1+4热连轧二级设定计算系统

徐刚

(苏州有色金属研究院有限公司，江苏苏州215026)

铝板带热连轧具有高效率和规模化效益的特点，是现代铝加工技术发展的趋势，也是控制技术应用最为广泛的领域。二级控制系统(过程控制级)是整条热轧生产线自动化控制的大脑和中枢，担负着生产线原始数据的输入、轧制策略的确定及自动轧制程序表计算、向一级基础自动化系统提供控制轧机和各种设备设定值的任务，在轧制过程中进行轧件跟踪和收集轧制中的各种实测值，此外还有系统长期及短期自学习、数据汇总和离线分析、质量记录和人机对话等功能。

二级过程控制系统中的设定计算部分是其核心，主要包括轧制力、轧制力矩、温度、凸度、平直度模型和电机功率模型、工作辊热膨胀和磨损分布模型、机架弹跳和载荷分布模型。并且各模型都有自学习修正。在轧制前，可根据所选定的轧制策略和产品目标值，计算出初始轧制程序表，以及在每道次前逐道次计算出当前道次各执行机构的预设值、工作值和控制参数，并将其传递到一级基础自动化系统中。根据不同的产品目标值，热粗轧和精轧机在轧制过程中将采用不同的控制。

1 热连轧二级设定计算的控制目标

铝热连轧二级设定计算的控制目标有两个:一个是带坯的内部组织结构;另一个是带坯的外部形状、尺寸及表面质量。具体而言，主要包括带坯的终轧温度、中凸度、厚度、平直度、表面质量。

①带材的终轧温度

合理的终轧温度应该在金属的再结晶温度以上某个范围。这样，既能得到良好的再结晶组织又不损害带材的表面质量。

②带材的中凸度

从板带材轧制的全过程来看，中凸度由小逐渐变大的过程是可以实现的，由大逐渐变小的过程是难以实现的。所以热连轧带材的中凸度宜小不宜大，通常控制在0～0.8%的范围比较适当。

③带材的厚度公差

带材厚度公差的大小取决于生产线自动化控制水平的高低，带材的厚差越小越好。

④带材的平直度

平直度应在一个合理的偏差范围内。由于带材的中凸度要求带材的断面形状是中间厚两边薄，因此只要在一定范围内控制带材的中凸度满足要求，一般来说带材的平直度也能满足要求。

⑤带材的表面质量

表面质量应以板带冷轧时不允许有表面缺陷为控制目标。

2 热连轧二级设定计算的主要策略

虽然热连轧机的基础自动化部分都装备有精度高、响应速度快的各种闭环控制系统，如厚度自动控制系统(AGC)、凸度自动控制系统(APC)和温度自动控制系统(ATC)等，可在线实时控制各种调整机构如压下、弯辊、串辊、乳液喷淋冷却等，进行相应的偏差补偿以控制带坯的精度。但如果二级设定计算给出的各种参数，如辊缝位置、轧制力、速度等与带材头部进入轧机后实测的参数值偏差较大，则可能导致超出各调整机构的调整能力，或者是对某一偏差的调整会引起其它指标的变化，从而导致整个系统产生相互干涉和混乱。因此，设定计算在热连轧的过程控制系统中起着至关重要的作用，它是整个热连轧机自动化控制系统的基础和核心。

设定计算系统中包含了大量的以轧制理论、实验分析和实际生产经验为基础的数学模型，是实现顺利轧制高精度带坯的前提。一个良好的设定计算系统，不仅可大幅度缩短整条生产线的有负荷试车时间，减少试车料卷的数量，还可有效地提高生产的灵活性和生产效率，保证在轧机工况发生变化的情况下，如更换轧辊、合金品种和规格时能自动调整轧机的各种设定值，保证产品的精度不降低。

由于热轧过程中带坯的厚度、凸度和板形之间存在着非常紧密的关系，在某些情况下，对某一变量的调整将有可能引起其它指标的恶化，因此设定计算在自动生成轧程表时，必须根据热轧机的设备能力，包括各种调整执行机构的能力，以及材料的规格、品种、产品的目标、控制目标精度等原始参数和限定条件，采用相应的轧制策略。

在轧程表计算过程中轧制力的预报精度是非常重要的。它是进行各种轧机设定值计算的基础。轧制力是由热粗轧和热精轧各机架所轧制的材料强度决定的，要想精确计算材料在轧制状态下的强度，必须考虑相对应的轧制温度、润滑和摩擦状况、轧制速度等诸多因素。

综上所述，设定计算系统的策略如下。

2.1 热粗轧和热精轧之间的轧制力分配

①根据平均分配加工率的原则来计算热精轧各机架轧制材料的变形抗力;

②根据成品所需的凸度和工作辊热膨胀状况来计算热精轧最后一个机架的轧制力;

③根据理想板形曲线和凸度变化限制条件所允许的范围，并考虑各种调整机构及其可调整的量来计算热精轧各机架间的轧制力分配;

④根据优化热粗轧机和热精轧机之间轧制力分配的目标来确定中间带坯的厚度和凸度。

2.2 热粗轧机计算

①根据原始参数和先前的中间带坯尺寸来计算轧程表;

②根据热粗轧机工作辊热凸度和所要求的带坯凸度，来计算粗轧最后一道次的轧制力;

③根据轧机的设备、工艺参数和极限值，来确定热粗轧的道次数和每一道次的加工率;

④在轧制过程中模型的自学习;

⑤在重剪切头时根据已轧道次的实际轧制数据对剩余粗轧道次进行修正;

⑥在热粗轧最后道次结束后，通过比较带坯实际凸度与设定凸度对热精轧的凸度模型进行修正。

2.3 热精轧机计算

①根据检测到的中间带坯尺寸和凸度计算轧程表;

②根据成品带材所需的尺寸、温度和轧机工作辊热凸度，在保持相对凸度恒定的前提下分配热精轧机各机架间的轧制力;

③运用穿带自适应系统来提高设定值精度。

二级设定计算系统允许在热粗轧和热精轧之间重新分配轧制力，使得在各种热轧方式中应用凸度控制得到可能。即使轧机没有机械凸度调整装置，也可影响带材的凸度。

3 粗轧设定计算

二级设定计算系统中用于描述铝带热轧中物理变化的数学模型是这套自动控制系统的核心，一般均是经过生产实践数据的优化，具有精度高、适用面广的特点。系统内的数学模型将计算值与轧制过程中各种检测仪表实测的参数值进行比较，通过对相应的数学模型进行修正，以进一步提高其精度。

由于数学模型不可能完全真实地反映轧制过程中所发生的各种现象，并且为了能够使反映这些现象的复杂数学关系实用化，还必须对它们进行简化，这样必定造成计算结果与实际情况之间存在偏差，为了修正这些偏差，在数学模型中引入了自学习项。

3.1 粗轧机设定计算

粗轧机设定计算流程如图1所示。它利用数学模型和数据库参数，根据原始数据、测量数据、轧机的限制因素等计算出粗轧机的设定数据，以便为精轧轧制供给适当厚度和宽度的中间坯。设定计算的结果发送到粗轧基础自动化级控制器中。

设定数据包括:总道次数、中间坯厚度、轧件温度、轧制力预设定、凸度预设定、轧制速度计算、辊缝计算、冷却模式计算、弯辊力计算。

3.2 粗轧模型自学习计算

粗轧模型自学习计算是以许多实际的轧制数据为基础对模型的预测精度进行修正的功能。该功能通过比较检测的实际值和计算值来检查轧制数学模型的精确度。然后纠正粗轧机设定计算中模型的学习项，作为随后的热轧卷的设定。有两种类型的学习方式:

图1 粗轧设定计算流程图

①轧件间的短期自学习是为了吸收与时间有关的事物现象的变化。

②批次间的长期自学习是为了实现对因材料特性引起的误差进行补偿。

4 精轧设定计算

4.1 精轧机设定计算

精轧机设定计算流程见图2。该设定计算利用数学模型和数据库检索，根据原始数据、测量数据、轧机限制因素等计算出精轧机的设定数据，以便维持秒流量平衡并保证轧制出来的带材厚度、凸度和温度在目标值附近允许范围内。设定数据包括:精轧机穿带速度、精轧机轧制速度、加速率、精轧机前滑量、精轧机后滑量、精轧机出口带材的厚度、机架间的张力、控制功能影响系数、清刷辊的开/关、精轧机辊缝、预测的轧制力、乳液冷却分段通/断、工作辊弯辊力。

4.2 精轧模型自学习计算

在轧机穿带完成之后，自学习功能将各类现场实测数据导入，检查检测数据是否合理，以便更新所存储的过程模型学习项。

图2 精轧设定计算流程图

该功能通过比较检测的实际值和计算值来检查数学轧制模型的精度。然后修正精轧机设定计算中的模型学习项或参数，作为随后的热轧卷的设定。同粗轧相似，有两种类型的学习方式:

①轧件间的短期自学习是为了吸收与时间有关的事物现象的变化。

②批次间的长期自学习是为了实现对因材料特性引起的误差进行补偿。

5 结论

二级设定计算系统是整个热连轧机自动控制系统的核心之一，设定计算的准确度直接影响产能和产品质量。一个良好运行的设定计算系统将大大提高工厂效益。

［1］张殿华等.四机架热连轧机分布式计算机控制系统.冶金自动化1998(2)

［2］郭金龙等.铝热连轧粗轧区轧件温度场的数值模拟.湖南科技大学学报(自然科学版)2007(6)