冷轧带钢制造中分布式计算机控制系统的研究33Word下载.docx

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再者，在冷轧工艺润滑中可以控制板形，降低轧后表面粗糙度。

综上所述，带钢冷轧过程中，工艺润滑起着降低成形过程力能消耗；

减少工模具损耗，延长其使用寿命，提高生产效率；

改善带钢表面质量等作用。

此外，良好的润滑性和冷却性，也是能否实现轧机高速轧制的关键。

目前国内、外的钢铁企业越来越注重这方面的研究，它是现代冷轧技术中的重要课题。

本文从分布式控制系统的角度对其加以研究和探讨。

1.1.2分布式计算机控制系统概述

随着自动控制理论的发展，新的自动控制技术的出现，特别是计算机工业的发展，使得工业过程控制跨入了计算机控制时代。

数字计算机应用于工业自动化领域，发挥了其运算速度快，精度高，处理逻辑判断能力强的特点。

而分布式计算机控制系统即DCS系统作为生产过程的自动控制提供了强有力的控制手段，它采用微型计算机智能技术，不仅具有记忆、数据运算、逻辑判断功能，还可以实现自适应、自诊断、自检测[3]。

采用分级递阶结构，使系统功能分散、风险分散，提高了系统的可靠性，使系统更为灵活。

而局部网络通信技术的应用大大提高了分散控制系统的通信能力，可实现对全系统信息进行综合管理以及对各过程控制单元、人机接口单元和操作进行管理。

DCS控制系统则在系统的处理能力和系统安全性方面明显优于集中系统，这是由于DCS采用多台计算机分担了控制的功能和服务，使处理能力大大提高，而风险性却分散的缘故。

经过多年发展，目前DCS采用了多层次结构，即将系统分为现场控制层、协调控制层和管理控制层，这种结构特别适合现代大系统控制和优化理论的实施。

DCS系统的软件采用开放性的接口，包括动态数据交换DDE和ActiveX，动态连接库DLL，目标连接和插入OLE，开放数据库访问ODBC，结构化查询语言SQL以及应用编程界面API。

利用这些界面，可以方便地与商品化软件或用户开发的软件进行接口。

采用DCS的生产过程自动化使控制系统在以下几个方面具有很大的优势[3]：

a.控制算法可以极大丰富，从经典的反馈控制、前馈控制、PID控制直到用户自己开发的先进控制算法如人工智能、模糊控制、预测控制、神经网络控制、自学习控制等；

b.系统功能越来越向综合性发展，从只对有关过程环节的控制发展到优化、协调和管控一体化、统计与分析等；

c.图形化功能越来越强，随着图形用户界面（GUI）的不断发展和完善，用于观察现场运行状态和参数的各种指针式或数字仪表、指示灯和工艺图等逐渐被形象、生动、直观的CRT动态画面所替代；

d.数字信号越来越深入现场，现场总线的应用，使得现场的检测信号、实施控制与调节的信号逐步由模拟信号变为数字信号；

e.操作方式越来越软件化，通过对CRT上的一些模拟图表示的软按钮、软手柄等对控制装置进行操作，实际的物理设备的操作已被计算机的软件操作所代替。

同时，由于开放体系的通信网络的发展，克服了过去各种计算机不能通信的“信息孤岛”现象。

计算机不仅能够对单个设备和生产工序进行控制，也可以将这些个别的生产单元联系在一起进行协调控制，实现整个生产过程的总体优化。

而就目前国内的控制系统技术而言，大多采用了单变量的PID控制方法，其缺点是无优化能力，不能充分利用系统信息来处理系统之间的耦合问题。

因此其控制性能和效率不高。

所以，充分利用先进控制理论和计算机控制技术来对老式的控制系统和控制方式进行革新具有重要的现实意义，特别是对整体控制水平不高、经济基础薄弱的中小企业尤其重要。

本文针对我国整体装备水平较低、国产化率不高的冷轧板企业进行了基于分布式计算机控制系统方面的应用研究与探讨。

1.2课题的实用价值及理论意义

目前在竞争激烈的冷轧行业中，生产成本和产品质量对于企业来说至关重要，吨钢成本消耗、产品表面清洁性就成为衡量冷轧产品的关键指标。

在冷轧带钢制造中，冷轧的工艺润滑是影响轧制油消耗量和产品表面清洁性的主要因素。

而带钢表面清洁性是冷轧带钢产品质量的重要指标之一，轧制油吨钢消耗量是影响冷轧成本的重要因素，改善冷轧机的工艺润滑和工艺冷却，不仅可以大幅度提高产品质量、降低生产成本，而且将给后部工序创造更好的生产条件，工艺润滑和工艺冷却已经成为现代冷轧技术的重要课题。

目前，国内冷轧板企业只有少数几家大型钢厂能较好地应用工艺润滑，且多是引进国外的二手设备，而多数冷轧板企业（包括国内中小型冷轧板企业）则缺乏控制和管理轧制工艺润滑剂（乳化液和轧制油）的应用技术，这直接影响产品的成品率及表面质量，而且有些企业冷轧工艺润滑油一次性使用不进行回收循环，资源浪费严重，并造成环境污染，这些都使企业的利润大幅减少，严重制约了这些企业的发展。

本论文作为预研性课题，通过对分布式控制系统的研究，针对带钢制造中的轧制工艺润滑和冷却，设计一套性能／价格比优的小型分布式控制系统，对其进行自动化控制和管理。

本文突出了分布式控制系统的高效率，高性价比，高可靠性，易维护性，便于系统灵活组态等特点，适用于正面临资源整合，企业兼并、重组，急需技术更新和自动化改造的国内中小型冷轧板企业，同样也适用于大中型冷轧板企业的轧制工艺润滑和冷却的国产化改造，可最大限度地提高投入产出比，为冷轧企业利用现有条件在短期内实现自动化改造、增加利润提供了一条简便易行的办法，因此，该课题的研究无论在经济效益还是社会效益方面都有着重要意义。

1.3课题研究的内容

本论文在分析了大量国内外文献的基础上，基于分布式系统的基本理论，针对带钢制造中的轧制工艺润滑和冷却，设计一套性能／价格比优的小型分布式控制系统，对其进行自动化控制和管理。

文中对冷轧带钢制造中的工艺润滑和分布式控制系统分别进行了深入的理论分析，并为冷轧润滑工艺确定分布式控制系统的结构方案和控制方案。

本文的核心部分是小型分布式控制系统的设计，其中包括硬件设计和软件设计。

其中核心部分是小型分布式控制系统的设计，包括硬件和软件设计。

在研制该系统的过程中，在尽量不影响系统性能的前提下，本着经济可行的原则，尽可能减少系统的硬件开销而把重点放在软件开发上。

2冷轧工艺润滑理论

冷轧工艺润滑对产品质量及轧制稳定性有很大影响，关系到机组作业率和产量。

与热轧工艺润滑不同，带钢冷轧生产过程中，工艺润滑是轧制工艺中的重要环节，它也是冷轧带钢制造中的关键技术之一。

因为热轧过程中的氧化膜、水也可以起到一部分润滑作用，而且材料变形抗力较低。

但在冷轧过程中，由于带钢材料加工硬化，变形抗力增加，导致轧制压力升高，同时，随着轧制速度的提高，轧辊发热，必须采用兼有冷却作用的润滑剂进行工艺润滑以减少摩擦、降低轧制压力、冷却轧辊、控制板形及表面质量[2,4,5]。

可见，冷轧过程中的润滑，是冷轧带钢实现塑性变形和获得良好板形以及减少能源消耗的关键工艺参数之一。

2.1冷轧工艺润滑的作用机理

2.1.1工艺润滑的机理

金属成形时的润滑机制与机械润滑机制不同，它是建立在润滑力学和流体润滑理论基础之上[2]。

从轧制过程中润滑理论的基本动力学方程（雷诺方程）

（2-1）

式中——油膜厚度；

——润滑动力黏度；

——压黏系数；

——轧制压力；

——轧辊速度；

——轧件速度。

并根据Wilson综合弹性流体动力学和塑性流体动力学而提出的变形区入口油膜厚度的计算公式

（2-2）

式中——轧辊半径；

——轧件入口速度；

——变形区长度；

、——轧件平面变形抗力与后张力。

可以看出金属塑性变形区润滑状态除了受润滑剂黏度、速度影响外，同时还受到由于塑性变形引起的变形抗力等因素的影响，因此，金属塑性变形区的润滑是一个比较复杂的过程。

在带钢轧制过程中，其塑性变形区的润滑状态对产品质量和生产过程非常关键。

塑性变形区润滑状态包括流体润滑、混合润滑、边界润滑三种。

2.1.1.1流体润滑

流体润滑的表现形式是两接触表面完全被润滑油膜隔开，也即油膜厚度远大于接触表面粗糙度，系统的摩擦力来源于润滑剂分子运动的内摩擦。

流体润滑的摩擦学特征决定于润滑剂的流变学，所以可按流体力学的方法进行有关计算或估算。

流体润滑时的摩擦力可根据牛顿流体定律，即

（2-3）

式中——润滑油黏度；

——垂直与运动方向上的剪切速度梯度；

——剪切面积。

流体润滑的主要优点是摩擦力小，而且只取决于润滑剂自身的特征，其摩擦系数可低至0.001～0.008。

但是由于两表面完全被润滑油膜隔开，在轧制过程中工件则处于类似自由变形状态，很容易产生塑性粗糙化现象，导致轧后金属表面粗糙度较高。

因此，金属成形过程中流体润滑并不是最好的润滑方式。

2.1.1.2混合润滑

又称部分流体润滑，由于润滑剂的黏度或速度降低时，润滑油膜变薄，当发生了第一次两表面微凸体相互接触，便可以说得到了部分流体润滑或混合润滑。

在混合润滑状态中，载荷一部分由润滑剂油膜承担，另一部分则由接触中的表面微凸体承担。

因此，其摩擦学特征由润滑剂的流变学和微凸体的相互作用共同决定。

混合润滑的摩擦力F为：

（2-4）

式中——表面接触点的剪切强度（带钢剪切强度）；

——边界膜的剪切强度；

——润滑油膜的剪切强度；

——表面直接接触面积；

——边界润滑区面积；

——流体润滑区面积。

2.1.1.3边界润滑

边界润滑具有下列特征：

a.两金属表面靠得如此之近以至在微凸体之间发生明显的接触；

b.流体动压作用和润滑剂的整体流变性能对此几乎无影响；

c.摩擦学特性决定于薄层边界润滑剂与金属表面之间相互作用。

就边界润滑机制来讲，主要是通过润滑剂中的表面活性物质在金属表面之间形成，即易于剪切又能减小金属表面直接接触的边界润滑膜，该边界膜不是普通润滑油膜而是定向吸附膜，厚度通常在0.1μm以下。

边界润滑的摩擦力可看作是剪断表面粘着部分的剪切力与剪断边界膜的剪切之和，即

（2-5）

式中——带钢的剪切强度

——变形区面积；

——变形区中发生金属直接接触部分的百分数，且有

（2-6）

载荷W是由接触的微凸体和边界膜承担的，故有

（2-7）

式中——金属的抗压屈服强度；

——边界膜屈服强度。

一般这两者相差不很大。

假定取平均值，使，且有

（2-8）

由此可得边界润滑时的摩擦系数为

（2-9）

因边界膜的剪切强度比金属的屈服强度要小得多，故边界润滑的摩擦系数比干摩擦小得多，其范围一般在0.05～0.15之间。

在实际冷轧生产中，边界润滑具有较高的加工表面质量。

2.1.2工艺润滑的作用

工艺润滑的作用在于以下几方面：

a.