[摘要]文章介紹了輕型材熱軋生產(chǎn)中的微張力控制的原理和實現(xiàn)方法，并對其實現(xiàn)算法做了詳細(xì)的說明。 [關(guān)鍵詞]輕型材 微張力 算法 0　前言 　　萊鋼輕型材熱軋生產(chǎn)線中，為了保證產(chǎn)品尺寸精度、提高產(chǎn)品質(zhì)量，避免由于各種原因產(chǎn)生堆鋼和拉鋼現(xiàn)象，在粗軋區(qū)（1#—8#軋機）的軋機間引入了微張力控制思想，這是保證軋機高通過率的一個關(guān)鍵自動控制環(huán)節(jié)。由于軋制過程中的工藝參數(shù)很多，如變形量、軋制速度、軋制力矩、軋制溫度等，控制較為復(fù)雜。實際生產(chǎn)工藝要求也決定了與其他帶鋼生產(chǎn)中的張力控制相比較有其自身的特色。 1　微張力控制系統(tǒng)的組成 　　萊鋼輕型材生產(chǎn)線的軋機設(shè)備采用意大利DANINELI公司產(chǎn)品，電控設(shè)備由瑞典ABB公司提供，采用集散控制策略，操作站使用HP-UNIX操作系統(tǒng)，通訊協(xié)議使用IEEE802.3國際標(biāo)準(zhǔn)，軋機一側(cè)設(shè)置操作箱，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程/本地操作和換型使用。整個軋制系統(tǒng)集輥縫控制、厚度控制、軋制過程管理、數(shù)據(jù)顯示及操作控制、故障診斷及遠(yuǎn)程診斷于一體，由上到下分為操作站設(shè)定、過程站控制、傳動執(zhí)行3部分。 　　操作站設(shè)定級完成與張力自動控制有關(guān)的上層設(shè)定及其系統(tǒng)監(jiān)控功能。主要是張力控制中軋機組態(tài)的選擇,即通過畫面設(shè)定哪幾架軋機之間被選作微張力控制,哪幾架軋機之間被選作自動活套控制。包括：HMD信號檢測；物料跟蹤；速度設(shè)定；標(biāo)準(zhǔn)模式下的速度校正因子設(shè)定；非標(biāo)準(zhǔn)模式下的過速校正因子保護(hù)；軋件入口速度跟蹤；軋件出口速度跟蹤。 　　過程控制站為ABB的MasterPiece 200/1,它主要完成與微張力控制和自動活套控制有關(guān)的物料跟蹤、邏輯時序互鎖、傳動執(zhí)行級的速度級聯(lián)、速度給定及微張力控制算法等功能。 傳動執(zhí)行級主要完成微張力控制部分軋機的傳動,在系統(tǒng)中由ＤＣＶ700全數(shù)字直流調(diào)速裝置完成?？刂葡到y(tǒng)由MP200/1過程站和AS520操作員站組成。過程站由CPU機架帶I/O機架組成，CPU機架上安裝了CPU模板DSPC172、內(nèi)存模板DSMB176以及32通道的DI/DO模板，通過通訊模板DSCS140連接到MasterBus300總線上，與加熱爐、精整等其它過程站進(jìn)行通訊，I/O機架由總線擴展模塊DSBC172實現(xiàn)總線擴展。 　　系統(tǒng)控制程序使用AMPL(ABB MasterPiece Language)編制，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計。工業(yè)控制程序往往功能繁，多該語言根據(jù)工業(yè)控制要求，將編程元素設(shè)計成一個個圖形功能塊，稱為PC元素。PC元素內(nèi)有三種結(jié)構(gòu)類元素PCPGM、CONTRM和FUNCM，PCPGM是程序結(jié)構(gòu)的最高層，旨在完成一個完整的控制功能，一個PCPGM下允許一個或幾個CONTRM，而一個CONTRM下又可包含一個或幾個FUNCM，從而使整個程序結(jié)構(gòu)呈階梯狀，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化設(shè)計。在CPU內(nèi)還有一個實時數(shù)據(jù)庫，它的作用是永久存儲數(shù)據(jù)和在程序間傳遞數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫內(nèi)的元素稱為DB元素，這些元素包括過程站所使用的的I/O模板和信號及程序中產(chǎn)生的其它數(shù)據(jù)信息。 2　微張力控制原理 （1）原理介紹 　　微張力控制實質(zhì)上是通過對相臨兩工作機架中上游機架的電機轉(zhuǎn)距進(jìn)行檢測，加以記憶存儲，形成表示鋼坯內(nèi)張力大小的實際值，與設(shè)定的張力給定值的偏差，通過比例、積分控制校正上游機架的速度，協(xié)調(diào)兩機架之間的關(guān)系，實現(xiàn)微張力控制。其控制關(guān)鍵是準(zhǔn)確測量各軋機的軋制力矩。系統(tǒng)通過檢測對應(yīng)機架的電樞轉(zhuǎn)距間接得到該值。當(dāng)本機架的軋機咬鋼而軋件尚未進(jìn)入下架軋機時，系統(tǒng)計算出的力矩值便是本軋機的軋制力距值。當(dāng)下架軋機也咬鋼時，重新計算得到新的力矩，兩力矩之差是軋件上的張力力矩。若偏差值為正，表示機架間堆鋼；若偏差值為負(fù)，表示機架間拉鋼。系統(tǒng)就是根據(jù)該偏差值的正負(fù)和大小，給出相應(yīng)的速度修正來平衡軋機的速度，保證機架間的軋件張力被限制在一定范圍內(nèi)，實現(xiàn)微張力控制。 　　由于微張力控制將兩相臨機架通過軋件聯(lián)系起來，使其存在偶合關(guān)系，系統(tǒng)不具備魯棒性，為此，引如速度校正因子進(jìn)行解耦。當(dāng)微張力控制開始時，速度校正因子進(jìn)行自我補償調(diào)節(jié)，通過不斷的自動修正，消除初始偏差，在兩軋機間形成均勻協(xié)調(diào)的速度。微張力原理圖如下圖： （2）控制過程 　　軋機轉(zhuǎn)距的變化是一個非線性增大量，濾波元素接受上游機架的波形轉(zhuǎn)距參數(shù)后，乘以轉(zhuǎn)距常數(shù)得到張力級聯(lián)參數(shù)并存儲本機架張力值。將張力進(jìn)行比較后得到一個張力偏差，該張力偏差值分別進(jìn)行比例和積分運算，積分運算值作為速度校正因子參與速度級聯(lián)控制，得到上游機架的速度。 　　軋機速度設(shè)定主要由兩部分組成：一部分是決定軋鋼生產(chǎn)速度主信號，由最末機架出口速度為基準(zhǔn)向上游分配，即每過一個輥縫，除以一個速度校正因子；另一部分是疊加在主基準(zhǔn)上的速度修正量，即比例校正。這樣在主級聯(lián)速度給定的基礎(chǔ)上通過速度修正調(diào)整上游機架的速度給定，協(xié)調(diào)上、下游機架間的速度關(guān)系，使鋼坯在微張力控制下正常軋制。 　　由此可見，微張力控制實質(zhì)上是在上游軋機主傳動控制上增加張力外環(huán)，由微張力給定值與檢測值形成的偏差，與比例增益相乘形成微張力控制的比例速度校正量；偏差值與增益常數(shù)形成速度校正因子，傳遞給控制環(huán)節(jié)形成自整定的速度校正，調(diào)節(jié)上游機架的速度，實現(xiàn)微張力控制。 3　算法描述 （1）軋機力距測算：正在咬鋼的軋機讀出電機轉(zhuǎn)距NLDTRQ,則有： 第N架軋機微張力級聯(lián)值=第（N-1）架軋機微張力級聯(lián)值；否則，對于已不再咬鋼的上游機架張力級聯(lián)值為： 第N架軋機微張力級聯(lián)值=NLDTRQ*(齒輪箱齒比)*2。0*10*6E/（軋輥直徑*軋輥受力面積）； （2）力矩存儲：第N架軋機的張力偏差計算： 第N架軋機微張力實際值=第N架軋機微張力級聯(lián)值-第(N-1)架軋機張力存儲值； （3）微張力控制：兩機架間有鋼時，引入速度校正因子R進(jìn)行上游機架速度校正： 第N架軋機速度校正因子=第N架軋機積分增益*第N架軋機張力修正值； 上游機架速度校正： 第N架軋機校正速度=第N架軋機比例增益*第N架軋機張力修正值； 4　實際應(yīng)用中存在的問題 　　在鋼坯即將進(jìn)入下架軋機之前和剛進(jìn)入下架軋機不久，本架軋機轉(zhuǎn)矩的變化代表兩架之間有推、拉關(guān)系存在。實際上，一架軋機轉(zhuǎn)矩在鋼坯進(jìn)入下架軋機之前和之后的相關(guān)性僅在較短時間內(nèi)很高。所以，使自由軋制轉(zhuǎn)矩和實際軋制轉(zhuǎn)矩的取樣時間盡量靠近，同時掌握實際軋制轉(zhuǎn)矩的取樣和微張力調(diào)節(jié)過程的持續(xù)時間，以保證使轉(zhuǎn)矩信號在高相關(guān)性時把微張力控制完成。否則，轉(zhuǎn)矩中將包括一些非張力形成的干擾信號，造成誤判斷和誤調(diào)節(jié)。 　　另外，由于每臺軋機的各種信號由調(diào)速裝置經(jīng)高速通訊網(wǎng)絡(luò)傳給PLC，由調(diào)速裝置送來的轉(zhuǎn)矩信號需濾除由速度控制所產(chǎn)生的高頻干擾信號。濾波時間常數(shù)應(yīng)根據(jù)軋機的線速度和軋機之間距離計算確定。雖然濾波時間常數(shù)越大或PLC控制程序中濾波平均次數(shù)越多所得到的轉(zhuǎn)矩信號越平穩(wěn)，但得到的轉(zhuǎn)矩信號的延遲也越大。并且，若濾波平均次數(shù)過多，還會較大地降低程序的運行速度，影響微張力控制效果。反之，同樣得不到好的微張力控制效果。所以，微張力的調(diào)整和使用要求是很高的。 　　在實際應(yīng)用中，造成影響粗軋區(qū)微張力控制的因素是多樣的。主要有：機架前、后的光電管位置偏移、或者光電管損壞、靈敏度降低等原因造成輥道上軋件定位跟蹤的偏差或錯誤；電機過流導(dǎo)致的無法軋制；后繼工藝堆鋼、拉鋼…..另外，操作人員的熟練程度也是影響正常軋制的因素之一。 5　結(jié)束語 　　該控制系統(tǒng)不僅達(dá)到了通用人機界面的功能，而且針對現(xiàn)場的實際情況和操作人員的具體要求做了特殊技術(shù)處理，可以幫助工作人員更有效地監(jiān)視和控制軋制自動化系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程的改善起到了良好的效果。 　　目前，該輕型材生產(chǎn)線是國內(nèi)引進(jìn)的同類項目中自動化程度最高、應(yīng)用效果做好的生產(chǎn)線，投產(chǎn)的第一年就達(dá)到設(shè)計生產(chǎn)能力。設(shè)備作業(yè)率可達(dá)87%，年產(chǎn)量由設(shè)計能力45萬噸/年上升到了75萬噸/年。 　　維護(hù)期間，我們在深入分析研究控制程序的基礎(chǔ)之上，根據(jù)生產(chǎn)要求，對控制程序進(jìn)行了大量修改，從控制程序角度改進(jìn)和完善了功能。另外，適應(yīng)鋼材出口的需要，對增加的新設(shè)備也納入自動化控制。事實證明，對于引進(jìn)的項目，只有吃透控制程序，真正了解其內(nèi)部實現(xiàn)方法，才能維護(hù)好這套系統(tǒng)，使之最大限度地發(fā)揮作用。 參考文獻(xiàn)： [1]自動控制原理，劉自厚編，冶金工業(yè)出版社。 [2]ABB編程參考手冊。 [3]中小型材剪切優(yōu)化分析和設(shè)計，孫漢峰，冶金自動化，1997（6）。