形状 ， 实现 活套辊 和带钢的软接 触 ， 最终满足现场控制需要 。 3 控制器的 实现及效 果 活套控制 系统是轧机控制系统 的一部分 ， 采 用西门子基于工业过程 自动化的 6 4 b高速控制器 T D C 。由于 T D C具有很快 的数据处理速度 、 强大 的通信功能和先进的控制策略 ， 因此非常适 用于 大型 自动控制系统 。 T D C使用 S i m a t i c自动化系统工具进行组态 ， 即使用 S t e p 7硬件组态工具 H W C o n fi g进行组态 和参数化 ； 使用 P C S 7编程软件的 C F C 连续功能 图 和 S F C 顺序功能图 进行组态编程。丰富的 组态库 D 7 一 S Y S提供大量经过验证的标准功能块 ， 趋近控制器功能块就是其 中的一个。在 了解 了前 述趋近控制器数学模 型的基 础上， 只需通过设定 趋近控制器功能块相应 的控制 参数及变量 ， 就可 以实现活套的趋近控制。西门子趋近专用控制功 能块如图 5所示。 F 4轧机活套起套过程的实际运行曲线如 图 6 所示 ， 该图真实地反 映了软接触 控制在活套控制 中的效果。从 图6 a 和 b 中可 以看 出， 通过精 确控制活套辊动作 ， 活套辊快速 平稳地接触到带 钢 。 从图6 c 可 以看 出， 趋近控制器 只在活套上 趋近控制器输 出 控制偏差 基小控制偏差 总增益 限幅 l 限幅 2 减小系数 故障代码 图 5 趋近专用控制功能块 Fi g ． 5 Fu nc t i o n b l o c k o f a pp r o a c h c o n t r o l l e r 升的时候才有输 出， 而 当活套上 升到带钢张力建 立 、 活套辊与带钢完全接触 时， 其输 出就会被封锁 为 0 。活套辊抬升过程中 ， 趋近控制器 的输出比力 矩控制器的输 出要快 ， 且输 出值迅速 达到最大值 ， 在活套上升建立张力之后 ， 迅速减小为 0 。 4 结束语 迁钢 2 1 6 0热轧项 目自2 0 0 6年投产 以来 ， 软接 触控制一直应 用于精轧机 活套张力控制 。 该控制 6 2 冶 金自 动 化 第3 6 卷 ； {丰 i j 一 圭 ⋯ 二 辅 麟 j { i l } t ⋯ ⋯ 一 ⋯ 一 ⋯ 爹 考 角 度 } 立 味 衢 l畦 一一 } } l r 一1 { l 、 ⋯ 一⋯ 一一 ⋯ ⋯ ⋯ 一 { ⋯ 一 一一 --一 {l_一一一一⋯ ⋯ -一- j f 卜{L ／ ； l 、 f 一 一I ⋯ ⋯ ～ ⋯ ～ ⋯一 ⋯ ⋯ ； L ， } { } { } 时 1] ／ h m i n s a 活套角度控制 曲线 { l L l ， } _ _ ⋯ ． ． ． ． 一 i 7 ～ i 一 { 、一 { 参考张力 } l ⋯ ， ⋯一 一 实 际 张 另 ； l l ⋯ 一 i - ⋯ l { } } { } { f { { ， { i { { J l l 时 1] ／ h m i n s b 活食张力控制曲线 3 9 ⋯ ⋯ ～ 一 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ～ 一⋯ ⋯ 一 一 ； A 娃 蔷 蔷 ≯ - - ll __} _lll 1I| - 0 一 - _ __ 0 一 镬 2O 一 一 l { 艇 警 } 一 ⋯} ⋯ i0 , 一{ l ～ ～ 、 { ； { ； 』 一 L _ j 一 I ， 、I h { ／ _ ＼_ J， - I } l0 i l l ； 一 j I i l 时 ll ／ h mi n s c 趋近控 制器与力矩控制器输 出 图 6 实际控制 曲线 Fi g ． 6 Ac t u a l c o n t r o l C HI V E S 实现 了活套辊 与带钢 的快速平稳接触 ， 基本消除 了带钢的“ 缩颈”和“ 鱼头” 现 象 ， 保 证 了产 品宽 度 ， 提高 了产 品质量 ， 实现 了生产 过程 的稳 定高 效。 参考文献 [ 1 ] 贾大朋， 张殿华 ， 丁桦， 等． 热连轧过程中活套辊与带 钢“ 软接触” 定位控制[ J ] ． 轧钢 ， 2 0 0 5 ， 2 2 3 4 5 4 7 ． [ 2 ] 杨森． 车 L 机液压活套控制理论 [ J ] ． 酒钢科技专刊， 2 0 1 1 2 1 4 9 1 5 3 ． [ 3 ] 刘立文 ， 阳春华． 活套控制技 术及应 用 [ J ] ． 湖南 冶金 ， 2 0 0 5 ， 3 3 4 1 2 1 6 ． [ 4 ] 张殿华． 热连轧机活套控制系统的研究与发展[ J ] ． 基 础 自动化 ， 1 9 9 9， 6 3 1 - 4 ． [ 5 ] 高阳． 包钢 C S P生产线 中的液压活套 自动控制 [ J ] ． 包 钢科技 ， 2 0 0 1 4 4 5 _ 4 8 ． [ 编辑 薛 朵] 上接第 5 3页 J 1 Z h e n p i n g ． C HE N We n mi n g ． YU Ge ． Hi e r a r c h y C o l o u r e d P e t r i N e t H C P Na n d a p p l i c a t i o n i n ma t e ri a l fl o w s y s t e m s i mu l a t i o n mo d e l i n g f o r s t e e l ma k i n g a n d c o n t i n u o u s c a s t i n g p r o d u c t i o n o f B a o s t e e l [ J ] ． Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y A u t o n m t i o n ， 2 0 0 2 ， 2 6 2 6 - 9 ． [ 7 ] L I Z W， Z H O U M C， wu N Q ． A s u r v e y a n d c o m p a r i s o n o f Pe t r i Ne t ba s e d d e a d l o c k p r e v e n t i o n p o l i c y for fle xi b l e m a n u f a c t u ri n g s y s t e m s [ J ] ． I E E E T r a n s ． S y s t ． ， Ma n a n d C y b e r n ， 2 0 0 8 ， 3 8 2 1 7 2 1 8 8 ． f 8 ] A l a d d i n M， T h o m a s B， A r m a n d T ． P e r f o r m a n c e a n a l y s i s o f I E E E 8 0 2 ． 1 1 b w i r e l e s s n e t w o r k s w i t h o b j e c t o r i e n t e d P e t r i N e t s [ J ] ． E l e c t r o n i c N o t e s i n T h e o r e t i c a l C o m p u t e r S c i e n c e ， 2 0 0 9 ， 2 4 2 2 7 3 8 5 ． [ 编辑 薛 朵] ‘ i i , ◆i●I l i ◆II I h ●◆II ◆I I ◆ I ◆, ll●I ◆◆I ●i I ◆◆I◆◆I●◆I ●I◆I ◆, ll I i ●I ◆● 找 检 测 仪 器就 上 检 测 仪 器 网 i www． Q C t e s t e r ． C O 1T I _． 1 ◆◆ ◆◆◆◆◆◆◆．． ◆