陳曉璘

(蘇州有色金屬研究院有限公司,江蘇 蘇州 215026)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的日益發(fā)展,對鋁帶箔的質(zhì)量要求越來越高。在鋁加工行業(yè)中，鋁冷軋機(jī)作為其中的關(guān)鍵加工裝備，在整個(gè)軋制過程中起著重要的作用。通過實(shí)現(xiàn)鋁冷軋機(jī)的板形控制，可以保障軋制產(chǎn)品的板形性能指標(biāo)，使帶材板形偏差在允許范圍內(nèi)，并且可以提高軋制速度，減少斷帶等故障的發(fā)生，保證鋁帶箔的平整度。

在進(jìn)行板形控制的研究時(shí)，板形控制算法屬于其中的關(guān)鍵內(nèi)容，其算法開發(fā)、調(diào)試的周期及效果好壞，直接影響到最終產(chǎn)品的板形性能和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。在進(jìn)行板形控制算法開發(fā)及測試過程中，常常需要進(jìn)行實(shí)際軋制過程試驗(yàn)，用于檢驗(yàn)算法效果及調(diào)試某些關(guān)鍵參數(shù)。但是，進(jìn)行實(shí)際軋制過程需要的設(shè)備較多，試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，而且存在很多極限條件有可能損害設(shè)備，因此，通過仿真進(jìn)行板形控制分析是當(dāng)前一種常用的方法。仿真一般指使用程序在計(jì)算機(jī)中執(zhí)行代替實(shí)際現(xiàn)場試驗(yàn)過程，具有投資小、時(shí)間快、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)

1 板形控制的一般實(shí)現(xiàn)過程

板形控制的一般實(shí)現(xiàn)過程如圖1。板形控制器運(yùn)行控制算法，控制量輸出到軋機(jī)壓下、彎輥、中間輥抽動及冷卻系統(tǒng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，然后執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生動作，對于軋機(jī)本體和帶材板形產(chǎn)生影響，帶材板形通過板形檢測機(jī)構(gòu)后，檢測信號輸入到板形控制器中，形成板形閉環(huán)反饋控制回路。

圖1 板形控制的一般實(shí)現(xiàn)過程

2 板形仿真系統(tǒng)組成

當(dāng)前板形控制的仿真主要分成兩種，使用有限元分析的仿真方法和使用動態(tài)模型的仿真方法。使用有限元分析時(shí)，主要采用物理學(xué)的靜態(tài)力學(xué)建模方法，在服務(wù)器或工作站中運(yùn)行，為板形控制提供不同工況的分析結(jié)果。使用動態(tài)模型時(shí)，主要采用數(shù)學(xué)方程模型，使用C++等高級語言編程，在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行，為板形控制提供可參考的結(jié)果。

但是，這兩種仿真方法都屬于非實(shí)時(shí)仿真，其運(yùn)行時(shí)間尺度與實(shí)際時(shí)間尺度并不一致，例如實(shí)際軋制過程需要幾十分鐘，使用有限元仿真可能需要幾天，而使用動態(tài)模型仿真可能需要幾秒鐘。

而且，當(dāng)前的板形控制仿真方法，其仿真結(jié)果主要提供給工程師用于算法分析，并沒有與板形控制器直接自動連接。這樣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行板形控制算法調(diào)試時(shí)，由于缺乏實(shí)際軋機(jī)對象，只能進(jìn)行開環(huán)調(diào)試，而閉環(huán)調(diào)試工作只能在軋制現(xiàn)場進(jìn)行，使得板形控制算法開發(fā)周期一般較長。

本文提出的一種板形控制實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)組成如圖2。系統(tǒng)包括板形控制器和板形實(shí)時(shí)仿真計(jì)算器。板形控制器中運(yùn)行板形控制算法，板形實(shí)時(shí)仿真計(jì)算器中運(yùn)行板形控制對象模型。板形控制對象包括：壓下執(zhí)行機(jī)構(gòu)、板形的壓下影響函數(shù)、彎輥執(zhí)行機(jī)構(gòu)、板形的彎輥影響函數(shù)、中間輥抽動結(jié)構(gòu)、板形的中間輥抽動影響函數(shù)、冷卻執(zhí)行機(jī)構(gòu)、板形的冷卻影響函數(shù)、邏輯處理、板形測量等模型。板形的壓下影響函數(shù)指壓下量變化對于板形產(chǎn)生的影響，板形的彎輥影響函數(shù)指彎輥量變化對于板形產(chǎn)生的影響，板形的中間輥抽動影響函數(shù)指中間輥抽動量變化對于板形產(chǎn)生的影響，板形的冷卻影響函數(shù)指冷卻量變化對于板形產(chǎn)生的影響。

圖2 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)示意圖

上述仿真方法的實(shí)時(shí)仿真計(jì)算器的時(shí)間尺度與實(shí)際時(shí)間尺度保持一致；板形控制器與實(shí)時(shí)仿真計(jì)算器都包括模擬量輸入輸出接口、數(shù)字量輸入輸出接口以及網(wǎng)絡(luò)通訊接口，兩者通過這些接口傳遞數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)仿真計(jì)算器采用PLC可編程控制器或其他計(jì)算單元實(shí)現(xiàn)；板形控制器采用PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)；板形控制對象模型可采用SIEMENS SIMATIC軟件、MATLAB軟件、LABVIEW軟件或者其他軟件進(jìn)行建模。

3 板形仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

在圖2中 ，壓下執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型3的輸出作為壓下影響函數(shù)模型7的輸入，表示壓下執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變化引起了板形的相應(yīng)變化。彎輥執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型4的輸出作為彎輥影響函數(shù)8的輸入，表示彎輥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變化引起了板形的相應(yīng)變化。冷卻執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型5的輸出作為冷卻影響函數(shù)9的輸入，表示冷卻執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變化引起了板形的相應(yīng)變化。中間輥抽動機(jī)構(gòu)模型6的輸出作為中間輥抽動影響函數(shù)模型10的輸入，表示中間輥抽動機(jī)構(gòu)的變化引起了板形的相應(yīng)變化。各種不同機(jī)構(gòu)同時(shí)對板形產(chǎn)生作用，經(jīng)過板形測量模型11后，通過模擬量輸入輸出接口12、數(shù)字量輸入輸出接口13、網(wǎng)絡(luò)通訊接口14同板形控制器產(chǎn)生聯(lián)系，將計(jì)算出的板形值實(shí)時(shí)反饋到板形控制器中。邏輯處理模型2用于實(shí)現(xiàn)各種模型的資源調(diào)度、時(shí)序、邏輯控制等內(nèi)容。執(zhí)行流程如下：

①使用建模軟件建立軋機(jī)壓下、彎輥與冷卻系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型；

②如果控制對象是六輥軋機(jī)，還需要建立中間輥抽動機(jī)構(gòu)的模型；

③使用建模軟件建立軋機(jī)壓下、彎輥與冷卻系統(tǒng)的影響函數(shù)模型；

④如果控制對象是六輥軋機(jī)，還需要建立中間輥抽動影響函數(shù)的模型；

⑤建立邏輯處理模型、板形測量模型，以及模擬量、數(shù)字量與網(wǎng)絡(luò)接口的模型，驅(qū)動通訊端口；

⑥進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換工作，使建立的模型在實(shí)時(shí)仿真計(jì)算器中實(shí)時(shí)運(yùn)行；

⑦使板形控制算法在板形控制器中實(shí)時(shí)運(yùn)行；

⑧建立板形控制器與實(shí)時(shí)仿真計(jì)算器的連接，兩者進(jìn)行模擬量、數(shù)字量以及網(wǎng)絡(luò)的通訊，傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)運(yùn)行，從而檢驗(yàn)算法和模型的實(shí)際運(yùn)行效果。

4 總結(jié)

建立板形執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型與板形影響函數(shù)模型，在實(shí)時(shí)仿真計(jì)算器中執(zhí)行，并與板形控制器通過模擬量、數(shù)字量及網(wǎng)絡(luò)通訊接口進(jìn)行連接。首先，板形控制對象模型在仿真計(jì)算器中運(yùn)行，提供了板形反饋值，這樣板形算法在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而為板形算法的測試提供了閉環(huán)調(diào)試的工作基礎(chǔ)。其次，仿真計(jì)算器的時(shí)間尺度與實(shí)際時(shí)間尺度保持一致，更加真實(shí)的反映了板形的變化狀況，使得在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行板形算法測試時(shí)可以暴露出更多問題，減少實(shí)際現(xiàn)場的工作時(shí)間，從而提高算法開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期。最后，由于現(xiàn)場試驗(yàn)條件的限制，有些極限情況不能進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)，或者試驗(yàn)代價(jià)過高，而通過實(shí)時(shí)仿真，可以進(jìn)行任意試驗(yàn)，并且可以多次重復(fù)測試，從而減少試驗(yàn)代價(jià)，降低系統(tǒng)開發(fā)投資。

鋁冷軋機(jī)板形控制實(shí)時(shí)仿真方法，保障了板形控制算法進(jìn)行閉環(huán)測試的基本條件，并且更真實(shí)的反映板形在實(shí)際軋制過程中的變化情況，有效地提高了開發(fā)效率，降低了開發(fā)投資，具有新穎性、創(chuàng)造性、實(shí)用性，市場前景廣闊。

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