2009年5月
冶金自动化
MetallurgicalIndustryAutomation
Vol.33 No.3May2009
・系统与装置・
全连续冷连轧机张力控制系统
孙文权,杨 荃,彭 鹏,王晓晨,刘天武
(北京科技大学高效轧制国家工程研究中心,北京100083)
摘要:全连续冷连轧机的自动张力控制系统是保证全连续冷连轧机稳定连续轧制的重要前提。作者以河北中钢钢铁有限公司五机架全连续冷连轧机组为背景,自主设计冷连轧机张力控制系统。介绍了张力控制系统的控制原理和系统结构,提出直接张力与间接张力相结合的张力自诊断与自处理控制系统。系统在该厂精调改造中投入使用,并取得了良好效果,在轧制极薄带钢中保证了张力的稳定和较高的控制精度。关键词:冷连轧机;自动张力控制;模拟张力
中图分类号:TG33419 文献标志码:A 文章编号:100027059(2009)0320020205Automatictensioncontrolsystemforcontinuoustandemcoldmill
SUNWen2quan,YANGQuan,PENGPeng,WANGXiao2chen,LIUTian2wu
(NationalEngineeringResearchCenterforAdvancedRollingTechnology,Universityof
ScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)
Abstract:Automatictensioncontrolsystemforcontinuoustandemcoldmillisanimportantpresuppo2sitionforstablerollingprocess.Forafive2standcontinuoustandemcoldmillinHebeiZhongsteelIronandSteelCo1,Ltd1,anautomatictensioncontrolsystemwasdesignedindependently.Controltheoryandsystemstructureofthetensioncontrolsystemareintroduced.Tensionself2diagnosisandauto2disposalsystemwhichcombinesdirecttensioncontrolwithindirecttensioncontrolisputforward.Thesystemhasbeenputintooperationintherebuildingofthefactory.Goodeffectwasobtained.Stabletensionandhighercontrolaccuracywereachievedinextremethinstriprollingprocess.Keywords:continuoustandemcoldmill;automatictensioncontrol;simulativetension
0 引言
冷轧生产过程中带钢在辊缝中的变形是在一定的前张力与后张力作用下进行的,大张力轧制
是冷连轧过程顺利进行的必要条件。优良的张力控制保证连轧机产量的同时使成品的厚度精度和板形精度达到要求。
河北中钢钢铁有限公司全连续冷连轧机组是我国首条在消化吸收国外相关先进技术基础上自
[1]
主研制开发的冷连轧生产线,于2004年正式投产,经过4年的安全运行,证明了该控制系统具有优良的性能。然而,随着冷轧产品市场的变化,厂
收稿日期:2008207215;修改稿收到日期:2009202226
方对产品的质量和产量都有了更高的要求,同时,
投产后张力控制系统和压下控制系统出现了不同程度的老化。经过2007年后半年的精调改造,轧机各方面都有了很大的改进,实际成品规格范围达到0123～210mm厚,600～1205mm宽。二次退火板轧制到0119mm厚,轧机利用率大幅度提高。改造过程中对张力控制系统和压下控制系统进行了重大改进和调整,其中,张力控制系统中增加了间接张力控制,加之多种新工艺技术的应用,保证了013mm以下极薄板的生产。本文对张力控制系统的改进进行了详细介绍。
(2006BAE03A13)基金项目:“十一五”国家科技支撑计划专题“高品质薄板板形控制技术”
作者简介:孙文权(19822),男,宁夏石嘴山人,博士研究生,主要从事冷连轧多变量控制系统研究工作。
第3期
孙文权,等:全连续冷连轧机张力控制系统
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1 主要设备组成及工艺
全连续冷连轧轧机区主要设备如图1所示,其中第1机架～第5机架分别用S1～S5表示;机
##
架间设有1～4张力检测仪C1～C4,轧机出口张力检测仪C5。活套出口张力辊组与S1建立一定的张力,保证S1后张力在设定范围内,张力的稳
定由张力辊组的转矩闭环控制。在连轧机各机架间分别设有张力控制系统(ATC),部分ATC环节之间存在级联影响关系,机架间张力控制系统有压下张力控制PTC和速度张力控制STC两种张力控制手段;机架间张力检测仪C1～C4的实测张力作为反馈对机架间张力进行张力控制;SR为各机
图1 全连续冷连轧机张力控制系统及主要设备Fig11 Mainequipmentandtensioncontrolsystemofcontinuoustandemcoldmill
架的速度调节器。
将S5后张力检测仪C5的实测值作为反馈对卷取张力进行闭环控制(CTC)。出口机架S5与卷取机之间的张力控制通过卷取机的转矩闭环控
[1-2]
制实现。
其中,MPi=ηiiiMmi
lci=
RiΔhi
′(2)(3)
式中,Ti为第i机架带钢的前张力,kN;Pi为轧制力,kN;lci为接触弧水平投影长度,mm;φi为力臂系数;Ti-1为第i机架带钢的后张力,kN;Ri为传动辊半径,mm;MPi为轧制转矩,kN・m;ηi为电动机效率系数;ii为减速箱的减速比;Mmi为电动机实测转矩,kN・mm;Ri为传动辊压扁半径,mm;Δhi为各机架压下量,mm。
全连续轧机S1入口张力和S5出口张力可以分别根据轧机入口张力辊组和卷取机的转矩精确测量,故把连轧机组入口张力和出口张力分别代
入各机架的轧制转矩方程组式(1),可同时得到两组解。
由于这两组解不等,所以在实际系统中根据不同情况分别选择直接推导法和加权系数法计算模拟张力。
(1)直接推导法。以中间机架S3为基准机架,以S1的入口张力为已知条件,计算S1～S2,S2～S3之间的张力;再以S5出口张力为已知条件,计算S3～S4,S4～S5之间的张力。当某机架间的张力检测系统发生故障后,以离该机架上游或下游机架最近的正常张力检测仪实测值为已知条件,计算故障点所在位置的模拟张力。此法符合
′
2 张力控制模式及控制模式的切换
准确的张力反馈是全连续冷连轧机张力闭环控制的前提,而轧机运转中带钢断带和轧机穿带过程都可能损坏张力检测仪,造成张力检测仪的零偏或机械损伤。为了解决这一问题,系统设计了直接张力控制模式和间接张力控制模式。
直接张力控制是根据张力检测仪的张力反馈值直接进行张力闭环调节;间接张力控制是当直接张力控制系统出现故障时,用轧制过程的实际力能参数计算模拟张力并作为反馈进行张力闭环调节。其中,间接张力控制较为复杂,包括:模拟张力的计算及自学习。由于系统有两种共存的张力控制模式,因此还设计了相应的张力故障诊断和处理系统。211 间接张力控制21111 模拟张力计算
通过建立冷连轧机转矩与张力、轧制力、轧辊半径、速度等参数的数学关系式计算机架间张[3]力:
(1)Ti=(2PilcφMPi)/Riii+Ti-1Ri-1000
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冶金自动化
第33卷
现场实际情况,减少了各机架间张力计算中由模型精度引起的累计误差。
(2)加权系数法。以一定的加权系数把两组解进行加权,权值随模拟张力推导的先后顺序递减。当某机架间的张力检测系统发生故障后,对模拟张力的计算同样使用加权系数法。此法计算结果更接近真实值,但是各机架张力的计算值互相影响,计算结果相对波动较大。
在实际张力故障诊断系统中,采用以上两种方法自动切换计算模拟张力。轧机低速运行时,电动机转矩波动较大,为了减小波动采用直接推导法;轧机高速运行时,机组运行相对稳定,采用加权系数法。
21112 模拟张力自学习
在该连轧张力控制系统中,当张力检测仪实测值准确时,对ηi和φi两个未知的模型参数进行自学习。其中,φi较为独立,一般为013～015;ηi与轧机状态、轧制规格有较大关系。系统中设计的自学习策略是:对初次轧制的规格,根据各机架机械设备传动效率初始值ηi0,减速比ii及反馈转矩Mmi,计算轧制转矩MPi;结合实际反馈的张力和轧制力等参数计算φi,并按轧制规格存储于自学习库,每种轧制规格对应一组φi;而后固定φi,对ηi进行自学习。
由于轧制速度不同,对ηi的影响较大,所以必须对不同轧制速度下的ηi分别进行自学习,轧制速度划分的界限为:高速360～480m/min;中速120～360m/min;低速60～120m/min;穿带0～60m/min。
制模式切换带来的系统波动并保证张力控制的精度,故障诊断和处理系统采取了以下三种措施:
(1)缩短模拟张力计算路径。采用间接张力控制的机架,模拟张力的计算以前后机架的实测张力为已知条件分别代入式(1),得到两组解,取其平均值作为间接张力控制的实测值。同理,两个及两个以上的相连机架张力检测仪故障时,以相邻的两个非故障机架的张力实测值为已知条件,计算所得的模拟张力作为张力控制的实测值。这种方法计算的模拟张力更精确、稳定。
(2)对计算所得的模拟张力进行低通滤波。由于模拟张力的计算受到多个实测值的影响,其波动较大,因此必须进行滤波。
(3)张力控制系统稳定切换。为保证连轧机稳定,两种张力控制模式切换时采用平滑过渡,切换过渡时间与轧制速度成反比。
3 机架间张力控制原理及控制环节
本张力控制系统中直接张力控制和间接张力控制具有相同的控制原理和控制环节。为保证低速、分卷及轧机调整期间机架间张力稳定和轧机出口的板形质量,根据不同的工况将轧机张力自动控制系统分为低速ATC(V≤120m/min)和高速ATC(V>120m/min)两种控制方式。这两种张力控制方式都是通过调节后一机架的压下或相应机架速度(级联调速)保持机架间的张力趋于给定值。两种控制方式具体使用的调节手段见表1。
表1 张力控制方式
Table1 Tensionadjustmentmethod
机架
1～22～33～44～5
控制方式
低速S1速度S1～S2速度S4～S5速度
S5速度
我们在自学习数据库中,增加了4列(对应4种轧制速度状态)与轧制速度有关的自学习项,分别存储每种轧制规格不同轧制速度下的传动效率系数ηi。这种自学习方法在系统实际应用中学习效率较高、速度快、张力计算结果精确稳定。212 张力故障诊断和处理系统
高速
S2压下S3压下S4压下S5压下S4速度,S4压下
故障诊断和处理系统根据机架间实测张力与模拟张力的误差进行判断,误差大于810%时,张力系统报警并在HMI上显示故障点,由人工在HMI上确认故障点的同时,选择是否由直接张力
控制系统切换到间接张力控制系统。当误差大于1010%时,自动切换到间接张力控制系统。操作
人员也可以根据具体情况进行手动切换。
当切换到间接张力控制时,为了防止由于控
张力实际值与设定值之差(即控制误差)需要限制在一定的不灵敏区范围内,在此范围内张力可变,张力控制系统不进行调节,使速度干预和AGC系统可以在一定的张力变动范围内进行。张力控制环节把张力偏差的调节量作为干预量传送给压下给定器或速度给定器。压下给定器有辊缝位置给定器和轧制压力给定器两种,对应压下系统的辊缝位置闭环和轧制压力闭环控制。311 低速ATC控制方式
轧机刚启车时各机架的带钢一般都超厚从而
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孙文权,等:全连续冷连轧机张力控制系统
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引起张力超差较大,且低速下PTC对低速时的张力波动响应慢,所以在轧机低速时应采用STC,以减小张力和电流的波动,保证轧机的稳定运行。
低速控制方式下以S3为基准机架调节其上游或下游机架的速度。为避免对某一个机架速度的调节影响其前后两个机架间的张力,需同时对相临的非基准机架进行级联调速。
张力控制系统中的级联调速仅用于S2～S3和S3～S4之间的张力控制。当S2～S3反馈张力超出灵敏区后,S2～S3的张力控制系统输出S2的速度调节量,同时把速度调节量按百分比级联到S1,即S1,S2相对于各自机架最大设定速度的调
选择B方式时,不灵敏区设置只与偏差的方向有关:负偏差(实际值小于设定值)时取-15%;正偏差(实际值大于设定值)时取25%。314 张力自动控制环节
如前所述两种张力控制模式采用相同的张力控制环节如图2所示的形式。
节比例相同。同理S3～S4之间张力控制时把S4速度调节量级联到S5。312 高速ATC控制方式
由于调节轧机的压下控制张力时对出口厚度影响较小,而对张力影响较为明显,所以当轧机在高速稳定轧制时一般采用PTC,即通过调节下游机架的压下量改变后滑来控制张力。
由于末机架是保证成品厚度精度、平坦度精度的重要机架,因此需综合使用PTC和STC两种张力控制手段,由操作人员选择:
(1)末机架常规张力控制。S4～S5之间的张力控制手段与其它机架高速下的张力控制手段相同,采用PTC。此法在AGC选择A方式(常规AGC)和B方式(张力极限AGC)时采用。
(2)末机架平整方式下张力控制。通过调整S4的速度(STC)保证S4～S5之间的张力,同时对S4进行压下前馈调节(PTC)以保证S3～S4之间的张力平稳,S5的压下不变。这样在进行张力控制时,不会对最终成品的平坦度产生影响,提高了最终成品的板形和表面质量。此法在AGC选择C方式(平整方式)时采用。313 不灵敏区的设置
图2 机架间张力控制器Fig12 Tensioncontrollerbetweenstand
T12set—二级设定张力;Tv—张力速度补偿量;Te—换辊后
中间机架附加设定张力;Th—张力人工干预量;Ttotal—总张力设定值;B(s)—张力不灵敏区环节传递函数;RV(s),
RF(s),RS(s)—分别为速度张力控制环节、压力张力控制
环节、辊缝位置张力控制环节的传递函数;VSET,SSET,
FSET—分别为速度、辊缝、轧制力设定值;GV(s),GF(s),GS(s)—分别为速度控制系统、压下轧制力控制系统、压下
辊缝位置控制系统的等效动态特性;δT—张力干扰量;T— 张力实测值;H(s)—张力反馈环节的传递函数
三种张力控制环节均采用PI调节器,传递函数为:
R(s)=KP1+1TIs(4)
式中,KP为比例系数;TI为积分时间常数。
张力控制系统的三种控制环节相互独立,使用中要相互切换。切换时为保证所控制系统的稳定,须同时保持其它张力控制器切换前的输出值。
4 控制系统现场数据分析
该厂实际生产中张力控制稳定的同时保证了产品厚度,且张力控制对压下控制系统和速度控
制系统干扰小,STC与PTC切换平稳。图3(a)为一卷钢轧制过程中直接张力控制时的实测张力曲线。由于张力补偿量随速度变化,因此反馈张力在低速(轧制带头)时偏大,随着速度的升高张力逐渐减小,直至平稳。S3～S4,S4～S5之间张力有微小的趋势性波动,这是由AGC调节引起的。图3(b)为同卷钢直接张力控制时的模拟张力计算值曲线,模拟张力与实际张力的误差在5%以内。低
张力控制的不灵敏区与张力设定值相关,以设定张力的百分比形式表示,分为三个级别:±215%(细);±510%(中);±1010%(宽)。轧机调试阶段应该选择较宽的不灵敏区;正常生产时选中级;细不灵敏区一般用于S4～S5之间的张力控制,这与S4出口厚度较薄而设定总张力小相匹配。具体的不灵敏区也可以根据生产情况从监控HMI画面进行设定。
对于S4～S5之间的张力控制,当AGC方式
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冶金自动化
第33卷
速下模拟张力波动较大,这与实际生产中低速下电动机转矩波动较大有关,高速下模拟转矩逐渐平稳。S3～S4,S4～S5之间模拟张力波动大于S1～S2,S2～S3,原因是模拟张力的推导是由两端机架向中间机架进行,两端机架的张力波动必然会叠加到中间机架。
1—S1～S2;2—S2～S3;3—S3～S4;4—S4～S5
1—S3～S4之间模拟张力;2—S3～S4之间实测张力
图4 直接张力控制系统故障时的实测张力
和S3～S4间接张力控制曲线
Fig14 TensionfeedbackcurveandsimulativetensioncurvebetweenS3～S4whendirecttensioncontrolsystemfault
图3 直接张力控制时的实测张力及模拟张力曲线
Fig13 Tensionfeedbackandsimulativetensioncurve
indirecttensioncontrol
1—S1～S2;2—S2～S3;3—S3～S4;4—S4～S5
度。张力自诊断和间接张力控制系统提高了整套自动化系统的稳定性和容错性能,保证了013mm以下极薄板的生产,并且运行良好。参考文献:
[1]郭立伟,杨 荃.全连续冷连轧机自动控制系统的设
图4(a)为S3机架出口张力压辊轴承损坏后,
压辊抬起,各机架间的张力实测值。实际生产中S3出口压辊抬起,带钢不能在张力测量辊形成包角,故S3～S4张力检测仪实测值很小,属于错误信号。图4(b)为同卷钢生产过程中S3～S4机架采用间接张力控制时的模拟张力曲线和实测张力曲线。由于间接张力控制精度受到相邻机架间张力实测值、转矩、轧制力等因素的影响,S3～S4之间张力波动相对较大,因此使用过程中将间接张力控制机架的张力不灵敏区放大1010%,保证了张力控制系统的稳定运行。
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[3]孙一康.带钢冷连轧计算机控制[M].北京:冶金工业
5 结束语
张力控制是全连续冷连轧机最基本的功能之
一,该厂全连续冷连轧机张力控制系统自投产后经过精调改进,逐渐完善,满足了冷连轧过程中张力稳定的要求,达到了很高的控制精度和响应速
出版社,2002:1162152.
[编辑:沈黎颖]
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