馮金剛

(太原重型機(jī)械集團(tuán)軋鋼分公司，山西 太原 030024)

0 前言

矯直機(jī)是現(xiàn)代軋鋼生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備之一，它對改善鋼材外形、提高成材率具有重要意義。

寬厚板生產(chǎn)中，盡管有液壓AGC 等高精度控制手段的應(yīng)用，鋼板在經(jīng)過精軋機(jī)軋制后也難免會出現(xiàn)如邊浪、中心浪、貫穿浪、或翹曲等不同類型的缺陷，矯直機(jī)作為傳統(tǒng)設(shè)備對鋼板表面質(zhì)量的進(jìn)一步提高起著重要作用。某鋼廠的生產(chǎn)線為開發(fā)新鋼種的需要，設(shè)置了快速冷卻裝置，經(jīng)過這樣處理的鋼板的屈服強(qiáng)度增加，屈強(qiáng)比降低，這對矯正和平直度的處理增加了難度，同時(shí)也對矯直機(jī)提出了更高要求，這就需要矯直機(jī)采用二級控制系統(tǒng)，以達(dá)到好的矯直效果。

1 二級控制系統(tǒng)

二級控制系統(tǒng)首先在Windows Server 操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)了過程控制系統(tǒng)平臺軟件，然后在平臺軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行各個(gè)過程控制系統(tǒng)模塊功能的開發(fā)。

二級控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、維護(hù)簡單、移植性強(qiáng)、復(fù)雜性低、開發(fā)周期短、利于系統(tǒng)的二次開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。

二級系統(tǒng)主要由兩大部分組成。

1.1 平臺軟件部分

平臺軟件包括進(jìn)程管理模塊，TCP 通訊管理模塊，IPC 通訊管理模塊，OPC 通訊管理模塊。

1.2 應(yīng)用程序部分

應(yīng)用程序包括原始數(shù)據(jù)管理模塊，高精度數(shù)學(xué)控制模型，自學(xué)習(xí)功能模塊，軋件跟蹤模塊，矯直輥管理模塊，質(zhì)量分析管理模塊，質(zhì)量報(bào)表系統(tǒng)，離線開發(fā)模塊。過程控制系統(tǒng)應(yīng)用程序如圖1 所示。

圖1 過程控制系統(tǒng)應(yīng)用程序Fig.1 Process control system applications

二級控制系統(tǒng)主要完成根據(jù)待矯鋼板的幾何尺寸及鋼種等數(shù)據(jù)，通過高精度矯直模型計(jì)算并進(jìn)行矯直能力極限校核后，確定最優(yōu)的矯直道次和矯直規(guī)程，下發(fā)給PLC 基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)矯直過程的自動控制。

2 工藝要求及特點(diǎn)

矯直過程控制系統(tǒng)需要包括:跟蹤系統(tǒng)、二級模型計(jì)算部分、一級自動控制部分、人機(jī)界面和數(shù)據(jù)庫。矯直過程控制系統(tǒng)是中厚板生產(chǎn)線自動化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對于提高板形質(zhì)量、穩(wěn)定生產(chǎn)有重要意義。

二級控制系統(tǒng)涉及基礎(chǔ)自動化、過程模型設(shè)定和人機(jī)界面，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信管理如圖2 所示。

根據(jù)板形要求，通過二級模型運(yùn)算，確定出滿足要求的矯直規(guī)程，傳給矯直基礎(chǔ)自動化執(zhí)行設(shè)定計(jì)算的規(guī)程，實(shí)現(xiàn)矯直過程的計(jì)算機(jī)自動控制。

從控制方法上看，矯直過程控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)前饋控制和自適應(yīng)優(yōu)化控制功能。具體通過跟蹤、數(shù)據(jù)通訊和過程模型設(shè)定計(jì)算三大模塊來實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)功能。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通訊管理Fig.2 System structure and communication management

3 二級系統(tǒng)

工藝模型為矯直二級模型系統(tǒng)核心，它包括以下三個(gè)部分:

(1)策略層。根據(jù)材料規(guī)格、工藝要求等，計(jì)算矯直機(jī)的設(shè)定值:出入口輥縫、矯直速度;同時(shí)預(yù)測矯直力、矯直力矩、殘余應(yīng)力等。策略層根據(jù)從自學(xué)習(xí)的材料模型數(shù)據(jù)庫計(jì)算的鋼種材料參數(shù)和來料的規(guī)格參數(shù)，采用矯直計(jì)算理論模型計(jì)算確定矯直工藝參數(shù)。在這個(gè)過程通過調(diào)整采用不同的計(jì)算參數(shù)和模型，使計(jì)算值符合預(yù)設(shè)限制條件，如上輥系傾斜角度、塑性層厚度比例、最大矯直力、最大功率等。

(2)矯直理論模型?？紤]中性層偏移、彈性能損失、提前接觸、輥間摩擦力等因素的彈塑性理論和壓彎量模型。

(3)自學(xué)習(xí)模型。由于中厚板彎曲變形有其特殊之處，任何一種熱模擬實(shí)驗(yàn)方法都難以精確確定其彎曲工況。本模型以溫度為變量的彈性模量數(shù)學(xué)模型和多系數(shù)的變形抗力數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，為每個(gè)鋼種建立材料模型數(shù)據(jù)庫。其中系統(tǒng)采用多系數(shù)的變形抗力數(shù)學(xué)模型，具有自學(xué)習(xí)功能，運(yùn)用最優(yōu)化原理，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理，從而得到符合現(xiàn)場的最優(yōu)的變形抗力。在自學(xué)習(xí)過程中消除了輥系磨損、機(jī)架彈跳等因素對矯直過程的影響，把這些不確定因素歸于變形抗力模型的系數(shù)中。采用這個(gè)變形抗力模型計(jì)算的數(shù)值可能不是這種材料的真正的數(shù)值，但用它確定的矯直工藝參數(shù)卻是最好的、最優(yōu)的。

三個(gè)部分有機(jī)的結(jié)合為系統(tǒng)提供矯直工藝參數(shù)，同時(shí)通過自學(xué)習(xí)功能提高矯直質(zhì)量，使矯直工藝參數(shù)達(dá)到最優(yōu)，為自動化提供必要條件。

圖3 過程控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.3 The basic structure of the process control system

4 二級系統(tǒng)的原理

矯直機(jī)是對多值原始曲率的鋼板進(jìn)行矯正，它是采用交變彎曲變形以消除其原始曲率的不均勻度，再逐漸將鋼板矯平，即鋼板上不同方向、不同數(shù)值的原始曲率，經(jīng)過同一個(gè)反彎曲率的彈塑性反彎后，其殘余曲率趨向一致?？傮w而言，第2、3 輥上的反彎曲率最大，設(shè)定的壓下量也是最大的，以產(chǎn)生大的變形，迅速消除鋼板的原始曲率不均勻度。矯直模型采用大變形方案。

在矯直模型中，以使軋件發(fā)生的塑性變形比率來衡量矯直效果和殘余應(yīng)力消除的水平。塑性變形比率Pf指在軋件厚度上已發(fā)生塑性變形的厚度(hp)與軋件厚度h 的比值，表達(dá)式如下:

式中，Ke、Kp分別為彈性變形曲率、塑性變形曲率。

通常為達(dá)到較好的矯直效果，塑性變形率在65%～90%之間取值。

矯直模型建立的基礎(chǔ)是彈塑性力學(xué)的彎曲理論。為消除鋼板的板形缺陷，在矯直過程中，必須保證鋼板發(fā)生塑性變形。

鋼板在受力時(shí)的變形情況分為彈性變形和塑性變形，如圖4 所示。

圖4 鋼板的受力變形Fig.4 Steel deformation

(1)壓彎量計(jì)算。自矯直機(jī)入口至出口，各矯直輥的壓彎量采用線性遞減原則的矯直方案，壓彎量的計(jì)算與反彎曲率半徑有關(guān)系。

式中，Svi為 壓彎量;σ為屈服極限;H為鋼板厚度;η為 塑性變化率;E為彈性模量;t為輥距。

(2)矯直力矩計(jì)算模型。根據(jù)各矯直輥的壓彎量及微張力，各矯直輥的力矩計(jì)算模型為

式中，B為鋼板寬度;H為鋼板厚度;Svi為壓彎量;η為塑性變形率;σ為屈服極限;T為張力。

(3)矯直力計(jì)算模型如圖5 所示。

圖5 矯直輥上的矯直力Fig.5 Force of the levelver roller

式中為Pi為各輥的矯直力;Mi為各輥的矯直彎矩。

(4)彎輥量計(jì)算模型。二級模型設(shè)定的彎輥量主要用于補(bǔ)償因軋件對輥系反作用力造成的輥系撓度變形，以及消除邊浪、中間浪、四分之一浪等板形缺陷。

式中，B為鋼板寬度;H為鋼板厚度;t為 輥距;E為 彈性模量;σ為屈服極限;Qs為板形。

5 二級控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

二級設(shè)定模型可以根據(jù)跟蹤系統(tǒng)傳送的鋼板基本信息(鋼板長度、寬度、厚度、鋼種和溫度等)，調(diào)用在線設(shè)定模型，對輥縫進(jìn)行一次自動預(yù)設(shè)定(可人工修正)，在線給出基礎(chǔ)輥縫、輥系傾斜量、彎輥量、邊輥調(diào)整量、速度等設(shè)定值、矯直力和矯直扭矩等預(yù)測值。

一級控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)在矯直過程中動態(tài)調(diào)整。在矯直跟蹤系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)二級控制系統(tǒng)的設(shè)定數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行輥縫控制、速度控制和彎輥控制等，自動完成預(yù)設(shè)定的矯直過程。

在道次矯直完成之后，由操作人員根據(jù)板形情況決定是否需要再次矯直，如果不需要?jiǎng)t完成本次鋼板矯直，自動系統(tǒng)處于下塊鋼板矯直的等待狀態(tài)。

矯直在線設(shè)定系統(tǒng)數(shù)據(jù)流，如圖6 所示。

圖6 在線設(shè)定系統(tǒng)數(shù)據(jù)Fig.6 Online setting system data stream

二級控制過程主要步驟如下有:

(1)輸入預(yù)處理。設(shè)定計(jì)算的輸入值如表1所示。設(shè)定計(jì)算允許操作員干預(yù)，當(dāng)表2 中各項(xiàng)有操作員干預(yù)值時(shí)，將優(yōu)先使用操作員干預(yù)值。

表1 設(shè)定計(jì)算輸入數(shù)據(jù)表Tab.1 Setting the calculation input data

表2 操作員干預(yù)值列表Tab.2 Operator intervention value list

綜合表1 表2 的輸入數(shù)據(jù)，形成后續(xù)設(shè)定計(jì)算的原始數(shù)據(jù)。

(2)設(shè)定計(jì)算。設(shè)定計(jì)算是指在輸入預(yù)處理原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上完成矯直規(guī)程的提前設(shè)定。采用調(diào)用數(shù)據(jù)庫在線調(diào)整參數(shù)層別的預(yù)設(shè)定方式，獲得壓下調(diào)整數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行力能校核、速度計(jì)算、彈跳補(bǔ)償、咬入和預(yù)設(shè)定校驗(yàn)，最終形成預(yù)設(shè)定規(guī)程。計(jì)算流程如圖7 所示。

圖7 模型計(jì)算流程圖Fig.7 Model calculation process

(3)設(shè)定值輸出。將預(yù)計(jì)算的矯直規(guī)程設(shè)定值傳送至基礎(chǔ)自動化、人機(jī)界面、存入數(shù)據(jù)庫以及報(bào)表形式輸出，包括:壓下制度及前后傾斜量、入口和出口邊輥的調(diào)整量、矯直速度、彎輥量和左右傾斜量、殘余應(yīng)力和板形的預(yù)測值、塑性變形率。

(4)設(shè)定值執(zhí)行。在線設(shè)定是在生產(chǎn)模式下把設(shè)定數(shù)據(jù)用于每個(gè)液壓缸，主要給出位置設(shè)定的具體執(zhí)行策略。

6 結(jié)論

該二級控制系統(tǒng)在應(yīng)用于南鋼熱處理矯直機(jī)后，在矯直機(jī)能力范圍內(nèi)的鋼板矯直后基本都滿足用戶要求。該系統(tǒng)在矯直機(jī)上應(yīng)用后能夠極大的提高矯直機(jī)的自動化水平及矯直效果，實(shí)踐證明系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，保證了正常的生產(chǎn)，對同行業(yè)具有較高的應(yīng)用和參考價(jià)值。

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