带钢热轧机的自动化和厚度控制

热轧机中的自动化和厚度控制

金属轧制工艺的经济效益与最终轧制产品的质量水平密切相关。扁钢产品的轧制是一个复杂的过程，产品的质量受来料、机电设备、操作参数、润滑、自动化和控制策略等一系列因素的影响。重要的质量参数是材料厚度、材料形状和表面以及应力分布的均匀性。为了优化成本效益和最大限度地利用材料，严格的厚度公差是必不可少的，以使带材能够尽可能接近最小允许厚度。只有将机电仪表设备与控制策略解决方案有机结合，才能有效优化产品质量。

带钢热轧机 (HSM) 工艺通过将具有矩形横截面和厚度在 250 毫米至 350 毫米范围内的连铸钢坯压缩成扁钢带直到达到所需厚度来减少。一些 HSM 能够生产厚度小至 1 毫米的带材。典型 HSM 中的工艺步骤是 (i) 在推杆式或步进梁式加热炉中对板坯进行再加热，以达到最佳温度，(ii) 粗轧机（可逆式轧机或由机架数量）以实现初步减薄，（iii）精轧机由 5 到 7 个连续轧制机架组成，将厚度降低到所需值，以及（iv）在卷取机中卷取长钢带。

在 HSM 的精轧机中，一个重要的任务是由称为活套的液压臂执行的，该液压臂位于两个连续机架之间的中间，其目的是使带钢张力保持在恒定值。这种机械系统的动态特别不稳定，这使得控制问题变得棘手

在 HSM 中将板坯加工成热轧带钢是通过多个工艺步骤实现的，其复杂性涉及机械和自动化技术。 HSM 中的热轧不仅需要机械解决方案，还需要适当的控制技术。 HSM的滚动过程可以通过标准的软件和自动化架构进行控制，该架构包括四个自动化级别。

自动化系统并不是热轧带钢轧机性能的唯一决定因素。然而，对于任何给定的机械和电气设备配置，只有通过高性能控制和自动化才能实现磨机的潜在性能。需要将注意力集中在吞吐量和质量上，其中控制对于实现良好的性能尤为重要。通常，产量和质量以正负两种方式相互作用，在定义控制系统时要考虑这些相互作用。

吞吐量 – 工厂所能达到的最终产量受到机械和电气硬件能力的限制。要实现始终接近此限制的吞吐量，需要高质量的控制和自动化。在高产量下，三个或更多工件可以同时在轧机的不同加工阶段。为避免在轧机中发生灾难性碰撞，准确的跟踪至关重要。跟踪系统使用来自轧机仪器的信号和过程信息（例如，随着工件的轧制，其长度会增加）来维护轧机的动态地图。当然，对于个别磨机的损失，它是稳健的。

产量控制着眼于轧制计划，并确定轧机安装的哪个部分、熔炉、粗轧机、精轧机或卷取机，可以限制产量。然后控制限制过程以实现最大吞吐量，并且控制该过程的其他部分以匹配该吞吐量。这样可以提高能源效率，减少设备磨损，从而降低成本。

吞吐量和质量也相互作用。随着产量的增加，控制变得更加困难，为了保持所需的质量和产量水平，需要仔细设计控制系统。质量和产量控制也以积极的方式相互作用。例如，为了在精轧机中实现更大范围和更精确的温度控制，通常会安装机架间冷却喷雾。这些将被控制以保持轧机出口处的带钢温度，但此外，它们还可用于提高工件在精轧机中轧制的速度，同时保持目标出口温度。

质量 – 自动化系统的主要目的是控制轧机设备，使轧制的卷材符合规格要求的尺寸（规格、宽度、轮廓和平整度）和材料特性。控制质量参数有两个方面，即（i）在工件穿过轧机时控制工件的头端，以及（ii）控制轧机设备以通过轧制线圈保持所需的质量参数。

有两种控制模式，即 (i) 磨机设置和 (ii) 动态控制。控制策略的根本区别在于测量的可用性强加于两种模式。由于带钢在轧机中的螺纹，没有最终质量参数的测量，带钢根本没有到达测量仪器，控制是通过前馈和基于模型的控制来实现的。一旦轧机满负荷，就可以直接测量（部分）最终质量参数，动态反馈控制开始运行。两种控制模式的准确性都很重要，良好的前端质量参数会带来高产量。 HSM 中的宽度控制也很重要。卷材经常按长度而不是重量来销售，因此，任何多余的宽度都意味着产量损失。

条带的形状由相互作用的两个参数定义，即 (i) 轮廓和 (ii) 平整度。轮廓是带材宽度上的厚度变化，对于下游加工，需要对其进行控制。沿着带材长度和宽度方向都需要均匀的厚度。平整度是钢带在不施加任何外力的情况下平放的能力，对于钢带的下游加工也很重要。平面度缺陷是由通过轧机的比例轮廓（轮廓除以厚度）控制不佳引起的，因此轮廓与平面度控制之间存在相互作用。

平面度控制问题也不同于型材，因为平面度很重要，不仅在轧机出口处，而且在精轧机机架之间的机架间间隙中。机架之间不良的平整度缺陷会导致精轧机的轧制过程不稳定，从而导致完全失去控制，卷材被破坏成鹅卵石。这代表了产量损失，并且还通过在磨机清除鹅卵石时停止该过程来影响磨机的可用性。

除了尺寸参数外，还有其他重要的质量参数。一个特别重要的目标是控制成品带材的机械性能。机械性能在很大程度上取决于微观结构，而微观结构本身在一定程度上取决于应变，在很大程度上取决于轧制卷材的温度历史。在当前的控制和自动化系统中，微观结构的控制是通过控制带钢在轧机出口和卷取机之间的输出台上冷却时的温度变化来间接实现的。轧机冶金学家定义目标冷却轨迹，控制系统调整跳动台上的冷却喷雾和精轧机速度，以尽可能准确地匹配所需的温度轨迹。

控制系统结构 – HSM 的控制目标以产量和产品质量参数表示。然而，控制的实际范围涵盖了非常广泛的应用，从具有毫秒或亚毫秒级别运行速度的单个局部高速位置控制回路到每小时或每小时运行的整体工件调度任务。更长的时间尺度。所有这些控制都有助于自动化系统所需的整体性能，但目标通常以更适合特定控制器时间尺度的子目标表示。例如，位置环的目标可以用变化率和响应于所需位置变化的超调来表示，而通过轧机的产品的整体调度可以用满足生产计划的速度来表示。

带钢热轧机应用的自动化技术通常分为四个等级，分别称为0级、1级、2级和3级。在所有这些需要分层协作以实现最佳性能和最高生产率水平的自动化级别中，实施了许多控制技术、物理现象的数学模型和优化算法。带钢热轧机通常采用的控制自动化系统层次结构如图1所示。

这种单独控制的时间尺度和范围的差异反映在现在广泛用于轧机的控制系统的多层次结构中。图 1 显示了这种多级系统的框图。各个级别之间的功能分离并不明显，具体功能是在级别 1 还是级别 2 中实现，可能会因安装而异，并响应更好的控制方法和设备的发展。

图1典型的热轧带钢自动化系统结构

0级 – 它是最低级别的控制，包括例如用于在轧机中定位轧辊的液压胶囊的控制回路以及为轧机提供动力的主电动机。

1 级 – 它主要关注片内控制。在这个层面，开始出现带钢厚度和温度等质量参数。然而，级别 1 循环的目标通常是级别 2 提供的子目标。例如，级别 1 控制循环用于控制精轧机中间机架的出口厚度，以及通过轧机的出口厚度模式由级别 2 设置，以在机器和工艺限制内达到所需的轧机出口厚度。

1 级自动化直接与低级设备（执行器和传感器）交互。实时控制回路和逻辑序列在这里实现。例如，通过 VME（Versa Module European）架构技术实现了快速采样（1 毫秒）和高计算能力。相反，传统的 PLC 保证了 10 毫秒的最小采样时间。人机界面 (HMI) 为操作员提供了对过程的实时查看。

2 级 – 它直接处理质量和吞吐量参数的控制。其操作范围比一级要广泛得多，在一个完善的系统中，涵盖了加热炉、粗轧机、精轧机和出料台的集成控制。它非常关注轧机从工件到工件的装夹控制，但也经常包括动态在件控制的一部分。通常，级别 2 的动态控制与精轧机的整体协调控制有关。本地控制回路更适用于级别 1。级别 2 的大部分控制本质上是前馈和基于模型的。良好的控制性能需要过程的预测模型（例如变形和温度模型）以及轧机和传感器的动态模型。最先进的轧机控制所需的大部分过程模型都在这里。

2 级自动化提供更高级别的控制功能和实用程序，例如优化工厂设置计算、生成生产报告和产品质量统计分析。特别是技术过程的数学模型用于生成适当的工厂设置。物理模型在不同甚至随时间变化的工作条件下的可靠性是通过自适应实现的，即基于工厂反馈的识别技术，递归地提高模型预测的可靠性。技术信息和生产历史档案存储在数据库（DB）中，而过程工作站（PWS）为二级实用程序提供图形界面。

3 级 – 实施 3 级自动化系统是为了为顶级生产监督（这也称为“制造执行系统”（MES）功能）、堆场管理和不同流程的 2 级之间的协调提供额外的实用程序到同一个工厂。三级自动化系统负责协调HSM生产过程与上下游单元生产过程的生产调度。

3 级主要用作带钢热轧机的调度器。它获取工厂的订单并将其组织成符合为工厂制定的调度规则的通常 100 到 200 个工件的轮次。除了 HSM 本身，第 3 级还考虑了上游和下游流程以及库存区域。所使用的调度规则本质上是轧机的全局模型，它使调度员能够组织轮次，以便在轧机设备施加的约束范围内实现所需的质量参数。传统上，最重要的因素是轧机中由磨损和热膨胀引起的轧辊轮廓的演变。由此推导出“棺材”时间表，这意味着开始时较窄，随着辊子上的热凸度增加而迅速积累到更宽的材料，然后随着辊子的磨损逐渐变窄。

HSM中应用的控制技术

在过去的 40 到 50 年中，HSM 的先进控制和建模解决方案的使用已经在各个方向上进行了多次发展。其中包括 (i) 使用自 1970 年代以来为精轧机提出的多变量控制技术，现在它被认为是控制通用轧机与下游活套或下游卷取机的综合工具，(ii) 开发各种模型，以便根据材料温度和轧制过程预测材料特性，并应用用于调节卷取温度的控制，（iii）开发用于补偿摩擦现象的先进控制技术，（iv）开发模型和控制器以改善材料平整度和轮廓，以及 (v) 开发最近引入的转向控制技术，以通过减少鹅卵石事件的可能性来提高生产率水平。图 2 为带 1 级控制的带钢热轧机典型布局。

图 2 带 1 级控制的带钢热轧机典型布局

厚度调节控制技术

图 3 显示了厚度调节的示例，该示例通常应用于 HSM，并提供以下传感器。厚度规定所需的仪器和传感器如下所示。

厚度和轮廓测量仪 – 该量规基于 X 射线技术，旨在测量工件中心线的厚度。该量规很少安装在移动的托架上，可以测量沿线圈宽度的整个厚度轮廓。通常在轧机最后一个机架的末端安装一个厚度/轮廓测量系统。

称重传感器 – 这些是为了测量轧制力而提供的，轧制力是 HSM 厚度调节的基本测量信号。如果没有提供称重传感器，则可以使用安装在主缸中的压力传感器产生的液压力信号的测量作为替代措施。

在某些情况下，称重传感器安装在弯针上，以便直接测量机架间的带材张力。同样在这种情况下，另一种测量方法是由安装在液压缸中的压力传感器产生的力信号作用在活套上。

图 3 带钢热轧机的厚度控制

有一些特征可以区分基本控制器和外部控制器。基本控制器是那些负责实现物理执行器参考的控制器。另一方面，外部控制器是那些为基本控制器产生参考以达到预期目标的控制器。厚度控制是通过以下基本控制器实现的。

液压间隙控制 (HGC) – HGC 由控制器完成，该控制器接收间隙参考并测量来自放置在液压缸中的位置编码器的间隙，并产生伺服阀命令，该命令实际上控制油质量流量，从而产生气缸运动。显然，由于支架的弹性拉伸，测量的间隙可能与支架的物理间隙存在显着差异。

扭矩控制器 (TC) – 扭矩控制器控制两个滚刀产生的扭矩。这些控制器接收由“扭矩张力控制 (TCT) 控制器产生的扭矩参考值，该控制器旨在保持带钢卷取/开卷张力恒定。

速度控制器 (SC) – 速度控制器负责调节机架速度。显然，为了达到轧制的稳定性，速度指令要与轧机的其他操作相协调。

液压扭矩控制器 (HTC) – 液压扭矩控制器负责控制弯针产生的扭矩。

自动仪表控制

HSM 中提供了自动厚度控制 (AGC) 系统，目的是实现热轧带钢的所需厚度。它是调节厚度的系统。对于其在 HSM 中的应用，AGC 要求严格获取每个支架的拉伸。对于 HSM 来说，机架拉伸的获取是非常重要的，而对于冷轧机来说，它就不太重要了。

支架拉伸表示当主液压缸（即 HGC 缸）产生压缩力时支架机械结构的弹性行为。在 HSM 中实现 AGC 时需要提前知道这一特性，因此需要离线实现和执行合适的控制序列，即在滚动之前，称为“拉伸采集序列 (SAS)”。

SAS 是通过使工作辊接触并将 HGC 的位置参考从最小值线性修改为最大值来获得的。对于每个位置参考，由称重传感器（或由 HGC 液压力测量）测量的力被记录，以建立类似于图 4 中描绘的拉伸特性。记录通常执行两次。第一个记录是通过增加 HGC 位置参考（向上读数）进行的，第二个记录是通过减少 HGC 位置参考（向下读数）进行的。

向上读数和向下读数之间的差异与支架弹性行为中不可忽略的滞后有关。最后，存储满足以下等式的最佳拟合多项式曲线，以执行 AGC 任务。式中的F为实测力。

图4带钢热轧机的拉伸特性

需要指出的是，在轧制过程中可以充分利用拉伸特性“stretch”（F）的获得来间接测量工件出口厚度h，因为方程h'=S + F（拉伸） 其中 h 是所考虑机架的带钢出口厚度，h' 是从前面的等式得出的估计值，S 是从安装在液压缸中的编码器得出的所考虑机架的测量间隙，F 是测量轧制力（来自称重传感器或来自 HGC 压力）。这个方程通常被称为“仪表方程”，并且经常通过引入所谓的“轧机模量”来简化，即支架的 Mm，即支架的弹性常数。简化方程为 h' =S + F/Mm。一般来说，传统AGC的实际实现是基于第一个方程，而基于模型的高级控制器综合可以利用第二个方程表示的线性版本。

HSM 中的 AGC 的目的是通过对所有 HGC 的位置参考进行补偿，例如机架拉伸的滞后、由可能的波动引起的材料硬度变化，从而使带钢的厚度保持恒定。材料温度等。为此，有必要考虑到在一个机架和下一个机架之间存在弯针意味着如果一个机架执行的调节不会影响相邻机架执行的调节，则提供有效的机架间张力控制由弯针确保。这一事实是热连轧机和冷轧机 AGC 控制架构存在显着差异的主要原因。

HSM 中的 AGC 是通过一些外部控制器在滚动过程中相互配合来实现的。特别是两个调节器负责控制活套。这些在下面描述。

通过转矩控制活套 (LCT) – LCT 通过作用于 HTC 使用的扭矩参考来实现机架间张力的调节。通常情况下，LCT由安装在活套上的称重传感器产生的张力误差提供，或者由活套液压力产生的机架间张力的估计来提供。

弯针速度控制 (LCS) – LCS 旨在通过作用于上游机架的速度参考（即，通过作用于作用于上游机架的 SC 的参考）来调节弯针角度位置。这种调节器也称为质量流量调节器。

中间机架和最终机架分别以不同的方式实现适当的厚度调节。实际上，对于中间支架，无法进行直接厚度测量，因此可以通过上述两个等式中给出的量规原理来实现厚度的间接测量。因此，图 4 所示的 AGC 由以下两个调节器组成。

Absolute Gauge 控制，通过 Gap (AGBG) 反馈 – AGBG 适用于所有未配备直接测厚装置的中间机架，它基于测厚仪原理，为相应 HGC 的间隙参考生成修整。该控制器还负责对支撑辊轴承油膜的变化、与带钢接触导致的工作辊热膨胀以及磨损导致的辊径变化相关的一些前馈补偿。 .

Monitor Gauge 控制，通过间隙 (MGBG) 反馈 – MGBG 旨在通过使用来自位于轧机出口处的 X 射线的厚度反馈，将离开精轧机最后一个机架的带钢厚度保持在适当的目标值。偏差信号用于校正所有支架 HGC 的间隙参考值。事实上，专用算法定义了如何在所有精加工机架之间分配校正。然而，实施 MGBG 的主要问题是必须严格考虑 X 射线与实施所需校正的支架之间的传输延迟。

最后，如图 3 所示，LCT 可以接收来自 AGBG 调节器的微调，以减少 LCT 和 AGBG 之间的相互作用。

速度大师

为了保证轧机的稳定性，需要协调机架和卷取机的速度。这是由被称为“速度主控”的前馈控制器完成的。为了防止热轧过程出现不稳定问题，选择一个机架作为“枢轴机架”，并通过其他机架的适当速度变化来前馈补偿枢轴机架的速度变化。为此，必须尽可能准确地了解所有支架的“前向滑差”(FS)，即表示支架电机“角速度”(As) 之间关系的以下系数和出口带速度（Vout）。这由等式 FS =Vout / RAs 表示，其中 R 是工作辊的半径。通常，FS系数是通过安装在2级自动化系统中的合适的数学模型以及其对张力设定点和带材速度的敏感性来估计的。

应用于精轧机的多变量控制

近年来，先进的控制技术得到了实施，现在被认为在 HSM 精轧机的厚度控制方面已经确立了良好的地位。主要目的是提供一个多变量框架，以便将在 HSM 过程中起作用的主控制器（更准确地说，AGBG、LCT 和 LCS）集成在一个控制器中，从而减少各种任务之间可能的干扰，并且不仅允许在实现超薄规格的过程中，提高性能，同时降低鹅卵石的概率。

因此，多变量控制应用于中间机架，以便一起执行由某个（第 n 个）机架实现的 AGBG 以及应用于下游活套的 LCT/LCS（图 5）。使用高级控制的另一个原因是必须引入关于与林分伸展知识相关的可能不确定性的先验鲁棒性：事实上，有可能证明存在强不确定性的知识磨模量会导致 AGBG 不稳定。另一方面，拉伸的测量是离线进行的，它与支架磨损一起受到时间变化的影响。

图5 多变量控制在热连轧机中的应用