郭彩霞,程耕國(guó)

(1.冶金自動(dòng)化與檢測(cè)技術(shù)教育部工程研究中心,湖北 武漢 430081;2.武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430081)

隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化和信息技術(shù)應(yīng)用水平的提高,對(duì)數(shù)據(jù)的大規(guī)模應(yīng)用、采集、遙控處理及管理數(shù)據(jù)的生成有特殊的設(shè)計(jì)需求,高水平控制需求逐漸形成。為了滿足工控市場(chǎng)對(duì)高性能自動(dòng)化產(chǎn)品的需求,西門子推出了新一代多處理器自動(dòng)化系統(tǒng)SIMATIC TDC(technology and drive control,簡(jiǎn)稱工藝與傳動(dòng)控制)控制系統(tǒng)。此控制系統(tǒng)性能允許大型系統(tǒng)的開環(huán)控制和監(jiān)視、閉環(huán)控制和計(jì)算、信號(hào)傳送和記錄及通訊[1],已在金屬冶煉、能源及輸配電領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

在熱連軋粗軋軋制中,帶鋼要經(jīng)過立輥和水平輥的軋制,通過立輥的大側(cè)壓實(shí)現(xiàn)對(duì)帶鋼寬度的控制。大側(cè)壓時(shí),由于帶鋼頭尾部處于無應(yīng)力狀態(tài),沒有一個(gè)力矩能回牽軋件以保持軋件與軋輥的接觸,立軋后這部分金屬向中間非均勻流動(dòng)、延伸,從而造成失寬。在進(jìn)入精軋機(jī)組前必須切除帶鋼的失寬部分,從而造成切頭切尾損失,降低了帶鋼的成材率[2]。

針對(duì)帶鋼頭尾部失寬,可采用短行程控制(short-stroke control,簡(jiǎn)稱SSC),SSC主要采用了西門子SIMATIC TDC液壓控制系統(tǒng)。本文將重點(diǎn)介紹SSC控制的原理及該TDC系統(tǒng)的通訊方式、軟件編程以及投入SSC控制系統(tǒng)后的應(yīng)用效果。

1 短行程控制原理

短行程控制是在立輥大側(cè)壓下用于克服帶鋼頭尾部所產(chǎn)生的失寬、提高帶鋼成材率的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù),它直接關(guān)系到板坯切頭切尾的長(zhǎng)度,從而影響帶剛的成材率以及經(jīng)濟(jì)效益。其基本思想是:根據(jù)帶鋼頭尾部失寬的輪廓曲線,以修正側(cè)壓變形量,即當(dāng)立輥軋機(jī)咬鋼時(shí),輥縫比正常軋制時(shí)增大,然后隨著板坯頭部的繼續(xù)深入,輥縫逐漸地減小。當(dāng)板坯的尾部到達(dá)時(shí),輥縫隨著板坯尾部漸漸離開立輥軋機(jī)逐漸增大。再經(jīng)過水平輥軋制后,使頭尾部的失寬量減小到最低限度[3],從而達(dá)到減少切頭切尾的損失,提高主軋線的帶鋼成材率的目的。

短行程控制時(shí),立輥的開口度值的變化是一個(gè)多邊形,見圖1,叫做短行程的控制模式。

圖1 短行程控制原理圖Fig.1 T he principle of SSC

圖1中,X1～X4為SSC的距離(從板坯的頭部或尾部計(jì)算),mm;Y1～Y4為SSC的控制量,即立輥軋機(jī)的開口度,mm。SSC根據(jù)對(duì)帶鋼的頭部和尾部位置以及帶鋼長(zhǎng)度的跟蹤來設(shè)定立輥的開口度。

2 SIMATIC TDC控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件組態(tài)

SIMATIC TDC控制系統(tǒng)主要用于中高速閉環(huán)控制和同步化處理,是一種可隨意編程和設(shè)計(jì),并支持多處理器的全數(shù)字模塊化控制系統(tǒng),其性能可以在使用全集成自動(dòng)化系列技術(shù)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的同時(shí),大大降低成本,提高生產(chǎn)效率和競(jìng)爭(zhēng)能力。其主要特點(diǎn)是:中央處理器使用64位技術(shù),在一個(gè)機(jī)架內(nèi)可以并行運(yùn)行20個(gè)RISC CPU,具有極快的響應(yīng)時(shí)間(采樣時(shí)間100 μ s);模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),硬件可擴(kuò)展;軟件使用STEP7組態(tài)工具進(jìn)行圖形化組態(tài),用西門子CFC和SFC軟件編程。

粗軋TDC系統(tǒng)的硬件配置組態(tài)共使用2塊CPU551模板。第1塊主要負(fù)責(zé)通信以及AGC(自動(dòng)厚度控制)、APC(自動(dòng)位置控制);第2塊CPU主要負(fù)責(zé)AWC(自動(dòng)寬度控制)、SSC(短行程控制)、PDA(數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)跟蹤)。每一塊CPU模板各配1塊程序存儲(chǔ)器模塊MC521,用于存儲(chǔ)程序和硬件組態(tài)。為了連接現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào),配置了2塊SM500模板。另外,還有1塊用于MPI與PROFIBUS DP通訊的CP50M1模板,以及用于以太網(wǎng)通訊的CP51M1模板。

2.2 系統(tǒng)通訊

為滿足現(xiàn)場(chǎng)快速控制、高速通訊的要求,本項(xiàng)目TDC系統(tǒng)采用了以下通訊方式。通過TCP/IP通訊模式接受二級(jí)下達(dá)的軋制參數(shù),包括理論軋制壓力、軋制速度、出入口側(cè)導(dǎo)板的位置值、立輥開口度值、軋制道次值以及自動(dòng)寬度控制、短行程控制參數(shù)值的設(shè)定等,同時(shí)將各軋輥實(shí)際軋制力反饋值、立輥開口度的修正值傳遞給二級(jí)工藝模型計(jì)算機(jī)。在完成此項(xiàng)功能的硬件上插入CP51M1模板并使用ST EP7組態(tài)工具進(jìn)行圖形化組態(tài),在軟件方面,CFC程序調(diào)用@local功能塊對(duì)應(yīng)組態(tài),用于初始化和監(jiān)控工業(yè)以太網(wǎng)通訊。使用CTV-P和CRV-P以及DRD-B和DWD-B功能塊實(shí)現(xiàn)與連接的CPU間的數(shù)據(jù)傳輸。

本項(xiàng)目的液壓控制系統(tǒng)由于TDC本身具備模塊化結(jié)構(gòu),因此使其可以通過SM500信號(hào)模板(I/O)及信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置直接與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。SM500模板是用于連接分布式I/O的,除具有16點(diǎn)二進(jìn)制輸入/輸出以外,還具有8點(diǎn)模擬量輸入/輸出以及4點(diǎn)積分型模擬量輸入,還可連接4個(gè)絕對(duì)值編碼器和4個(gè)增量位置編碼器。短行程液壓控制系統(tǒng)是典型的液壓位置伺服系統(tǒng),其原理是:帶鋼測(cè)寬儀測(cè)定板坯的寬度變化,將該測(cè)定值反饋給過程機(jī)與給定值進(jìn)行比較,比較結(jié)果作為PI控制器的輸入,驅(qū)動(dòng)控制放大器和伺服閥控制流量的輸出,從而控制液壓缸的位移和軋制力的輸出,實(shí)現(xiàn)對(duì)軋機(jī)立輥開口度的控制[4]。在本系統(tǒng)中應(yīng)用SM500模板傳遞以下幾組信號(hào):電磁閥和鎖定閥的控制開關(guān)量輸出,熱金屬檢測(cè)儀的位置編碼器輸入,液壓缸位移值及軋制力值的輸出,伺服閥的開口度控制量輸出等。

2.3 SSC控制的軟件編程

1)以E2立輥處的頭部短行程控制為例。因偶道次軋制沒有改變帶鋼的寬度,所以SSC控制只對(duì)E2立輥處的奇道次軋制有效,故需對(duì)軋制道次進(jìn)行判斷。

2)在E2輥道前方3.58 m處放置一熱金屬檢測(cè)儀跟蹤帶鋼的頭尾部,隨著帶鋼的軋制,當(dāng)帶鋼頭部到達(dá)立輥前的熱金屬檢測(cè)儀時(shí),熱金屬檢測(cè)儀啟動(dòng),跟蹤帶鋼頭部,并根據(jù)帶鋼線速度(mm/ms)計(jì)算帶鋼頭部離E2立輥的距離。

3)帶鋼頭部立輥開口度修正值的計(jì)算。取同一規(guī)格尺寸的板坯,把板坯頭部分為幾個(gè)區(qū)間,計(jì)算出每一區(qū)間內(nèi)板坯寬度的平均失寬值,以及整個(gè)板坯頭部的平均失寬值,即為SSC修正值。計(jì)算方法如下[5]:首先,為了剔除實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù),對(duì)采樣到的寬度偏差值進(jìn)行平滑處理。

式中:ΔRW(i)為采樣到的粗軋出口寬度偏差值,mm;S為板坯頭部非穩(wěn)定部分的結(jié)束點(diǎn);NH為板坯頭部穩(wěn)定部分的結(jié)束點(diǎn);i為采樣數(shù)據(jù)的序號(hào)。

然后,計(jì)算寬度偏差值的平均值

式中:ΔRWAV為寬度偏差的平均值,mm;NE為異常數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

4)立輥開口度補(bǔ)償。根據(jù)帶鋼頭部離E2立輥的距離,判斷帶鋼位于板坯的哪個(gè)區(qū)間,再參照帶鋼頭部SSC控制的對(duì)應(yīng)修正量對(duì)立輥開口度做相應(yīng)值的調(diào)節(jié)。并對(duì)SSC寬度修正量設(shè)定上下極限值,當(dāng)失寬量超出極限值,即以極限值進(jìn)行補(bǔ)償。圖2為開口度值的補(bǔ)償程序。

圖2 開口度值的補(bǔ)償程序Fig.2 The compensation program of opening deg ree value

3 SSC控制投入效果實(shí)驗(yàn)評(píng)估

選取了同爐號(hào)、同鋼種、同減寬量、同板坯規(guī)格和成品規(guī)格的連續(xù)6塊鋼對(duì)E2 SSC投入的效果進(jìn)行評(píng)估。SSC控制與帶鋼軋制力、帶鋼寬度的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 SSC控制與帶鋼軋制力、帶鋼寬度的關(guān)系曲線Fig.3 The curves of SSC,strip rolling force and strip width

在軋制過程中,當(dāng)軋輥咬鋼時(shí),軋制壓力立即增大,帶鋼寬度立即有偏差,這時(shí)TDC SSC控制系統(tǒng)立即響應(yīng),對(duì)立輥開口度值進(jìn)行相應(yīng)的修正,在經(jīng)短暫(＜5 ms)的波動(dòng)后,寬度曲線趨于穩(wěn)定。在拋鋼階段,同樣由于軋制壓力的急劇變化,寬度又有波動(dòng),SSC控制系統(tǒng)也會(huì)快速響應(yīng)。此曲線表明,TDC SSC控制系統(tǒng)有效地對(duì)帶鋼頭尾部失寬進(jìn)行修正。

表1為針對(duì)6塊鋼進(jìn)行E2 SSC的切除和投入的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表1 E2 SSC的切除和投入的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 E2 SSC excision and input statistical results

圖4、圖5是這一批次投入和切除E2 SSC的板坯頭部/尾部寬度與全長(zhǎng)平均寬度比較的比對(duì)結(jié)果。

圖4 頭部寬度比對(duì)結(jié)果Fig.4 The ratio results of head width

圖5 尾部寬度比對(duì)結(jié)果Fig.5 The ratio results of tail width

從圖4、圖5的結(jié)果來看其曲線都是上升趨勢(shì)。這說明投入E2 SSC后,進(jìn)入精軋前的帶鋼頭部寬度和全長(zhǎng)平均寬度的差值在減小,E2 SSC功能對(duì)帶鋼頭、尾部寬度偏窄的問題有明顯的改善作用。

4 結(jié)論

基于SIMATIC TDC的SSC控制系統(tǒng),硬件配置先進(jìn),軟件控制功能完善,具有穩(wěn)定可靠的技術(shù)性能,其主傳動(dòng)系統(tǒng)控制響應(yīng)大大提高,并且能夠?qū)т擃^尾部失寬進(jìn)行快速、有效地修正,對(duì)提高帶鋼的成材率和工廠的經(jīng)濟(jì)效益有積極的意義。

[1]鮑伯祥,陸章杰,王世寧.西門子 TDC編程及應(yīng)用指南[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

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[3]劉太中,周旭東,劉相華,等.熱連軋粗軋短行程控制全程優(yōu)化[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2002,14(4):52-55.

[4]陳章位,陳為國(guó).熱軋立輥短行程液壓控制系統(tǒng)特性研究[J].鋼鐵,2003,38(9):62-66.

[5]劉 玠,孫一康.熱軋生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006.