CN102641896B - 一种冷轧带钢板形板厚综合控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷轧带钢板形板厚综合控制系统，包括：影响系数存储模块，用于存储弯辊调节对板厚的影响系数；AFC系统，用于接收板形仪在线测量的板形信号，计算各板形控制手段的在线调节量，并将在线调节量发送给板形调控机构完成板形闭环控制功能；板厚影响预计算模块，用于接收所述AFC系统发出的弯辊板形控制手段在线调节量，并读取出对应的影响系数，计算出本次弯辊调节将会产生的板厚偏差；自动板厚控制系统，用于根据所述板厚偏差对板厚进行调整。本发明有效消除了弯辊板形控制时对带钢板厚产生的不利影响，在改善带钢板形质量的同时也能保证带钢板厚控制效果，从而显著提高冷轧带钢的产品档次，为提高冷轧带钢的板形控制质量提高有力保证。

Description

一种冷轧带钢板形板厚综合控制系统

技术领域

本发明涉及冷轧带钢板形板厚控制领域，具体地说，是一种冷轧带钢板形板厚综合控制系统。

背景技术

随着国内外装备制造业的迅猛发展，下游用户对冷轧带钢产品质量要求也日益增高，特别是对于高档汽车和高端IT产品制造等行业。冷轧带钢主要用于冲制各种零部件，为了提高冲模寿命和冲压精度，就要求冷轧带钢的厚度精度高、板形质量好。于是，高质量、低成本、高成材率的冷轧带钢产品轧制已成为冷轧企业所追求的目标。

对于冷轧带钢轧制过程而言，板形和板厚是两个不同的技术指标。传统冷轧自动控制系统往往将自动板厚控制(AGC)和自动板形控制(AFC)作为两个相对独立的控制目标而分别进行控制。随着国内冷轧控制技术的快速发展，自动板厚控制已经取得了长足的进展，产品厚度精度已经有了很大提高。另一方面，冷轧带钢自动板形控制核心技术仍然掌握在少数国外公司手中。由于缺乏对核心控制技术的掌握，花费高昂外汇引进的自动板形控制系统往往并不能稳定生产出高附加值的高端冷轧带钢产品。特别地，需要注意到板厚和板形之间是相互关联、相互影响、相互之间存在耦合关系的复杂系统，尤其表现在对带钢进行弯辊板形控制(诸如工作辊弯辊、中间辊弯辊等)时变化的弯辊力会对带钢厚度产生一定程度的影响，使本来已经调节好的厚度控制效果重新变坏，无法得到厚度精度高、板形质量好的高品质冷轧带钢产品。

迄今为止，国内外冷轧带钢控制技术的研究者们对板形板厚综合控制技术进行了较为深入的理论研究。燕山大学孙建亮博士进行了面向板形板厚控制的轧机系统动态建模及仿真研究。比较充分地考虑了轧制过程各参量间复杂的关系，运用机理建模的方法建立了面向板形板厚控制的轧机系统动力学模型，该模型建立了包括轧制方向、轧机垂直方向和轧辊轴向(带钢宽度方向)的动力学模型，并且考虑了轧辊轴向的非线性特性，求解了辊系的固有频率、主振型和振动方程，研究了不同受力形势下辊系的动态特性。然后又建立了面向板形板厚控制的轧机系统动态仿真模型，该模型可以对轧制过程进行模拟，能够反映轧制过程中板形板厚综合动态信息，为虚拟轧制提供一定的理论基础和借鉴意义。日本神户制钢公司的AFC系统提出了一种板厚-板形非干涉控制模型，将板形执行机构调节对板厚的影响加入到其AFC系统的综合评价函数中，一定程度上限制了AFC系统输出对板厚影响较大的板形调节量，也就是说在板形质量和板厚质量直接找到一个平衡点，利用牺牲一些板形控制精度的代价来换取板厚控制精度。

综上所述，已有技术尚未彻底解决冷轧带钢轧制过程中的板形板厚综合控制问题。如何有效消除弯辊板形控制时对带钢板厚产生的不利影响，在改善带钢板形质量的同时也能保证带钢板厚控制效果，是当前冷轧带钢领域的一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种冷轧带钢板形板厚综合控制系统，能够有效消除弯辊板形控制时对带钢板厚产生的不利影响的技术问题，在改善带钢板形质量的同时也能保证带钢板厚控制效果，从而显著提高冷轧带钢产品的品质。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种冷轧带钢板形板厚综合控制系统，包括：

影响系数存储模块，用于存储测量获得的板形控制过程中弯辊调节对板厚的影响系数；

自动板形式控制AFC系统，用于接收板形仪在线测量的板形信号，周期性计算各板形控制手段的在线调节量，并将在线调节量发送给板形调控机构完成板形闭环控制功能；

板厚影响预计算模块，与所述影响系数存储模块和AFC系统相连接，用于接收所述AFC系统发出的弯辊板形控制手段在线调节量，并从所述影响系数存储模块中读取出对应的影响系数，利用弯辊板厚影响数学模型实时计算出本次弯辊调节将会产生的板厚偏差；

自动板厚控制系统，与所述板厚影响预计算模块连接，用于根据所述板厚偏差对板厚进行调整。

进一步地，所述板厚影响系数为：弯辊板形控制每动作一个单位行程时对应的带钢厚度变化量。

进一步地，所述板形控制过程中弯辊板形控制手段有多个，每个弯辊板形控制手段对应一组板厚影响系数。

进一步地，所述板厚影响预计算模块根据以下公式计算出弯辊调节将会产生的板厚偏差δh：

$\mathrm{\δh}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i\×u_i$

式中，m为轧机配备的弯辊板形控制手段个数，E_i为在第i种弯辊板形控制手段对当前规格和材质带钢的弯辊板厚影响系数，u_i为第i种弯辊板形控制手段的弯辊在线调节量。

进一步地，还包括：

通讯模块，分别与所述板厚影响预计算模块和自动板厚控制系统连接，所述板厚影响预计算模块将计算获得的板厚偏差通过所述通讯模块发送给所述自动板厚控制系统。

本发明有效消除了弯辊板形控制时对带钢板厚产生的不利影响，在改善带钢板形质量的同时也能保证带钢板厚控制效果，从而显著提高冷轧带钢的产品档次，为提高冷轧带钢的板形控制质量提高有力保证。

附图说明

图1为本发明冷轧带钢板形板厚综合控制系统的结构框图。

图2为本发明一实施例的控制原理图。

图3为本发明一实施例的控制流程图。

图4为未使用本发明板形板厚综合控制系统冷轧带钢出口厚度分布图。

图5为使用本发明板形板厚综合控制系统后冷轧带钢出口厚度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明的一个实施例中，冷轧带钢板形板厚综合控制系统包括：

影响系数存储模块，安装于板形控制计算机内，用于存储弯辊板厚影响系数，板形计算机优选为研华工控机，存储模块实现数据库优选为Oracle数据库；

AFC(自动板形控制)系统，安装于板形控制计算机内，用于接收板形仪在线测量的板形信号，板形仪优选为瑞典ABB公司生产的接触式板形仪，AFC系统周期性计算各板形控制手段的在线调节量，并将在线调节量发送给板形调控机构完成板形闭环控制功能；

板厚影响预计算模块，与所述影响系数存储模块和AFC系统相连接，用于接收存贮在所述影响系数存储模块弯辊板厚影响系数和所述AFC系统发出的弯辊板形控制手段在线调节量，并利用弯辊板厚影响数学模型实时计算出本次弯辊调节将会产生的板厚偏差；

通讯模块，与所述板厚影响预计算模块相连接，用于接收板厚影响预计算模块发出的本次弯辊调节将会产生的板厚偏差，传输介质优选为光纤，局域网优选为千兆Ethernet网；

AGC(自动板厚控制)系统，与所述通讯模块相连接，用于接收本次弯辊调节将会产生的板厚偏差，以板厚偏差为基准对轧机辊缝进行修正。

上述技术方案中的影响系数存储模块中，所述弯辊板厚影响系数代表某种弯辊板形控制手段每动作一个单位行程(mm)时对应的带钢厚度变化量(um)。轧机弯辊板形控制手段通常包括工作辊正弯辊、工作辊负弯辊、中间辊正弯辊等。对于确定的具体冷轧机，弯辊板厚影响系数主要与轧机弯辊板形控制手段、带钢规格、材质有关。在轧机调试或者运行初期，在轧机弯辊板形控制手段、带钢规格、材质确定条件下，通过测量轧制过程中多组弯辊量大小及其对应的厚度变化量，利用最小二乘方法计算出对应的弯辊板厚影响系数，在经过工艺专业人员确认后按照不同轧机弯辊板形控制手段、带钢规格、材质来分类编号存储在影响系数存储模块中。

上述技术方案中的板厚影响预计算模块中，所述弯辊板厚影响系数的方式为：在每卷带钢穿带之后且AFC系统投入闭环控制之前，根据带钢规格和材质读取存贮在影响系数存储模块的各弯辊板形控制手段对应的弯辊板厚影响系数。

上述技术方案中的板厚影响预计算模块中，所述弯辊板形控制手段在线调节量的方式为：每次当AFC系统完成一次周期性计算后，读取本次各板形控制手段的在线调节量的计算结果中关于弯辊的所有调节量。

上述技术方案中的板厚影响预计算模块中，所述利用弯辊板厚影响数学模型实时计算出本次弯辊调节将会产生的板厚偏差的数学公式为：

$\mathrm{\δh}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i\×u_i,$

式中，δh表示本次弯辊调节将会产生的板厚偏差，m为轧机配备的弯辊板形控制手段个数，E_i为第i种弯辊板形控制手段对当前规格和材质带钢的弯辊板厚影响系数，u_i为第i种弯辊板形控制手段的弯辊在线调节量。

本发明提供的冷轧带钢板形板厚综合控制系统具备有效利用轧制过程中采集的输入输出过程数据的数据分析功能，以弯辊板厚影响系数的方式定量给出了AFC系统进行弯辊板形控制时对厚度控制产生的影响；同时系统能够实时地将板厚影响预计算模块计算得到的板厚偏差发送至AGC系统，由AGC系统以此为基准对轧机辊缝进行在线修正，因而能够及时消除弯辊调节时对板厚的影响，同时无须限制AFC系统输出对板厚影响较大的板形调节量。也就是说，本系统既能保证发挥轧机最大的板形控制能力，又很好地消除了弯辊调节时对板厚的影响。总而言之，本发明的冷轧带钢板形板厚综合控制系统有效消除了弯辊板形控制时对带钢板厚产生的不利影响，在改善带钢板形质量的同时也能保证带钢板厚控制效果，从而显著提高冷轧带钢的产品档次，为提高冷轧带钢的板形控制质量提高有力保证。

基于本发明的冷轧带钢板形板厚综合控制系统可用于四辊、六辊单机架或多机架冷连轧机组。以下以一台单机架六辊轧机为例，六辊轧机可轧制的产品包括普通板、高强钢、部分不锈钢和硅钢等。本实施例轧制的是中高牌号硅钢，机型为UCM轧机，板形控制手段包括轧辊倾斜、工作辊正负弯辊、中间辊正弯辊、中间辊窜辊以及乳化液分段冷却等。其中中间辊窜辊是根据带钢宽度进行预设定，调整原则是将中间辊辊身边缘与带钢边部对齐，亦可由操作方考虑添加一个修正量，调到位后保持位置不变；乳化液分段冷却具有较大的时间滞后特性。因而在线调节的板形控制手段主要有轧辊倾斜、工作辊正负弯辊、中间辊正弯辊三种。该机组的主要技术性能指标和设备参数为：

轧制速度：Max 900m/min，轧制压力：Max 18000KN，最大轧制力矩：140.3KN×m，卷取张力：Max 220KN，主电机功率：5500KW；

来料厚度范围：1.8～2.5mm，来料宽度范围：850～1280mm，轧后厚度范围：0.3mm～1.0mm；

工作辊直径：290～340mm，工作辊身长：1400mm，中间辊直径：440～500mm，中间辊身长：1640mm，支撑辊直径：1150～1250mm，支撑辊身长：1400mm；

每侧工作辊弯辊力：-280～350KN，每侧中间辊弯辊力：0～500KN，中间辊轴向横移量：-120～120mm，辅助液压系统压力：14MPa，平衡弯辊系统压力：28MPa，压下系统压力：28MPa。

板形仪采用瑞典的ABB公司板形辊，该板形辊辊径313mm，由实心钢轴组成，沿宽度方向每隔52mm或26mm被分成一个测量区域，每个测量区域内沿轴向在测量辊的四周均匀分布着四个沟槽以放置磁弹性力传感器，传感器的外面被钢环所包裹。板形辊每旋转一周，可以对带材板形测量四次。

板形和板厚自动控制系统上线运行后的技术性能考核指标为：厚度公差值小于等于6微米，板形精度小于等于12I。

图2给出了本实施例的控制原理图。板形自动控制系统(AFC)运行于工业控制计算机(IPC)内，IPC操作系统选用Microsoft Windows，AFC开发编程语言选用美国NI公司的Labview。板厚自动控制系统(AGC)运行于西门子SIMATICTDC工艺控制器中，AGC系统采用流量AGC厚度控制方法进行板厚在线控制。IPC与TDC之间、IPC与板形调控机构之间、TDC与板厚调控机构之间均采用千兆Ethernet网进行实时数据通信。

如图3所示，利用本实施例进行冷轧带钢板形板厚综合控制的具体工作流程为：

(1)读取弯辊板厚影响系数

在每卷带钢穿带之后且AFC系统投入闭环控制之前，根据带钢规格和材质读取存贮在板形计算机数据库中的各弯辊板形控制手段对应的弯辊板厚影响系数。这里弯辊板厚影响系数代表某种弯辊板形控制手段每动作一个单位行程(mm)时对应的带钢厚度变化量(um)。本实施例轧机弯辊板形控制手段包括工作辊正弯辊、工作辊负弯辊、中间辊正弯辊三种。对于确定的具体某一冷轧机，弯辊板厚影响系数主要与轧机弯辊板形控制手段、带钢规格、材质有关。本实施例在轧机调试过程中(自动控制系统尚未投入在线运行)，在轧机弯辊板形控制手段、带钢规格、材质确定条件下，通过测量轧制过程中超过500组上述三种弯辊调节量大小及其对应的厚度变化量，利用最小二乘方法计算出对应的弯辊板厚影响系数，在经过工艺专业人员确认后按照不同轧机弯辊板形控制手段、带钢规格、材质来分类编号存储在IPC机的数据库中。

(2)读取AFC系统发出的弯辊调节量

本实施例的AFC系统投入闭环控制之后，AFC系统会循环不停地每隔一定时间计算一次各板形控制手段的在线调节量。在每次AFC系统计算完成后，读取本次调节量计算结果中关于工作辊正弯辊、工作辊负弯辊、中间辊正弯辊的调节量。这里工作辊正弯辊和工作辊负弯辊在同一时刻只能存在一种，也就是说，若某时刻工作辊处于正弯辊状态，则其工作辊负弯辊调节量为零，反之亦然。

(3)预计算弯辊调节将会产生的板厚偏差

利用如下弯辊板厚影响数学模型实时计算出本次弯辊调节将会产生的板厚偏差：

$\mathrm{\δh}=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i\×u_i,$

式中，δh表示本次弯辊调节将会产生的板厚偏差，E₁为在步骤(1)中读取的工作辊正弯辊对当前规格和材质带钢的弯辊板厚影响系数，E₂为在步骤(1)中读取的工作辊负弯辊对当前规格和材质带钢的弯辊板厚影响系数，E₃为在步骤(1)中读取的中间辊正弯辊对当前规格和材质带钢的弯辊板厚影响系数，u₁为在步骤(2)中读取的工作辊正弯辊的调节量，u₂为在步骤(2)中读取的工作辊负弯辊的调节量，u₃为在步骤(2)中读取的中间辊正弯辊的调节量。

(4)将板厚偏差发送至AGC系统

本实施例在负责板形控制的IPC和负责厚度控制的TDC之间通过千兆Ethernet网连接，配置有两者之间的实时通讯模块。在每次步骤(3)计算得到弯辊调节将会产生的板厚偏差δh之后将其发送至安装在TDC中的AGC系统。

(5)AGC系统以板厚偏差为基准对轧机辊缝进行修正

AGC系统接收到板厚δh偏差之后，以为δh基准进行轧机辊缝的在线修正，及时消除由于弯辊调节所会产生的板厚偏差δh，整个板形板厚综合控制方法既保证了轧机板形控制能力的充分发挥又可以避免弯辊板形调节对板厚控制精度产生的不利影响，实现了理想的冷轧带钢板形板厚综合控制功能。

为了验证本发明方法的优越性，选取两卷相同规格的带钢产品进行工业试验比较。图4给出的是未采用本发明方法时冷轧带钢出口厚度分布图，此时由于AFC系统进行弯辊板形调节导致的厚度影响，由图4可以看出冷轧带钢出口厚度分布情况并不是很理想，在若干区段厚度控制精度超出了技术性能考核要求，严重影响了冷轧带钢产品质量档次。图5给出的是采用本发明方法时冷轧带钢出口厚度分布图。由图4和图5间的比较可以看出，图5中的冷轧带钢出口厚度分布质量比较理想，没有超出厚度控制精度技术性能考核要求现象发生，显著提高了冷轧带钢的质量。通过使用本发明方法，有效利用了轧制过程中采集的输入输出过程数据，通过数据分析后以弯辊板厚影响系数的方式定量给出了AFC系统进行弯辊板形控制时对厚度控制产生的影响。与传统理论计算方法相比，本方法能够更好体现的某一具体轧机的实际物理特性，所得的控制参数更准确；通过弯辊板厚影响数学模型预计算出弯辊调节将会产生的板厚偏差，并将该板厚偏差发送至AGC系统，由AGC系统以此为基准对轧机辊缝进行在线修正，因而能够及时消除弯辊调节时对板厚的影响，同时能够保证发挥轧机最大的板形控制能力，在改善带钢板形质量的同时也能保证带钢板厚控制效果。总而言之，本发明方法能够有效消除弯辊板形控制时对带钢板厚产生的不利影响，在改善带钢板形质量的同时也能保证带钢板厚控制效果，从而显著提高冷轧带钢的产品档次，增加冷轧企业的市场竞争能力。

Claims (3)

1.一种冷轧带钢板形板厚综合控制系统，其特征在于，包括：

影响系数存储模块，用于存储测量获得的板形控制过程中弯辊调节对板厚的影响系数；

自动板形控制AFC系统，用于接收板形仪在线测量的板形信号，周期性计算各弯辊板形控制手段在线调节量，并将各弯辊板形控制手段在线调节量发送给板形调控机构完成板形闭环控制功能；

板厚影响预计算模块，与所述影响系数存储模块和AFC系统相连接，用于接收所述AFC系统发出的各弯辊板形控制手段在线调节量，并从所述影响系数存储模块中读取出对应的影响系数，利用弯辊板厚影响数学模型实时计算出本次弯辊调节将会产生的板厚偏差；

自动板厚控制系统，与所述板厚影响预计算模块连接，用于根据所述板厚偏差对板厚进行调整; 

其中，所述弯辊调节对板厚的影响系数通过以下方式获得：在轧机弯辊板形控制手段、带钢规格、材质确定条件下，通过测量轧制过程中超过500组工作辊正弯辊、工作辊负弯辊和中间辊正弯辊三种弯辊调节量大小及其对应的厚度变化量，利用最小二乘方法计算出对应的弯辊调节对板厚的影响系数；

所述板厚影响预计算模块根据以下公式计算出本次弯辊调节将会产生的板厚偏差δh：

                                                 

式中，m为轧机配备的弯辊板形控制手段个数，E_i为在第i种弯辊板形控制手段对当前规格和材质带钢的弯辊调节对板厚的影响系数，u_i为第i种弯辊板形控制手段在线调节量；

其中，所述弯辊调节对板厚的影响系数为：弯辊板形控制手段每动作一个单位行程时对应的带钢厚度变化量。

2.根据权利要求1所述的冷轧带钢板形板厚综合控制系统，其特征在于，所述板形控制过程中弯辊板形控制手段有多个，每个弯辊板形控制手段对应一组板厚影响系数。

3.根据权利要求1所述的冷轧带钢板形板厚综合控制系统，其特征在于，还包括：

通讯模块，分别与所述板厚影响预计算模块和自动板厚控制系统连接，所述板厚影响预计算模块将计算获得的板厚偏差通过所述通讯模块发送给所述自动板厚控制系统。