轧机自动化控制系统

轧机自动化控制系统

王盛

王盛

广西南南铝加工有限公司广西南宁530031

摘要：轧机自动化系统是以计算机为核心的自动化系统对轧制生产线进行在线实时控制和监督。轧制过程自动化所要解决的问题是提高和稳定产品质量，提高轧线设备的作业效率，以达到最经济地进行生产和经营的目的。本文首先阐述了轧机自动控制系统的发展，其次主要分析了轧机自动化控制系统的相关内容。

关键词：轧机自动化；控制系统；研究

前言

自20世纪60年代轧机自动化装置问世以来，轧机自动化控制系统始终是与轧制工艺紧密结合，是为了满足轧制工艺的要求而不断发展的，即轧制工艺和自动化是密不可分的；每一种新的工艺出现都要求自动化系统增加相应的功能，也正是因为现今的轧机自动化系统高速的计算能力，丰富的存储量和简洁的编程开发使用手段以及方便的实现离线模拟和在线控制的功能，从而促进了新工艺的发展，缩短了新工艺的开发成熟周期。

1.轧机自动控制系统概述

1.1三电一体化和嵌入式系统

任何工业自动控制系统都是由检测仪表和传感器（电测）、自动控制装置（电控）和以电力传动为主的执行机构（电力传动）构成的三电一体化系统。没有符合检测精度要求的电测仪表和传感器及满足动静态技术指标要求的电力传动执行机构，自动化控制装置是不能发挥作用或难以达到要求的控制精度。虽然三电系统的各种装置是由各个厂家的产品的集成，但是只有全面地掌握三电综合技术才能承担和完成自动化工程项目，特别是大中型工业自动化工程项目[1]。

1.2PLC和高性能控制器的发展

由于轧制过程是典型的批处理过程，对每一块轧件的轧制过程是一个连续的过程，而各个轧件轧制是个断续的过程。在轧制过程中，轧件处于不同的位置时，将采用不同的控制策略。

并且由于各个PLC和高性能控制器都是属于专利产品和专用的系统，有各自的总线标准和通信标准及系列产品，编程软件和运行支持软件开放性较差，致使用户长期依赖某一厂家的产品，这严重损害了用户的利益，用户要求是开放的、多厂家产品的集成。在开放和集成这两个方面，目前流行的PLC和高性能控制器同以PC为基础的分布式控制系统是无法相比的。从这个角度来讲很多专家预测以PC为基础的分布式控制系统会取代PLC，但是这种情况并未发生有多方面的原因。首先用于商业和办公环境的PC机是不能直接应用于工业控制，需要对其结构进行改造，与现场连接的I／O接口板也必须改进达到PLC的标准。另外必须配置图形编程语言，其实是将以PC为基础的分布式控制系统变成软PLC。

1.3检测技术的发展

新一代的检测仪表主要特点是智能化和数字化。这些检测仪表均是以微型计算机为核心，可以自动校零、线性化、补偿环境因素变化，配置图形显示装置，直观表达测量的结果，存储瞬变信息和历史数据，自测试、自诊断，甚至包括模型运算和人工智能的应用。在一次检测技术方面，超声波、微波、激光等新技术大量被采用。采用这些新型的仪表，使自动控制的精度得到进一步提高，如采用激光测速仪可以实测轧制过程的前滑量，用激光测速仪检测平整机的伸长率可以获得很高的精度，使伸长率控制得到很大的性能改善[2]。

2.轧机自动化控制系统的分析

2.1自动位置控制基本算法

在各类轧机上均有大量的自动位置控制（APC）环节，如轧机的压下、侧导板开口度和夹送辊辊缝等，是轧制过程自动化系统中最常见的基础控制环节。自动位置控制框图如图1所示。

图1自动位置控制图

位置设定值来自过程控制计算机或HMI，常用的执行机构有电动和液压执行机构，常用的位置传感器有绝对位置编码器、增量位置编码器和直线位置传感器等。理想的定位过程如图2所示，首先执行机构以最大加速度加速到最高速度称之为加速段，走过的行程为S=05，保持这一速度直到剩余行程称之为稳速段，而后以最大城速度完成定位，实现在最短的时间精确定位。

实际情况并非如此简单，考虑到检测和执行机构的滞后以及执行机构停车时的惯性将对定位精度产生不良影响；而且当总行程小于时，图的波形将是一个三角形。实用的控制算法考虑到这些问题，当定位控制开始，在每个采控周期都计算剩余行程，当剩余行程小于或等于时，开始以最大减速度减速，当剩余行程接近终点时，减速到允许最大速度的5％～8％，保持这一速度，当到达终点或相当于允许定位误差的一半以下时，发出停车指令。

图2自动位置控制过程速度行程图

2.2自动化系统总体结构

铝板轧制机自动化系统框图如图3所示。系统采用层次结构，自顶向下由两台PC服务器构成整个冷轧线生产线的过程控制系统计算机，一台用于数据通信、轧件跟踪等功能的实现，另一台用于轧制过程模型计算。

由高性能通用控制器和PLC通过现场总线连接构成轧机区基础自动化系统。基础自动化与过程计算机之间采用100M以太网进行快速数据交换。两台过程机之间采用1000M以太网互联，完成两台过程计算机之间的数据交换。另外，过程机、基础自动化和用于人机交换的HMI之间采用100M的以太网互联，为过程机和基础自动化系统在HMI上图形显示和人机会话提供高速通信通道。

基础自动化系统采用Profibus总线访问远程I／O和传动控制器。

图3轧机自动化系统框架图

2.3智能控制应用

现代冷连轧两级自动化系统采用以现代轧制理论为基础的数学模型和控制算法，已经取得较好的控制效果，获得较高的产品质量，对保证高速连续化生产，得到高产量和高精度产品，发挥了重大作用。

数学模型就是由一组数学物理方程来描述物理的过程，表达过程量之间的解析关系。构成现代轧制过程数学模型基础的轧制理论是对过程进行了一些简化，以理想轧制过程为基础的。理想轧制过程假设轧辊是圆柱形的不变刚体，轧件是均匀的，以轧辊中心为对称点，变形过程上下对称、左右对称。实际的轧制过程并不是理想的[3]。

轧制过程中轧制力、张力、轧制速度等都是紧密耦合的、相互影响的多变量系统，而且有非线性段。但是基础自动化级各种控制环节是以单变量为基础，相互间耦合关系是通过各环节连续不断的跟随调整来表现，必然存在滞后和不精确之处。分段线性化也只是一种近似的手段。

上述两方面原因导致现代两级自动化系统存在不精确之处，要进一步提高控制精度和产品性能指标，就需要改进控制模型和算法。轧制理论深化研究尚需时日，采用有限元等算法细化模型计算已经取得一些成就，模型预测精度得到进一步提高。人工智能的方法是在轧制过程中采集大量实时数据的基础上进行有效数据搜索，实现系统自寻优，这一特点非常适合轧制过程控制的应用。智能控制主要包括专家系统、人工神经元网络、模糊系统和模拟进化方法。

专家系统是通过从人类专家的知识和经验中抽取规则来模拟人的行为功能。通常一个以规则为基础，以问题求解为中心的专家系统由知识库、推理机或推理机制、综合数据库、人机接口和知识获取五个部分组成。将人们在轧制过程中积累的各种经验和各种工况的应对措施表达为知识和推理规则，根据实际工况，采用先验的专家措施控制轧制过程，弥补传统控制模型和控制算法的不足之处，已经取得显著成效。

3.结语

总的来说，我国轧机自动化系统和技术已经得到广泛的应用，今后的任务主要是过程控制级的模型优化和智能模型应用，基础自动化级中核心闭环控制系统控制算法和控制性能的改进。进一步开发和创新自动化系统和技术，在提高产品质量，加快新品种和新工艺开发和节能降耗等诸方面发挥更大的作用。开发和研制管控一体化轧机信息系统是今后轧机自动化系统进一步升级和发展的方向。

参考文献：

[1]王鹏.冷连轧机带钢厚度自动控制策略研究[D].武汉科技大学，2013.

[2]唐谋凤编著.现代带钢冷连轧机的自动化[M].冶金工业出版社，2013.

[3]宋晓云.冷轧单机架轧机板形控制技术的应用[J].自动化应用，2012（03）.

作者简介：

王盛（1987—），男，广西南宁人，助理工程师，本科，从事电气自动化工作。