摘要：根据热轧中宽带钢生产线的特点，给出了其自动控制系统的计算机配置和通讯方案；提出了出粗轧区轧机及辊道的速度控制和电动APC控制策略；将磁致位移传感器成功地应用到轧制生产中，提高了辊缝测量精度；给出了粗轧全自动控制方案和程序设计；针对活套起套速度设定不当可能引起带钢“颈缩”现象，提出了活套‘‘软接触’’解决方案；介绍了精轧机组无活套机架和粗轧机组模糊微张力控制的方法。

关键词：中宽带；热连轧；自动控制；软接触；模糊；微张力控制

1概述

    某厂新建一条750mm，热轧中宽带生产线，设计年产厚度2．5～9．5mm普碳钢热轧卷50万t。东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室承担了其主要生产过程自动控制部分的设计、安装和调试任务。

    该轧线主要设备布置如图l所示。粗轧机组2架(1立1平)，进行5或7道次可逆轧制。精轧机10架(2立8平)，6个电动活套，对来料进行连续轧制；带钢出精轧机组后进行层流冷却，然后进入地下卷取机进行张力卷取。

2控制系统硬件配置  

 2．2控制系统网络结构

    控制系统采用分散式布置，整个生产线分为5个主要控制区：加热炉区、粗轧区、精轧区、控冷区、卷取区。每个控制区均独立配置PLC，相互无干扰，既方便软件编写和硬件安装维护，又可降低故障发生率及其损失，并可在多个区域同时进行安装调试，缩短了建设周期。

2．1基础自动控制系统组成

    基础自动控制系统采用6套西门子S7系列高性能PLC。精轧区除需基本逻辑控制外还要进行较复杂的数学运算和闭环PID控制，故选用具有强大数据处理能力、适合大中型控制系统的400PLC。加热炉区、控冷区和粗轧区需控制的设备相对较少，各配备1套300PLC系统，并保证一定的扩展空间。卷取区每台地下卷取机各配备1套300PLC系统独立控制。

2.2   控制系统网络结构

    网络系统承担各个控制区域之间的通讯、PLC与人机界面交流的功能。本系统应用的网络类型有光纤、工业以太网及现场总线PROFIBUS－DP，网络结构见图2。传输距离远、抗干扰能力强的光纤组成环状网络作为整个系统的主干网，传递上位机和各控制区PLC以及各个控制区之间的交换数据。工业以太网负责从光纤到PLC和上位机之间的数据传输，实时地把人机界面设定的各种控制参数传回PLC，并把系统运行状态和重要数据传送给上位机。现场总线．PROFIBUS－DP负责传输PLC与远程I／O和传动控制之间的交换数据。冗余环状网络为系统提供了高效可靠的数据通讯，其中任何一条线路发生故障都不会影响网络的正常工作。

2．3仪表及传感器配置

    粗轧对中位置检测选用2套光电旋转编码器。根据活套高度控制高响应速度的要求，活套位置检测选用6套旋转编码高速计数器。轧辊辊缝测量采用MTS公司生产的Temposonics磁致伸缩位移传感器。

    磁致伸缩位移传感器是非接触式测量仪器，结构简单便于安装。其输出数据为绝对数值，无需复杂的数学计算，测量精度高达1μm。这种非接触式测量没有机械磨损，抗干扰能力强，传感器内部数据更新速度每秒可达1万次。东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室设计出一种顶帽安装方式，见图3，并成功用于生产。

3粗轧全自动控制

    粗轧区全自动控制的关键技术是高精度自动辊缝设定和自动速度设定。

3．1自动位置控制(APC)

    在轧制过程中APC占有重要地位，如压下位置设定、立辊开口度设定、托钢机行程控制等。对直流电动机驱动的APC系统，其速度必须遵循一定的控制规律。理论APC控制速度曲线如图4a所示。但生产中，为消除减速齿轮齿隙对位置精度的影响，须对理论APC曲线进行修改，保证设备按单向进行，具体即无论电机开始转动方向如何，最后停止转动的方向一定。实际APC曲线见图4b。

3．2辊缝自动设定

    辊缝自动设定是轧钢自动化的关键。粗轧过程中需频繁地变化轧制道次，辊缝逐渐减小，压下操作频繁进行，为了提高轧制节奏，必须进行快速准确地压下定位。因此高精度快响应的压下APC系统是实现轧钢自动化的必要条件。实践证明，本系统由于采用了新型位移传感器和修正的APC曲线，因此辊缝APC的控制精度高于传统的辊缝控制方法。

    辊缝自动设定的另一个问题是电动辊缝设定启动条件。一般来说，进行电动压下操作、电动辊缝设定只能在轧机内无钢的情况下才能启动，在短时间内不允许多次辊缝操作。并且在辊缝调节过程中不允许带钢咬入。否则，轧制的带钢厚度严重不均，导致轧废事故，严重时可能引起压下系统损坏。

3．3速度设定

    速度设定包括轧机速度设定和辊道速度设定。根据轧制过程特点，需低速咬入，高速轧制，低速抛钢。粗轧区辊道的主要作用是储存、运输带钢，为保证轧机顺利咬钢，辊道速度要与轧机速度同步；由于带钢在辊道上存在滑动，因而辊道速度必须加上超前率或滞后率。

    全自动轧钢程序主要包括信号读取，逻辑判断，压下APC，轧机和辊道速度控制，以及对中控制，其流程图见图5。

    实际运行表明，粗轧时采用自动轧钢方式比用手动方式可节省时间最多达半分钟，提高精轧入口温度80℃左右。

4   模糊微张力控制

    为防止堆钢引起“叠轧”或拉钢时张力过大导致带钢拉窄甚至拉断，保证生产连续和产品尺寸精度，在热连轧过程中一般要在带钢上维持一个恒定的微张力。粗轧机组的平辊和立辊之间及精轧前4个机架轧制的带钢较厚，没有设置活套设备，通常采用电流记忆法控制带钢张力。

  模糊微张力控制原理：机架咬钢恢复动态速降后开始对电流值采样记录，待下一机架咬钢动态恢复结束后完成电流采样，取电流的平均值作为本机架的锁定电流值，并在下一机架动态速降恢复后开始微张力控制，将本机架的实际电流作为反馈锁定电流比较后，将其偏差送入模糊控制器，模糊控制器输出本机架的附加速度设定。模糊控制器的设计步骤：输入量模糊化，模糊推理，模糊输出清晰化。

5活套定位控制

  在热连轧过程中，通常希望活套支持器的起套时间尽可能短，因而要求活套高速起套，同时又要求活套与带钢接触时速度足够小，以避免接触带钢瞬间对带钢造成冲击，拉窄带钢头部造成“颈缩”，影响带钢头部尺寸精度和成品质量。“软接触”定位控制是在不影响快速起套的前提下，通过对活套可能位置的预测，给出速度控制曲线，使活套支持器接近带钢时速度足够小，尽可能减少接触过程对带钢的冲击。基本控制思想是根据轧机咬钢时动态速降预测活套可能的套量，再根据套量预测值给出活套起套速度曲线。轧机动态速降造成的初始套量可用下式表示：

式中，Δn_d为动态速降；α为系数；v_in为下游轧机的入口速度；t_f为动态速降恢复时间。

    实际轧制生产中，为了消除模型不精确造成的误差，给出套量预报调整系数ρ，其值在使用过程中通过自适应算法不断进行修正，因而得出：

    “软接触”定位控制起套分4个阶段：(1)起套逻辑触发，开始以最大加速度起套，活套电机速度升至最大值，电机设定电流为最大电流；(2)活套电机以最大值继续运行至设定活套减速位置，电机设定电流为最大电流；(3)电机以最大速度减至预测套量位置附近，电流给定为最大电流；(4)电机以低速度接触活套，电机电流设定变为张力支持电流，起套完成，速度切换为活套调节速度。

6结语

    在介绍某厂中宽带热连轧计算机控制系统硬件配置的同时，给出了压下APC的控制方案，提出了粗轧全自动轧钢程序设计思想，并将其应用到中宽带生产中；针对活套起套速度设定不当易引起带钢“颈缩”问题，提出了活套软接触定位控制。实际运行表明，本系统工作稳定可靠，产品的产量和质量均达到或超过设计要求。

                                                                                               (东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室)