精轧机组主速度链及活套计算机控制系统

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.06.013 第17卷第6期 北京科技大学学报 Vol.17 No.6 199512 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1995 精轧机组主速度链及活套计算机控制系统* 童朝南 李洪贺孙一康 北京科技大学自动化信息上程学院，北京100083 摘要根据带钢热连轧机精轧机组主速度链及话套控制模型，用C语言软件实现了主干速度设 定和活套控制功能，结合实际对象模型，进行了仿真实验并给出结果。 关键词热连轧机，主速度链，活套挖制，计算机控制 中图分类号TP278 Hot Strip Mill Computer Control System of Master Speed and Looper Tong Chaonan Li Honghe Sun Yikang Automation Engineering College.USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT According to the model of finisher master speed and looper in hotstrip mill,it is finished that master speed setup and looper height close loop control by computer control sys- tem and C language.The actual object model is used in computer simulation and the simulating result is given. KEY WORDS hot strip mill,master speed,looper control,computer control 国内窄带连轧机组有10余套，其主速度链和活套控制均采用继电器联锁、模拟器件运算 装置实现.这种控制普遍存在可靠性差，性能单一，精度低等缺点，难以满足当今生产高质量 产品的要求，限制了机组总体性能的提高.为此，我们根据某企业连轧机改造工程，利用计算 机控制技术的优势，用软件实现了主速度链设定和活套控制功能，以代替原有模拟运算装 置，来达到提高系统性能之目的， 1 主速度和活套控制模型 1.1 主速度设定模型 热连轧机正常轧制必需保证机架间秒流量相等，即： b,·h,·v,=常数 (1) 其中：b,为第i机架带钢宽度；h:为第i机架带钢出口厚度；v,为第i机架带钢出口速度. 考虑到带钢宽展量可以忽略和前滑因素，(1)式可表示为： h,×(I+S)×Vm=常量， V.=(DD)×Vt (2) 1994-12-10收稿 第一作者男40岁硕士副教授 ·治金部重点推广项目

第 71 卷 第 6 期 北 京 科 技 大 学 学 报 一姚 年 一2月 Jo um a l o f U ni ve rs it y o f S d nce a n d Te hc n o l o g y Be ji i n g V旧 . 17 N心 . 6 1) 沈 。 1竺地巧 精轧机组 主速 度链及 活套计算机控制系 统 ’ 童朝南 李洪贺 孙 一 康 J匕京科 技大学 自动 化 信息工程 学 院 , 北 京 1X( 幻8 摘要 根据带钢热连轧机精轧机组主 速度链 及 活套控制模型 , 用 C 语 言 软 件实现 了 主 干 速 度设 定和 活 套控制功能 . 结合 实际对象模型 , 进行 了仿真实验并给出结果 . 关键词 热连轧机 , 主 速度链 , 活套控制 , 计算机控制 中图 分类号 T P 2 78 H o t S tr iP M il C o m P ute r C o nt r o l S ys te m o f M a s te r S P e e d a dn oL o pe r 五川 9 hC a on a n L I H 口” 纳 e uS n y ik a n g nA t o 皿t l o n E吧ne gn 肋 Il ge , U S T B , Biej i n g l(阅旧8 3 , P R C A B S T R AC T A “ 刀 dr i n g to t h e mo d el o f if 此h e r 1 1习 S ter s P 。 汉1 a n d l o o P er in ho ts itr P m ill , it is 石n is h时 t h a t r 么s etr s P。 汉1 set u P a n d l o o Per h e ig h t d o se lo o P co n otr l b y co m P u etr co n tDI I s ys - 沈 m a dn C l a n g au g e . hT e a ct au l o bj 呱 mo del 15 us de i n co m P u etr s ir n u l a ti o n a n d ht e s im ul a it n g esr ul t 15 ig ven . K E Y W O R 】粥 h o t s州 P I俪 11 , ams etr s P“ 划 , OI o P e r co n t or l , e o m Pu etr co n tDI I 国 内窄带 连轧机 组有 10 余 套 , 其主 速度链 和 活套 控制均 采 用继 电器联 锁 、 模 拟 器件 运 算 装置 实现 . 这 种控制普 遍存 在可 靠性 差 , 性 能单 一 , 精 度 低 等 缺 点 , 难 以 满 足 当今 生 产高 质 量 产 品的要 求 , 限制 了机 组 总体性 能 的提 高 . 为此 , 我 们 根 据某 企 业连 轧机 改 造工 程 , 利 用 计 算 机 控 制技 术 的优 势 , 用 软件 实 现 了主 速 度链 设 定 和 活 套 控 制功 能 , 以代 替 原 有模 拟 运 算 装 置 , 来达到 提高 系统性 能之 目的 . 1 主速度和 活套控制模型 L l 主速 度设定模型 热连 轧机正 常轧制 必需 保证机 架 间秒 流量相等 . 即: b : · h * · 。 。 = 常数 ( l) 其中 : b , 为第 i 机架 带钢 宽度 ; h ` 为第 i 机架带钢 出 口 厚度 ; 。 : 为第 i 机架带 钢 出 口 速度 考虑到带 钢宽展量 可 以 忽略和前 滑 因 素 , ( l) 式可表 示为 : 入 , x ( l + s : ) x 嵘 = 常量 , 叭 : = (D 户) x 砚 (2 ) 1望洲一 12 一 10 收 稿 第一 作者 男 40 岁 硕士 副 教 授 * 冶金 部重 点推广 项 目 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1995. 06. 013

…558* 北京科技大学学报 1995年N0.6 其中：V为第i机架轧辊速度；为第i机架原公称速度；S,为第i机架前滑量. 计算机根据工艺要求和实际的辊径值经运算给出各机架轧辊速度设定值，本软件即在此 基础上进行主速度分配，对于第ⅰ机架而言其速度模型如下： VRef F[间=VSet_Ft+V adj F0+V SDD F间+VAGC_F阿+V Loop.F[ +V SDL F间+Vmov_F0*V Set F[i+/N_Set_Ft+刂(3) 其中：V Ref F可为第i机架速度给定；v adj F[叼为第i机架速度粗调值； VSDD_F间为第i机架速度手动单调；V SDL F[间为第i机架速度手动联调； VovF[间为第i机架速度逐移信号；V Loop F间为第i机架活套高度调整值； V AGC F[)为第i机架AGC速度调整值· 1.2活套控制基本模型 (1)电动活套张力模型 热连轧机组中存在活套时，其机架间带钢张力主要是靠活套电机力矩产生的·在正常 轧制时，活套电机处于电流环工作，其力矩表达式为： M=MT+M+Mw+Mp+M+M (4) 其中：Mr为张力矩；M为机架间带钢重力矩；M2为活套臂重力矩；Mo为活套摆动 所需的动力矩；M,为弯曲带钢所需的力矩；M为克服摩擦所需的力矩， 考虑到M、Mr影响小，M:在静态时为零.所以静态活套电动机总输出力矩为： M=Mw1+M2+Mr在动态调整时再加入M补偿，根据活套示意图（图1），我们很容易推 出以下表达式： M.=M+M=W Cos0 x R+Koose (5) 其中：W为机架间带钢质量；K为实际活套的结构和质量. 根据有关经验方案，(5)式可改写成如下表达式： Mw=Kw1·R·cos0 (6) M2=(R'/G)·T·sin(e+)-sin(g-a〗 (7) R'={d4+R2+d·R·sin[0-(a-)/2]} 9 6=arctg[(d2+R·sin6-L)/MR·os0+L】 R θ'=arctg[(R·sin9+d/2)/(R·oos)] 其中：G为活套电机减速比；T:为第i活 套处带钢张力值；K为系数，与带钢的宽度和 厚度值有关· (2)活套高度控制模型 图1活套示意图 根据活套的几何尺寸，可知在某角度下的机架间套量值如下： 1=[(L+Rcos0)+(Rsin0-L+d/2)+[(L-L-Rcos)+(Rsin-L2+d/2)]2-L (8) 只要测出实际的活套位置可知实际的套量·根据设定套量值相比较，对前机架速度补 偿，即可实现：△L=【-1≤常数，'为设定套量；，为反馈套量，使保持活套工作在某 角度值附近，而实现恒高度控制·

北 京 科 技 大 学 学 报 1卯 5 年 N 6 . 6 其 中 : 气 `为第 i 机架 轧辊 速度 ; 代 ,为第 i 机架原 公称速 度 ; 尽为第 i 机架 前滑量 . 计算 机根 据工 艺要求 和 实际的辊 径值 经运算 给 出各 机架 轧辊速 度设 定值 , 本软 件即在 此 基础 上进 行主 速度分 配 . 对于第 i 机架而 言其 速度模型 如下 : V 一R e -f -F l[] 二 V 一多et 一 J 了 l[] + V 一多dj 一王 , 【l] + V 一多D D 一 ` F【习+ V一人C C 一少 , 【l] + V一助 o P ~ 一 F【习 + V es 多 D L 一F〔习+ V - -n 拍 v 一 一 F l1[ * V 一多e t一歹卜+ l] V/ 一多et 一厂f i + l 』 (3) 其 中: V 一 ~ 只e f 一 万阔 为 第 i 机 架 速 度 给 定 ; V 一多dj 一F阔 为 第 i 机 架 速 度 粗 调 值 ; V 一多D D 一F 阔 为 第 i 机 架 速 度 手 动 单 调 ; V 一多D L e e F【Q 为 第 i 机 架 速 度 手 动 联 调 ; V一卫力 v 一王l[] 为 第 i 机 架 速 度 逐 移 信 号 ; v ` 切 o p 一王l1[ 为 第 i 机 架 活 套 高 度 调 整 值; V一产G C 一王 , 【l] 为第 i 机架 A G C 速度 调整值 . 1 .2 活套控制基 本模型 ( l) 电动 活套 张力模 型 热连轧 机组 中存 在活 套 时 , 其机 架 间带钢张力 主要 是靠 活 套 电机 力 矩 产 生 的 . 在 正 常 轧制 时 , 活 套 电机处于 电流环工 作 , 其力矩表 达式 为: M = MT + Mw , + 材祝 + oM + 峡+ M 。 (4 ) 其 中: 材 T 为 张力 矩 ; M 切 : 为机 架 间带 钢重力矩 ; M 切 : 为活套 臂重 力矩 ; 材 D 为 活套 摆 动 所需 的动 力矩 ; 材橄为弯曲带钢所 需的力 矩 ; fM 为克服 摩擦所 需 的力矩 . 考 虑 到 城 、 fM 影 响 小 , 从 在 静 态 时 为 零 . 所 以 静 态 活 套 电 动 机 总 输 出 力 矩 为: M = 材 w l + 材叨 + 材 T 在动态 调整 时再加人 M 6补偿 . 根据 活套 示 意 图 ( 图 1) , 我们 很 容 易 推 出以 下表 达式 : 对 w = Mw . + 材叻 = * I co s o x R + 犬由5 8 ( 5 ) 其中: wl 为机 架 间带 钢质量 ; K 为 实际活套 的结构 和质 量 . 根据 有关 经验方 案 , ( 5) 式 可改写成 如下表 达式 : (0)7 I/ 了 咐扩l/ M w = X w : · R · co s o .Mr = (R ,/ )G · 不 · s[ in ’(0 + 灼一 s in ’(0 一 喇 R ` = d{ 4z/ + R Z+ d · R · s in [ o 一 恤一 刀)2/ l} ’尽 0 = a心 g【d( 2/ + R · s in o一 勾 /R[ · co s o+ L ,)] / ! 一` 8 ` = a rC tg【(R · s i n s + d / 2 ) / ( R · co s s ) 』 其 中: G 为活套 电机 减速 比 ; T ` 为第 i活 套处带 钢 张力值 ; K 为系 数 , 与带钢 的宽度和 厚度值 有关 . ( 2) 活套 高度 控制模 型 图 1 活套示意图 根 据活 套 的几 何 尺寸 , 可知在 某角 度 0 下的机架 间套量值 如下 : l = [(L 1 + R co s 口) , + (R s i n 口一 几+ d / 2 )勺 ’ 口 + [(L 一 L , 一 R co s了+ (R s in 一 几+ d / 2力 `尽 一 L ( 8 ) 只要测 出实 际的活 套位置 可知 实 际 的套 量 . 根 据设 定 套 量值 相 比较 , 对 前 机 架速 度 补 偿 , 即可 实现 : AL 二 r 一 I f 簇 常数 , ’I 为设定套 量 ; 寿为 反馈 套 量 , 使 保 持 活 套 工作 在 某 角度值 附近 , 而 实现恒 高度控 制

Vol.17 No.6 童朝南等：精轧机组主速度链及活套计算机控制系统 .559. 2主速度链和活套控制软件的功能 应用软件是在分布式计算机控制系统硬件支持下，使用C编程语言，在DOS操作系统 支持下工作.采样控制周期定为20s,定时采样由时间任务中断功能完成.全部软件均通过 两组任务调度模块启动，其结构图见图2所示·任务调度模块适应不同的轧制情况，正确地 控制机组运行. 数据输人 活套系统调度 主速度设定调度 起套模块 工作模块 落套模块 异常处理 粗调模块 精调模块 运行模块 输出模块 图2主速度及活套控制软件结构 2.1主速度链软件结构及功能 (1)速度预调整功能通过粗调模块达到设定速度要求，并考虑到调速系统的精度和误 差，利用精调模块实现机组速度的预整定，确保设定时秒流量相等， (2)信号逐移功能针对下游机架的速度调整，按一定的百分比同时对上游机架进行速 度调整，从而避免因下游调整对上游机架的影响. (3)咬钢时的动态补偿功能根据预设定机架负荷，针对设定速度进行动态补偿，对下 几个机架尤其重要，从而减少在后机架咬钢时形成过大套量，避免事故发生，提高活套控制的 可靠性， (4)异常处理功能根据过程量的变化，对一般故障和紧急故障分别采取不同的处理方 式，一方面减少生产消耗，另一方面保证设备的安全性. (5)数据鉴别功能根据轧线上可能出现多根钢材的情况，保证对钢材的准确控制，避 免控制数据的混用，实现控制数据和带材的一致性， 2.2活套控制软件功能 活套控制软件结构如图2，其投人运行是通过MMI确定，根据活套工作的不同阶段，通 过任务检出模块实现活套控制.它有如下功能. ()起套软接触功能在初始起套时，活套电机以高速大电流方式快速起套.在接近工 作角附近时，根据设定张力矩的值进行力矩切换，保持在接触带钢前活套电动机力矩达实际 设定要求

vo l . 17 N 6 . 6 童朝南等 :精轧机组主 速度链及活套计算机控制系统 · 595 · 2 主速 度链和 活套控制软件的功能 应用 软件是在 分布式计 算机控 制系 统硬件 支持下 , 使 用 C 编 程语 言 , 在 I X粥 操 作 系 统 支持 下工作 . 采样 控制周期 定为 20 此 , 定 时采样 由时间任务 中断 功能完 成 . 全部软件 均通过 两组 任务 调度模块 启动 , 其结 构 图见 图 2 所示 . 任务 调度 模块适 应 不同 的轧 制情况 , 正 确地 控制机 组运 行 . 咨 起套模 块 } }工作模 块 } }落套模块 { } 异常处理 { }粗调模 块 ! !精调模块 1 {运行模块 图 2 主速度及活套控甲制软件结构 .2 1 主速 度 链软件 结构 及功能 ( l) 速度 预调 整功 能 通 过粗调模 块达 到设定 速度要 求 , 并 考 虑 到调 速 系 统 的 精 度 和 误 差 , 利 用精 调模块 实现机组 速度 的预 整定 , 确保 设定 时秒 流量相 等 . ( 2) 信 号逐移功 能 针对下 游机架 的速度 调整 , 按一 定 的百分 比 同 时对 上 游 机架 进 行速 度 调整 , 从而避 免 因下游调整 对上游机 架 的影 响 . ( 3) 咬钢 时的动态 补偿功 能 根 据 预设定机 架 负荷 , 针 对设 定 速 度 进 行 动 态 补 偿 , 对下 几 个机架 尤 其重要 , 从而减少在 后机架 咬钢 时形成 过大套 量 , 避免 事故发 生 , 提 高 活套 控 制 的 可靠 性 . ( 4) 异常处理功 能 根据过 程量 的变化 , 对 一般故 障和 紧 急故 障分 别采 取 不 同 的处 理方 式 , 一 方 面减少 生产 消耗 , 另 一方 面保证 设备 的安全 性 . ( 5) 数 据鉴别 功 能 根 据轧 线上可 能 出现多根 钢材 的情 况 , 保 证 对 钢材 的准 确 控制 , 避 免控 制数 据 的混用 , 实现控制 数据和 带材 的一致 性 . .2 2 活套控制软 件功 能 活套 控制软 件结构 如 图 2 , 其投 人运 行是通 过 M M I 确定 . 根据 活套工 作的不 同 阶段 , 通 过任务 检 出模块 实现 活套控 制 . 它有如 下功 能 . ( l) 起套 软接触 功能 在初 始起 套时 , 活套 电机 以 高速大 电流 方 式 快 速 起 套 . 在 接 近 工 作 角附近 时 , 根据设 定张力矩 的值 进行 力矩切 换 , 保 持 在 接触 带钢 前 活套 电 动机 力 矩 达 实 际 设定要 求

·560· 北京科技大学学报 1995年No.6 (2)落套无甩尾功能通过对带材的跟踪，保证在带钢离开机架以前，将活套电机电流 切到足以维持重力矩水平，并在抛钢后快速下降活套，从而减少带材抽打轧辊. (3)智能化套高调整功能不但根据实际套量的偏差对高度进行调整，而且根据秒流量 变化趋势和相同时刻的套量偏差大小，进行变参数PD高度控制，提高调整速度和精度， (4)恒张力控制热轧带钢严禁拉钢轧制，为了更好地控制轧制，采用带一定张力而不 影响产品质量，实际张力是根据设定值和不同活套反馈角得到控制活套电机力矩，从而保持 不同位置张力恒定. (5)异常处理针对轧制时活套装置的运行情况和轧制条件，为保证轧制安全，避免设 备事故，对异常状态进行处理. 3仿真结果分析 100 80 为不失一般性，我们根据三机架连轧时进 60 40 行仿真，并重点从速度逐移和活套调节这两方 面对控制的性能进行测试仿真.其调节结果见 图3所示. -20 从图3中可以看出在3#机架突降2%速 -40 度情况下，活套偏离设定角度产生套量变化. -60 在高度调节作用下用2秒左右消除速度变化的 -80 -100 偏差，使活套器工作在原设定工作角.从图3(a) 0 t/s 中曲线3对应3#机架速度在时刻速度变 化，活套高度调节对1÷机架的逐移作用.由图 图3活套高度调节和速度逐移 3仿真结果可看出主速度链及活套控制过程. (a)表示了3#机架速度降2%时活套(2#~3护间) 在速度逐移和高度调节性能上，较好地满足连调整；)为活套调整时1：~产机架速度变化 轧机控制的要求，为实际应用奠定了基础.本文所研究的软件将应用于莱芜钢铁厂， 4结论 在目前国内10余套窄带轧机的模拟活套统中，尚无一套正常投入自动控制系统.而采 用数字化活套控制能使活套控制系统从理论走向实际应用，提高产品的宽度、厚度质量，轧 制效率. 参考文献 」万里雄等.热带热连轧机电动活套与套高控制系统分析与运行.电气传动，1991()2~9 2丁修坤.轧制过程自动化.北京：冶金工业出版社.1986 3唐谋风.现代带钢热连轧机的自动化.北京：冶金工业出版社，1988

北 京 科 技 大 学 学 报 l卯 5 年 N o . 6 ( 2) 落 套无甩尾 功能 通 过 对带材 的跟踪 , 保证 在带 钢 离 开机 架 以 前 , 将 活 套 电 机 电流 切到 足 以维持 重力矩 水平 , 并在 抛钢后 快 速下 降活套 , 从 而减 少带材抽 打轧辊 . ( 3) 智能 化套高 调整 功能 不但 根据 实 际套量 的偏 差 对高 度 进 行 调 整 , 而 且 根据 秒 流量 变化趋 势和相 同时刻 的套量偏 差 大小 , 进行 变参数 PDI 高度 控制 , 提 高调 整速度 和精 度 . ( 4) 恒张力 控制 热 轧带钢 严禁 拉钢 轧制 , 为 了更 好地 控 制 轧 制 , 采 用 带 一 定 张力 而 不 影响产 品质量 . 实际 张力是根 据设 定值 和不 同活套反 馈角 得到 . 控制 活套 电机 力 矩 , 从 而 保 持 不 同位置 张力恒定 . ( 5) 异 常处理 针对轧 制时 活套 装置 的运行情 况和 轧 制条 件 , 为 保 证 轧 制 安 全 , 避 免 设 备事故 , 对 异常状态 进行 处理 . 3 仿真结果 分析 为不 失一般 性 , 我 们 根 据 三 机 架 连 轧 时进 行仿真 , 并重点 从速 度逐 移和 活 套调节 这两方 面对控制 的性能 进行 测 试仿 真 . 其调 节 结 果 见 图 3 所示 . 从 图 3 中可 以看 出在 3 # 机 架 突 降 2 % 速 度情况下 , 活套偏 离设 定 角 度 产 生 套 量 变化 . 在高度调节 作用 下用 2 秒 左右 消除速 度变化 的 偏差 , 使活 套器工 作在 原设 定工作角 . 从 图 3( a) 中曲线 3 对 应 3 # 机 架 速 度 在 t l 时 刻 速 度 变 化 , 活套高 度调节 对 1# 机 架的逐 移作用 . 由图 3 仿 真结果可 看 出主速 度链及 活 套 控制 过 程 . 在速度逐 移和 高度调 节 性 能 上 , 较 好 地 满 足 连 10 0 80 6 0 2040 0 一闷三 一 2 0 一 4 0 一 6 0 一 8 0 一 10 0 a 八 = l l一 . l一 v 丫 i } , 一 l{ b . !! !l 了 l 矿 图 3 活套 高度调节和速度逐移 ( a) 表示 了 梦 机架速 度降 2% 时活套 (护 一 萝 间 ) 调整 ; (b ) 为活套调整 时 1 # 一 犷 机架速度变化 轧机控 制 的要求 , 为实 际应用 奠定 了基础 . 本 文所研究 的软件 将应 用于莱 芜钢 铁厂 . 4 结论 在 目前 国内 10 余 套 窄带 轧机 的模 拟 活套统 中 , 尚无一套 正 常投 人 自动 控 制 系 统 . 而 采 用数字化 活套控 制能使 活套 控制 系统从 理论 走 向实 际应用 , 提高 产 品的宽度 、 厚度 质量 , 轧 制效率 . 参 考 文 献 1 万里雄等 . 热带热连轧机 电动活 套与 套 高控制 系统分析与 运 行 . 电 气传动 , 1卯1(l :) 2 一 9 2 丁 修坤 . 轧制过程 自动化 . 北京 : 冶金 工 业 出版社 , 1986 3 唐谋风 . 现代带钢热连轧 机的 白动化 . 北京 : 冶金工 业 出版社 , 19 8