新型六辊冷轧机工艺控制系统的可行性研究.docx

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新型六辊冷轧机工艺控制系统的可行性研究

新型六辊冷轧机工艺控制系统的可行性研究

一、六辊冷轧机工艺控制系统的简介

六辊冷轧机是国际上最新出现的新型冷轧机，目前国内也仅引进了几台由德国著名厂商SMSDemag生产的六辊冷轧，价格昂贵，但由于其产品的质量和效率相对于传统的四辊冷轧机、有了很大的提升，所以已成为有色金属加工领域未来发展的主要装备之一。

六辊冷轧机的核心技术是其工艺控制系统，主要包括主传动控制（MDC），自动厚度控制（AGC）和自动板型控制（AFC）等，如下图所示：

如上图所示，其中关键的控制系统包括：

⏹主传动控制系统（MDC）包括开卷，主轧机，和卷取的电机和驱动器。

MDC和传动间通过光纤通讯，以保证高速的控制需求。

⏹自动厚度控制系统（AGC）系统能为轧机机架位置液压控制，辊缝控制提供高速的闭环运算处理。

MDC和AGC控制集成于同一个工业控制机（AC800PEC）内，为MDC和AGC的参数提供紧密的高集成度数据处理。

⏹自动板型控制系统（AFC）控制将会独立的由另一个工业控制机（AC800PEC）完成。

AGC与AFC之间通过光纤进行高速通讯。

光纤通讯能为AFC控制倾斜与弯辊的数据以最小延迟时间传递到AGC控制器。

AFC控制器通过TCP/IP网路链接以VIP协议和板型测量控制系统实现接口。

⏹系统同时也能为以下第三方设备提供Profibus接口：

测厚仪

喷嘴阀控制

通用轧机输入/输出

轧机逻辑控制部分PLC

⏹数据分析记录系统（IBA）包含在AGC/AFC包之中。

IBA是设备调试运行和后期的工艺分析的重要工具。

重要的数据都会在IBA里配置完成。

客户可随时方便的调用。

⏹工艺数据监控和系统诊断系统，能对轧制过程中的系统数据自动的进行分析并反馈给工艺工程师。

是一个将控制系统保持在一个高效的生产效率的工具。

目前六辊冷轧机工艺控制系统主要由国外公司如SMSDemag和Achenbach等公司提供，国内在这方面的研究还比较薄弱，本科研成果提供的六辊冷轧机工艺控制系统包括如下内容：

⏹主传动控制（MDC）:

提供了主传动的控制，包括主速度曲线控制。

⏹轧机动作控制:

提供了压上缸的控制，中间辊和工作辊弯辊控制，中间辊移动位置控制，轧机机架逻辑控制。

⏹自动厚度控制:

提供了辊缝闭环控制及偏心补偿控制。

提供了涡流式测厚仪和其配套的系统接口。

⏹自动板型控制:

通过控制中间辊的位置和工作辊及中间辊的弯辊控制，轧机倾斜，工作辊喷嘴梁来控制板型。

⏹工艺管理系统:

结合了轧机参数设置表和轧机基本控制逻辑功能。

二、六辊冷轧机工艺控制系统的主要内容

1.主传动控制（MDC）

⏹基于工业控制机（AC800PEC）开发的传动控制程序,为铝加工行业六辊轧机开发的功能块能提供了优越的速度控制和张力控制的运算模型，程序开发界面以面向客户方便使用的FBD功能块为编程语言，根据多年的控制系统调试经验，开发了专有的传动控制功能块，系统控制功能块和工艺控制功能块。

所有这些功能块注重于传动和工艺的控制，并提供友好化的用户界面和结构化的编程。

1.1.1主传动控制

控制轧辊的主传动系统基于速度控制。

主传动的速度为轧机的主速度，并以一个速度斜坡的平缓方式将速度参数传递到其它传动系统，综合计算压下量和前滑值，经处理的斜坡速度用于控制入口侧和出口侧的带材速度。

针对于入口侧和出口侧，加减速率也会经运算补偿输出。

1.1.2出口侧

出口侧卷取机采取张力控制。

控制方式为开环控制，并会对系统进行机械损耗和转动惯量的补偿运算。

卷取张力建立于工作辊和卷取机之间，本科研成果的卷径计算伺服器能为卷取机提供精确的实时卷径。

1.1.3摩擦力补偿计算和自动优化功能

⏹摩擦补偿一般说来就是对设备中轴承，齿轮和其他可测量的规律性机械损耗进行补偿计算。

⏹补偿的数值基于测量值

⏹假定于轴承和齿轮补偿的数值基于测量值损耗与关联是转速.

⏹通过传动系统在空载时从零速到最高速的各个速度段所测量到的空载力矩我们能测算出一条摩擦力补偿曲线

⏹当张力控制被投入的同时，摩擦补偿也被激活

⏹补偿曲线能通过用户控制界面自动的进行计算得出并自动保存于传动控制的力矩计算模块内

1.1.4卷径计算

⏹卷径计算的基本公式为:

D=V/（pi*n*z）

其中V为带材速度，n为电机转速，z为减速比

⏹为了得出稳定的计算值剔除误差值，基于带材厚度和卷取机转速在计算中设定了限定范围（直径的增减速度限定在带材每转2倍的料厚范围内），精确的卷径计算能带来稳定的张力控制，尤其是轧机的起速阶段。

1.1.5加速度补偿

⏹加速补偿的意义就是基于前滑值和实际料卷的转动惯量计算出的加速率，然后在卷取机上增加一个额外的力矩。

⏹加速补偿功能用于补偿设备在加减速过程中所需的额外的力矩。

⏹补偿的计算基于料卷的实时转动惯量。

⏹知道了料卷的实时转动惯量和加减速所需的额外力矩就能精确的计算出加速率。

1.1.6入口侧

开卷机基于张力控制。

张力控制方式为开环，带有机械摩擦力损耗补偿和转动惯量及加速度补偿。

入口张力建立于工作辊和开卷机之间。

1.1.7设备操作控制

卷取和开卷机张力投入/撤除在主操作台上设有单独控制的按钮。

⏹轧机穿带功能：

操作员工通过点击穿带控制按钮，轧机能启动并加速到设定的穿带速度（所有穿带所需的联锁条件都需得到满足，并在操作员控制电脑上通过不同颜色的指示灯显示条件状态）。

⏹轧机加速功能：

操作员工通过点击加速控制按钮，轧机会自动的加速到设定目标速度并保持该速度运行（所有加速所需的联锁条件都需得到满足，并在操作员控制电脑上通过不同颜色的指示灯显示条件状态）。

⏹轧机停车功能：

操作员工通过点击停车控制按钮，轧机会自动的降速到停车状态，所有速度控制的传动运行命令会被取消，但是保留进行力矩控制的开卷和卷取机运行命令，以保持带材张力，直到操作员工按下撤张按钮。

⏹轧机快停功能：

操作员工通过点击快速停车控制按钮，轧机会自动的以保持设备稳定的最快速度进行降速直到停车。

并保持开卷和卷取机的张力。

所有速度控制的传动运行命令会被取消，但是保留进行力矩控制的开卷和卷取机运行命令，以保持带材张力，直到操作员工按下撤张按钮。

⏹轧机速度保持功能：

操作员工通过点击速度保持控制按钮，轧机会停止加减速并保持当前速度稳定。

⏹设备通过速度斜坡曲线平滑的进行加减速以达到目标速度。

2.自动厚度控制和自动板型控制系统（AGC&AFC）

为实现六辊轧机高质量控制，AGC和AFC系统必须提供高质量的检测和控制以确保生产高质量的成品。

2.1.1自动厚度控制

在六辊轧机方案中，AGC系统必须要保证在高轧制速度下的产能和质量需求，以提供最佳投资级别所需的性能。

AGC控制系统对于开胚道次的控制功能如下：

⏹反馈到辊缝控制:

为确保精确的出口厚度控制包含了以下功能:

比例-积分控制器–经动态模型配置好的增益量根据轧机的动态参数的变化自动的调整速度和位置厚度控制。

速度补偿功能在轧机的加-减速阶段自动地进行修正

材料硬度补偿功能为带材的材质变化做微量修正

⏹偏心补偿控制:

偏心度是由支撑轴承和轧辊的不良磨削造成的。

偏心度会对轧制质量特别是开胚道次的成品质量有不良影响，还有一些运行于低速档位的退火道次。

自动补偿功能能最大的消除该影响，自动补偿功能基于：

通过DFT功能可以从出口厚度直接的鉴别出偏心误差。

通过同步支承辊的数字脉冲信号

偏心补偿的闭环控制由复变函数控制器完成。

2.1.2自动板型控制

板型控制在滤波轧机的生产过程中起到非常重要的作用。

优秀的板型控制除了能提供合格的产品外还能为轧机提高生产效率增加轧制速度。

目标板型的产生和误差计算

目标板型可以由操作工人工设定，也可以由轧机控制系统预配置（可选）。

预设的板型作为控制目标，系统会在轧制过程中自动的向目标值靠拢。

板型误差就可以由目标板型和测量板型的差值计算出。

板型轮廓计算

以下轧机动作能调整来料板型：

⏹工作辊弯辊

⏹中间辊弯辊

⏹轧机倾斜

以上动作的自动控制由二级系统提供并能根据来料宽度实现中间辊的位置控制。

这些动作的配合在一起优化计算能允许我们纠正来料板型。

轧机机架动作控制器

通过弯辊和倾斜模型，系统能自动的调整输出来纠正板型的误差。

特殊功能的曲线自适应技术使我们能通过边部板型的测量来实现控制。

弯辊和倾斜控制都通过比例+积分控制器并对于不同的来料厚度和轧机运行速度加有适当的增益，从而来提供稳定的，优化的板型控制响应。

喷嘴控制

经过倾斜和弯辊后剩余的板型误差经由工作辊喷嘴梁来修正。

通过安装在板型测量辊同列上的喷嘴控制阀通断来修正板型。

喷嘴控制器包含：

⏹喷嘴顺控

⏹剩余板型误差修正：

通过控制不同区域的喷嘴流量来修正板型。

⏹平均流量控制：

将喷嘴控制在一个平均流量上可以保持工作辊的降温和润滑。

平均流量的控制会根据轧机温度自动的配置。

⏹喷嘴阀测试：

喷嘴测试控制器能自动的依次测试每一个喷嘴阀，每个喷嘴阀打开一定的时间来让操作人员检查喷嘴梁各个区是否工作正常。

⏹喷嘴脉宽调整控制：

为了控制各个区域内单位板型冷却流量，控制器自动的调整脉冲的开闭循环时间。

3.工艺监控与诊断系统

本科研成果为客户开发了独到的一个高效率的AGC运行和优化工具，可进行多样化的工艺调节，称为工艺监控和诊断系统。

该系统提供了一个基础的厚度和板型分析系统，能将每个生产道次的关键工艺，控制信息自动的采集并反馈给负责该设备的工艺，生产工程师。

系统有着丰富的扩展内容能帮助工程人员快速的判断故障所在和及时的解决各种工艺问题，可以跟踪生产状况优化轧机生产。

⏹常用工艺数据的评估记录

轧制速度，张力，负载等数据的统计计算

⏹厚差控制的统计分析

料头和料尾的余料控制

统计数据包括

●不同辊缝的3西格玛偏差

●平均辊缝误差

●百分比统计成品率%

自动的突出显示整卷中厚度超范围的区域

⏹板型控制包括

精确计算料卷头，尾部分的不合格品范围

平均板型测量和误差统计和喷嘴梁流量记录

板型和喷嘴标准差统计

性能统计（平均值和目标值）:

⏹遇故障自动邮件报警

厚度差

板型差

可自定义报警-例如张力超范围

⏹将所有关键的工艺数据保存于标本样例中并储存于服务器内

服务器控制软件一般安装于客户现有的服务计算机内，并纳入公司的IT网络中。

系统的数据量会自动的累积，成为公司分析产品和质量的重要工具，该系统也会成为公司的智能IT系统的一部分。

三市场分析

2009年以来国家出台了一系列的措施提振行业信心。

5月11日，国务院正式发布《有色金属产业调整和振兴规划》，通过2009年的整合，2010年-2012年铝工业在国家的宏观调控下会有一个大的发展，铝制品终端用户对于铝制品品质的要求也会不断的提高，但是由于在有色金属加工领域国内企业仍然受限于装备整体水平低，因此在产业链上处于低端，产品质量低，效率不高能耗大，高端加工装备如六辊冷轧机要完全依赖进口，即使有些企业可以仿造相似的机械结构，但其核心技术——六辊轧机的工艺控制系统还完全需要从国外引进。

随着我国有色金属加工行业的快速发展，对我国装备制造业向国际水平发展创造了条件。

我国在今后的纪念中将会有大量的新型六辊轧机替代传统的四辊轧机，相对国外同类控制系统昂贵的价格（大约在1500万左右）。

所以本科研成果有很强的竞争能力（约500万元）或有较大的市场需求。

根据有色金属行业协会的预测，十二五期间，中国有色金属加工行业会有跨越式发展，年新增各类轧机近百台，同时轧机的技术改造也会进入高潮期。

我们以占有约5%-10%左右为目标，也会有较大的收益。

当然产品的市场宣传和推广也是重要的。

因此预测，该项技术产品在2011年-2013年将逐年增长，2011年销售量将达到3套，到2013年销售量将达到15套。

六辊冷轧机工艺控制系统的销