本文是一篇工業(yè)生產(chǎn)論文范文，論述了智能控制在串列軋機(jī)TCS系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，選自期刊《工業(yè)控制計(jì)算機(jī)》。同類期刊推薦《中國工業(yè)年鑒》雜志是由國務(wù)院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)主管，國資委研究中心和國家發(fā)改委經(jīng)濟(jì)運(yùn)行局主辦的國家級(jí)經(jīng)濟(jì)類專業(yè)期刊，是由 中華人民共和國新聞出版總署、正式批準(zhǔn)公開發(fā)行的優(yōu)秀期刊。
　　摘要：AGC自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)和HGC液壓輥縫控制系統(tǒng)是TCS系統(tǒng)的兩個(gè)重要組成部分，本文重點(diǎn)介紹兩種控制原理在串列軋機(jī)中的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：TCS,AGC,HGC,HAPC,APC

　　一、引言

　　萊鋼大H型鋼生產(chǎn)線是目前國內(nèi)最先進(jìn)的H型鋼生產(chǎn)線之一，串列軋機(jī)是該生產(chǎn)線最重要的設(shè)備之一。在控制系統(tǒng)方面，串列軋機(jī)輥縫自動(dòng)控制由西馬克TCS系統(tǒng)完成，并引入工業(yè)以太網(wǎng)和Pmfihus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線組成二級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。TCS系統(tǒng)是萊鋼大H型鋼串列軋機(jī)自動(dòng)化控制的核心內(nèi)容，其中AGC系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心，是一種自動(dòng)的厚度控制檢測(cè)系統(tǒng)，而HGC系統(tǒng)是一種液壓輥縫控制系統(tǒng)。

　　二、系統(tǒng)功能概述

　　串列軋機(jī)主要分為三個(gè)主要部分：UR，E，UF，三大部分基本獨(dú)立工作，TCS控制系統(tǒng)從程序上主要分為全局控制系統(tǒng)TMAC，這一級(jí)的控制在級(jí)別上為最高，下級(jí)又分為UR－Stac,E-Stac,UF-Stac等幾個(gè)模塊。在程序中各個(gè)資源控制用各種不同的標(biāo)志來區(qū)別，每個(gè)子系統(tǒng)由一個(gè)資源代碼ID進(jìn)行唯一的標(biāo)識(shí)，產(chǎn)生的每個(gè)狀態(tài)或事故報(bào)警均帶有資源代碼ID，這樣在信息和產(chǎn)生信息系統(tǒng)之間的分配是唯一的。在在軋制過程中，HGC為靜態(tài)軋制模式，而AGC為動(dòng)態(tài)軋制模式。

　　TCS的程序控制由分單元組成，宏觀單元的控制可以進(jìn)入到下一層控制。這在原理上與一般控制方式不同。在系統(tǒng)中每個(gè)控制單元可以獨(dú)立運(yùn)行，從邏輯上受控于TMAC，TMAC為最高級(jí)控制，負(fù)責(zé)全面的通訊及下級(jí)的模式。在結(jié)構(gòu)上主要分為下列幾個(gè)部分：

　　——實(shí)時(shí)處理，一個(gè)周期為3毫秒，在這個(gè)任務(wù)中任何中斷不能實(shí)現(xiàn)，每個(gè)周期的運(yùn)行都要被嚴(yán)格的執(zhí)行。各種模擬量信號(hào)的讀入與輸出都在這里被實(shí)現(xiàn)。

　　——EventT:事件控制器任務(wù)

　　——在這個(gè)任務(wù)中，各種外部觸發(fā)因素都會(huì)在這里被接收，并提交。

　　——StaT:狀態(tài)機(jī)器。

　　主要控制邏輯與技術(shù)參數(shù)，等價(jià)與其它程序中的順控。

　　——TimerT:時(shí)間間隔控制器

　　——在這里所有的時(shí)間同步控制與計(jì)算都在這個(gè)回路里被執(zhí)行。

　　三、控制實(shí)現(xiàn)

　　1.油膜厚度補(bǔ)償控制原理

　　大H型鋼串列軋機(jī)使用的是油膜軸承。當(dāng)軋輥轉(zhuǎn)速升高時(shí)，油膜厚度變厚；轉(zhuǎn)速降低時(shí)，油膜厚度變薄。軋輥轉(zhuǎn)速變化將直接影響油膜軸承的油膜厚度，進(jìn)而引起型鋼成材厚度的波動(dòng)，產(chǎn)生厚度公差，使型鋼尺寸的精度降低。為了滿足用戶的要求，需要進(jìn)行油膜厚度補(bǔ)償。

　　油膜厚度Qf與軋輥轉(zhuǎn)速n和軋制力P的關(guān)系式為：

　　Qf=（1）

　　式中，為軋輥轉(zhuǎn)速與軋制力之比的函數(shù)，為一未知常數(shù)。轉(zhuǎn)速可以通過主傳動(dòng)給出的運(yùn)行反饋速度獲得，壓力可以通過TCS系統(tǒng)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的壓力傳感器獲得，這些數(shù)據(jù)的獲取都是比較容易的。但是檢測(cè)儀器無法進(jìn)入軸承內(nèi)部對(duì)油膜厚度進(jìn)行直接測(cè)量。所以，油膜厚度只能通過校準(zhǔn)（或者稱為壓靠）的方法間接得出。

　　受油膜厚度變化影響的型鋼厚度h計(jì)算公式為：

　　h=G+f（P）-Of（2）

　　式中，G為輥縫值，f（P）為對(duì)應(yīng)的軋機(jī)彈跳。

　　當(dāng)校準(zhǔn)時(shí)，軋機(jī)內(nèi)沒有鋼，h=0，故由公式（2）得：

　　G=Of-f（P）（3）

　　在軋制過程中，當(dāng)軋輥以兩種不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軋制力為P，由公式（3）得：

　　G1=Of1-f（P）（4）

　　G2=Of2-f（P）（5）

　　由式（4）（5）得，

　　G1-G2=Of1-Of2（6）

　　由以上推導(dǎo)可見，軋制力相同、軋輥轉(zhuǎn)速不同時(shí)，軋機(jī)彈跳f（P）相同，油膜厚度O的變化等于輥縫值的變化。將零輥縫條件下的油膜厚度值定為相對(duì)油膜厚度零點(diǎn)值Of0。當(dāng)式(4)是在零輥縫條件下，式(5)是壓力為P0、而轉(zhuǎn)速為任意值時(shí)根據(jù)式(6)可以求出其相對(duì)油膜厚度。又從式(1)可知，只要在n/P=n0／P0條件下，其油膜厚度值必定等于相對(duì)油膜厚度的零點(diǎn)值Of0。這樣就可以確定在其他壓力下的相對(duì)油膜厚度值的參考零點(diǎn)，從而可以確定不同軋制力、不同轉(zhuǎn)速下的相對(duì)油膜厚度值。

　�。�.液壓位置自動(dòng)控制(HAPC)和軋制力自動(dòng)控制(AFC)

　　HAPC是指調(diào)節(jié)伺服閥開口度，以便在最大軋制力允許范圍內(nèi)將液壓缸位置保持在某一設(shè)定值，使控制后的位置與目標(biāo)位置之差保持在允許的偏差范圍內(nèi)，在軋鋼過程中，液壓缸一般工作在APC方式。軋制力自動(dòng)控制(AFC)是指調(diào)節(jié)伺服閥開口度，以便在液壓缸工作行程內(nèi)將軋制力保持在某一設(shè)定值，在軋機(jī)調(diào)零和剛度測(cè)試過程中，液壓缸一般工作在AFC方式。在APC方式，位置基準(zhǔn)、AGC調(diào)節(jié)量、附加補(bǔ)償和手動(dòng)輥縫干預(yù)量的和與液壓缸位置實(shí)際值相比較，偏差值與一個(gè)和液壓缸油壓相關(guān)的變?cè)鲆嫦禂?shù)相乘后送入位置控制器(PI調(diào)節(jié)器)，位置控制器的輸出值和壓力限幅控制器的輸出值都送入一個(gè)比較器，比較器將二者之中小者作為給定值輸出到伺服放大器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)伺服閥，控制液壓缸的動(dòng)作以消除位置偏差。

　　軋制力限幅環(huán)節(jié)是在APC方式下，限制軋制力、保護(hù)液壓缸和其他設(shè)備的一個(gè)環(huán)節(jié)。

　　圖１軋機(jī)液壓APC與AFC原理圖

　　當(dāng)軋制力小于軋制力限幅值時(shí)，液壓缸工作在位置閉環(huán)方式，輸出到伺服放大器的值為位置控制器的輸出值;當(dāng)軋制力超過限幅值時(shí)，輸出到伺服放大器的給定值為軋制力限幅控制器的輸出值。這樣，既能防止軋制力超限，又能保證軋制過程的正常進(jìn)行。另外，當(dāng)軋制力超過最大保護(hù)限幅值時(shí)，液壓缸快速泄油，防止設(shè)備損壞。

　　為了控制腹板偏心，需要進(jìn)行軋機(jī)兩側(cè)輥縫傾斜調(diào)節(jié)，兩側(cè)液壓缸在運(yùn)行時(shí)需要保持同步，所以設(shè)置了雙側(cè)輥縫傾斜和同步控制器。TCS系統(tǒng)采用PID控制器進(jìn)行控制，PID控制器是一種應(yīng)用廣泛，參數(shù)調(diào)整比較方便的控制方式。

　　由于伺服閥的開口度與伺服閥線圈驅(qū)動(dòng)電流成正比，因此，液壓油通過伺服閥的流量Q(正比于柱塞移動(dòng)速度)與伺服閥開口度和閥口壓力差的關(guān)系可以表達(dá)為：

　　Q=KI（1）

　　式中，k為伺服閥流量系數(shù)，I為伺服閥驅(qū)動(dòng)電流，P為伺服閥兩側(cè)壓力差。

　　從式(1)可以看出，伺服閥的流量要受控制電流和閥兩側(cè)壓力差的共同影響，具有變?cè)鲆嫣匦裕�不利于參�?shù)整定，為此，加入非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以改善系統(tǒng)性能。流量非線性補(bǔ)償分上下運(yùn)動(dòng)兩種情形，設(shè)PS為油源壓力，PL為液壓缸內(nèi)油壓，那么

　　下行時(shí)，液壓缸進(jìn)油△P=PS-PL

　　上行時(shí)，液壓缸出油△P=PL

　　實(shí)際使用時(shí)，變?cè)鲆嫦禂?shù)K整定為比例增益系數(shù)。這樣，在乘以變?cè)鲆嫦禂?shù)后，伺服閥流最公式(1)可寫成:

　　Q=I/In*Qn

　　則伺服閥流k與伺服閥電流成線性關(guān)系，可以通過程序?qū)ζ溥M(jìn)行精確控制。

　　3.AGC和HGC的功能原理

　　TCS系統(tǒng)是一個(gè)高精度力學(xué)控制系統(tǒng)。首先由獲得的軋輥數(shù)據(jù)（如輥徑、輥寬、墊片厚度等）進(jìn)行校準(zhǔn)；得出整個(gè)機(jī)架（包括軋輥形變、墊片等）的拉伸曲線；再次由AGC（AutomaticGaugeControl）自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)根據(jù)軋制表中的輥縫值和軋制力，結(jié)合拉伸曲線，自動(dòng)計(jì)算出新的輥縫值；最后由HGC（HydraulicGapControl）液壓輥縫控制系統(tǒng)根據(jù)得出的新輥縫數(shù)值，通過液壓缸行程來完成新輥縫設(shè)置。

　　TCS控制的核心為AGC控制，是在HGC的基礎(chǔ)上完善而來的。AGC是一種閉環(huán)控制，HGC是一種普通的控制方式，沒有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，是一種靜態(tài)的軋鋼模式，對(duì)于精度要求較高的系統(tǒng)來說，這種模式達(dá)不到要求。AGC模式是一種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模式。AGC系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用地?zé)彳埳�產(chǎn)線中。主要原因是在熱軋過程中，軋件非常容易發(fā)生形變。形變量的不同因不同的鋼種與不同的軋機(jī)而不同。所以要真正達(dá)到設(shè)定值的要求必須要用到AGC系統(tǒng)。要想達(dá)到精確控制，TCS系統(tǒng)在軋鋼之前要先校準(zhǔn)軋機(jī)。

　　TCS的校準(zhǔn)比較復(fù)雜。每一步都要依靠事先做好的狀態(tài)表來轉(zhuǎn)換，比如mac的狀態(tài)表：

　　校準(zhǔn)的過程主要也是記錄彈性形變的過程，可以設(shè)定10個(gè)不同的記錄點(diǎn)來記錄機(jī)架的形變量。

　　在實(shí)際軋鋼過程中，溫度與現(xiàn)場(chǎng)軋制力均要考慮在內(nèi)，溫度與型鋼的腹板寬度有關(guān)，并可以用一個(gè)指數(shù)公式來表達(dá)

　　d=(delta_max-D)(1-e*TW/delta1)

　　D為一個(gè)初始值，由下列公式得出：

　　D＝d1(d1-delta_min)(1-e*TW/delta1)

　　在HGC中的輥縫設(shè)定主要有下列公式：

　　C_diff=HSOLL|HIST+MON|

　　C_diff=控制偏差

　　HSOLL=設(shè)定值

　　HIST＝機(jī)架間距離值

　　MONI＝設(shè)定偏差補(bǔ)償量。

　　在這個(gè)控制模式中控制偏差提前被計(jì)算出來，并在實(shí)際調(diào)整過程中被應(yīng)用到實(shí)際的輥縫中去。

　　這種模式的缺點(diǎn)就是沒有辦法能夠使產(chǎn)口保證到一定的尺寸，誤差不能控制，所以我們采用MMC方式，即AGC模式。

　　MMC（MILLMODULUSCONTROL）機(jī)架系數(shù)控制，即機(jī)架彈性形變控制。在MMC方式中程序控制原理如下公式：

　　Delta_H=delta_S+a*F/M

　　Delta_S2=delta_S－（G*（M＋Q）/M）*Delta_H

　　Delta_S:輥縫變化量

　　Delta_F：軋制力變化量

　　其中a為系數(shù)

　　Delta_H:定尺偏差

　　Delta_S:位置設(shè)定

　　M：機(jī)架彈性

　　Q：鋼的彈性

　　通過上述公式，可以計(jì)算出由校準(zhǔn)得出的機(jī)架形變量在實(shí)際軋制過程中的應(yīng)用，所以可以控制現(xiàn)場(chǎng)伺服的輸出，以來精確控制。

　　四、結(jié)論

　　萊鋼大型鋼AGC厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)和HGC液壓輥縫控制系統(tǒng)是一套非常成熟、先進(jìn)的控制系統(tǒng)，自投入運(yùn)行以來，該生產(chǎn)線十分穩(wěn)定，為萊鋼創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

　　參考文獻(xiàn)：

　　盧秉林．軋輥非對(duì)稱交叉軋制交叉角控制模型〔J〕．鋼鐵，1996,31(2):30～33.

　　趙元國．軋鋼生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備操作與自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M]．北京：中國科技文化出版社，2005.

　　彭劍．非對(duì)稱交叉軋制研究〔D〕．北京：清華大學(xué)，1990.

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