【技术】冷连轧工艺先进自动化控制技术汇总

发布时间:2018-07-11 10:47


PL-TCM机组采用的新技术主要包括:


1)紊流式酸洗技术: 浅槽紊流式酸洗是带钢在运行过程中与酸洗介质形成的相对快速运动而进行的一种高效酸洗形式;具有酸洗效率高、酸耗低、排放少等优点。紊流酸洗最关键的部分是酸洗槽,通过酸洗流道的优化设计和大压力喷射满足酸洗的效果,并通过漂洗和烘干完成酸洗工艺。



2)激光焊机的采用:采用激光焊机可以满足多钢种材料的连续生产,焊缝比较平滑,且焊缝强度较高,减少断带率,提高焊缝质量。



3)高精度质量控制技术的采用:包括板厚、板形和表面质量控制技术。



4)神经网络等智能控制技术的应用:在轧制控制模型中引入了神经网络系统,提高了轧制参数的设定精度,使系统的自适应和自学习能力有了一定程度的提高。



5)UC轧机的应用:UC轧机也称万能凸度控制轧机,它是HC轧机基本思想上的延伸, UC轧机还装有中间弯辊装置,以对特殊的带材板形进行控制,其工作辊辊径较HC轧机更小,板形的复合控制能力更强。



6)中间辊CVC系统和工作辊EDC系统的组合应用:EDC系统包括轧辊边部冷却系统和EDC辊型两大部分。轧辊边部冷却系统是在原有的分段冷却系统之外,又在轧辊边缘设置一套控制范围更精确的温度控制系统,实现轧辊边部凸度控制。



7)卡罗塞尔卷取机的采用:该卷取机的应用,使轧机出口处的设备布置更紧凑,卷筒切换更快、更方便,使带钢尾部在离开末架轧机后,因失去后张力而产生厚度超差的带钢长度减少;同时,冷轧带材厚度较薄时,带材头部容易上跳,要求卷取机离开末架轧机的出口越近越好,卡罗塞尔卷取机正好解决了这一问题。


随着用户对冷轧板带产品的要求越来越苛刻,带动了冷轧相关技术的不断进步和发展,主要包括如下两个方面:一是如何提高并稳定保持质量;二是如何低成本并高效生产。冷轧产品最关注的质量指标包括力学性能、表面质量、尺寸精度三个方面,其中尺寸精度包括厚度精度、板形精度和边降精度。如何根据用户需求不断提高质量并稳定保持是每一个冷轧企业的目标和追求。冷轧过程的成本主要包括电能消耗、乳化液消耗、轧辊消耗等,如何在保证稳定生产和高质量的同时降低这些消耗,直接关系到产品的竞争力。

围绕这两个问题,逐渐形成了三大方面的冷轧核心技术,包括稳定通板技术、表面控制技术和精密轧制技术。

稳定通板技术的包括:连续轧制技术、工艺过程设定技术(轧制策略和轧制规程、辊缝设定、动态变规格等)、钢卷重量增加、振动抑制技术等。表面控制技术包括:轧制润滑剂技术、打滑和热滑伤综合防治措施及相应的工艺润滑技术、轧辊材质改进、轧辊毛化技术等。精密轧制技术包括:厚度控制技术、板形控制技术和边降控制技术。厚度控制技术包括:液压压下技术、厚度自动控制技术等。

目前,国际上先进机组的厚度控制精度达到±0.5%~±1.2%(根据厚度不同而变化);板形控制技术包括:液压弯辊技术、UC系列轧机和CVC系列轧机、板形自动控制技术等。目前,国际上先进机组的板形控制精度达到5-12IU(根据厚度不同而变化);边降控制技术包括K-WRS轧机、EDC技术等。目前,国际上先进的边降控制指标达到5μ(一般指距边部100mm位置厚度与距边部15mm位置厚度之差)。


冷连轧机计算机控制系统


迄今为止,我国引进的带钢冷连轧生产线设备及计算机控制系统已经囊括了世界上所有掌握冷轧带钢生产的核心技术;虽然我国在机械装备方面已具备了设计和制造能力,但作为“大脑”的冷连轧核心控制技术一直掌握在德国西马克、日本三菱日立等少数公司手中。出于对自己核心技术的保密,引进系统中一些关键模型及控制功能通常采用“黑箱”的形式,只能看到很少的参数接口,使新功能优化和新产品的开发以及今后的系统升级改造受到很大制约,尤其是在硬件和系统软件不断升级的今天,更多企业在更换硬件时遭遇着模型等软件无法升级甚至无法应用的境地。

现代酸洗冷连轧机组的控制系统一般由三级计算机控制系统组成,三级计算机作为生产管理级,负责生产计划的输入以及产品数据的管理。二级计算机作为过程控制级。一级计算机作为基础自动化级。

过程自动化控制系统

酸洗冷连轧机组过程控制系统的核心功能是为轧机基础自动化系统提供合理的负荷分配及轧制设定参数,并通过自适应和自学习对模型进行优化;轧机段还包括各种模型计算(如轧制力、前滑、变形抗力和摩擦系数、弯辊力和窜辊量、轧辊热胀和磨损、带钢温度等模型)。过程控制系统的功能还包括:与基础自动化和生产管理级的通信;钢卷跟踪;测量值采集与处理;带钢成品质量及设备运行数据统计;生产计划数据、原料数据、设备数据及带钢生产实绩数据的管理;提供人机接口、报表输出及班组管理等。

冷连轧过程自动化系统一方面作为一级基础自动化和三级生产管理系统的桥梁,应满足高速数据处理能力的要求;另一方面由于多种控制功能最终都作用到带钢变形区,存在较强的功能间耦合,需要相互传递信息,因此,应满足高速通讯能力的功能。

物料跟踪

二级过程控制系统中物料跟踪有别于基础自动化系统中的跟踪,其跟踪功能主要针对钢卷物料的流转统一协调,收集来自基础自动化的各种跟踪信息,进行相应计算并将计算结果下传至基础自动化;触发数据采集和数据处理,并进行模型自适应和自学习等功能。

模型设定计算

通过多种数学模型对冷连轧各机构进行设定值计算是冷连轧过程计算机控制的核心和主要任务。为了实现正确的设定计算,还应具备物料跟踪,数据采集及处理,模型自适应和自学习等功能。设定计算分为预设定计算、再计算和后计算(模型自适应)以及酸洗-轧机联合机组所需的动态变规格计算等。对于每个设定值进行三次计算,从L3或PDI处接到原始数据,进行第一次计算,以确定钢卷是否可轧。钢卷装载到生产线,进行第二次计算进行再次确认钢卷是否可轧。带钢到达轧机之前进行第三次计算,确保发送给一级准确的设定值。

冷连轧计算设定值分为两大部分,一部分是厚度设定计算值。另一部分是板形设定计算值。板形设定的重要输入数据是原料的带钢凸度,由L3或原料数据提供给过程自动化。当焊缝到达第一机架之前的某一位置时,每个钢卷进行一次板形预设定,并把设定值送到基础自动化系统。板形设定值通过比较计算值和测量值进行在线自适应。

负荷分配

过程自动化计算机进行设定值计算的重要条件之一就是根据来料数据合理分配各个机架压下量。合理的负荷分配能实现节能轧制、充分发挥轧机的生产能力并保证产品质量。在进行各机架设定值计算时,轧制规范是进行压下负荷分配的重要依据。轧制规范选择的好,可以使工艺和设备的作用最佳发挥。轧制规程计算是根据带钢来料厚度、宽度、钢种和成品厚度等PDI数据以及轧辊参数、电机容量限制条件、轧制负荷限制条件等参数,在满足工艺要求以及设备安全的前提下,制定各机架负荷分配、轧制速度、机架间张力等。

带钢缺陷处理

过程计算机收到的来料缺陷包含在PDI数据中。对于每种缺陷(包括表面划伤问题、表面清洁度问题、表面形貌问题等)都要发送下列信息:缺陷种类、缺陷开始(带钢位置)、缺陷中止(带钢位置)、程度(忽略,减速,停止),所有订单涉及的缺陷都要保存,根据缺陷程度确定不同的轧制速度,带钢在酸洗后和离线后都要进行缺陷检测。酸洗后缺陷检查一方面确定酸洗质量;另一方面避免带钢在轧机中断带。检测的结果可能是降低轧机速度(或停机),检测结果保存在轧制过的钢卷产品报表中。

模型自适应和自学习

模型自适应是通过轧制过程的实测信息对数学模型中的系数进行在线修正,以提高模型的设定精度。模型系统中的自适应、自学习,既有按轧制阶段来分的低速自适应和高速自适应,又有按时间长短来分的短期自适应和长期自适应。自适应自学习可以在传统指数平滑计算的基础上,采用神经元网络等人工智能方法进一步提高模型设定精度。可采用物理模型加神经元网络自适应修正变形抗力和摩擦因数模型的方式来提高冷连轧轧制力的预报精度。

基础自动化控制系统

基础自动化系统面向的对象为机电设备、液压系统及相关仪表等。目前,国际上能够提供用于冷连轧计算机控制的系统主要有:美国GE公司的INNOVATION系统、德国西门子公司SIMATICTDC系统、日本三菱-日立公司的MELPLAC系统以及法国ALSTOM公司的ALSPA系统。酸洗冷连轧生产线的基础自动化部分使用了上述高速微处理器进行带钢生产的工艺控制、顺序控制和辅助控制,并可以在多机模式下工作。基础自动化系统分成多个自动化单元,每个自动化单元与相关的电气外围设备通过远程I/O相连接,以便执行相应的控制动作和采集过程信号。

厚度自动控制技术

轧机的自动厚度控制包括下面几个环节:通过调节第一机架辊缝实现入口张紧辊和第一机架间带钢的张力控制;通过调节第一机架辊缝和入口张紧辊转速实现第一机架板厚的前馈和反馈控制;通过调节第二机架辊缝和第一机架转速及张紧辊转速实现第二机架板厚的前馈控制;通过调节各个机架和入口张紧辊转速实现各机架秒流量恒定控制,利用入口张紧辊编码器和第一架出口激光测速仪实现秒流量预估计算;对于第四和第五两个机架的厚度控制三种控制模式(压下模式A、张力极限模式B、光整模式C)可以选择;通过支承辊偏心补偿功能消除带钢厚度周期性偏差;通过多种补偿控制手段可实现最优化控制等。对于上述的张力控制,板厚前馈和反馈控制,秒流量控制及补偿控制等的输出修正信号均叠加在各种执行机构的设定值上,以产生综合控制效果。

机架间张力控制

机架间带钢张力在稳定轧制时应该保持恒定,这样可以保证秒流量原理在带钢厚度控制时的正确性;但是由于在轧制过程中带钢厚度的改变造成了轧制速度的改变,进而使得带钢张力发生波动。因此,在厚度控制的同时,要控制各个机架间的带钢张力保持恒定。机架间张力控制采用张力反馈闭环控制方式,张力控制执行器采用辊缝压下系统和主电机转速控制系统完成。具体采用哪种控制执行器取决于轧制策略和轧机工作状态。

轧辊偏心补偿

带钢的自动厚度控制功能可以消除热轧原料中轧辊偏心造成的厚度波动,但是无法消除冷轧本身轧辊偏心对带钢厚度的影响。因此冷连轧机组的自动厚度控制包括了轧辊的偏心补偿功能,根据测厚仪或轧制力间接测量带钢厚度,对带钢厚差进行分析,从中分离由于轧辊偏心因素造成的厚差,并生成辊缝同步调节补偿信号,控制辊缝压下执行器动作。

带钢平坦度控制技术

在带钢厚度控制时,改变轧制力使得辊缝发生变化,从而对带钢厚差进行消除。当在调整轧制力的同时,轧辊的辊型随之也发生变化;辊型的变化会影响带钢板形的变化。为了消除轧制力变化对带钢平坦度的不良影响,除了采用平坦度仪对带钢进行反馈控制(响应时间长)外,还需要对带钢的平坦度进行前馈控制,即用弯辊控制执行器的调节量补偿轧制力的变化量;在该控制系统中,主要是中间辊和工作辊的弯辊补偿量。良好的板形是由板形预设定和动态控制两个环节共同决定的。在预设定过程中,预设定计算所需参数主要包括:带钢的规格,带钢的板形,轧制力,执行器和机架设备的规格等。板形控制执行器的设定值根据上述的参数计算获得。在进行设定时还需考虑综合辊型的影响,包括磨损辊型、初始辊型、热辊型等。

机组运行主令控制技术

机组的运行控制由两大部分组成:运行状态控制(也称操作模式)和速度设定控制。机组速度设定控制是根据运行状态控制程序给出的指令,向基础自动化级的速度控制回路输出新的主令速度设定值、相对速度设定值、加速度设定值,将轧机的速度逐步过渡到新的目标速度设定值上。

动态变规格轧制

通过对辊缝、速度和张力等参数的动态调整,实现相邻两卷带钢的钢种、厚度、宽度等规格的变换,实现动态变规格功能。通过焊缝跟踪和焊缝同步,根据焊缝前后两卷钢的来料参数和成品厚度,利用设定模型可以计算出针对于两卷钢的轧制设定值。动态变规格的难点在于这些设定值的切换要在动态的轧制过程中进行。

活套控制

活套作用是储存带钢,通过活套控制以保证焊机焊接带钢、更换剪刃、换辊等工况下机组连续稳定地运行。活套控制包括张力控制、活套车位置控制、升降速同步补偿、活套入口和出口速度控制等。

跟踪功能

冷连轧生产机组基础自动化的跟踪功能包括:基于带钢的带头、带尾、焊缝、楔形段起止位置、缺陷起止位置等特征点进行的带钢跟踪,其主要功能是周期性的显示当前轧线上带钢的运行情况及进行必要的操作切换;以钢卷为基础,通过跟踪钢卷的数据来知道带钢所在的位置,从而启动和协调各个功能运行的物料跟踪;也包括在轧制过程中如果带钢在轧机内发生断带产生新的带头和带尾,操作人员必须通过带钢同步操作,使带钢新的带头与数据存储区内存储的带钢数据相一致,从而实现带钢跟踪的同步。

工艺润滑技术

冷轧乳化液对轧制的影响包括:乳化液对辊缝的润滑作用、乳化液对轧辊及带钢的冷却作用、乳化液对成品的防锈作用、乳化液将轧制磨损的铁粉及其他杂质冲刷到收集槽中等。增加润滑性对冷轧带钢生产有着重要的意义。冷轧过程对乳化液循环系统的要求包括:精确温度控制、精确流量控制、乳化液杂质控制、乳化液化学成份控制和乳化液物理指标控制等。


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