热带钢轧机高精度厚度控制自动化技术

热带钢轧机自动化与厚度控制

金属轧制工艺的经济效益与终轧产品质量水平高度相关。平板钢材轧制是复杂过程，产品质量受来料、机电设备、工艺参数、润滑、自动化控制策略等多因素影响。关键质量参数为材料厚度、形状、表面及应力分布均匀性。为优化成本效益、最大化材料利用，厚度公差必须严格，使带钢轧制尽可能接近最小允许厚度。只有机电仪表设备与控制策略良好结合，产品质量才能有效优化。

热带钢轧机（HSM）将矩形截面、厚度250-350mm的连铸板坯压缩轧制成薄板带钢至目标厚度。部分钢轧机可生产薄至1mm的带钢。典型HSM工序：(i) 推钢式或步进梁式加热炉加热板坯至最佳温度，(ii) 粗轧机（可逆式或多机架连续式）初步减薄，(iii) 精轧机由5-7个连续机架组成，减薄至目标厚度，(iv) 卷取机将长带钢卷取。

精轧机中，液压臂（称环形器）置于两相邻机架中间，保持带钢张力恒定。该机械系统动力学极不稳定，控制棘手。

自动化系统架构

板坯到热轧带钢的加工通过多工序完成，涉及机械与自动化技术。热带钢轧制不仅需要机械方案，还需适当控制技术。HSM轧制过程可通过标准软件和自动化架构控制，包含四个自动化层级。

自动化系统非轧机性能唯一决定因素。但对于给定机电设备配置，仅靠高性能控制与自动化才能实现轧机潜在性能。需关注产量与质量，控制在实现良好性能中尤为关键。产量与质量正负向相互作用，定义控制系统时须考虑这些交互。

产量控制

轧机极限产量受机电硬件能力限制。持续接近极限产量需高质量控制与自动化。高产量时，三个或更多工件可同时在轧机不同加工阶段。为避免灾难性碰撞，精确跟踪必不可少。跟踪系统利用轧机仪表信号和工艺信息（如工件轧制时长度增加）维护轧机动态地图，须对单个仪表丢失具有鲁棒性。

产量控制前瞻轧制计划，确定加热炉、粗轧机、精轧机、卷取机哪部分限制产量，控制限制环节达最大产量，其他环节匹配该产量。这提高能效、减少设备磨损、降低成本。

产量与质量也相互作用。产量增加使控制更难，维持质量和收率需精心设计控制系统。质量与产量控制也有正向交互。例如，为在精轧机获得更大范围和精度的温度控制，通常装机架间冷却喷淋。这些喷淋控制维持出口带钢温度，同时可用于提高精轧机轧制速度，同时保持目标出口温度。

质量控制

自动化系统主要目标是控制轧机设备使轧制卷材满足规格要求的尺寸（厚度、宽度、轮廓、平直度）和材料性能。控制质量参数有两方面：(i) 工件头部穿过轧机时的控制，(ii) 轧制卷材过程中控制轧机设备维持目标质量参数。

两种控制模式：(i) 轧机设定，(ii) 动态控制。两种模式因测量可用性不同而控制策略根本不同。带钢穿入轧机时，终端质量参数无测量值（带钢未到达测量仪表），控制靠前馈和基于模型控制。轧机装满后，可直接测量（部分）终端质量参数，动态反馈控制投入运行。两种模式精度都重要，良好头部质量带来高收率。HSM宽度控制也重要。卷材常按长度而非重量销售，超宽即收率损失。

带钢形状由两个相互作用参数定义：(i) 轮廓，(ii) 平直度。轮廓指带钢宽度方向厚度变化，下游加工须控制。要求带钢长度和宽度方向厚度均匀。平直度指带钢无外力作用下平躺能力，对下游加工也重要。平直度缺陷源于轧机中比例轮廓（轮廓除以厚度）控制不良，故轮廓与平直度控制相互作用。

平直度控制问题不同于轮廓，因平直度不仅在轧机出口重要，在精轧机架间隙也重要。机架间严重平直度缺陷导致精轧机轧制过程不稳定，完全失控并毁坏卷材形成粘连。这代表收率损失，也因清理粘连停机影响轧机可用性。

除尺寸参数外，其他质量参数也重要。特别重要目标是控制成品带钢力学性能。力学性能很大程度由微观结构决定，微观结构在一定程度上由应变决定，很大程度由轧制卷材温度历史决定。当前控制自动化系统通过控制带钢在轧机出口与卷取机间冷却床上冷却时的温度演变，间接控制微观结构。冶金专家定义目标冷却轨迹，控制系统调整冷却床喷淋和精轧机速度，尽可能准确匹配期望温度轨迹。

控制系统结构

HSM控制目标用产量和产品质量参数表达。但控制实际范围极广：从毫秒或亚毫秒级操作速度的单个局部高速位置控制回路，到小时或更长时间尺度的整体工件调度任务。所有控制都贡献自动化系统所需整体性能，但目标常用更适合特定控制器时间尺度的子目标表达。例如位置回路目标可用响应需求位置变化的变化率和超调量表达，而产品通过轧机的整体调度可用满足生产计划速度表达。

这种时间尺度和单个控制范围的差异反映在轧机广泛使用的多层控制系统结构中。图1展示此类多层系统框图。各层级功能分界不清晰，具体功能实现在第1层还是第2层因安装而异，也随更好控制方法和设备发展而变化。

图1 热带钢轧机工艺典型自动化系统结构

第0层

最底层控制，包括轧机中定位辊子的液压胶囊控制回路、驱动轧机主电机的控制回路等。

第1层

主要关注工件内控制。此层出现带钢厚度、温度等质量参数。但第1层回路目标常为第2层提供的子目标。例如第1层控制回路控制精轧机中间机架出口厚度，此厚度模式由第2层设定以在机器和工艺约束下达到所需轧机出口厚度。

第1层自动化直接与底层设备（执行器和传感器）交互。实现实时控制回路和逻辑序列。快速采样（1毫秒）和高算力通过VME（Versa Module European）架构技术实现。常规PLC最小采样时间10毫秒。人机界面（HMI）为操作员提供实时工艺视图。

第2层

直接针对质量和产量参数控制。运行域比第1层宽得多，完善系统覆盖加热炉、粗轧机、精轧机、冷却床一体化控制。非常关注工件间轧机设定控制，但常包含部分动态工件内控制。通常第2层动态控制关注如精轧机整体协调控制。局部控制回路更适合第1层。第2层控制多为前馈和基于模型。良好控制性能需工艺预测模型（如变形和温度模型）和机器、传感器动态模型。最先进轧机控制所需大部分工艺模型驻留此层。

第2层自动化提供高层控制功能和工具：最优厂房设定计算、生产报表生成、产品质量统计分析。特别是利用工艺数学模型生成合适厂房设定。通过自适应（基于厂房反馈的辨识技术递归改进模型预测可靠性）在不同时间变化工况下实现物理模型可靠性。工艺信息和生产历史档案存入数据库（DB），工艺工作站（PWS）为第2层工具提供图形界面。

第3层

第3层自动化系统为顶层生产监督（即制造执行系统MES功能）、堆场管理、同一厂区不同工艺第2层间协调提供额外工具。第3层负责协调HSM生产工艺与上下游生产工艺间的生产调度。

第3层主要作为热带钢轧机调度器。接收轧机订单簿，按轧机排程规则组织成通常100-200工件的轮次。除HSM本身外，第3层还考虑上下游工艺和库存区。排程规则本质上是轧机全局模型，使调度器能组织轮次，使所需质量参数在轧机设备约束内实现。传统上最重要因素是轧机辊子轮廓随磨损和热膨胀的演变。由此衍生“棺材型”调度：起轧窄规格，随辊子热中部隆起增加快速增宽，随辊子磨损逐渐减窄。

HSM应用的控制技术

过去40-50年，HSM先进控制和建模解决方案在多方向发展：(i) 多变量控制技术自1970年代提出用于精轧机，现视为控制通用轧机机架及下游环形器或卷取机的成熟工具；(ii) 开发各种模型预测材料特性（按材料温度和轧制过程）并应用控制调节卷取温度；(iii) 开发先进控制技术补偿摩擦现象；(iv) 开发模型和控制器改善材料平直度和轮廓；(v) 最近引入转向控制技术，通过降低粘连事件概率提高生产率。图2展示带第1层控制的典型热带钢轧机布局。

图2 带第1层控制的典型热带钢轧机布局

厚度调节控制技术

图3展示应用于HSM的厚度调节示例，通常配备以下传感器。厚度调节所需仪表和传感器如下。

厚度和轮廓测量仪

基于X射线技术，测量工件中心线厚度。测量仪很少安装在移动小车上，可测量整个卷宽度方向厚度轮廓。通常在轧机最后一机架末端安装一套厚度/轮廓测量系统。

测力传感器

用于测量轧制力，是HSM厚度调节基本测量信号。若无测力传感器，可用主油缸压力变送器产生的液压力信号作替代测量。

测力传感器有时装在环形器上以直接测量机架间带钢张力。此情况下，作用在环形器液压缸上的压力变送器力信号也可作替代测量。

图3 热带钢轧机厚度控制

基本控制器与外部控制器有区别。基本控制器负责为物理执行器实现参考值；外部控制器为基本控制器产生参考值以达到目标。厚度控制通过以下基本控制器实现。

液压压下控制（HGC）

HGC由控制器实现，接收压下参考值，测量液压缸位置编码器反馈的压下值，产生伺服阀指令控制油流量驱动油缸运动。测量压下值因机架弹性伸长可能与物理辊缝显著不同。

扭矩控制器（TC）

TC控制两个卷取机产生的扭矩。接收由“扭矩张力控制（TCT）控制器”产生的扭矩参考值，旨在保持带钢卷取/开卷张力恒定。

速度控制器（SC）

SC负责调节机架速度。为实现轧制稳定，速度参考值须与轧机其他操作协调。

液压扭矩控制器（HTC）

HTC控制环形器产生的扭矩。

自动厚度控制（AGC）

HSM配备自动厚度控制（AGC）系统以实现热轧带钢目标厚度。AGC是厚度调节系统。在HSM应用中，AGC严格要求获取每个机架的弹性伸长量。获取机架伸长量在HSM极重要，冷轧机则不那么重要。

机架伸长量指主液压缸（即HGC油缸）产生压缩力时机架机械结构的弹性行为。实施HSM的AGC须预先知晓此特性，为此实施并执行适当离线控制序列，称“伸长量获取序列（SAS）”。

SAS通过使工作辊接触，线性修改HGC位置参考值从最小到最大。每个位置参考值下，用测力传感器（或HGC液压力测量）测得的力记录下来，建立如图4所示伸长特性曲线。记录通常进行两次：第一次增大HGC位置参考值（上行读数），第二次减小（下行读数）。

上下行读数差异与机架弹性行为非微滞后有关。最终存储满足下式的最佳拟合多项式曲线执行AGC任务。式中F为测得力。

图4 热带钢轧机伸长特性

需指出：轧制中可充分利用伸长特性“stretch”（F）获取工件出口厚度h的间接测量，因方程 h' = S + F(stretch)，其中h为所考虑机架带钢出口厚度，h'为由上式导出的估计值，S为液压缸编码器测得的所考虑机架测量辊缝，F为测得轧制力（来自测力传感器或HGC压力）。此方程常称“厚度计方程”，常引入“轧机模量”Mm（机架弹性常数）简化为 h' = S + F/Mm。通常常规AGC实现基于第一个方程，基于模型的先进控制器综合可利用第二个方程的线性版本。

HSM中AGC旨在通过补偿多种现象（如机架伸长滞后、材料硬度因温度波动变化等）作用于所有HGC位置参考值保持带钢厚度恒定。为此须考虑：机架间有环形器意味着一机架调节不影响相邻机架调节，前提是环形器确保有效机架间张力控制。这是HSM与冷轧机AGC控制架构显著不同的主要原因。

HSM中AGC由多个协作的外部控制器实现。特别是两个控制器负责控制环形器。

扭矩环形器控制（LCT）

LCT通过作用于HTC使用的扭矩参考值调节机架间张力。通常LCT由环形器上测力传感器产生的张力误差驱动，或由环形器液压力导出的机架间张力估计驱动。

速度环形器控制（LCS）

LCS旨在通过作用于上游机架速度参考值（即作用于上游机架SC的参考值）调节环形器角度位置。此调节器也称质量流量调节器。

中间机架和最后一机架厚度调节方式不同。实际上中间机架无直接厚度测量，故按上述两个方程的厚度计原理间接测量厚度。因此图4所示AGC由以下两个调节器组成。

绝对厚度控制，反馈通过辊缝（AGBG）

AGBG应用于所有无直接厚度测量装置的中间机架，基于厚度计原理生成相应HGC辊缝参考值的修正量。该控制器也负责针对支撑辊轴承油膜变化、工作辊因接触带钢热膨胀、辊子直径因磨损变化的前馈补偿。

监控厚度控制，反馈通过辊缝（MGBG）

MGBG旨在利用轧机出口X射线测厚仪反馈的厚度，使离开精轧机最后一机架的带钢厚度保持目标值。偏差信号用于修正所有机架HGC辊缝参考值。专用算法定义如何在所有精轧机架间分配修正量。但实施MGBG主要问题：必须严格考虑X射线测厚仪与实施修正机架间的传输延迟。

最后，如图3所示，LCT可接收AGBG调节器修正量以减少LCT与AGBG间相互作用。

速度主控

机架和卷取机速度须协调以确保轧机稳定。此前馈控制器称“速度主控”。为防止热轧过程不稳定，选一机架为“枢轴机架”，通过适当其他机架速度变化前馈补偿枢轴机架速度变化。为此，必须尽可能精确知道所有机架“前向滑移”（FS），即机架电机“角速度”（As）与出口带钢速度（Vout）关系系数。公式 FS = Vout / (R·As)，R为工作辊半径。通常FS系数由安装在第2层自动化系统的适当数学模型及其对张力设定点和带钢速度的灵敏度估算。

精轧机应用的多变量控制

近年先进控制技术在HSM精轧机厚度控制中实施，现视为成熟技术。主要目的是提供多变量框架，将HSM过程中起作用的主要控制器（精确说：AGBG、LCT、LCS）整合为单一控制器，减少各任务间可能干扰，不仅提高性能还降低超薄规格实现时粘连概率。图5展示应用示例。

多变量控制应用于中间机架，将某（第n）机架实现的AGBG与下游环形器应用的LCT/LCS结合（图5）。使用先进控制另一原因：需针对机架伸长量认知可能不确定性引入先验鲁棒性。事实上，可证明轧机模量认知存在强不确定性会导致AGBG不稳定。而伸长量测量离线进行，随机架磨损随时间变化。

图5 热带钢轧机多变量控制应用