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1、浅谈重轨万能轧制法的自动控制系统 王军肖宇 ( 鞍钢新轧钢股份有限公司大型厂鞍山1 1 4 0 2 1 ) 摘要本文介绍丁鞍钢新轧大型厂万能轧机控制系统T C S 的软、硬件的组成及工作原理，描述了自动厚度控制 ( A G C ) 及液压辊缝控制( H G C ) T - 作概况及其功能块的组成。对影响重轨轧制精度的原因进行分析，阐述了A G C 系统补偿机架伸展变形的工作原理保持辊缝为常数值，及H G C 快速定位轧辊控制系统。由于该系统响应速 度快，控制精度高，极大提高了重轨的产品质量。 关键诃万能轧机T C SA G CH C , C 引言 鞍钢新轧大型厂是一个以生产重轨为主的大型材轧钢
2、厂。随着国家铁路大提速的发展要求，重轨产品 不断向”高纯净度、高强度、高精度、高平直度”的质量目标迈进，原有的横列式轧机生产工艺已不能满足市场 要求。因此，大型厂于2 0 0 1 年从德国西马克公司引进了国内第一台重轨万能轧机，分别由粗轧机、轧边机、 精轧机组成、三架连轧自动控制，其自动控制系统分别由德国西马克电气工程部与F E S T 电气公司配合完 成，其中西马克工艺控制系统T C S 控制万能轧机辊缝调节，对产品质量起决定性作用，F E S T 控制系统完成 万能轧机的辅助控制及三架连轧。 2T C S 系统结构 2 1 硬件 T C S 又称工艺控制系统，硬件构成是一个多微机处理器系统
3、M u l t i b u sI I 装置，它包含模数1 0 卡、数字 I O 卡、C P U 卡、通汛卡、显示器、键盘等。全部硬件包含电源装置、熔断器、断路器、继电器、终端板、M u l t i b u s l I 等安装在四个控制柜内。 2 2 软件 M u l t i B u sI 【操作系统采用 R M X ，它是I r t t e 实时多任务操作系统。支持W I N D O W S 、D O S 操作系统用 于H M I 屏幕显示。T C S 软件控制系统有4 个等级，分别为管理级T M A C 、机架级S T A C 、控制级及程序级， 结构如图一所示： i g u L e V d
4、 T M A c w 日w # N 镕q w # d l q S t a n dL e v e l l w _ g # _ * q M _ _ 料 U RS T A C ES T A CU FS T C C o n ”o i l e rL e I U ；： i 。 U 蓍I 善i - 匿 U l Z 皇jj Z l q h J I P r o q r a m mL e v e I r T l r r T Y 应用软件组织在下面四个工作任务中 图一软件结构固 * T n M A C 万能轧机主控制器，管理外部设备与内部下级的S T A C s 通讯 * U R S T A C 粗轧机架控制器 *
5、 E - S T A C 轧边机架控制器 * u F S T A C 精轧机架控制器 S T A C s 的意思是机架控制： 用于是管理下级控制器可靠移动与检修万能连轧机工作辊，依据一定数据结构在这些工作任务中交换 信息，如方式控制报文、错误与状态报文、轧制数据报文、显示数据报文等。 控制级的闭环控制结构： * U x v _ C ：垂直轧辊液压控制 * X x H C ：水平轧辊液压控制 * X x A G C ：自动厚度控制 * U x _ H A X ：轴向移动液压控制 T C S 控制系统通过以太网连接与T C P I P 协议实现和外部设备数据交换。由于安全的原因。在连轧机 T C
6、S 与外部设备之间一些重要的信号是用硬线连接的。 3 自动规格控制A G C 3 1 概述 T C S 系统的核心在控制级的自动规格控制A G C ( A u t o m a t i c G a u g eC o n t r 0 1 ) ，它的功能是补偿轧制力变 化时机架的伸展变形，保持辊缝为一个常数值。在万能轧机正常轧制过程中，沿着重轨钢轨长度方向的厚度 波动和温度变化引起的重轨硬度变化，都会引起轧制力发生变化，导致重轨出口厚度发生变化，影响产品质 量。 由于辊缝在轧制期间不能测量，因此必须通过计算得出，这个计算是基于厚度相等原则。 h = s + g ( F r 。D ) h = 负载辊缝
7、 a = 空载辊缝 g ( F r ，D ) = 机架伸展，取决于轧制力与重轨厚度 机架伸展是轧制力与重轨厚度的函数，目的是在重轨长度方向上保持h a c t u a l = h r e f = 常数。 这个A G C 必须依赖辊缝的变化来补偿轧制过程中力变化的影响，如图二所示。 s r g b a s e = h r e f s r g 一静态一s r g 一动态 3 2 操作模式 S r + 岫钳 霉际寝蚺= t 聃辱鹰 图二A G C 功能原理图 操作者可选三种操作模式： 3 2 1A G C 停止 轧制期间A G C 功能不参与工作。 3 2 2 静态A G C 静态A G C 由轧制
8、图表的预期轧制力补偿机架伸展： s r g s t a t i c = g ( F r 轧制图表 ，D ) s r g s t a t i c = 静态A G C 输出 s r g s t a t i c 在轧制时是一个常数值。静态A G C 的精度依赖轧制图表中预期的轧制力。 3 2 3 动态A G C 动态A G e 补偿机架伸展是取决于轧制图表预期的轧制力与实际轧制力。 F r = F r 轧制图表 一F r 实际 s r g d y n a m i c = g ( F r ，D ) s r g d y n a m i c = 动态A G C 输出 动态A G C 依赖于实际测量轧制力。
9、动态A G C 需要静态A G e 激活。通常万能轧机工作在这种模式。 3 3A G C 控制器 A G C 控制器接收来自H G C 的实际值及报文的配置数据，并由系统功能块完成静态A G C 和动态A G C 的辊缝给定计算，A G C 控制结构如图三所示。 I G C 宴际值 配置教据 H C C R G R E F V A L 图三A G C 控制嚣结构图 - ；1 - 计算实际辊缝功能块C a l c A c t H x 该功能块基于机架伸展曲线和来自H G C 的实际轧制力计算出机架实际伸展，加上干扰补偿和实际辊 缝计算出实际厚度。 * 计算给定辊缝功能块C a l c R e f
10、 该功能块对实际辊缝值的平均值进行采样和保持计算出给定值。 * 有载辊缝控制功能块R u n C t r l 在运行模式下，轧制时采用闭环控制。控制器的实际值是由机架实际伸展和H G C 实际辊缝值计算出 来的有载辊缝。A G C 有载辊缝控制器的输出值作为H G C 的位置给定数据，即动态A G C 辊缝设定值。实际 H G C 辊缝位置作为反馈送给A G C 使用，但首先减去直接反馈的干扰补偿。 钢轨的热膨胀通过配置数据进行补偿。考虑到位置值，控制器有一个负反馈来响应正向的轧制力。当 位置改变和轧制力发生变化时，因为伸展将发生小的改变，如果有一个正确的测量而且重新计算伸展曲线， 控制器就会
11、更加稳定。 * 计算控制功能块C a l c C t r l 在启动标定功能时，计算附加辊缝给定。 * 辊缝给定功能块( R G S E T U P ) 在这个模块中，根据来自于轧制图表中的给定辊缝值与预期轧制力的机架伸展值，计算出辊缝预先设定 一5 4 6 值，即静态A G C 辊缝设定值。 * 总附加给定功能块( T O T A L A D D ) 该功能块考虑了轧辊磨损、热膨胀系数等因素的影响，将这些因素引起的补偿值进行计算，在积分后与 有载辊缝给定值叠加输出做为H G C 参考给定值。 4 液压辊缝控制H G C 4 1 概述 液压辊缝控制器H G C ( H y d r a u l
12、i eG a pC o n t r 0 1 ) 是快速闭环位置控制，用于每个液压缸移动和保持轧辊的 位置。以水平辊为例，该控制级主要是通过液压缸、高压油和伺服阀对水平上辊和水平下辊进行调节。每个 液压缸里装备一个用于读取实际液压缸位置的位置传感器和一个用于读取液压缸内实际压力的压力传感 器。每个液压缸上有两个并联的伺服阀，用于控制调节缸与液压站之间油的流量。 4 2 工作描述 它的原理是并联伺服阀的一个控制油流量从一1 0 0 0 + 1 0 0 ( s e r v o1 ) ，另一个油流量从一 2 0 0 一1 0 0 a n d + 1 0 0 + 2 0 0 ( s e r v o2 )
13、 。 为了维持一个液压缸的位置或调节一个液压缸缓慢通过一段短距离，位置控制系统通常仅用一个伺服 阀工作，而另一个阀服阀不工作。为了调节个液压缸快速通过一段长距离，数字控制系统能生成一个大于 1 0 0 直至于2 0 0 的伺服阀工作给定值。于是，控制器输出使第一个伺服阀在正或负方向上1 0 0 打开，而 剩于部分则由另一个伺服阀来完成。这样就可达到1 0 0 至2 0 0 的流量等级。 每个液压缸是快速位置闭环控制，这个控制闭环能获得实际液压缸位置值并产生一个伺服阀给定，如图 四所示。操作者的移动与定位在传动侧与操作侧是同步的。 数字控制计篁机 一- _ - _ _ - - - - - - -
14、 - - - - - 。- - - - - - - - 图四单液压缸位置闭环控制简图 4 3 控制器 4 3 1 控制器简介 这个液压辊缝控制器I I G C 主要由几个子模块构成，其结构如图五所示。这个基本的控制环工作在位 置控制模式或力控制模式。 通常如果液压缸移动被激活，则位置控制相应被激活。只有在特殊的标定步骤中，系统才自动切换到力 控制模式。 4 3 2 功能描述 * 实际位置检测功能块A C T P O S V A L 该功能块基于位置传感器的位置反馈信号，产生H G C 的实际位置信号： * 实际轧制力检测功能块A C T F O R C V A L 这个实际压力信号来自液压缸活
15、塞侧压力信号。附加的甲衡力与轧辊及轴承的重量在轧制力计算里考 虑。并在自动辊缝标定期间识别。 图五H G C 控制器结构图 这个实际轧制力值是用于： 轧制力过载报警与过载保护，报警与故障信息； 传动侧与操作侧轧制力偏差检测； 机架伸展补偿A G C * 液压缸行程给定计算功能块C S R E F V A L 该功能块工作在液压缸行程模式，主要功能是计算液压缸行程的给定值，在更换新辊且投有标定或服务 方式时使用。 * 辊缝给定计算功能块R G R E F V A L 该功能块工作在辊缝模式，在标定系统成功后，位置系统利用位置传感器信号与校验的液压缸与零辊缝 相对位置进行轧辊定位。自动标定功能是一
16、个靠移动上辊与下辊接触来进行零辊缝测试的功能，通过标定， 机架达到设定的标定力并完成零辊缝定位与零轧制力计算。轧制时为辊缝模式。 * 轧制力给定计算功能块R F R E F V A L 该功能块工作在力控制模式。在某些标定步骤中，系统需要工作在力控制模式而不是位置控制模式。 * 位置控制功能块P O S C T R L 这个功能块用于控制一个液压缸的调整，是一个具有比例凋节的快速位置闭环控制系统，它没有微分调 节。在没有补偿的情况下，辊缝的打开速度和闭合速度与轧制力的关联很大。为了容易理解，举例来说，在 大负载的情况下，辊缝打开是非常快的，但是由于负载大，所以辊缝闭台就很慢。调节辊缝在轧制力变化时 开关速度的比例控制器的增益来源于一个用于平衡的功能块。 * 同步控制功能块S Y N C C T R L 这个功能块最重要的任务是比较和控制一个
