李 鐵

(中鋁洛陽銅業(yè)有限公司，河南 洛陽 471039)

冷軋帶材縱向厚度精度是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術指標。為了提高厚度控制精度，厚度液壓自動控制系統(tǒng)應運而生。目前，冷軋厚度控制已實現(xiàn)對穩(wěn)態(tài)、加減速、動態(tài)變化過程中控制，其中，恒體積流控制模式的實現(xiàn)更具重要意義。

1 AGC厚度控制的模式和特點

在帶材冷軋機設備中，液壓厚度自動控制系統(tǒng)AGC是最核心的部分,帶材板形的好壞、公差大小均由其控制，好的厚度控制方式能有效提高產(chǎn)品質(zhì)量。

所有軋機厚度控制系統(tǒng)都是試圖測量和控制軋制輥縫中金屬的厚度，就液壓AGC系統(tǒng)而言，現(xiàn)有的控制模式主要有六種：

(1)監(jiān)控控制模式(MC-Monitor Control)

以監(jiān)控出口厚度的偏差信號作為反饋控制信號，經(jīng)過放大器對偏差信號放大，并考慮到軋制速度和帶材硬度因素進行適當處理后得到監(jiān)控模式的控制信號，對出口側帶材偏差進行調(diào)節(jié)；

(2)前饋控制模式(FFC-Feed Forward Control)

主要針對補償入口側來料厚度偏差，將入口側厚度偏差作為前饋信號，經(jīng)過延遲處理，以便和軋機入口側帶材的速度相適應，同時獲得前饋控制模式的AGC控制信號，然后對入口側厚度偏差進行補償，來保證出口側厚度偏差不超出允許值；

(3)質(zhì)量(體積)流控制模式(VFC-Volume Flow Control 或 MFC-Mass Flow Control)

基于金屬秒流量不變原理為基礎的AGC控制，軋制過程中入口單位時間的金屬流量應與出口單位時間的金屬流量相等，是一種比較理想的自動厚度控制模式，可以保證來料厚度偏差、軋機彈跳等各種因素引起的出口厚度偏差得到全面補償。質(zhì)量流控制模式在計算控制量時，需要輸入的信號較多，不僅需要入口厚度和速度計算輸入體積(質(zhì)量)流，同時也要根據(jù)出口厚度和速度得到出口側體積流的期望值，將期望值與體積流(實際值)相比較，得到出口側厚度的偏差信號。體積流求出的厚度偏差信號具有同步性的優(yōu)點，因此用體積流控制模式可以得到更好的厚度控制質(zhì)量。運行過程中入口側質(zhì)量流和出口側質(zhì)量流兩者之差產(chǎn)生控制信號，疊加到監(jiān)控模式控制信號上，再經(jīng)PID控制器得到VFC控制信號，其原理框圖如圖1所示。

(4)張力控制模式(TC-Tension Control)

主要應用于薄帶軋制，軋制薄帶時，軋機上下輥壓靠呈負輥縫狀態(tài)，輥縫控制已起不到調(diào)節(jié)輥縫的作用，在輥縫不變的前提下，采用后張力控制來補償出口側帶材厚度的偏差；

(5)直接輥縫測量控制

直接測量輥徑或工作軸承間距離，以軋機本身作為大接觸式測厚儀。輥縫儀的設定值即為軋機輥縫的基準值，通過軋制前的校準，使輥縫儀在軋制工作點上建立準確的零位。此后，軋制過程中儀器測量出的偏差ΔS隨時通過閉環(huán)調(diào)節(jié)液壓壓下油缸，迫使ΔS→0；

(6)厚度計厚度控制

應用數(shù)學模型，以牌坊、軋輥、軸承的彈性常數(shù)和材料本身的硬度，因軋制力的變化來計算輥縫的變化。

2 恒體積流控制方式數(shù)學模型與實現(xiàn)

本節(jié)主要闡述恒體積流的厚度自動控制算法規(guī)則的基本方程和其在軋制過程中的運行模式。

2.1 恒體積流數(shù)學模型

VFC控制算法規(guī)則基本方程為：軋機入料側帶材體積=軋機出料側帶材體積，即：長度入×厚度入×寬度入=長度出×厚度出×寬度出，Lin×Tin×Win=Lout×Tout×Wout

一般帶材冷軋時，Win=Wout

Lin×Tin=Lout×Tout

讓Tin=名義厚度GinNom±厚度偏差GinDev

Lin×[GinNom±GinDev]=Lout×Tout

2.2 恒體積控制基本原理的實現(xiàn)

恒體積流厚度控制的實現(xiàn)從其數(shù)學模型中不難看出，取決于入料側和出料側的長度和厚度的采集(圖2)。

圖2 恒體積流VFC計算

兩側長度的采集：如圖2所示，入料側和出料側各有一套脈沖測速計，假設測速輸出的脈沖數(shù)PPM為6350經(jīng)過四倍放大為25400，偏導輥的直徑為300mm。

則可計算出帶材的速度V=πd直徑×n脈沖數(shù)/min÷25400，根據(jù)數(shù)學模型則可以得出Vin×tin×Tin=Vout×tout×Tout，由于tin=tout，din=dout則可得出nin×Tin=nout×Tout。

兩側厚度的采集：如圖2所示，兩側厚度的采集依靠兩側的測厚儀采樣，由于測厚點到軋輥輥隙之間的距離不變，根據(jù)速度可得出測厚點到輥隙的時間，t=l÷Vin，AGC一次環(huán)恒體積流的調(diào)節(jié)原理是：算出入口帶材厚度采樣點離輥縫移動一個固定間隔距離后的出口帶材厚度Tout，以它作實際厚度并按比例校正軋機壓下。

高速計算的一次環(huán)不要求使用出料側的厚度偏差。然而，被軋制帶材給出壓下量時，如果帶材寬度有變化，或測速輪的尺寸有微小誤差，或測厚儀的標定有差異，該系統(tǒng)將自動補償。

出料側測厚儀讀數(shù)主要是參考值。AGC二次環(huán)節(jié)連續(xù)測出的平均出料側的厚度偏差。如果一次環(huán)沒有保持實際目標厚度讀數(shù)，即如果出料側厚度偏差平均值不是零，AGC計算機將按比例改變一次環(huán)來料長度的計數(shù)，做微小調(diào)節(jié)使出料側帶材平均厚度偏差實際值為零，即保持目標厚度。

該AGC系統(tǒng)也有自動材質(zhì)硬度補償軟件，其比較實際出料厚度(ATout)與校正后的計算厚度(Tout)，構成補償軟件。

軋輥偏心將影響任一種AGC系統(tǒng)的性能，故研磨軋輥要工序好且精細。軋輥偏心會引起出料側測量長度Lout有一個同時的變化。這樣，AGC系統(tǒng)將迅速作出反應，在很短的長度間隔就作出校正，以保持出料厚度恒定。

帶材材質(zhì)硬度不均勻也可引起出料長度Lout有一個同時的變化，AGC系統(tǒng)將檢測出頭一個單位長度的變化，并給液壓壓下輸出一個比例的校正訊號。

3 恒體積流(AGC)控制系統(tǒng)的組成和分析

本節(jié)將對恒體積流控制系統(tǒng)的兩種硬件組成進行分析和講解。

3.1 工控機為核心的恒體積流(AGC)控制系統(tǒng)的組成

以工控機為核心的恒體積流控制系統(tǒng)包括CPU、全部邏輯板、電源、接口、系統(tǒng)診斷和壓下卡[1]，如圖3所示。

圖3 工控機AGC壓下控制方塊圖

3.2 PLC為核心的恒體積流(AGC)控制系統(tǒng)組成

現(xiàn)在廣泛使用的是比較先進的用西門子的PLC S7-400 為核心構建的壓下控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 PLC壓下控制電路連接框圖

這套系統(tǒng)中壓下的核心運算控制是在PLC S7-400 中的FM 458模塊實現(xiàn)的。其中EXH 438是信號輸入輸出板，包括3個接口：X1為8個模擬輸出、5個模擬輸入、2個增量式編碼器；X2為6個增量式編碼器；X3 為4個絕對值編碼器、16個數(shù)字輸入、8個數(shù)字輸出。它與FM458通信負責信號的輸入輸出，其中測厚儀、編碼器、位置傳感器、壓力傳感器、位置檢測信號均為EXH438的輸入信號，快速打開閥、伺服閥和彎輥伺服閥為其輸出信號。操作臺連接遠程分站ET200與S7-400通信；MMG、MMI、ENG連接制動控制板與S7-400通信。上述內(nèi)容就基本構成了PLC壓下控制系統(tǒng)，其與工控機控制系統(tǒng)相比結構更簡單、更穩(wěn)定。

PLC控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)相比更穩(wěn)定、硬件結構更簡單、功能更強大，在未來以PLC為控制核心的壓下控制系統(tǒng)將成為主流。

3.3 恒體積流(AGC)控制系統(tǒng)分析

恒體積流AGC控制系統(tǒng)使用三種控制模式，即恒體積流VFC或質(zhì)量流MF控制模式、前饋控制模式和監(jiān)控控制模式，其同時運行來計算和控制帶材厚度。

3.3.1 恒體積流控制

軋機啟動時，恒體積流控制立即將帶材置入“按厚度”規(guī)程操作；軋制時保持帶材一直按厚度規(guī)則運行；在工作輥的整個運轉(zhuǎn)過程中，有能力做出大量校正。

如果用出料側測厚儀讀數(shù)來計算工作輥縫中帶材的厚度，被測帶材從輥縫至出料側測厚儀有個運送滯后時間。恒體積流反饋運算可消除這個滯后時間，因為它只用簡單地測量入料側和出料側帶材長度與來料帶材厚度讀數(shù)。

實踐證明決定工作輥縫中帶材厚度的恒體積流方法是很精確的，其可在各種軋制條件下運行，可在各種軋機上使用。

3.3.2 前饋控制

入料側測厚儀讀出來料厚度；同時入料側測速計算出來料帶材長度；每間隔一個單位測量長度有一個厚度讀數(shù)被儲存到計算機中。當每個單位長度帶材進入軋機輥縫時，一個厚度讀數(shù)從計算機中取出，并與預期來料厚度相比較。其偏差構成比例誤差信號來調(diào)節(jié)壓下，以補償來料厚度的變化。前饋環(huán)保持一個均勻厚度控制，但不一定是目標厚度。

因此前饋控制保證出料厚度不受來料厚度偏差的影響；預期的校正防止了緊急入料偏差出現(xiàn)在軋機的出料側。工作輥行程超出0.25mm范圍工作時，其有很快的響應和較高的分辨率；同時還有內(nèi)部限幅，保證校正信號在安全范圍內(nèi)。這個前饋環(huán)或預期校正在消除來料偏差對出料側帶材的影響很有效。

3.3.3 監(jiān)控控制模式

用出料側測厚儀讀數(shù)做軋輥位置校正，比用恒體積流VFC計算能做的校正要小。監(jiān)控控制著重系統(tǒng)運行過程中的任何慢飄移而保持系統(tǒng)精度；其校正諸如測速計輪磨損引起的任何有規(guī)則的誤差。

綜上所述，前饋控制校正短期偏差；而監(jiān)控控制在軋制初始進入按厚度控制時用來做壓下量變化的校正，而后做小的長期校正；恒體積流則可在任何條件下對壓下進行校正從而更好的控制帶材的厚度公差。

在恒體積流AGC系統(tǒng)中每隔一個單位軋制帶材長度要計算和校正壓下位置一次；這種校正與軋制速度無關。如果壓下機構不穩(wěn)定和欠缺快速響應，最好的厚度控制系統(tǒng)也不能有效的工作。壓下位置控制又盡可能最快的響應，軟件包給出指令控制壓下上移或下移，同時每次調(diào)節(jié)都能在顯示屏幕上以點線展示出反應曲線，且容易通過鍵盤來調(diào)整而獲取最佳響應效果。

4 生產(chǎn)實踐中影響系統(tǒng)精度的幾項要素

4.1 偏導輥精度對速度測量的影響

根據(jù)VFC數(shù)學模型和厚度控制原理可以看出速度在厚度控制過程中起著至關重要的作用。而速度信號的采集則是通過脈沖編碼器檢測偏導輥的轉(zhuǎn)速，然后再根據(jù)偏導輥的直徑計算得出即：V=πd×r(轉(zhuǎn)速)。

所以偏導輥運行時的狀態(tài)對速度的測量有著至關重要的影響。

(1)帶材和偏導輥之間存在打滑現(xiàn)象。這主要是由于偏導輥轉(zhuǎn)動慣量過大或表面粗糙度不合適造成的；

(2)偏導輥同心度誤差過大造成的測速不準。

4.2 軋輥研磨及裝配精度對系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度的影響

AGC控制系統(tǒng)中對系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度的關鍵因素就是軋輥研磨及裝配的精度。

(1)軋輥研磨造成的影響

軋輥如果研磨得不好，會造成輥子的偏心，當支撐輥和工作輥的綜合偏心達到一定程度會造成軋制力波動，直接結果就是帶材公差波動。而且對于輥隙的綜合偏心值的系統(tǒng)補償與彈跳補償極性相反，這種補償是無法消除的。更為嚴重的是在輥子研磨時如果磨床振動磨出的輥子會對軋機軋制過程中造成軋輥振動，致使帶材表面產(chǎn)生振紋；

(2)軋輥裝配造成的影響

軋輥裝配出現(xiàn)問題，有可能會使軋機軋輥產(chǎn)生振動造成帶材公差波動，嚴重時會造成軋制力偏差，甚至校車無法完成。更有甚者會造成軋輥損壞，設備故障。

4.3 正確使用控制系統(tǒng)中的幾種控制模式

AGC控制系統(tǒng)中有恒體積流控制、前饋控制和反饋控制。如何在軋制過程中正確應用這幾種控制方式，主要是根據(jù)其特性和來料的公差波動情況決定。

(1)恒體積流對于來料公差波動比較頻繁、范圍比較大時調(diào)節(jié)效果比較理想；

(2)前饋控制對于公差波動范圍特別大(超過0.25mm)時調(diào)節(jié)效果和相應頻率最為理想；

(3)監(jiān)控控制的校正范圍較小且比較穩(wěn)定，所以對于來料公差較小且非常穩(wěn)定時調(diào)節(jié)效果最佳，尤其對最后一次軋制道次而言作用更為明顯。

5 結束語

(1)根據(jù)現(xiàn)有設備進行性測試，在應用恒體積流控制方式的情況下，相比其他控制方式調(diào)節(jié)更為精確，對于產(chǎn)品提高產(chǎn)品質(zhì)量的縱向公差有非常顯著的效果；

(2)帶材冷軋機厚度自動控制(AGC)系統(tǒng)是由壓下控制、速度控制、張力控制、加減速補償、軋輥偏心補償?shù)榷喾N控制功能相結合的控制系統(tǒng)。以恒體積流為代表先進厚度控制手段的應用使得對帶材厚度控制取得理想的效果。