单机架可逆式冷轧机PLC控制策略研究Word下载.docx
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Rolleccentricity
1绪论
1.1选题的背景和意义
1.1.1选题的背景
对单机架特种轧机采用专门的控制技术，以实现对板带材的高精度控制，是目前板厚控制领域研究的热点问题之一，但由于整体工艺装备技术落后，高精度轧制技术同发达国家相比仍存在较大差距，在实际应用中尚有许多问题需要解决。
本文以恒昌AGC650程序为例，剖析此程序中PLC在单机架冷轧机厚度控制和张力控制之中所起到的应用。
本课题以单机架可逆式冷带轧机为研究背景，对冷带轧机厚度自动控制系统进行了研究。
针对目前对单机架可逆式冷带轧机液压AGC系统的控制性分析大多集中于仅研究液压系统的响应特性，而未考虑轧机辊系及轧件本身的特性变化，而实际系统中影响出口板厚的因素很多，这些因素都将使轧制时工作辊辊缝发生变化，进而影响轧件的出口厚度。
在此前提下，实际生产中非常需建立一种全面且有利于分析轧制过程中各种因素对最后轧制精度影响的动态模型。
1.1.2选题的意义
板带厚度精度是板带材的两大质量指标之一，板带厚度控制是板带轧制领域的两大关键技术之一。
板带厚度精度关系到金属的节约、构建的重量以及强度等使用性能，为了获得高精度的产品质量，系统必须具有高精度的压下调节系统及控制系统的支持。
在我国，装备较先进的现代化冷轧机及控制系统基本上都是引进国外设备，我国自行研制的轧机因技术含量不高，生产出的产品竞争力较差。
每年需进口大量的高精度板带产品，来满足国民经济的需求。
尤其4000余套窄带轧机生产现状尚不令人满意[1]，厚度精度亟待提高。
要对这些轧机实施改造，许多理论和技术上的问题尚有待进一步深入研究。
所以，本课题所研究的单机架可逆冷带轧机的板厚控制问题，不仅为今后研究更高精度的轧机控制系统提供理论依据而且对生产实践具有非常重要的指导意义。
1.2板带轧机厚度控制发展概况
板带轧机厚度控制从轧机诞生起，直到由计算机完成各种复杂功能的控制，其发展
过程是随着对板带材尺寸精度要求越来越高而相应发展起来的，板带轧机厚度控制的发展大致可分为以下几个阶段：
第一阶段是上世纪30年代以前的人工操作阶段。
这一阶段的轧机装机水平较低，厚度控制是以手动压下或简单的电动压下移动辊缝方式为主。
由于当时各种检测手段尚不完善，轧机调整和过程的实时调节主要是凭操作人员的经验进行的。
轧制理论仅在这一阶段的后期才刚刚开始建立，远没有达到应用的程度；
单回路调节的自动控制理论，尚未应用于控制轧机这类较复杂的机器，由于轧制过程是一个非常复杂的物理过程，轧制条件和状态不断发生变化，单凭经验操作很难达到较高要求，致使轧机的各项技术经济指标都比较低，相应的该阶段厚度控制尚未形成自动控制[2]。
第二阶段是上世纪30年代到60年代的常规自动调整阶段。
直到1949年厚控方程的出现，以及1965年由计算机自动厚度控制的带材轧机的建成投产才是厚度控制技术出现的标志。
这个阶段轧制理论从以力学为基础，研究轧件变形规律，进入以力学和控制论为基础研究轧件与轧机互相作用变形规律。
在该阶段轧制理论的发展和完善为板带轧机的厚度控制奠定了基础，同时，随着自动调节理论和技术的发展，并逐步应用于轧制过程，使轧机的控制步入了常规模拟式调节的自动控制阶段。
主要体现在速度调节系统，张力调节系统，位置调节系统等。
这些自动调整系统的实现，为完善板带轧机的厚度控制提供了先决条件。
早期的厚度控制系统是根据测量出口板厚偏差而调节电动机压下实现的。
这种装置应用不久就暴露出一系列的缺点：
（1）压下位置改变比较慢；
（2）传递时间滞后；
（3）压下电动机容量增大等。
以X射线测厚仪测厚和“厚度计”式测厚，以模拟量和逻辑量的组合进行执行机构的控制，是这一阶段厚度控制的特点，由此构成的自动调节系统可对轧制过程进行有效的实时调节，从而在改善轧制过程的稳定性，提高板带材产品质量以及简化操作等方面都取得了明显的效果。
60年代起，随着计算机技术的发展及应用，计算机技术也逐步渗透到钢铁制造业，使板带产品的生产发生了变革，形成了60至80年代的计算机控制阶段，即板厚控制的第三阶段。
以弹跳方程为基础的厚度自动控制理论（AGC）得到广泛应用。
计算机在板厚控制中应用首先是在热连轧机设定上开始的。
穿带过程中，根据被轧材的各种情况，要求快速、最优设定各机架的出口厚度值、辊缝值及轧制速度等，单凭经验及简单的计算己无能为力了，必须引入计算机运算才能完成。
以厚度计式测厚实现厚度控制，以计算机进行各机架设定，很好地解决了热连轧机的厚度控制问题。
70年代起，液压厚控技术（液压AGC）的应用，使板厚控制技术产生了重大变革。
液压AGC的响应速度比电动AGC快2个数量级以上，因此，使AGC的内环执行机构几乎可以近似为一个比例环节（相对于AGC的响应速度），以实现可变等效刚度的控制效果。
由于液压技术与计算机技术的结合，使这一阶段的板厚控制技术大大地向前迈进了一步。
这一阶段的大部分旧式控制方式的轧机都进行了新技术的改造。
80年代末至现在，板厚控制技术向着大型化、高速化、连续化的方向发展，成为板厚技术发展的第四个阶段。
这一阶段已经将板厚板形控制的全部过程溶于计算机网络控制的过程自动化级和基础自动化级。
在过程控制级的控制中，一方面采用最优控制，多变量控制，自适应控制，解耦控制，H∞控制等控制理论的最新成果，以追求控制性能的更高水平。
在监控层的设定计算中，一方面采用人工智能，模糊控制，神经网络等知识工程的手法，以追求系统的灵活性和多样性。
以上两方面的不断追求融合在一起，开发出高精度、无人操作的厚度自动控制系统是这一阶段轧机的目标。
这一阶段中在板厚控制的技术方面的开发，也产生了相当多的成果。
许多板带轧机的精轧机上装备有数字化的自动厚度控制器；
如GM-AGC（GaugeMeterAGC），监控AGC，张力AGC，前馈AGC，反馈AGC等。
可根据工艺需要，选择其中几种组合形成某种轧机的AGC系统，以满足板带厚度控制之用。
为了提高头部板厚控制精度，开发出绝对值AGC这种形式的系统以GM-AGC为基础，采用液压压下，利用各种补偿功能和绝对值锁定方式，实现绝对值AGC。
对于冷连轧机还开发了MF-AGC（（MassFlowAGC）板厚控制系统。
新开发的MF-AGC可使板厚精度达到0.1%以内，是当前AGC发展的一个方向。
近年来，为进一步提高冷连轧产品质量，广泛采用成品带钢凸度测量仪（沿带宽多点X射线源及矩阵式接收，以获得沿宽度方向的厚度分布）和带钢激光测速仪。
激光测速仪的使用为流量AGC的发展创造了条件[3]。
1.3PLC软件简介
1.3.1PLC的产生
美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，于1969年研制成功了第一台可编程序控制器。
由于当时主要用于顺序控制。
只能进行逻辑运算，故称为可编程序控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。
1.3.2PLC定义与分类
PLC定义：
可编程序控制器（ProgrammableLogicController，PLC），是一台专为工业环境应用而设计的制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，所以人们还沿用PLC作为可编程序控制器的英文缩写。
PLC分类：
1）一体化紧凑型PLC：
电源、CPU中央处理系统、I/O接口都集成在一个机壳内。
如西门子S7-200系列。
2）标准模块式结构化PLC：
各种模块相互独立，并安装在固定的机架（导轨）上，构成一个完整的PLC应用系统。
如：
西门子S7-300、S7-400系列。
1.3.3PLC特点
高可靠性、丰富的I/O接口模块、采用模块化结构、运行速度快、功能完善、编程简单，易于使用、系统设计、安装、调试方便、维修方便，维修工作量小、总价格低[4]。
1.4本章小结
本章简单叙述了选题的意义和背景以及AGC厚度控制技术的发展历程，还有一些PLC的基础知识。
了解PLC软件的一些特点和应用。
2冷轧机厚度控制原理及模型分析
2.1冷轧机厚度控制系统概述
在轧机轧制过程中对厚度有比较大的影响的因素主要有辊缝的大小、轧制压力、张力、速度等，厚度控制系统主要是通过不断补偿这些因素的实际值与设定值之间的偏差来实现厚度的控制的。
冷轧机的厚度控制系统一般由液压设备和AGC设备构成。
其中液压设备最基本部分是机械设备，其中包括：
液压伺服设备；
直接与轧件接触并轧出产品的轧辊；
传动轧辊的齿轮、减速箱、轴承等；
支撑轧辊及作为轧机“构架”的轧机机架；
将力传递到轧辊的压下装置；
导位装置以及润滑系统等。
机械系统最重要的部分是轧辊的咬入区，轧辊咬入区是一个极复杂的函数，很难加以表示"
它随着任何一个参数（例如温度、速度、压力、张力、润滑、轧辊表面状况、咬入角、成品的全属性能或尺寸等）的变化而变化，从而影响出口厚度。
厚度控制系统的设备则主要包括：
液压压力传感器、液压缸位移传感器、板材测厚仪以及工控机或PLC等运算单元。
AGC系统的主要作用是当一个或几个参数变化或系统失去平衡时能调节某些参数使其出口厚度保持恒定，因此必须将这些基本参数连结在一起，形成一个系统，也即是AGC系统。
AGC系统一般包括有：
1）压下缸位置闭环：
运算器随着轧制条件的变化，通过对位移传感器测得的辊缝实际值与给定制进行比较，准确的控制轧辊的压下位移辊缝值是通过操作侧和传动侧液压缸的位移取平均值得到的。
2）轧制力闭环：
通过控制轧制力来实现对厚度的控制。
在控制时是通过不断修正实际压力值与设定压力值之间的偏差来实现的。
3）测厚仪监控闭环：
由于出口厚度和辊缝、轧制力、张力、速度、温度、润滑液等多种因素有关，所以单靠设定辊缝大小是无法准确控制出口厚度的。
为此在出口侧装有侧厚仪，利用监控系统对位置闭环系统的辊缝设定值进行修正，从而达到准确标准出口厚度[5]。
2.2冷轧机厚度控制的工艺基础
2.2.1影响轧件厚度的因素
在轧制中影响轧件的干扰因素源于以下几点：
轧机的机械及液压装置、轧机的控制系统、入口轧件厚度。
（l）轧机机械及液压装置的干扰因素。
轧机液压装置本身的缺点及某个参数的变将会使轧机-的刚度及空载荷下的辊缝产生人们所不希望的变化。
而这种空载荷下的辊缝变化通常是以下因素作用的结果：
轧辊偏心、轧辊缝润滑剂膜层厚度的变化。
当轧机开始承载载荷时，那些传递载荷的轧件构件将发生挠曲和变形，从而使辊缝产生额外的变化,其变化的太小取决于轧机结构刚度的大小。
而刚度可以表述成下列参数的函数：
轧辊直径!
轧辊凸度!
轧辊压扁压下螺丝及附件、液压缸及附件、轴承油膜的厚度、辊缝润滑剂膜层的厚度、轧件宽度。
（2）轧机控制系统的干扰因素。
这些因素主要是由下列控制系统本身不完善引起的；
轧制速度的控制、轧制力的控制、弯辊的控制、轧辊平衡的控制、轧辊的冷却及润滑控制。
张力的控制、厚度监控器的控制。
（3）入口轧件的干扰因素。
轧件轧制时的厚度也能受到入口轧件在以下几何形状等方面的变化：
厚度的变化、硬度的变化、宽度的变化、断面的变化、平直度的变化。
2.2.2弹跳方程
影响轧件厚度变化的主要因素可以从下面的着名的弹跳方程来分析:
h=
+P/M（2.1）
式中：
h—轧件出口厚度；
—空载荷下的辊缝；
P—轧制力；
M—轧机刚度。
弹跳方程曲线如图2.1所示
图2.1弹跳方程曲线
其中曲线A的斜率代表轧机刚度M，其表达式为
（2.2）
—轧制力增量；
—辊缝增量；
—曲线A的斜率；
曲线B的斜率代表轧件塑性系数。
（2.3）
—轧件厚度的增量；
—曲线B的斜率。
曲线A与B的交点用N表示，该点的坐标便决定了轧制力P与轧件出口厚度
的值。
可以很方便的利用方程来分析板材厚度变化的原因：
（l）初始辊缝设置的影响。
增大辊缝，从而把曲线A向右平移。
当轧机达到一个新的平衡点时，轧制力降低到P，同时轧件出口厚度变为
，比原来稍大。
（2）来料厚度的影响。
增大来料厚度，从而把曲线B向右平移，当轧机达到新的平衡点时，轧制力上升到P，同时也导致轧件的出口厚度增大到
。
（3）轧机刚度的影响。
轧机刚度的变化相当于曲线A的斜率发生变化。
增大轧机刚度如同增大曲线A的斜率，在轧机达到新的平衡点时轧制力增大至P，而轧件出口厚度却降至从
2.2.3轧机等效纵向刚度
当上述参数发生变化时，弹跳方程变为
（2.4）
则只考虑压下位移增量
的影响时，则有
如果压下位移增量
按
给定，式中：
为补偿系数，联系上式可得
（2.5）
而定义等效纵向刚度模数为
（2.6）
轧机等效刚度模数
表示轧机进行厚度控制的能力，这样改变补偿系数
的大小，就可以实现不同的控制方式：
（1）恒辊缝控制：
当
=1时，
，
这时，轧机的等效纵向刚度模数为无穷，轧出的带材厚度保持不变，此时实现恒辊缝控制（等厚轧制）；
在这种情况下，空载辊缝调整量
，完全补偿了机座弹性变形波动量
/M，故使纵向厚差为零。
（2）硬特性控制：
当0<
α<
1时，
>
M，
这时，轧机的等效纵向刚度模数大于其自然刚度模数而小于无穷大，辊缝调整量
，只能部分补偿机座弹性变形波动量，使纵向厚差减少，但不能完全消除。
（3）自然刚度控制：
当α=0时，
=M，
这时，在轧制过程中不进行压下调整，空载辊缝
恒定，轧机的等效纵向刚度模数等于其自然刚度模数，机座弹性变形波动量完全不能补偿。
（4）软特性控制：
当α<
0时，
<
/M。
这时，轧机的等效纵向刚度模数小于其自然刚度模数，辊缝调整量
与机座弹性变形波动量的方向相同，不但不能减少反而会增加轧后的纵向厚差。
（5）恒压力控制：
当α=-
时，
=0，
=0，这时轧机的等效纵向刚度模数为零，纵向厚差最大，在轧制过程中的压下调整使轧制力恒定，所以又称等压轧制。
实践证明要使补偿系数为α=l是很困难的。
为了控制系统的稳定，目前可达到的是α=0.9左右，即轧机等效纵向刚度模数最大等于其自然刚度模数的10倍。
采用硬特性控制时，使纵向厚差减小，但使板形变坏。
恒辊缝控制使纵向厚差最小，但板形最坏。
采用软特性控制时，使纵向厚差加大，但板形变好。
恒压力控制使纵向厚差最大，但板形最好，一般在平整轧件时使用，以改善板形[6]。
2.3本章小结
本章的主要内容是对轧机板厚控制理论的研究。
首先从轧机的弹性变形和弹跳方程切入课题，接着介绍了轧件的塑性变形与塑性方程，进而得到了目前分析厚差与板厚控制问题的重要工具－轧机的弹塑曲线即P-h图，并运用轧机的弹塑曲线详细分析了轧件厚度波动的原因，接着分析了板带轧机厚度控制系统的两种基本方式，调整压下来改变空载辊缝和调整带材的前后张力。
3恒昌AGC650程序实例研究
3.1西门子S7一400PLC介绍
SIMATICS7—400是用于中、高档性能范围的可编程序控制器，具体如图3.1所示。
模块化无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展和广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使用。
SIMATICS7—400成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。
多种级别（功能逐步升级）的CPU，种类齐全的通用功能的模板，使用户能根据需要组合成不同的专用系统。
当控制系统规模扩大或变得更加复杂时，不必投入很多费用。
任何时候只要适当的增加一些模板，便能使系统升级和充分满足您的需要。
SIMATICS7—400可编程控制器彩用模块化设计，性能范围宽广的不同模板可灵活组合，扩展十分方便。
图3.1S7-400PLC实物图
SIMATICS7—400有以下的技术特点：
处理速度显着提高：
CPU处理速度比同型号整体提高3到70倍，417型CPU最快高达0.03微秒/位指令。
执行复杂数学运算的速度最高提高到原来的70倍。
CPU的资源裕量显着增加：
工作内存加倍，最高达20MBS7定时器和计数器个数提高8倍，达到2048个。
CPU通信性能显着增强由于等时模式工作中循环周期更短，现场级通讯连接性能有了显着提高，特别是与驱动装置的通讯能力进一步增强数据传输速率加倍，垂直集成通讯及PLC—PLC的通信响应时间缩短一半。
硬件冗余CPU同步速率更快，同步光缆最高可达10公里。
同时SIMATICS7—400还具有很好的兼容性，与现有产品是零部件兼容的，并继续使用现有产品的电源、机架和I/O模板等的附属配件。
由于采用了新的硬件设计，CPU可扩展的DP模块（MLFB：
6ES7964—ZAAOI—OABO）将采用新型产品（MLFB：
6ES7964—2AA04—OABO），该DP模块与老版本不兼容。
原有程序移植到新型CPU上不需要更改即可正常工作。
由于显着提高了同步功能，H型CPU将采用全新的同步模块和同步线缆。
3.2AGC系统的硬件组成
图3.2系统的硬件组成图
AGC系统的硬件组成如图3.2所示，由西门子S7—400PLC、TP—270—10触摸屏、各种传感器和液压伺服系统等组成。
参与控制的信号有模拟量和开关量：
其中模拟输入量主要是从传感器采集的位置、压力、张力、速度值和测厚仪所测的厚度值，模拟输出信号是张力、速度调节量和对液压机伺服阀传动线圈的调节量；
开关输入量有测厚仪的状态信号、泄油触发信号和控制台的控制信号，输出则包括对测厚仪的控制、与系统其他部分的通讯信号等。
在整个系统中PLC是核心部分，要完成AGC控制、APC闭环控制、状态的实时显示和报警信息的判断与显示等全部控制功能。
由于AGC控制是一个快速响应的控制系统，其采样周期小于5ms,普
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