首钢3500mm中厚板轧机AGC基础自动化系统

首钢 3 500 mm 中厚板轧机 AGC 基础自动化系统 牛文勇1 ,李建平1 ,王 　君1 ,李 　勃2 (11 东北大学 轧制技术连轧自动化国家重点实验室 ,辽宁 沈阳 110004 ;21 辽宁省机械设备成套局) [摘 　要 ]介绍了首钢 3 500 mm中厚板轧机工艺参数和轧机检测仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 、以西门子 Simadyn D 系统为核心的 AGC基 础自动化控制系统、过程计算机系统和网络通信系统 ,说明了轧机基础自动化系统的液压位置自动控制 ( HAPC) 和轧制力自动控制 (AFC)原理 ,阐述了辊缝自动控制原理和电动 - 液压联合快速摆辊缝原理 ,最后介绍了厚度 自动控制 (AGC)的控制方式、投入条件以及 AGC系统的运行情况。 [关键词 ]中厚板轧机 ;液压 AGC;自动摆辊缝 ;计算机控制系统 [中图分类号 ]TG33419 　[文献标识码 ]B 　[文章编号 ]100027059 (2006) 0120025205 AGC system for 3 500 mm plate mill in Shougang Group NIU Wen2yong1 , Li Jian2ping1 ,WANGJun1 ,LI Bo2 (1. State Key Laboratory of Rolling and Automation ,Northeastern University ,Shenyang 110004 ,China ; 2.Liaoning Machinery Equipment Complete Set Bureau) Abstract :Technological parameters of 3 500 mm plate mill in Shougang are introduced. Measuring instru2 ments installed in the mill , basic antomatic control system based on Siemens Simadyn D system ,process computer system and network communication system for automatic gauge control (AGC) are described. Prin2 ciple of hydraulic automatic position control (HAPC) ,hydraulic automatic force control (HAFC) ,automatic roll gap control and electrohydraulic joint quick roll gap control is expounded respectively. Control mode , launch condition and operation performance of AGC system are given. Key words :plate mill ; hydraulic AGC ; automatic roll gap control ; computer control system 0 　引言 首钢中厚板轧钢厂与东北大学合作在 2003 年 对该厂中厚板轧机进行了大规模改造 ,改造后的 轧机取消了粗轧机 ,由 1 台 3 500 mm 高刚度四辊 轧机实现粗轧和精轧功能 ,在轧机和矫直机之间 增加了 28 组直集管控冷装置进行层流冷却 ,以期 开发出更具市场竞争力的产品。在控制系统方 面 ,采用了以西门子 Simadyn D 为核心的基础自动 化系统 ,并引入工业以太网和 Profibus2DP 现场总 线组成二级计算机控制系统。网络通信系统的使 用 ,大大提高了过程计算机与控制计算机以及控 制计算机与检测设备、传动设备与操作设备之间 数据通信的准确性和可靠性 ,降低了维护强度 ,提 高了生产效率。 1 　轧机及传动系统工艺参数 新轧机的工作辊尺寸为Φ(950～1 050 mm) × 3 500 mm ;支撑辊尺寸为 Φ (1 900～2 100 mm) × 3 300 mm ,工作辊最大开口度为 330 mm ;机架刚度 为 10 000 kNΠmm ;上、下辊主传动采用 2 台交流同 步电动机 , 电机转速为 0 ～ 120 rΠmin , 功率为 7 000 kW ,轧制速度为 0～616 mΠs ,最大轧制力矩为 2 ×3 070 kN·m ;电动压下采用 2 台 400 kW 的直流 电动机 ,压下速度为 0～35 mmΠs ;液压缸工作行程 为50 mm ,液压缸带载压下速度为 29 mmΠs。 [收稿日期 ]2005203228 ; [修改稿收到日期 ] 2005206221 [基金项目 ]国家经贸委基金资助项目 (ZZ0113A040102) [作者简介 ]牛文勇 (19672) ,男 ,甘肃泾川人 ,高级工程师 ,博士 ,主要从事轧制过程计算机控制系统研究与设计工作。 ·52· 系统与装置 冶金自动化 　2006 年第 1 期 2 　轧机检测仪表 准确检测轧制过程中轧机系统的各种变量 , 是提高轧机控制精度和产品质量的前提 ,本系统 采用了大量高精度的检测设备 ,以满足轧机控制 需求 ,在轧机上安装的传感器列于表 1。 表 1 　轧机传感器 Tab 1 　Sensors of the mill 名称　　 数据形式 量程 测量精度 数量 顶帽位置传感器 (MTS) SSI 880 mm 2μm 2 液压缸位置传感器 (MTS) SSI 70 mm 2μm 4 液压缸位移传感器 (SONY磁尺) 脉冲 55 mm 1μm 2 液压缸油压传感器 (HYDAC) 4～20 mA 40 kPa 011 kPa 2 轧制力传感器 (ABB 压磁式环形压头) 0～5 V 35 MN 1 kN 2 支撑辊偏心检测传感器 ( EITRA 绝对值编码器) SSI 2 048Πr 01175 7° 2 3 　系统配置功能及通信 311 　系统和网络配置[1 ] 过程计算机系统包括 2 台 AGC过程机和 1 台 控冷过程机。AGC过程机采用 PC 服务器 ,一用一 备 ,镜像磁盘阵列 3 ×40 GB ;控冷过程机采用工业 PC。AGC过程机系统的主要功能是轧件跟踪、轧 制规程设定计算和轧制规程设定模型的优化以及 自适应 ;控冷过程机系统的主要功能是冷却方式 的确定、阀门开闭数量和分布的确定以及控制冷 却模型的优化和自适应。 轧制区基础自动化计算机为 Simadyn D 系统 , 为满足检测、控制和通信需求 ,系统采用 4 个 PM5 CPU 模板、1 个 MM4 内存模板、4 个 IT41 扩展模 板、2 个 CS7 通信模块和 1 个 CSH11 以太网通信模 板。Simadyn D 系统主要功能是实现轧机垂直方 向的电动、液压辊缝控制和 AGC 控制及水平方向 的钢坯运输控制等。 过程计算机系统、AGC 基础自动化系统、控冷 基础自动化系统和 HMI服务器系统通过工业以太 网交换机 ( ESM)相互连接 (HMI服务器与各客户机 之间也采用这种方式相连) , HMI 服务器连接有 5 台客户机 (入炉终端、出炉终端、轧机监视终端、轧 机操作终端和控冷操作终端)用于过程监控[2 ] 。 系统网络结构如图 1 所示。 图 1 　3 500 mm轧机系统网络配置图 Fig 1 　Network configuration for control system of 3 500 mm plate mill ·62· 首钢 3 500 mm中厚板轧机 AGC基础自动化系统 Metallurgical Industry Automation 2006 No 1 312 　Simadyn D 各 CPU功能分配及数据通信 鉴于轧机控制系统对控制速度的要求和系统 对绝对值编码器的输入通道的需求 ,考虑控制任 务的不同 ,本套 Simadyn D 各个 CPU 分配了不同的 控制功能 ,具体分配如下。ÓCPU 1 :液压位置Π轧制力自动控制 ( HAPCΠ AFC) ,AGC ,液压缸故障检测与记录。ÓCPU 2 :电动自动Π手动辊缝控制 ,电动 - 液 压联合摆辊缝 ,轧机自动调零 ,轧机自动刚度测试。ÓCPU 3 :系统故障检测与记录 ,与轧机过程 机通信。ÓCPU 4 :与 HMI 服务器通信 ,现场总线设备 通信及控制。 Simadyn D 系统的 CS7 通信模块上共安装 1 个 SS4 MPI接口子模块和 4 个 SS52 通信子模块 ,通过 SS4 实现对各 CPU 的编程和监控 ,通过 SS52 连接 4 路 Profibus2DP 总线 ,Simadyn D 作为主站与主传动 系统、电动压下传动系统、辊道传动系统、轧机操 作台、AGC液压站系统、推床控制系统、测厚仪以 及其它现场总线系统和设备进行数据交换 ;通过 CSH11 和以太网交换机与过程计算机、HMI 服务 器和控冷 PLC 等设备进行数据交换。Simadyn D 各 CPU 之间通过背板的 L 总线ΠC 总线和通信缓 冲器 MM4 交换数据。 4 　液压位置自动控制( HAPC) 和轧制力自 动控制( AFC) HAPC是指调节伺服阀开口度 ,以便在最大轧 制力允许范围内将液压缸位置保持在某一设定 值 ,使控制后的位置与目标位置之差保持在允许 的偏差范围内 ,在轧钢过程中 ,液压缸一般工作在 APC方式。轧制力自动控制 (AFC) 是指调节伺服 阀开口度 ,以便在液压缸工作行程内将轧制力保 持在某一设定值 ,在轧机调零和刚度测试过程中 , 液压缸一般工作在 AFC方式。 图 2 给出了单侧液压 APCΠAFC 原理[3 ] 。在 APC方式 ,位置基准、AGC 调节量、附加补偿和手 动辊缝干预量的和与液压缸位置实际值相比较 , 偏差值与一个和液压缸油压相关的变增益系数相 乘后送入位置控制器 ( PI 调节器) ,位置控制器的 输出值和压力限幅控制器的输出值都送入一个比 较器 ,比较器将二者之中小者作为给定值输出到 伺服放大器 ,进而驱动伺服阀 ,控制液压缸的动作 以消除位置偏差。 轧制力限幅环节是在APC方式下 ,限制轧制 图 2 　3 500 mm轧机液压 APC与 AFC原理图 Fig 2 　Schematic diagram of hydraulic APC and AFC for 3 500 mm plate mill 力、保护液压缸和其他设备的一个环节。当轧制 力小于轧制力限幅值时 ,液压缸工作在位置闭环 方式 ,输出到伺服放大器的值为位置控制器的输 出值 ;当轧制力超过限幅值时 ,输出到伺服放大器 的给定值为轧制力限幅控制器的输出值。这样 , 既能防止轧制力超限 ,又能保证轧制过程的正常 进行。另外 ,当轧制力超过最大保护限幅值时 ,液 压缸快速泄油 ,防止设备损坏。 ·72· 首钢 3 500 mm中厚板轧机 AGC基础自动化系统 冶金自动化 　2006 年第 1 期 为了控制钢板侧弯 ,需要进行轧机两侧辊缝 倾斜调节 ,两侧液压缸在运行时需要保持同步 ,所 以设置了双侧辊缝倾斜和同步控制器。 由于伺服阀的开口度与伺服阀线圈驱动电流 成正比 ,因此 ,液压油通过伺服阀的流量 Q (正比 于柱塞移动速度) 与伺服阀开口度和阀口压力差 的关系可以表达为 Q = KI ΔP = IIN QN ΔP ΔPN (1) 式中 , K 为伺服阀流量系数 ; I 为伺服阀驱动电流 (正比于伺服阀开口度) ,ΔP 为伺服阀两侧压力 差 ; IN 为伺服阀标称流量时的驱动电流 ; QN 为伺 服阀标称流量 ;ΔPN 为伺服阀标称流量时两侧额 定压力差。 从式 (1)可以看出 ,伺服阀的流量要受控制电 流和阀两侧压力差的共同影响 ,具有变增益特性 , 不利于参数整定 ,为此 ,加入非线性补偿环节 ,以 改善系统性能。流量非线性补偿分上下运动两种 情形 ,设 PS 为油源压力 , PL 为液压缸内油压 ,那 么 下行时 ,液压缸进油 　ΔP = Ps - PL 上行时 ,液压缸出油 　ΔP = PL 实际使用时 ,变增益系数 Kp 整定为 KP = ΔPN ΔP 这样 ,在乘以变增益系数后 ,伺服阀流量公式 (1) 可写成 : Q′= KKP I × ΔP = I IN QN ΔPN ΔP × ΔP ΔPN = I IN QN 则伺服阀流量与伺服阀电流成线性关系 ,可以通 过程序对其进行精确控制。 在 AFC 方式 ,轧制力自动控制将轧制力基准 值和反馈值的比较结果进行 PI 运算后 ,通过 APCΠ AFC选择开关输出到伺服放大器 (参见图 2) 。 APCΠAFC方式由程序根据轧机状态控制。 5 　自动摆辊缝控制 511 　自动电动位置控制 在非手动轧钢方式 ,轧机需要自动摆辊缝 ,这 时 ,电动压下系统需要进行自动位置控制 ,程序根 据电动压下目标位置与实际位置的偏差 ,取两侧 设定位置与实际位置偏差值中的绝对值小者作为 速度曲线的输入偏差 ,按照如图 3 所示的曲线确 定压下电机的给定速度 ,速度输出值两侧相同。 图 3 　电动压下位置 - 设定速度曲线 Fig 3 　Diagram of position2speed curve for electric screw down E —位置偏差 ; V —压下速度 512 　辊缝设定计算 在自动摆辊缝过程中 ,当前道次的辊缝设定 值发生变化后 ,程序立即计算液压预置位置 ,如果 计算结果在预定的上、下限幅范围内 ,则电动压下 位置保持不变 ,液压缸按照预置值摆辊缝 ,到达预 置位置后停止 ;如果计算结果超出预定的上、下限 幅范围 ,则程序先将液压预置位置置于液压缸工 作行程中点 ,计算电动预置位置 ,并进行电动粗摆 辊缝 ,等电动摆辊缝完成后 ,重新计算液压预置位 置 ,进行液压摆辊缝 ,到达预置位置后停止。电 动、液压预置位置计算公式为 Gr = Er - E0 + Hr - H0 Er = Gr + E0 - H0 Hr = Ea - E0 + H0 - Gr 电液联合摆辊缝过程如图 4 所示。 513 　快速摆辊缝 辊缝设定速度和精度是一对矛盾的因素 ,如 果对辊缝设定精度要求高 ,则必然需要更多的时 间进行辊缝调整。对于中厚板轧制过程而言 ,摆 辊缝的速度直接影响轧制节奏 ,在不影响最终产 品尺寸精度的前提下提高摆辊缝的速度 ,对于提 高轧制节奏是至关重要的一环。 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 中厚板的轧制过程可知 ,其辊缝设定有 以下几个特点 :Ó在非特殊情况下 ,轧辊的开口度随着道次 数的增加逐渐减小 ,这意味着电动压下丝杠是逐 步下压 ,液压缸柱塞在工作行程内逐渐伸出。 ·82· 首钢 3 500 mm中厚板轧机 AGC基础自动化系统 Metallurgical Industry Automation 2006 No 1 图 4 　电液联合摆辊缝流程 Fig 4 　Flowchart for electric2hydraulic associated gap manipulate Gr —设定辊缝 ; Ga —实际辊缝 ; glim —摆辊缝偏差限 ; Er —设定电动压下位置 ; Ea —实际电动压下位置 ; E0 — 电动压下清零位置 ; e0 —电动位置最小偏差 ; Hr —设定液 压缸位置 ; Ha —实际液压缸位置 ; H0 —液压清零位置 ; h0 —液 压位置最小偏差Ó轧制过程前几道次连续两个道次的辊缝差 较大 ,需要电动压下参与摆辊缝 ;而后几个道次的 辊缝差较小 ,可以由液压单独完成摆辊缝过程。Ó前几道次的辊缝设定精度对终轧尺寸精度 影响不大 ,而后三个道次对终轧尺寸精度的影响较 大 ,所以后三个道次必须用液压来保证设定精度。Ó对于空过道次 ,需要辊缝抬起到一定高度 , 这时的行程比较大 ,需要电动压下参与动作。 基于上述分析 ,采取了如下的快速摆辊缝措 施 :在辊缝设定精度对终轧尺寸精度影响不大的 前几道次 ,液压缸油柱保持固定的高度 ,利用电动 压下摆辊缝 ;在后三个道次 ,如果道次之间辊缝差 较大 ,按照图 4 流程进行电液联合摆辊缝 ;如果道 次之间辊缝差较小 ,则由液压一次摆到位。实际 上 ,后三道次的摆辊缝过程基本上都是由液压单 独完成的。 实测表明 ,采用电液联合摆辊缝 ,道次切换后 辊缝摆到位的时间平均在 4 s 左右 ,采用快速摆辊 缝后 ,摆辊缝的时间平均在 2 s 左右 ,电动压下单 独摆辊缝偏差小于 0102 mm ,大大缩短了摆辊缝的 时间 ,提高了轧制节奏。 6 　自动厚度控制 (AGC) 为获得良好的异板差和同板差 ,必须进行基 于高精度 AGC模型的液压压下位置控制。具体做 法是 ,在前几道次采用相对 AGC ,以获得比较准确 的厚度信息 ;其余道次在轧件咬入后 ,根据实际轧 制力和预报轧制力的偏差程度及对异板差指标和 同板差指标的偏重情况 ,确定选择绝对 AGC 或相 对 AGC[4 ] 。 相对 AGC :每个轧制道次的板厚设定值 h 3 为 轧机咬钢Δt 时间后 ,经 n 次压力和位移采样后 , 负载辊缝计算值的厚度平均值 ,即 h 3 = ( ∑h)Πn。 AGC的控制功能也在轧机咬钢Δt 时间后参与辊 缝调节。相对 AGC以头部实际轧制力作为基准轧 制力 ,以头部实际轧制厚度作为基准厚度设定 ,确 保同板差良好。但相对 AGC控制下轧出的钢板厚 度不一定符合所要求的目标厚度。 绝对 AGC :每个轧制道次的板厚设定值 h 3 为 轧机咬钢Δt 时间后的负载辊缝设定值 (由过程机 预测轧制力计算出来) ,AGC 的控制功能也是在轧 机咬钢Δt 时间后参与辊缝调节。绝对 AGC 以预 报轧制力作为基准轧制力 ,以目标厚度为基准 ,确 保同板差和异板差良好。这种厚控策略是以目标 厚度 (而不是锁定厚度) 为基准值 ,因此从理论上 可以严格达到目标厚度 ,既可改善同板差又可改 善异板差。这也是绝对 AGC 较相对 AGC 的优越 之处。 绝对 AGC需要在设定轧制力和锁定轧制力差 距在某一限定范围内时才可使用 ,因此在 AGC 投 入前 ,首先要判断轧制力设定值和锁定值之差是 否在要求的范围内 ,如果在要求的范围内 ,则投入 绝对值 AGC ,否则投入相对值 AGC。采用绝对 AGC时 ,需要对轴承油膜厚度、轧辊偏心、轧辊热 膨胀及磨损、轧件宽度、轧件头部及尾部等项进行 动态补偿。 实际使用情况是 ,在自动摆辊缝状态下 ,判断 轧机是否咬钢 ,如果咬钢 ,则计算辊缝、轧制力和 辊缝倾斜锁定值 ,并判断锁定值计算次数是否达 到预定的采样次数 ,达到采样次数后 ,判断轧制力 设定值和锁定值的偏差 ,决定是否投入绝对 AGC。 7 　AGC 系统运行情况 3 500 mm 轧机AGC系统自 2003 年 1 月投入试 (下转第 37 页) ·92· 首钢 3 500 mm中厚板轧机 AGC基础自动化系统 冶金自动化 　2006 年第 1 期 保护动作值如下 : (1) 当电流超过 48 kA 且维持 300 ms以上 ; (2)当电流超过 40 kA 且维持 6 s 以上 ; (3)当电流超过 35 kA 且维持 12 s 以上[1 ] 。 4 　运行情况 自 2003 年 7 月 1 日新系统投入运行以来 ,整 流器运行正常可靠。彻底解决了原有控制系统运 行不稳定、系统不开放、维护和故障分析处理困难 及备件供应困难等问题 ,提高了设备的可靠性 ,保 证了电弧炉生产正常运行。图 4 是新系统的电压 和电流波形。图中从上到下分别为整个冶炼炉次 3 台整流器的电压、电流反馈值。从图 4 可知 ,改 造后 ,这台国内最大的直流电弧炉的生产能力已 经超过原设计能力。这次改造的成功为直流电弧 炉国产化改造闯出一条新路。 图 4 　新系统的电流和电压波形 Fig 4 　Current curves and voltage curves of the new control system 1～3 —整流器 EB51、EB52、EB53 的电压波形 ;4～6 —整流器 EB51、EB52、EB53 的电流波形 [参 　考 　文 　献 ] [1 ]朱应波 ,宋东亮 ,曾昭生 ,等. 直流电弧炉炼钢技术 [M] . 北京 :冶金工业出版社 ,1997. [编辑 :魏 　方 ] (上接第 29 页) 生产以来 ,一直稳定运行。实测表明 , HAPC 的定 位精度为 0101 mm , 100μm 的阶跃响应时间为 25 ms ,动态响应频率超过 15 Hz , AGC 同板差 100μm内命中率达到 95 %。3 500 mm 轧机 AGC 系 统改造项目 2004 年获冶金科学技术一等奖。 [参 　考 　文 　献 ] [1 ]王 　君 , 王昭东 ,李建平 ,等. 3 500 mm 中厚板轧机计 算机控制系统[A] . 提高钢材的市场竞争力 ———2002 年 全国轧钢生产技术会议暨中国金属学会第七届轧钢年 会 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 集[ C] . 北京 :冶金工业出版社 , 2002. 5982603. [2 ]牛文勇 , 王 　君 ,李建平 ,等. 基于工业 PC和 PLC的中 厚板轧机监控系统[J ] . 冶金自动化 , 2001 , 25 (6) : 332 36. NIU Wen2yong , WANGJun ,LI Jian2ping ,et al. Monitor and control system of the plate mill based on industrial PC andPLC [J ] . Metallurgical Industry Automation , 2001 , 25 (6) :33236.[3 ]张殿华 , 王 　君 ,李建平 ,等. 首钢中厚板轧机 AGC 计算机控制系统[J ] . 轧钢 , 2001 , 18 (1) : 51255.ZHANG Dian2hua , WANG Jun ,LI Jian2ping ,et al. The AGCcomputer control system of a plate rolling mill [J ] . Steel Roll2ing , 2001 , 18 (1) : 51255.[4 ]王 　君 , 张殿华 ,李建平 ,等. 中厚板轧机液压辊缝控制系统研究及其 PLC 实现 [J ] . 东北大学学报 (自然科学版) , 2001 , 22 (4) : 4352438.WANGJun , ZHANG Dian2hua , LI Jian2ping ,et al. Hydraulicroll gap control system of plate mill and its development inPLC [J ] . Journal of Northeastern University (Natural Sci2ence) , 2001 , 22 (4) : 4352438. [编辑 :沈黎颖 ] ·73· 用 Simadyn2D 改造宝钢 150 t 电弧炉整流器控制系统 冶金自动化 　2006 年第 1 期