CN114951301B - 一种高速精密带钢冷轧机一键升速与自动降速控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及带钢轧制领域，公开了一种高速精密带钢冷轧机一键升速与自动降速控制系统,包括用于提供原始数据的高精度实测模块、用于提供核心迭代算法的超频计算模块和用于提供动态补偿的动态补偿模块。通过各系统间的数据交换与数据校量以实现升降速过程的稳定，并最终达到一键升速和自动降速的目的。本发明具有自动化程度高、运维成本低以及产能和成材率高的优点。

Description

一种高速精密带钢冷轧机一键升速与自动降速控制系统
技术领域
本发明涉及带钢轧制领域，特别涉及一种高速精密带钢冷轧机一键升速与自动降速控制系统及方法。
背景技术
随着国民经济的发展，精密带钢在各领域的应用日益增加,尤其是国防、军工、微电子和芯片等产业对精密带钢的需求的与日俱增，精密带钢日益成为国内各工业生产领域的紧俏资源。虽然我国的钢铁产能不低，但众多产品的科技含量和附加值并不高，而精密带钢等高端产品仍依赖进口，其核心关键技术也始终未掌握在自己手中。
作为精密带钢主要生产设备的精密带钢冷轧机，主要包括单机架可逆轧机和全连续冷连轧机，由于设备自身具有大变形比和高表面质量等特点，因而是生产精密带钢的主要设备。不过由于其机电液系统的高度复杂性，设备在实际的生产和使用中普遍存在着如下问题:
(一)自动化程度低
我国精密带钢轧机多采用整机进口的模式，而国外钢企为了维持高的技术壁垒而对我国出口的并非最先进的设备与工艺。这造成目前精密带钢轧机的整体装机水平和自动化程度普遍处于落后状态，其自动化水平不能满足实际生产的需求。
(二)运维成本高
由于精密带钢轧机的自动化程度不高，因而设备的维护和操作对于人员数量和人员素质的要求较高，这造成了国内钢企普遍存在着运维成本高和人工成本大的问题。
(三)产能落后
装机水平的落后和电气自动化程度的低下造成精密带钢轧机在升速和降速过程中存在着耗时过长、效率低下和极易断带等现象，这极大的限制了设备产能并造成了设备产量无法满足下游用户需求的被动局面。
(四)成材率低
频繁断带和加减速段的超差造成精密带钢轧机的成材率低下成为业内公知的棘手问题，由于精密带钢的原料成本亦非常高，因而成材率低下问题的解决已刻不容缓。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种高速精密带钢冷轧机一键升速与自动降速控制系统。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种高速精密带钢冷轧机一键升速与自动降速控制系统，包括用于提供原始数据的高精度实测模块、用于提供核心迭代算法的超频计算模块和用于提供动态补偿的动态补偿模块，高精度实测模块包括卷径测量系统和转速测量系统，超频计算模块包括微张力控制系统和速度闭环系统，动态补偿模块包括板形补偿系统和厚差补偿系。所述卷径测量系统的数据输出端连接微张力控制系统和速度闭环系统的数据输入端，所述转速测量系统的数据输出端连接速度闭环系统的数据输入端。所述微张力控制系统的数据输出端连接卷取机的电机并控制改变卷取机的电机电流，所述速度闭环系统的数据输出端连接轧机或卷取机的电机并控制改变其电机转速。所述微张力控制系统的数据输出端连接板形补偿系统，所述速度闭环系统的数据输出端连接厚差补偿系统。
优选的，所述卷径测量系统包括高精度超声波传感器。
优选的，所述转速测量系统包括高分辨率绝对值编码器。
优选的，所述微张力控制系统包括张力计和张力迭代处理器。
优选的，所述速度闭环系统包括测速仪和速度迭代处理器。
优选的，所述高精度超声波传感器分别布置在机组作业线的入口和出口位置。
优选的，所述高分辨率绝对值编码器分别布置在卷取机和轧机的电机的尾部。
优选的，所述张力计分别布置在轧机的入口和出口位置。
优选的，所述测速仪分别布置在轧机的入口和出口位置。
优选的，所述板形补偿系统设定在板形控制系统。
优选的，所述厚差补偿系统设定在AGC模块。
本发明系统可应用于单机架可逆轧机和全连续冷连轧机组。
与现有技术相比，本发明通过各系统间的数据交换与数据校量以实现升降速过程的稳定，并最终达到一键升速和自动降速的目的，本发明系统具有自动化程度高、运维成本低以及产能和成材率高的优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的系统架构图；
图2是微张力控制系统的控制原理图；
图3是速度闭环系统的控制原理图；
其中，3.a为卷取机速度闭环系统的控制原理图；3.b为轧机速度闭环系统的控制原理图；
图4是自动降速系统的控制原理图；
图2、图3和图4中各符号的释义如下：
n为单机代号，n＝0，1，2时分别对应轧机、入口卷取机和出口卷取机，因而图2和图3.a中n＝1或n＝2，图3.b和图4中n＝0；
i为迭代控制变量以做步长控制；Mi为当下步长的电机扭矩；Nn为相应单机的速比；Ti为当下步长的带材张力；Di为当下步长的带卷直径；Tn为相应单机的设定张力；Wi为当下步长的电机转速；Vi为当下步长的带材线速度；V瞬n为相应单机的瞬时设定速度；d为工作辊直径；m为相应卷筒上带材剩余圈数的2倍。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明系统的结构原理做详细叙述。
如图1所示，一种高速精密带钢冷轧机一键升速与自动降速控制系统包括高精度实测模块、超频计算模块和动态补偿模块，其中高精度实测模块由卷径测量系统和转速测量系统组成，超频计算模块由微张力控制系统和速度闭环系统组成，动态补偿模块由板形补偿系统和厚差补偿系统组成。通过各系统间的数据交换与数据校量以实现升降速过程的稳定，并最终达到一键升速和自动降速的目的。
卷径测量系统和转速测量系统是高精度实测模块并为一键升速和自动降速控制系统提供原始数据以提高自动化程度和降低运维成本。
微张力控制系统和速度闭环系统是超频计算模块并为一键升速和自动降速控制系统提供核心迭代算法以大幅提高产能。
板形补偿系统和厚差补偿系统是动态补偿模块并为一键升速和自动降速控制系统提供动态补偿以实现高的成材率。
本发明可应用于单机架可逆轧机和全连续冷连轧机组，不过由于控制原理相同，本实施例将重点以单机架可逆轧机为例进行控制原理和使用方法的阐述。
使用一键升降与自动降速控制系统前需根据轧制规程提前设定好该道次的轧制工艺表，其主要内容包括：入口厚度H、出口厚度h、入口张力T、出口张力t、主机速度V(稳态)，卷筒涨径直径D和出口设定卷径d设(仅连轧机组需要该数据)。
工艺表中预设的入口张力T值和出口张力t值是根据轧制工艺规程制定的，而带材的瞬时速度设定值根据初速度0.1V，加(减)速度0.5m/s2和加(减)速执行时长t按照如下公式计算而得：
V瞬＝0.1V+0.5t
主轧机的电机转速是根据主机速度和工作辊直径计算而得。由于带材的厚度极小因而其前后滑可忽略不计，所以带材的入口速度和主机速度相一致，而带材的出口速度为入口速度的H/h倍。
卷径测量系统是高精度实测模块的核心组成部分之一，主要由高精度超声波传感器构成，其重复精度可达0.1mm，并分别布置在机组作业线的入口和出口位置，测得数据为钢卷直径。由于速度计算和张力计算都需要卷径这一参数，因而其测量精度对一键升降与自动降速控制系统的影响非常大。
转速测量系统作为高精度实测模块的另一核心组成部分，主要由高分辨率绝对值编码器构成，其脉冲数为4096，分别布置在卷取机和轧机的电机的尾部，测得数据为电机转速。高脉冲数可以保证电机转速的测量更为精准，这是由于电机是实现一键升速和自动降速的核心执行机构，其转速的测量精度对升降速过程的稳定性至关重要。
微张力控制系统主要由张力计和张力迭代处理器构成，张力计分别布置在轧机的入口和出口位置，而且通过卷取机电流的控制使得张力仅向着低于目标值的方向波动，其限幅为设定值的-2％，当张力波动大于设定值的-5％时判定为断带并快速急停。而且微张力控制系统以轧制工艺所需的张力为目标值，目标张力发生波动时对电机扭矩以固定步长进行超频迭代控制并且预估迭代所需时长，将该时长上的新的瞬时卷径的测量值作为初始条件并进而实现张力微波动的目的。
如图2所示，微张力控制系统通过改变卷取机的电机电流以使电机扭矩Mi的迭代步长约为0.1N.m，并通过卷取机电机扭矩和卷径测量系统测得的瞬时卷径Di可得当下带材承受得张力Ti，具体地，Ti＝Mi/Di。将该张力值Ti与工艺表预设的张力T(或t)进行比对和超频迭代以使实际张力值与目标张力值相等。
速度闭环系统主要由测速仪和速度迭代处理器构成，测速仪分别布置在轧机的入口和出口位置，当测速仪测得的速度波动大于瞬时速度设定值的2％时即判定为异常并快速急停。速度闭环系统以瞬时速度设定值为目标值，当测速仪实测速度与目标值背离时，对电机转速以固定步长进行超频迭代控制并且预估迭代所需时长，将该时长上的新的瞬时速度设定值设定为新的目标值并进而将电机转速逐步调整至新的目标值。
如图3所示，速度闭环系统的电机转速Wi的迭代步长约为0.1r/min，并通过卷径测量系统测得的瞬时卷径Di或工作辊直径d即可得出卷取机或轧机的瞬时的线速度值Vi,具体地，卷取机：Vi＝3.14×Wi×Di/Nn，轧机：Vi＝3.14×Wi×d/Nn。将该速度值Vi与瞬时速度设定值V瞬n进行比对和超频迭代以使实际速度值与目标速度值相等。瞬时速度设定值根据当下实测速度值与预估的迭代时长上速度的增量叠加而成，其计算公式如下，该公式将迭代时长上速度的增量亦计入考量。
V瞬0＝V瞬1＝0.1V±0.5t(一键加速时取“+”，自动降速时取“-”)
V瞬2＝V瞬1H/h
其中t为加减速的时长；
根据上述公式可知，轧机的线速度和入口卷取机的线速度相同。根据秒流量相等原理，出口卷取机的线速度为入口卷取机线速度的H/h倍。
板形补偿系统设定在板形控制系统，并和微张力控制系统协同工作以补偿张力波动引起的板形变化。板形补偿系统将微张力控制系统的张力波动值和加速度为权益乘数对板形完成补偿。这是由于机组升速时带材承受的张力有变大的趋势而机组降速时带材承受的张力有减小的趋势，将加速度引起的张力变化的趋势和由于原料自身缺陷等引起的张力波动进行叠加并作为权益乘数，从而使板形控制系统可对带材在升降速过程中的板形变化完成补偿。板形权益乘数的计算公式如下：
K＝-εaΔT
式中，a为加速度,ΔT为张力波动值；ε为板形相关系数。板形相关系数ε，其初始值按以下公式计算；
ε＝n″′σT'
n″′σ为张力影响系数，T'为轧制油温度；
厚差补偿系统设定在AGC模块，用于补偿速度变化对带材厚差的影响并进而实现带材厚度的稳定。厚差补偿系统将速度闭环系统的实测速度值为权益乘数对厚差完成补偿。厚差权益乘数的计算公式如下：
S＝-θV
式中，V为速度,θ为厚度相关系数；
厚度相关系数θ，其初始值按以下公式计算，；
θ＝n′σf
n'σ为外摩擦影响系数，f为轧机振动频率；
板形相关系数ε和厚度相关系数θ，均根据系统自学习而不断优化和修正。
由于带材和工作辊间的摩擦系数与带材的线速度成反比，而带材承受的轧制力与其摩擦系数成正比。因此随着速度的增加，带材维持原有轧后厚度所需的轧制力会变小，此时如不对轧机压下系统输出的轧制力进行补偿或调整会使轧后带材的厚度比目标值小。当自动降速时，反之亦然。
本发明可应用于单机架可逆轧机和全连续冷连轧机组，其具体的使用方法如下。
对于单机架可逆轧机，当完成上料和穿带后，机电液系统自检正常后由现场操作人员以0.1V的速度平稳起车，当板形控制系统反馈的板形达到目标值时，由现场操作人员按下一键升速按钮并使得机组速度迅速达到目标速度V。
如图4所示，自动降速系统投入后当入口卷径为D+20H时主机速度自动降为0.5V，入口卷径为D+10H时主机速度自动降为0.1V，入口卷径为D+4H时主机速度降为零并停车，此时入口卷取机上仅剩约两圈超差带材，机组的成材率非常高。
对于全连续冷连轧机组，当完成上料和穿带后，机电液系统自检正常后由现场操作人员以0.1V的速度平稳起车，当板形控制系统反馈的板形达到目标值时，由现场操作人员按下一键升速按钮并使得机组速度迅速达到目标速度V。出口卷径为0.8d设时主机速度自动将为0.5V，出口卷径为0.95d设时主机速度自动将为0.3V，出口卷径为0.99d设时飞剪启动并完成一个成品带卷的生产。然后现场操作人员按下一键升速按钮并使得主机速度再次从0.3V升至V并进行连续轧制。
为了充分释放产能，一键升速和自动减速控制系统的加(减)速度设定为0.5m/s2。为了充分保证安全，急停时的减速度设定为1.5m/s2。
由于板形补偿系统和厚差补偿系统的协同控制，机组在一键升速和自动降速过程中轧制的带材与稳速段带材的几何尺寸的偏差可控制在1％以内，机组的整体成材率可达97％以上。
不论单机架可逆轧机还是全连续冷连轧机组，一键升速和自动降速控制系统的基本原理是相同的，具体到轧机出口或轧机入口的自动控制上，只需将目标值和实测值相对应即可。举例：对于单机架可逆轧机，其入口张力的稳定是根据入口张力计实测数据对入口电机的转矩进行小幅超频迭代以使实测值与工艺表中的入口张力预设值相同，其出口速度的稳定增减是根据出口测速仪实测数据对出口电机的转速进行小幅超频迭代以使实测值与出口瞬时速度设定值相同。反之亦然，不再赘述。
本发明没有详细叙述的部件、结构和原理属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种高速精密带钢冷轧机一键升速与自动降速控制系统，其特征在于，包括用于提供原始数据的高精度实测模块、用于提供核心迭代算法的超频计算模块和用于提供动态补偿的动态补偿模块；高精度实测模块包括卷径测量系统和转速测量系统，超频计算模块包括微张力控制系统和速度闭环系统，动态补偿模块包括板形补偿系统和厚差补偿系统；所述卷径测量系统的数据输出端连接微张力控制系统和速度闭环系统的数据输入端，所述转速测量系统的数据输出端连接速度闭环系统的数据输入端；所述微张力控制系统的数据输出端连接卷取机的电机并控制改变卷取机的电机电流，所述速度闭环系统的数据输出端连接轧机或卷取机的电机并控制改变其电机转速；所述微张力控制系统的数据输出端连接板形补偿系统，所述速度闭环系统的数据输出端连接厚差补偿系统；所述速度闭环系统包括测速仪和速度迭代处理器；所述测速仪分别布置在轧机的入口和出口位置；所述板形补偿系统设定在板形控制系统；所述厚差补偿系统设定在AGC模块；
板形补偿系统将微张力控制系统的张力波动值和加速度为权益乘数对板形完成补偿，板形权益乘数的计算公式如下：
K＝-εaΔT
式中，a为加速度,ΔT为张力波动值；ε为板形相关系数；
厚差补偿系统将速度闭环系统的实测速度值为权益乘数对厚差完成补偿，厚差权益乘数的计算公式如下：
S＝-θV
式中，V为速度,θ为厚度相关系数。
2.根据权利要求1所述高速精密带钢冷轧机一键升速与自动降速控制系统，其特征在于，所述卷径测量系统包括高精度超声波传感器。
3.根据权利要求1所述高速精密带钢冷轧机一键升速与自动降速控制系统，其特征在于，所述转速测量系统包括高分辨率绝对值编码器。
4.根据权利要求1所述高速精密带钢冷轧机一键升速与自动降速控制系统，其特征在于，所述微张力控制系统包括张力计和张力迭代处理器。
5.根据权利要求2所述高速精密带钢冷轧机一键升速与自动降速控制系统，其特征在于，所述高精度超声波传感器分别布置在机组作业线的入口和出口位置。
6.根据权利要求3所述高速精密带钢冷轧机一键升速与自动降速控制系统，其特征在于，所述高分辨率绝对值编码器分别布置在卷取机和轧机的电机的尾部。
7.根据权利要求4所述高速精密带钢冷轧机一键升速与自动降速控制系统，其特征在于，所述张力计分别布置在轧机的入口和出口位置。
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