济钢1 700 mm热连轧机精轧主令控制系统

吴中梁，陈　民

（山钢股份济南分公司　热连轧厂，山东　济南250101）



信息化建设

济钢1 700 mm热连轧机精轧主令控制系统

吴中梁，陈民

（山钢股份济南分公司热连轧厂，山东济南250101）

摘要：介绍了热连轧机精轧机组主令控制原理。主令控制系统采用采用高性能控制器PAC Systems，通过光纤内存映像网、以太网及Profibus-DP网等三层网络系统实现通讯，人机接口HMI通过CIMPLICITY HMI采集PAC系统内部寄存器的值来实现数据共享。系统改造后，控制系统运行稳定，故障率控制在0.2%以内，2.5 mm以下薄规格产量由2014年的4 000 t提升到2015年的140 000 t，累计提升产线贡献2 000万元。

关键词：精轧机；主令控制；速度级联；活套控制

1　前　言

济钢1 700 mm热轧生产线主要由2座步进式加热炉、1台四辊可逆式粗轧机、1台切头飞剪及热卷箱、7机架精轧机组、1套带钢层流冷却装置、2台卷取机、1套钢卷运输系统等设备组成。精轧区主令控制系统主要设备有7架精轧机、6台液压活套组成。7架精轧机分别由1台交流同步电动机进行驱动，操作人员通过操作站选择轧机为轧制或空过，停车时精轧机根据轧辊的扁头情况自动定位。6台活套为液压控制，通过TDC控制系统来完成，在带钢轧制过程中，对活套进行套量及小张力控制，以避免堆拉钢现象［1］。

在带钢生产过程中，为了保证不堆钢、不拉钢，并恒定张力轧制，在穿带过程中正确进行速度的设定，在轧制过程中需要正确设定速度，且在精轧区域的各个机架之间采用快速液压活套进行套量的吸收和恒张力轧制。

2　精轧主令控制

2.1精轧主速度计算

在连续轧机机组中，各机架速度应严格地遵循秒流量相等的关系进行设定，即各机架轧件的截面面积和金属流动的乘积相等，计算公式如下：

式中，hi为第i机架的出口厚度，vi为第i机架的出口速度，精轧宽展可忽略。

速度设定是由过程控制系统根据轧制工艺状况以及设备能力情况按照负荷分配的原则，得到各机架出口厚度，并且根据终轧温度，确定末机架出口速度v6，然后用秒流量方程反推出各机架速度设定值：

由于hi可以根据轧制力的弹跳方程计算出来，因此各个机架的出口速度就可以计算出来。秒流量方程仅仅适用于稳定的理想状态，应用于轧制过程时还需要根据前滑等因素进行调节［2］。

2.2升降速控制

加速控制过程分为两个阶段，第1阶段为末机架咬钢加速阶段，第2阶段为卷取机咬钢加速阶段，此两个阶段的加速率不同。当精轧出口温度控制投入时，加速过程将受精轧出口温度控制。减速过程按照固定的斜率进行，减速的时序由设定的抛钢速度决定，是指在F6抛钢时轧机的主速度要降到设定的抛钢速度，以此来决定减速的时序，通常在F2抛钢减速，如图1所示。

图1　轧机主速度的时序控制

2.3精轧机速度级联控制

速度级联控制是通过传送本机架速度波动部分到上游机架，从而保证机架间秒流量关系相同。速度调节控制包括手动微调、活套补偿、AGC的压下量补偿以及下游机架送来的级联补偿量。第i机架的速度调节量为：式中，MRH为速度主令调节系数，SSRHi为Fi机架速度调节系数，VCi为Fi机架的速度校正量，包括手动补偿、活套补偿及压下补偿，SSVi为下游机架对本机架的级联量。

末机架的速度是作为基准值而不调节的，只有速度主令调节系数来进行调节，调节时的偏移方向是下游向上游机架进行，通常称为逆调。在带钢进精轧机组前，精轧机组各机架要达到本块钢的穿带速度，否则将不允许进钢。

2.4活套控制

恒定活套量和小张力轧制是现代热连轧精轧机组的一个基本特点。在轧制过程中，由于主传动系统总是存在着动态咬钢速降，在稳定轧制阶段又总是存在着各种外部干扰，不可能始终保持各机架之间的速度匹配关系，所以设置活套的主要目的是检测到这些偏差，进而通过高度调节吸收这些活套量，保障生产正常稳定。

此外，因为在热连轧轧制过程中，轧件温度很高，若受到太大的张力，其张应力就有可能超过金属的流动极限，使带钢受拉（拉窄、变薄）变形和尾部失张厚跃等，而活套装置的另一个作用就是使带钢保持恒定的小张力。

本精轧共有7个机架，设立6个活套，活套控制系统功能包括：活套顺序控制、张力控制、软接触控制、活套高度控制和活套尾端补偿控制等。活套控制系统为液压系统，采用SIEMENS TDC系统进行控制，为活套投入和可靠运行提供保障，主要控制有：活套顺序控制、活套张力控制、活套高度控制、活套软接触控制等。

带钢头尾位置通过轧制力压力检得，并通过检得信号发出起落套控制时序，活套高度闭环是通过调节上游机架的速度来实现的，当检测到预设活套角和实际活套角有偏差时，采用PID算法调节上游机架主速度，并且通过级联调节上游机架的主速度，最大调节范围为速度设定值的15%。

2.5带钢跟踪

带钢跟踪是通过对带钢在某个机架的位置进行跟踪，从而根据跟踪时序控制精轧机后测厚仪关闸的打开或者控制活套的起套和落套时序，是对通过压头计算的机架咬钢信号的补充。带钢跟踪包括对带钢头部位置的跟踪和尾部位置的跟踪。位置跟踪计算公式为：

式中，P0为积分起点与位置计算参考点的距离，V为带钢速度。

现场实际的关键点的物理位置，可以通过图纸得出并进行现场实际测量，通过调节位置跟踪量实现活套系统的小套控制，避免穿带过程顶撞护板和抛钢时甩尾。

2.6主令控制过程［3］

主令控制分为手动和自动控制。手动控制主要包含系统起车、空转、升速、降速及停车，手动控制系统的速度及斜率通过系统内部设定来实现。自动控制系统的速度设定包括穿带速度、最大速度及抛钢速度，其速度设定值来自二级系统，一级系统根据位置跟踪控制时序，切换不同速度。

主轴定位控制过程。为实现换辊的高效快速，需要提前对工作辊扁头实施对中。扁头对中在正常停车过程中自动定位，其原理是通过工作辊主轴安装的定位接近开关来实现，确保换辊前后扁头在同一个位置。

空过控制过程。精轧机组正常采用7机架生产，但是根据生产工艺要求及设备故障的具体情况，精轧机组可以实现任意一机架空过或任意两个不相临机架的空过。空过过程中，传动系统可以是工作的，也可以是被动的，即能够实现工艺空过和故障空过，满足不同现场的实际需求。

3　控制系统实现

3.1控制系统要求

1）精轧主令控制系统具备高速处理的能力。轧机设备控制及工艺参数控制的周期在20 ms以内，活套控制要求达到2 ms以内，为此，需采用高性能控制器。

2）精轧主令控制系统具备高速通讯的能力。由于多个控制功能最终都作用到变形区，因此存在较强的功能间耦合，并共享输入和输出模块，需要相互传递补偿信息，数据更新时间要求在2 ms以内。

3.2控制系统的硬件配置

热卷箱控制系统硬件采用GE Fanuc产品，在稳定性和成熟性上都有可靠保证。PAC Systems是GE Fanuc公司推出的高性能控制器，是GE90-70系统的升级，速度为GE90-70系列PLC的10倍，热精轧主令控制系统采用的是IC698CPE020，以实现数据的高速处理，其配置如表1。

表1　主令控制系统机架配置

3.3网络系统构成

精轧主令控制系统通过3层网络系统通讯来实现，其3层网络构成分别为：光纤内存映像网、以太网及Profibus-DP网，其连接及通讯对象见图2。

图2　精轧速度主令控制系统配置

第1层网络为光纤内存映像网。内存映像主网将直接与过程控制级服务器相连，是该系统主网，连接轧线上各主要功能控制器、数据存储站、实时仿真站及二级系统，实现高速通讯。

第2层网络为基于TCP/IP协议的以太网，主要完成控制器、操作员站、特殊功能站、轧线仪表及二级系统之间通讯、HMI系统通讯，同时亦作各控制器远程编程用。

第3层网络为现场总线Profibus DP网，主要提供各区域的控制器与主/辅电气传动、远程I/O及OPU的通讯，最高通讯速度12 Mb/s，现场总线的普遍采用实现了以少量通讯电缆代替大量控制电缆的目的［4］。

3.4人机接口

人机接口HMI画面是通过CIMPLICITY HMI采集PAC系统内部寄存器的值来实现数据共享的，通过以太网实现。区域以太网采取多模光纤，区域内部采用双绞线，实现全线的以太网结构。轧线上的工控机连接在以太网络上，工控机安装的上位机软件通过以太网的物理通道采集全线任一台处理器上的内部寄存器地址并显示在画面上，操作人员根据画面的实际现场设备的仪表数据对现场设备进行手工干预，实现人机交互的功能。

4　结　语

2014年济钢1 700 mm热连轧机精轧主令控制系统已经成功应用于现场，控制系统运行稳定，故障率控制在0.2%以内，为热轧顺利生产提供了保障。同时，2.5 mm以下薄规格产量由2014年4 000 t提升到2015年的140 000 t，1.5 mm热轧平板及热轧花纹板相继实现批量生产，1.2 mm热轧平板实现通钢，累计提升产线贡献2 000万元。

参考文献：

［1］马社芳.安钢半连轧控制技术的应用［J］.新技术新工艺，2006 （6）：16-18.

［2］孙一康.带钢热连轧的模型与控制［M］.北京：冶金工业出版社，2002.

［3］王冰贺，罗诗，张芮，等.攀钢1 450 mm热连轧精轧机区速度主令控制系统［J］.冶金自动化，2005（1）：66-68.

［4］吴中梁，王庆山，郭甬南，等.PACSystemsRX7i在热连轧生产线中的应用［J］.电世界，2010（2）：10-15.

Master Control System for Jinan Steel 1 700 mm Hot Strip Finishing Mill

WU Zhongliang, CHEN Min

（The Hot rolling mill of Jinan Branch of Shandong Iron and Steel Co., Ltd., Jinan 250101, China）

Abstract:The mill master control theory of the hot rolling was introduced in this paper. On this basis，the mill master control system was described. It includes the composition of the hardware control system PAC Systems, the composition of three layer network structure: the reflective memory network, the Ethernet network and the DP network and the data management of human-machine interface CIMPLICITY HMI. After the transformation for the system, the control system is stable, the failure rate is controlled within 0.2%. The production of the steel plate less than 2.5 mm from 4 000 t in 2014 was increased to 140 000 t in 2015, the cumulative contribution of 20 million Yuan to this production line.

Key words:rolling mill; master control; speed cascade; looper control

中图分类号：TG334.9

文献标识码：A

文章编号：1004-4620（2016）02-0051-03

收稿日期：2016-01-15

作者简介：吴中梁，男，1979年生，2014年毕业于青岛理工大学自动化专业。现为山钢股份济南分公司热连轧厂工程师，从事电气设备运行管理及维护工作。