mm带钢冷连轧厚度自动控制系统-机电一体化设计.docx

课程设计说明书2030mm带钢冷连轧厚度自动控制系统Automatic control system of 2030mm strip cold rolling thickness学 院（系）： 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2015.12.31 y课程设计任务书-机电一体化一、学生基本信息姓名性别出生年月班级学科专业学号 二、课程性质与考查方式在学习轧制过程自动化后，进行的课程大作业，主要目的是掌握轧制自动化所学内容。成绩考核办法：1、日常出勤情况考核，为期3周（12月10日至12月31日）；2、中期进度情况、完成情况考核；3、课程设计答辩，考核任务完成数量与质量，评价学生课程设计成绩。三、课程目标1、机自专业冶金机械方向轧钢机械课程设计的目的是综合运用所学机械制图、理论力学、材料力学、机械原理、结构力学、塑性力学与轧制原理、轧钢工艺学、轧制过程自动化等专业基础课的理论知识，按照轧制过程自动化专业课及其行业相关标准要求，对板带，型钢，棒线材，钢管等各类钢材轧制过程进行自动控制设计。包括厚度自动控制原理，厚度控制的基本理论，厚度自动控制的设备组成及结构特点等，培养学生在该技术领域分析问题和解决问题的能力。2、学生应认真阅读和理解课程设计任务书，搜集与分析有关轧制过程自动化最新的专业文献资料，熟悉和学习有关各种最新设计标准和规范的内容，了解与设计内容相关的行业动态，在教师指导下，独立、认真、按时完成任务书规定的设计内容。3、培养学生具有运用工程工作所需的相关数学、自然科学以及经济和管理知识的能力；4、培养学生具有运用工程基础知识和本专业的基础理论知识解决问题的能力，具有系统的工程实践学习经历；了解本专业前沿发展现状和趋势；5、培养学生掌握基本的创新方法，具有追求创新的态度和意识；具有综合运用理论和技术手段设计系统和过程的能力，设计过程中能够综合考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素；6、培养学生掌握文献搜索、资料查询及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；四、设计内容1、题目：2030mm带钢冷连轧厚度自动控制系统2、完成的工作内容完成2030mm冷连轧机的主要设备组成和结构特点，厚度自动控制系统的基本原理和基本理论，建立一个完善的厚度控制系统。五、设计的方法和步骤：1、查阅资料，熟悉题目，明确设计任务和要求，综合分析相关知识、资料，了解行业新动态；2、比较、确定总体控制方案与控制原理，选择合适的控制方法；3、具体设计、分析、绘图等；4、总结并撰写设计说明书。六、成绩考核办法：1、日常出勤情况考核；2、中期进度情况、完成情况考核；3、课程设计答辩，考核任务完成数量与质量，评价学生课程设计成绩。摘 要自动化主要是指以无人化为目标的自动化技术。它是在生产现场为使生产合理化而进行的自动操作和自动化技术的简称。它是一个用自动的方法来实现的过程，即将过程、进程或装置转变成自动的操作。轧制自动化实际上是对轧制过程进行自动控制，尤其在高速与高精度轧制时，更需要计算机高速准确地控制生产过程。但所有自动控制都是人们精心安排和设计的。轧制自动控制就包括描述轧制过程的数学模型、机械动态特性模型及其组合方式。同时需要高精度的检测器、高速度的模拟或数字控制单元与系统以及稳定可靠的执行单元。本文着重介绍了2030mm冷连轧机的主要设备组成、厚度自动控制系统的基本原理和结构特点等。关键词：轧制过程自动化；2030mm冷连轧；厚度自动控制Automatic control system of 2030mm strip cold rolling thicknessAbstractAutomation is mainly refers to the automation technology which aims at unmanned. It is referred to as the production site for the rationalization of the production of automatic operation and automation technology. It is an automatic method to achieve the process, the process, the process or device into an automatic operation.Rolling automation is actually the automatic control of the rolling process, especially in high speed and high precision rolling, but also need to control the production process of high speed and accuracy of computer. But all the automatic controls are carefully planned and designed. The rolling automatic control includes the mathematical model, the dynamic characteristic model and the combination method of the rolling process. At the same time, a high precision detector, a high speed analog or digital control unit and a system, and a stable and reliable execution unit are required.This paper mainly introduces the basic principle and structural characteristics of the main equipment and the automatic control system of 2030mm Cold Rolling Mill.Key words: rolling process automation; 2030mm Cold Rolling; automatic thickness control目 录摘 要IIIABSTRACTIV1 绪 论11.1 国外带钢冷连轧机控制技术的发展11.2 国内冷连轧机控制技术的发展21.3 厚度自动化控制系统31.4 我国冷连轧控制技术展望41.5 冷连轧机简介52 冷连轧的基础理论72.1 工艺流程72.2 厚度控制82.2.1 测厚仪监控控制82.2.2 前馈控制102.2.3 张力控制102.3 金属秒流量控制122.4 厚度自动控制系统的基本设计思想133 控制系统的设计143.1 控制系统的功能143.2 控制系统的硬件设计153.2.1 系统的硬件配置153.2.2 系统实现的硬件部分163.3 控制系统的软件设计183.4 压下位置零点校正183.5 运行状态控制203.6 厚度控制213.7 程序设计及功能块说明234 控制系统上位机控制界面244.1 WINCC简介244.2 WINCC与S7-400之间通讯的实现254.3 上位机现场监控系统的实现264.3.1 变量管理264.3.2 画面组态264.3.3 报警组态264.4 PLC控制字各位的定义26参考文献29致 谢30.1 绪 论钢铁工业属于原材料工业，是国民经济中的基础工业。我国钢铁工业的发展突飞猛进，2012年中国大陆粗钢产量已到达7.16亿t，约占世界钢铁总产量的46.3%，成为远远高出其他国家的第一产钢大国，但同时也是钢材进口大国，特别是部分高端冷轧产品无法完全满足需求，一定程度上仍依赖于国外进口。另一方面，我国冶金行业核心装备的研发和制造水平仍然不高，与发达国家相比仍然存在不小的差距。酸洗冷连轧机组集成技术是国际公认的系统复杂、技术、密集、难度极大、精度极高的综合性技术，需要拥有机组总成、工艺、机械、三电等方面深厚的专业能力，国际上 仅有德 国西马克、西门子-奥钢联、日本三菱日立等少数顶尖公司具备集成能力。经过几十年的发展，特别是近20年来大量的技术引进，我国在技术的积累和创新、人才的培养和锻炼，以及在工程设计、设备制造、生产机组的自主集成上都达到了一个新的水平。这些积累主要是通过对引进技术的消化、掌握，并不断发现问题，改进和创新所形成的。1.1 国外带钢冷连轧机控制技术的发展1924年，世界第1套带钢冷连轧机组在美国阿姆柯公司巴特勒工厂建成，轧机的配置形式为四辊三机架。1938年，苏联在扎波罗什工厂开始安装从国外引进的三机架1680mm带钢冷连轧机。在20世纪3040年代所建的三机架冷连轧机，辊身长度大多在13701800mm，轧制成品最薄为0.40mm，轧制速度较低。日本于1940年在新日铁广畑厂建设了第1套四机架1420mm冷连轧机。1951年苏联建设了一套2030mm五机架冷连轧机，年产250万t，安装在新利佩茨克。20世纪60年代，美国杨斯顿板管公司为了生产0.10mm以下的镀锡板，建成了世界第1套六机架冷连轧机组。之后，日本和德国也装备了六机架冷连轧机组。从20世纪70年代以来，对冷轧薄板的需求量越来越大，对成品质量的要求越来越高，四机架冷连轧机已基本被五机架冷连轧机取代。而六机架冷连轧机无论在生产薄规格带钢的能力方面，还是在实际生产速度的提高方面，并不比五机架冷连轧机具有太大的优越性，因此五机架冷连轧机便成为当今生产冷轧薄规格带钢的主流设备。1968年夏，NKK福山厂FE工程(福山无头轧机工程)正式启动。由IHI、三菱电机和NKK3家开始共同研发，逐项解决了各个问题后，世界上首套全连续式冷连轧机于1971年春开始试运转，同年6月正式投产。此种轧机在前面增加了焊机和活套，在钢卷进人轧机之前将钢卷焊接起来，借助活套的缓冲功能使得带钢源源不断地进人轧机进行连续轧制。全连续式冷连轧机的出现是冷轧生产技术史上的一次革命，它彻底解决了带钢轧制过程的频繁穿带、加减速及甩尾等问题。冷连轧计算机控制系统是保证冷连轧机有效而有条不紊地运行不可缺少的核心环节，冷连轧机的控制系统自始至终都伴随着冷连轧机的发展逐步走向成熟。从20世纪50年代开始，随着电子技术和自动控制理论的发展，美国首先开始在轧钢生产中采用晶体管逻辑控制、自动厚度控制、卡片程序控制等新技术，使轧钢自动化程度有了较大的提高。自20世纪60年代以来，计算机技术获得了巨大发展，并在工业控制领域取得显著成效。美国首先将计算机用于带钢热连轧生产控制，并获得成功。在此基础上，于20世纪60年代末带钢冷连轧机组也实现了计算机控制。最初带钢连轧机组的控制系统，主要由1台中小型计算机对生产过程进行集中控制，将生产管理到轧制过程的实时控制融于一体。这种方法容易造成各功能模块工作不匹配，计算机系统软件与应用软件维护困难。一旦某个控制环节出现问题，将造成整个生产线停机，严重影响轧机生产效率。冷连轧机计算机控制系统水平是由低级到高级，从局部到全局逐步发展的。自20世纪70年代末期，随着微型计算机工业的崛起，现代化带钢连轧生产线全部采用分布式计算机，实行分级控制。通常情况下，一条带钢连轧机组生产线的分布式计算机控制系统分为3级，整个计算机控制系统的组成和功能如图1.1所示1。图1.1 冷连轧计算机控制系统11.2 国内冷连轧机控制技术的发展我国第1套冷连轧机是1978年武钢引进的1700mm五机架冷连轧机，该机组的投产使我国具备了生产热镀锌、电镀锌和冷轧硅钢片的能力；宝钢于1985年建成了2030mm五机架冷连轧机组。20世纪90年代以后，宝钢又陆续新建了1420mm、1500mm以及宝钢三期1800mm五机架冷轧机组，这使得我国冷轧带钢的品种和规格逐步扩大。此外，其他一些钢厂也先后投产了先进的冷连轧机，如本钢1970mm、唐钢1750mm、首钢京唐1700mm五机架冷连轧机组。在过去的几十年中，我国冷轧薄板生产能力增加了40多倍，生产装备技术水平已由只能生产低碳薄板发展到了能生产高碳钢、合金钢、高合金钢、不锈耐热冷轧薄板、镀锌板、涂层钢板、塑料复合板和硅钢片等。迄今为止，我国引进的带钢冷连轧生产线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核心技术的公司，其中包括德国西门子、日本日立、西门子奥钢联等公司。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，使新功能和新产品的开发以及以后的系统升级改造受到很大制约。为打破国外公司的技术垄断、掌握冷连轧生产线的控制系统及关键工艺，国内的大专院校、科研单位和企业合作，在消化吸收国外先进的计算机控制技术的同时，逐步研制开发了具有自主知识产权、适合国内生产线的计算机控制系统。鞍钢率先运用自主集成建设模式，在二冷轧厂成功建设了酸轧机组，改变了我国酸轧机组完全依靠国外引进的局面，推进了我国冷轧设备的国产化，促进了我国冷轧板带生产设备的发展，但在这一建设中，三电控制设计及调试还是由国外负责。为突破冷轧关键技术的黑箱限制，建立具有自主知识产权的控制系统，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（RAL）先后与三菱、西门子-奥钢联和东芝三菱等国际公司合作，完成了宝钢益昌薄板五机架冷连轧、唐钢1800mm五机架冷连轧和鞍钢莆田1450mm酸洗冷连轧联合机组等多条生产线的过程控制数学模型系统研制、开发与现场调试。通过多年的技术积累，东北大学已经具备了自主设计、集成和开发冷连轧机组自动化控制系统的能力。2011年东北大学RAL独立完成了某冷轧薄板厂大型酸轧联合机组计算机控制系统的硬件集成与软件研发，该项目的实施有力推动了大型高端酸洗冷连轧机组的自主创新和国产化进程，增强了我国在轧制控制系统方面的核心竞争力。1.3 厚度自动化控制系统图1.2 冷连轧过程控制系统功能结构图1冷连轧机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、自学习对模型进行优化。除此之外，过程控制系统的功能还包括：与基础自动化和生产管理级计算机的通信;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、原料主数据、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，其功能结构框图如图1.2所示。厚度精度是冷连轧产品最重要的尺寸指标之一，厚度自动控制(Automatic Gauge Control，简称AGC)系统也是现代冷连轧机自动控制系统中必不可少的组成部分。冷连轧厚度控制技术发展到现在，根据在线检测仪表、执行机构以及作用情况，AGC控制方法可归纳为以下3种基本形式:（1）前馈AGC。基于测厚仪的反馈式厚度自动控制系统，避免不了控制上的传递滞后或过渡过程的滞后，因而限制了控制精度的进一步提高。特别是当来料厚度波动较大时，更会影响带钢的实际轧出厚度的精度。为了克服此缺点，在冷连轧机上广泛采用前馈式厚度自动控制系统，简称前馈AGC。对于冷连轧而言，前馈AGC可通过3种控制手段实现对厚度的控制，即调节本机架的辊缝、调节上游机架的速度、调节本机架的速度。（2）监控AGC。监控AGC是根据轧机出口测厚仪检测到的带钢厚度偏差来调节辊缝或轧制速度以达到消除厚度偏差的目的。应用于冷连轧机的监控AGC具有3种厚度控制手段，即调节本机架的辊缝、调节上游机架速度、调节本机架速度。然而，监控AGC具有检测上的滞后，这就限制了其性能的提高，随着控制理论的发展和Smith预估器等消除大滞后环节的控制算法的使用，监控AGC已经成为厚度控制系统一个必不可少的组成部分。（3）秒流量AGC。在冷连轧机的厚度控制系统中，普遍应用秒流量AGC。通过秒流量相等原则估算机架出口厚度，将该厚度与目标厚度进行比较得到出口厚度偏差，通过调整本机架辊缝、上游机架速度或本机架速度来消除厚度偏差。现代工业的飞速发展，同时也对冷轧带钢的厚度精度提出了更高的要求，随着对AGC研究的深人，目前广泛应用的传统控制方法已经越来越难以满足需求了。这就促使了现代控制理论的分析和设计方法逐渐被AGC控制所采纳。此外智能控制也被引人到了AGC控制中，主要有模糊控制、神经网络控制、遗传算法、专家系统和学习控制等。1.4 我国冷连轧控制技术展望自改革开放以来，我国在板带轧制工艺、轧制数学模型及板形、厚度控制技术等方面取得了长足的进步。通过消化引进技术、自主集成和自主创新，中国已跻身于轧制技术发达国家之列。目前，冷连轧生产正朝着产品专业化、设备大型化、生产灵活化、工艺连续化、控制自动化的方向发展。结合我国冷连轧控制技术的发展历程和现状，轧钢工作者应加强对引进生产线的消化、吸收和再创新，迅速发挥引进效益，从控制系统硬件的提升以及智能化模型和控制软件的进一步优化和开发等方面来改进冷连轧控制系统的性能：（1）对引进生产线的消化、吸收和再创新。组织产学研结合的队伍进行引进技术的消化和吸收，破解引进系统中的“黑箱”部分，不但要恢复原有的功能，实现引进设备应当带来的效益，同时还要进行自主创新，根据产品开发的需要，开发新的装备、工艺和技术，增添新的有特色功能，进行工艺技术的优化和再创新。（2）加强自动化检测仪表和控制器的自主开发。目前，我国已经基本掌握了冷连轧自动化控制技术，不仅可以实现技术集成，而且可以自主开发。但是，目前冷连轧所使用的各类传感器、检测仪表(板形仪、张力计、测厚仪等)和控制器(PLC、TDC等)，绝大多数是由发达国家引进的，这极大地限制了中国轧制过程自动化技术的发展。在这种情况下，应当通过产学研的结合和行业、学科的交叉，努力开发各种轧制过程必须的检测仪表、传感器和控制器等，突破自动化技术的瓶颈，促进轧制自动化的发展，这对于提高控制精度、生产优质产品十分重要。（3）优化技术和智能算法的应用。随着技术的迅速发展，冷连轧控制系统中应通过采用优化技术和人工智能技术对数学模型和轧制规程进行优化或控制，以实现轧制过程的系统优化和人工智能控制。例如：利用专家系统、模糊逻辑、遗传算法、人工神经网络等智能算法实现对轧制过程的优化、诊断和控制等。1.5 冷连轧机简介机组形式：全连续五机架四辊液压压下串列式冷连轧机。轧机规格：工作辊尺寸：（615550）mm2030mm；支撑辊尺寸：（15501425）mm2030mm；常规规格：入口厚度：1.86.3mm；出口厚度：0.33.5mm；宽 度：9001850mm；钢卷质量最大：45t；单位卷重：带钢宽度大于1300mm时，最大为 23k g /mm；带钢宽度小于或等于1300mm时，最大为 31. 4kg/mm；钢卷直径：进料段：外径最大2510mm，最小1200mm；内径 760mm； 出口段：外径最大 2470mm，最小1200mm；内径610mm；开卷方式：常规轧制 上开卷；全连续轧制 下开卷；卷取方式：上卷取；2 冷连轧的基础理论带钢的轧制过程是一个复杂的形变过程，它牵涉到的范围很广，如来料条件(初始厚度、宽度以及钢种)、轧制设备(轧辊辊径、电机容量限制条件、轧制负荷限制条件)和其他工艺参数。因此全面了解轧制过程，设定一个科学的压下分配，使成品钢的厚度、板型以及机组的轧制规程达到一个合理的水平，对产品的产量、质量及成本均有重大影响。2.1 工艺流程冷轧的工艺过程主要由开卷、矫直、焊接、轧制、剪切和卷取六个过程组成。其中，开卷、矫直和焊接是前期的准备过程，轧制是对钢材进行加工的主要过程，剪切和卷取是产品的后期处理过程。钢卷由天车运至开卷机，为了能进行连续轧制，在一个钢卷开卷时，下一个钢卷应当做好准备，这时就需要两套开卷装置交替工作。带钢开卷后经由夹送辊进入矫直辊，矫直的目的在于为下一步的焊接做准备，钢卷的矫直过程由2个上压辊和3个下压辊完成。由于带钢的头部厚度不符合规定的尺寸，为了不影响焊接的过程，需要用剪切机将带钢头部切掉。剪切后的带钢通过测厚仪，检测前后两卷钢卷的厚度，以便于闪光焊机将前一个钢卷的尾部和后一钢卷的头部焊接在一起。完成了开卷、矫直和焊接的过程后，入口段充入活套内存储。这是实现全连续轧制的保证，因为在进行焊接的时候，开卷机是不向活套充入带钢的，这时需要活套内存储的一段带钢来维持轧制；在焊接完毕后，入口段加速从而将活套中的带钢再次存满。带钢从活套出来，接着通过一系列转向辊、张力辊及焊缝检测器。在五机架全连续轧制中每一机架均采用两个支承辊、两个工作辊的结构，每个机架上部有一个液压压下缸，用来调整每个机架内轧辊的负荷辊缝。调节各机架的带钢速度和张力，轧出所需的成品厚度。在控制策略方面，尽量将来料的厚度误差消除在第一机架上，最后一、两个机架一般作为精轧部分用以提高厚度精度和板形质量。各机架之间都设有测厚仪和测张力辊，用来测量带钢在轧制过程中的实际值。同时将这些数据传输到控制系统中，经过计算机，轧制速度调节系统、张力调节系统等厚控装置的综合作用，得到符合要求的板厚及板形。在五机架出口处还设有夹送辊及飞剪，带钢导向装置、磁力皮带以及两台卷取机。带钢轧制成产品后，送到卷取机上重新卷成钢卷。在进行全连续轧制的过程中，需要两个卷取机交替工作，当第一个卷取机卷取完成时，轧机减速，启动飞剪将带钢剪断，之后导入第二卷取机进行卷取2。图2.1 五机架冷连轧机工艺流程图22.2 厚度控制轧制过程是轧机与轧件相互作用的过程，轧辊对带钢施加压力使之产生塑性形变，同时带钢的反作用力也会使轧辊产生弹性变形，如图2.2所示。研究塑性曲线和弹性变形曲线之间的关系，是轧制工艺的一个重要研究内容。图2.2 弹塑性曲线2带钢出口厚度的影响因素很多，为了能够精确控制厚度，会采用多种控制方式配合来达到厚度控制目的，主要控制方式有：测厚仪控制、前馈控制和张力控制等。2.2.1 测厚仪监控控制测厚仪监控系统由以下三个部分组成：（1）厚度检测装置：出口厚度一般由安装在机架出口处的测厚仪检测，检测结果经过放大处理后传输给控制装置。（2）厚度自动控制装置：将从测厚仪读取的数据经过计算机处理，计算出合理的压下位置，再将信号输出传给压下装置，厚度自动控制装置是整个厚度自动控制系统的核心部分。（3）执行机构：根据由计算机传输过来的信号，通过调整电机压下或者主电机速度来实现对厚度的控制。图2.3 测厚仪监控原理图2在轧制过程中，出口厚差与压下位移调节量满足以下原理：hxp=-MM+W （2.1）式称为压下公式，其中h为出口厚差，xp为压下位移调节量，M为轧制力，W为轧机刚度系数。可以看出，由于有轧机刚度系数的存在，为了消除出口厚差h，压下位置xp的移动量为1+WMh。由于空载辊缝改变量SO=-xp，所以式可推出：=hSo=MM+W （2.2）式中称为压下效率系数。从式可知，当空载辊缝改变SO时，所引起的轧件实际出口厚度变化量h要小于4So。这说明，压下位置的改变量并不简单的等于出口厚度的变化量，而其中还要考虑轧机的弹性变形。所以当测厚仪测得出口厚度h。后，与预设厚度hg。进行比较，将厚度偏差h乘以1+W/M，得到压下位置的调节量xp，再通过执行机构改变辊缝来控制厚度。2.2.2 前馈控制虽然理论上测厚仪监控能够很好的实现厚度控制，但是在实际现场，出于保护昂贵的测厚仪的目的，一般会将其装在离机架出口有一定距离的位置，这使得测厚仪的数据测量有一定的延时性，特别是在过焊缝时，厚度波动比较大，严重影响轧制精度。因此，为了解决该问题，采用前馈控制进行配合使用，如图2.4所示。图2.4 前馈控制原理图2令xp=FM，当前置测厚仪测得带钢入口处出现扰动误差量H时，轧制力产生的扰动F=PhH，可得xp。与H的传递函数：xpH=1MPH （2.3）前馈控制采用开环控制，不能对它的控制精度进行检测，其控制的合理性关键在于如何准确地确定传递系数的大小。由于前馈控制只能消除一部分误差因素的干扰，所以，前馈控制一般作为反馈控制的补充，来减少控制误差。2.2.3 张力控制在五机架冷连轧控制中，一般会尽量在前两个机架消除厚差，当带钢厚度还比较大时，采用大轧制力轧制能够满足压下要求。但是到了后面两个机架时，由于带钢已经非常薄，其刚度系数变得很大，再使用调压控制的话，效果就非常不理想。实际证明，在这种情况下，张力调节的效果要好于压力调节。因此，需要选择张力控制进行微调。张力调节的硬件方式有两种：改变机组的轧制速度或调节活套辊的位置。如图2.5所示。图2.5 张力控制原理图2图2.6 张力厚度曲线2根据图2.6所示的张力厚度曲线，入口厚度为HO时，带钢受到的张力大小为TO，塑性方程曲线为B1，工作点a对应的厚度为h，压力为PO。当入口厚度出现扰动误差时，HO变为H，塑性方程曲线的位置由B1转移到B2，工作点也由a点转移到b点，因此会引起出口厚度的改变，误差量为h。若采取张力调节误差，可改变张力大小，使其从TO变为T，此时塑性方程曲线曲线位置转移到B3点，工作点又重新被拉回了a，这样就可以在不改变辊缝So大小的前提下，实现了对出口厚度的控制。张力与厚度之间的关系式可由弹跳方程和轧制力方程的增量形式推出:P=Km(h-S) （2.4）P=Phh+PTT （2.5）求解式得：h=KmKm-PhS+PTKm-PhT （2.6）当S=0，即保持辊缝大小不变时，则有hT=PTKm-PT （2.7）式中的PT称为张力对轧制压力的影响系数。由于可以在保证轧制力不变的情况下进行厚度调节，所以张力控制方式的一大特点是能有效提高带钢的板型质量。但是张力的变化也会引起轧制速度的变化，所以出于保持轧制过程稳定性的考虑，张力调节在粗轧过程中仅仅作为一个辅助控制，一般更多的应用于最后两个精轧机组的厚度微调。2.3 金属秒流量控制在带钢轧制过程中，利用金属秒流量相等的原理进行厚度自动控制的控制系统称为金属秒流量AGC。MASS FLOW AGC将传统的AGC多变量控制变成速度控制，带钢的入口和出口秒流量始终保持相等，只要提高自动速度控制环的精度，出口厚度偏差就会很小。图2.7是带钢轧制过程中秒流量控制原理图。秒流量的基本原理是用测厚仪测出来料厚度H，用测速仪测出来料速度VH和轧出速度Vh，然后根据秒流量相等的原理，便可以计算出该段带钢的实际轧出厚度：h=VHHVh （2.8）将计算出的h值与给定的目标厚度进行比较，得到一个厚差值h，再将h乘以传递系数变成压下位移的调节量，最后根据检测点进入辊缝的时间和调整压下所需要的时间，提前调整压下装置，使检测点得到及时控制，从而减少了测量出口厚度时所造成的反馈滞后现象，使其能在各种条件下得到精确的目标厚度，其原因在于它能实现以下功能：（1）能修正补偿检测点和控制点的距离，根据测厚仪检测出的入口侧带钢厚度值跟踪压下。（2）根据测速计检测出的入口侧带材速度、出口侧带材速度和入口侧带材厚度值，按照秒流量原理方程式，计算出出口侧带钢厚度偏差值；（3）根据上述计算的出口侧带钢厚度偏差值，来计算压下位置修正量，进行压下位置设定。图2.7 秒流量带钢厚度测量原理图32.4 厚度自动控制系统的基本设计思想2030mm五机架冷连轧机厚度自动控制系统的基本设计思想是由第1机架的前馈控制、负载辊缝调节和第1机架的反馈控制来改变第1机架的轧制压力，通过第1机架的速度控制来影响第1机架的金属秒流量，借助于这些手段使带钢绝大部分的厚度偏差在第1机架上得到消除，而在第2机架出口有一个恒定的厚度，剩余的厚度偏差由最后2个机架来消除。如果在第5机架上压下量较大，则可通过第5机架的前馈和反馈控制来改变第5机架的速度；当第5机架上压下量很小时，则可调节第4机架的速度，以及第5机架采用反馈控制；如果通过轧制压力不能改变第5机架的张力时，则可将轧制压力保持恒定，而通过速度来进行调节。3 控制系统的设计3.1 控制系统的功能厚度控制系统(AGC)是全连续冷轧控制系统的重要组成部分，控制的目的是将轧机出口带钢的厚度尽可能的控制在要求的目标值附近。为获得最好的控制精度，设置了多种控制器和补偿环节。通过对冷轧机厚度控制工艺流程的分析可以看出在轧机厚度控制过程中会有很多影响带钢出口精度的因素，如坯料沿纵向的厚度和硬度的变化、轧制速度不稳等都会对带钢出口厚度产生很大的影响。而自动厚度控制主要是通过对各种与所轧带钢厚度相关因素的调节来达到对厚度的自动控制，这些因素主要有:上下两个轧辊之间的辊缝大小、轧辊轧制力的大小、张力大小和带钢的轧制速度。因此为了实现对带钢出口厚度的控制，AGC系统可采用几种不同的控制策略来实现对厚度差的控制，具体方法如下:（1）辊缝调节:辊缝调节是对带钢厚度控制中比较基础的一种控制方法，一般用来对带钢厚度进行粗调。主要是利用位移传感器所测得的辊缝值、测厚仪所测厚度与设定值进行比较，然后通过反馈对辊缝进行调节，使之尽量达到设定的厚度值。需要注意的是在轧制过程中，由于带钢硬度的关系，轧辊必定会产生一定的形变，在厚度设定值参与辊缝调节之前必须根据实际的压力值对形变进行补偿，一般由预压靠产生P-H曲线(弹塑性曲线)，通过曲线查出压力值对应的辊缝值再进行补偿。（2）压力调节:压力调节是厚度调节的主要方式，常见的有电动压下，液压压下等。通过设定的压力值与传感器实测的压力值组成反馈回路对厚差进行调节。（3）张力调节:张力调节就是利用前后张力的变化来改变带钢塑性变形线的斜率以控制厚度。当张力变大时，板材的厚度值会减小；反之，带钢的出口厚度值会增大。这种方法一般是在冷轧薄板的时候用的比较多。但是，这种方法一般不单独使用，往往是和压力或是速度调节配合使用。（4）速度调节:轧制速度的变化会影响到张力、温度和摩擦系数等因素的变化，所以可以通过调节速度来实现对厚度的调节。一般来说，速度越高，厚度越小，速度越低，厚度越大。实际的厚度控制系统中包含有四个基本的控制环:辊缝位置控制环、压力控制环、张力控制环和速度控制环。四个控制环都可以单独进行厚度控制。其中由于张力控制和速度控制的控制过程主要由冷轧系统的传动系统来完成，在多数工业轧机AGC系统中是利用这四种控制策略结合PID控制器，通过对PI增益参数的调节来实现对辊缝、压力、张力和速度的控制，使厚度差始终处于控制范围之内。3.2 控制系统的硬件设计3.2.1 系统的硬件配置全连续冷轧控制系统包括两部分，即控制部分和对检测元件的数据采集处理部分。根据工厂工艺的要求，控制部分采用西门子公司的S7-400系列PLC，并利用FM458作为高速模拟量控制器，与ET200组成PROFIBUS-DP网，对分散的现场设备进行控制，从而减少接线。利用S7-400系列的PROFIBUS总线完成S7-400主站与现场设备及Wincc之间的通信，人一机界面计算机位于操作台上，采用西门子公司的Wincc6.0进行开发。S7-400是具有中高档性能的PLC，采用模块化无风扇设计，使用于对可靠性要求极高的大型复杂的控制系统。图3.1为S7-400的硬件图。图3.1 S7-400硬件图在图3.1中1一电源模板，2一后备电池，3一模式开关(钥匙操作)，4一状态和故障LED，5一存储器卡，6一有标签区的前连接器，7CPU1，8CPU2，9I/O模板，10IM接口模板。S7-400的特点: （1）运行速度高，S7-416执行一条二进制指令只要0.08s。（2）存储器容量大，例如CPU 417-4的RAM可以扩展到16MB，装载存储器(FEPROM或RAM)可以扩展到64MB。（3）I/O扩展功能强，可以扩展21个机架，S7 417-4最多可以扩展262144个数字量I/O点和16384个模拟量I/O。（4）有极强的通信能力，容易实现分布式结构和冗余控制，集成的MPI(多点接口)能建立最多犯个站的网络。大多数CPU集成有PROFIBUS-DP主站接口，可以用来建立高速的分布式系统，使操作大大简化。从用户的角度看，分布式I/O的处理与集中式I/O没有什么区别，具有相同的配置、寻址和编程方法。CPU能与在通信总线和MPI上的站点间建立联系，最多有1644个站点，通信速率最高12Mbit/s 。（5）通过钥匙开关和口令实现安全保护。（6）诊断功能强，最新的故障和中断时间保持在FIFO缓冲区中。（7）集成的HMI服务，用户只需要为HMI服务定义源和目的地址，系统会自动的传送信息。S7-400和S7-300一样，都用STEP7编程软件编程，编程语言与编程方法完全相同。3.2.2 系统实现的硬件部分传感器部分主要由四只位移传感器、两只压力传感器和测厚仪组成。位移传感器采用测量范围416mm、分辨率0.001mm的德国米铱IWS集成一体化电感位移传感器；压力传感器采用量程为05000bar、输出信号420mA的KISTLER压阻式高压传感器;测厚仪采用测量精度可达0.5m的德国P-MPOD型磁性测厚仪。传感器采集到的模拟量通过PLC的模拟接口板传送到PLC内部参与运算。液压与电机是PLC输出信号的执行机构。需要输出的信号通过模拟输出板转变为010V的电压信号或420mA的电流后通过直流调速系统对控制对象执行操作。对各种系统硬件加以总结，得出系统的控制信号如表3.1所示：表3.1 系统控制信号示意图3控制信号模拟量开关量输入从传感器采集的位置、压力、张力、速度值和测厚仪所测得厚度值测厚仪的状态信号、泄油触发信号和控制台的控制信号输出张力、速度调节量和对液压机伺服阀传动圈的调节量对测厚仪的控制、与系统其他部分的通讯信号综上所述，整个控制过程如图3.2所示：压力、张力、速度、传感器和测厚仪信号张力、速度、液压伺服阀等模拟量输出信号对测厚仪等的开关控制信号测厚仪状态信号及控制台的控制信号西门子S7-400PLCPROFIBUS总线调零、预压靠等操作指令控制方式选择信号辊缝指令信号轧机状态及报警信息HMI开发软件适配器编程器图3.2 整个控制系统示意图3其中作为控制系统57-400的硬件配置为：机架选用UR1PLC电源模块选用PS 407 20A主CPU选用S7 400的CPU 416-2从CPU选用FM458扩展模板选2块EXM438另外，还有以太网通讯模块，Profibus通讯模块以及常规的模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块等。3.3 控制系统的软件设计图3.3 项目流程图3冷轧机的控制系统部分主要分为PLC控制部分和上位机监控部分。控制部分的作用包括对PLC运行状态的控制、对检测元件的输出信号进行分析控制，输出控制信号用于对压下装置，直流调速装置等进行控制。控制部分的程序采用STEP7进行编程。STEP7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、维护、文件建档、运行和诊断功能。控制部分程序编写流程图如3.3所示。监控部分主要实现轧制工艺设定、参数修改、轧制过程中轧制力、张力、速度、辊缝等过程状态的显示及处理报警信息等功能。3.4 压下位置零点校正PLC控制部分的程序主要用梯形图进行编写，梯形图遵循顺序执行、循环扫描的特点，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。这节主要对压下位置零点校正、运行控制和厚度控制几部分控制系统的设计进行介绍。压下位置零点校正是在更换轧辊以后，零位辊缝压下位置计算器不同的情况下引进的，对于五机架冷连轧机，压下位置校正有两种情况：有带钢位置校正和无带钢(空辊缝)位置校正。在常规轧制换辊后或在连续轧制更换支承辊后需要进行无带钢校正，以确定压下位置零点，目的是保持在轧机正常工作时辊缝值恒定。在连续轧制状态下，在轧机内有带钢时进行更换工作辊后，要进行有带钢校正，以确定压下位置零点，目的是保持更换工作辊前后的辊缝不变。与空辊缝校正相比，有带钢校正可以节省换辊及校正的时间，提高生产效率。进行有带钢校正的前提条件：（1）在进行有带钢校正前一定要按动有带钢校正恒轧制力按钮，启动恒轧制力运行。（2）有带钢校正只有在机架已经进行过空载辊缝校正的前提下才能进行。停车按恒张力键压力=1200KN保存计数器中压下位置换辊按恒压力键压力=1200KN压下位置返回计数器校正结束图3.4 有带钢校正的流程图3校正的流程图如图3.4所示。影响有带钢校正过程的因素：校正压力。有带钢校正时校正压力为1200kN，在第一次按恒压力键时，轧机由开车状态到停车状态。在第二次按恒压力键时，轧辊是由上而下压下，也就是说轧制压力由小变大。只要落在误差范围内都算达到校正压力。两次按恒压力键的压力差会使压下位置值和辊缝值产生误差。压下系统。液压缸的动作是靠液压油来驱动，如果回油腔回油不畅就会使实际压力达不到1200kN，严重时会使校正过程无法进行。其他因素。有带钢校正过程每一个环节都有严格的要求，工况条件相差一点校正过程都无法进行。例如，操作工在换辊前忘了按恒轧制力键，在快速抬辊到上极限位置时，限位开关没有输出信号等情况下，有带钢校正都不能顺利进行。此时唯一解决办法是中断校正过程。空载辊缝校正过程的实质是在一个较大轧制力存在的情况下，确定零辊缝位置。以确定的这个辊缝值为基础，在以后的轧制中可精确的计算出辊缝的实际值。空载辊缝校正的运行前提条件很多，包括对液压压下装置、位置传感器、电机、乳化液装置等设备正常运行的确认。在校正的过程中还需要时刻对电机速度、轧制力的大小进行监控。空载辊缝校正的流程图如图3.5所示。图3.5 空载辊缝校正的流程图33.5 运行状态控制运行控制是根据轧机当前的运行状态和操作人员的命令来决定轧机的速度升降和状态转换。运行控制主要由运行状态控制和速度设定控制两部分组成。运行状态控制完成以下功能：（1）接收来自操作员或其他过程控制程序的轧机状态转换请求。（2）结合当前的轧机状态核实这些请求的合法性。（3）为合法的状态转换请求选择合适的速度控制数据。（4）启动轧机速度设定控制。运行状态控制系统的整体结构和轧机操作状态之间的转换模式如图3.6所示:图3.6 运行模式转换示意图3轧机运行控制的目标是及时处理轧机操作状态改变对过程控制系统的要求，其中主要是控制回路切换和回路设定修正，从而使轧机安全的到达操作员期望的或控制系统所要求的平衡状态。运行状态控制系统的整体结构图如图3.7所示。图3.7 运行状态控制整体结构图33.6 厚度控制厚度控制部分是整个控制系统的核心，五机架全连续冷连轧机厚度控制系统的设计思想是由第一机架的预控、辊缝调节和第一机架监控来改变第一机架的轧制力，而第一机架的转速反向控制则影响第一机架的秒流量。通过在第一机架的一系列操作使带钢绝大部分的误差在第一机架消除。剩余的厚度偏差由最后两个机架消除，一般情况下，后两机架的压下量很小，通过轧制力改变厚度效果不佳，这时往往保持轧制力恒定通过改变轧制速度来进行厚度微调。（1）内环控制:内环控制就是通过改变轧机辊缝来达到控制带钢厚度。内环控制根据反馈及控制目标的不同，又分为位置控制和压力控制两种。位置控制（APC）:位移传感器信号与辊缝设定值进行比较，构成闭环系统对厚差进行PID控制，其输出控制轧辊的实际辊缝位置。压下控制:压力传感器反馈信号和轧制力设定值构成闭环系统，对压力差进行PID控制，消除因轧制力波动而产生的出口厚度偏差。（2）外环控制:以测厚仪反馈的厚度偏差作为控制目标，经计算后，向内环输出厚度控制调整信号，以调整压下来控制成品厚度，成为厚度控制环节。厚度控制环节又分为前馈和监控两种方式，前馈是对入口侧测厚仪测得偏差进行控制处理，监控是对轧机出口侧测厚仪所测得的进行控制处理，这两种方式最终都对液压压下进行修正。图3.8 AGC系统框图3.7 程序设计及功能块说明程序设计部分采用梯形图进行编写，模块化的设计方法保证了程序的可读性及理解的容易，特别方便对程序进行修改、扩充及删减。程序包括10个组织块OB，11个功能块FC，2个系统功能块SFC，14个数据块DB。组织块除了主程序循环功能块OB 1外，还包括其他中断组织块，例如：时间延迟中断、诊断中断、I/O存取错误中断、程序编写错误中断、机架故障中断、通讯错误中断及控制信号的复位等。FC1信号交换：包括现场设备传送到主站的信号（包括限位信号、报警信号、过压过载信号）及主站发出的各类控制信号。FC2数据交换：主要完成各检测元件的输出类型的转换，例如传感器输出的压力信号、弯辊力、液压缸的压下量、电机转速等。这些输出量很多是模拟量，控制器无法直接进行运算，需要进行数据类型的转换。另外，控制器的输出量是数字信号，对某些控制元件来说，需要转换成模拟量来进行控制。这些转换都用此功能块完成。FC3辊缝校正：主要完成有带钢校正和无带钢校正的功能。FC4控制模块：包括压下控制、张力控制、速度控制、厚度反馈控制、前馈控制、流量控制等。一般的控制程序就集合在这个模块中。FC5补偿模块：包括支承辊偏心补偿、油膜厚度补偿及加减速过程的厚度补偿等。此外还有高速计算模块、采样处理模块等。4 控制系统上位机控制界面控制界面可以提供包含有控制点的工艺流程图画面，将工艺流程、控制模式、报警信息、历史数据集为一体，模拟现场的真实情况，给操作员呈现一个友好的人机对话界面。操作人员可以及时了解到现场设备的运行状态，并对生产过程进行控制和调节，从而保证生产的安全、可靠和高效。4.1 Wincc简介Wincc是SIMATIC PCS7过程控制系统及其西门子公司的控制系统中的人机界面组件。其有众多的突出优点：第一，通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；众多的选择，将使工厂认证更为容易，而这种认证更是对这些工业领域的各种要求做出了非常有说服力的全面响应。第二，多语言支持，全球通用。第三，可以集成带任何公司内的任何自动化解决方案中，内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态。第四，可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便。第五，集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台。此外其丰富的可用选件和附加件可进行扩展，“全集成自动化”的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。Wincc v6.0的运行环境如下:操作系统：windows XP SP2；硬件配置：内存1GB, CPU2.4GHz；安装顺序：SQL Server 2000；公用消息队列；windows XP补丁；wincc 6.0。(1)Wincc产品包括基本系统、wincc选件和wincc附加件，它由下列子系统组成：图形系统 用于创建画面的编辑器称作图形编辑器。变量管理与通信 用于组态系统使用的变量。报警记录 对消息进行组态的过程指的就是报警记录。归档系统 变量记录编辑器用于确定对何种数据进行归档。报表系统 用于创建表布局的编辑器称作报表编辑器。脚本/编程系统 用于创建脚本文件的编辑器称作脚本编辑器。用户管理 用于对用户进行管理的编辑器。文本库 项目的大多数文本都将集中在文本库中进行管理。(2)基本wincc系统由组态软件（CS）和运行系统软件（RT）组成：可使用组态软件来创建项目。运行系统软件则用于在进行处理时执行项目。这样，项目就“处于运行期”。图4.1 Wincc软件系统结构示意图34.2 Wincc与S7-400之间通讯的实现选用工控组态软件实现PLC与上位机的通信，因为工控组态软件提供不同设备的通信驱动程序，用户可不必熟悉PLC网络的通信协议，此外，工控组态软件提供的功能性强的工具使开发应用程序变得非常方便。首先，在Wincc项目的标签管理(Tag Mgement)中选择添加PLC驱动程序，选择支持S7协议的通信驱动程序SIMATICS 7 Protocol Suite.CHN。通讯驱动程序安装以后，在出现的几个通道中选择Profibus，在其中的“Profibus： DP master system”下连接各分布式I/OIM153-1，并且要设置节点名、节点地址等参数，节点地址必须与PLC中设置的相同；连接DP通信接口和通信模块。Wincc与S7-400之间交换数据是通过变量来完成的。变量可分为内部变量和过程变量。每个变量有三个设置项:变量名、数据类型、地址，其中变量地址定义了此变量与S7-400中某一确定地址如某一输入位、输出位或标志位等一一对应的关系。对S7-400与Wincc之间需要通信的数据都进行定义之后即完成了S7-400与WinCC之间的数据通信。Wincc的交互式界面是在图形编辑器中编辑完成的。图形编辑器是图形系统的组态软件，是用于创建过程画面的编辑器。根据轧制过程的实际要求，用基本元件或图形库中对象在画面文件中制作生产工艺流程监控画面，并将变量与每个对象连接，即相当于画面中各对象与现场设备相连，从而可在CRT画面上监视、控制现场设备。4.3 上位机现场监控系统的实现Wincc