CN202779189U - 冷轧带钢板形横向整体优化控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种冷轧带钢板形横向整体优化控制系统，包括：接触式板形仪，安装于轧机出口处，用于测量获得轧机的输出板形参数；计算控制模块，与所述接触式板形仪连接，用于接收所述接触式板形仪测得的输出板形参数，并根据该输出板形参数与目标板形参数计算出板形调控机构的最优调节量；板形调控机构，与所述计算控制模块连接，用于根据计算控制模块计算出的最优调节量对轧机进行调整。本实用新型提供的冷轧带钢板形横向整体优化控制系统有效解决了使用传统板形控制方法时经常遇到局部板形偏差过大、产品次品率高的技术问题，可以显著提高冷轧带钢的板形控制质量。

Description

冷轧带钢板形横向整体优化控制系统

技术领域

本实用新型涉及冷轧带钢领域，尤其是一种冷轧带钢板形横向整体优化控制系统。

背景技术

随着国内外带钢产品制造业的迅猛发展，下游用户对冷轧带钢产品的板形质量要求也日益增高，特别是对于高档汽车和高端IT产品制造等行业。于是，冷轧带钢板形的质量已成为考核带钢产品的主要技术指标之一。

在冷轧带钢轧制过程中，带钢会发生明显的纵向延伸和横向流动。当带钢横向流动较大时，会导致带钢横向各条元的纵向延伸不一致，相邻条元间产生伸长差，使得相邻条元发生拉伸或者压缩变形而导致板形缺陷。

为了定量的衡量板形，国际上通常采用的方法是，取带钢横向上不同点之间长度差的10⁵倍来表示板形，即δ_i＝ΔL_i/L×10⁵，单位定义为I。其中，δ_i是第i个测量段的板形，ΔL_i是第i个测量段的实际板形与标准板形之间的长度差，L是标准板形。

在进行板形控制精度统计时，常用的方法是计算各条元板形绝对值的平均值，即这里

为板形绝对值的平均值，n为带钢有效覆盖的接触式板形仪测量段的个数。

事实上，对冷轧带钢产品板形质量的评价，关键是各条元中板形偏差绝对值的最大值δ_max是否超限，δ_max＝max(|δ_i|)。而利用上述板形统计方法，板形数据在统计上满足产品板形要求时(例如)，并不能够保证所有条元的板形都满足产品板形要求(此时是指δ_i＜10I均成立)。

在现有的冷轧带钢生产过程中，技术人员通常采用多变量优化控制模型的方法，来进行各板形调控机构在线调节量的计算，该控制方法是：经过调节机构的调节，让实际板形与目标板形偏差的平方和为最小值，此处对各条元的板形偏差是均等看待的，而对板形偏差较大处并没有进行有效的处理，因此产生了轧机出口的板形中局部板形偏差过大，产品次品率高的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够解决局部板形偏差过大，提高产品合格率的冷轧带钢板形横向整体优化控制系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种冷轧带钢板形横向整体优化控制系统，包括：

接触式板形仪，安装于轧机出口处，用于测量获得轧机的输出板形参数；

计算控制模块，与所述接触式板形仪连接，用于接收所述接触式板形仪测得的输出板形参数，并根据该输出板形参数与目标板形参数计算出板形调控机构的最优调节量；

板形调控机构，与所述计算控制模块连接，用于根据计算控制模块计算出的最优调节量对轧机进行调整。

进一步地，还包括：

稳定轧制判断模块，与所述计算控制模块连接，用于判断轧机的实际轧制速度是否大于预设的稳定轧制临界速度，若是，输出执行指令给所述计算；

所述计算控制模块接收到所述稳定轧制判断模块输出的执行指令后，再执行计算操作，否则不执行计算操作。

进一步地，还包括：

通信模块，用于实现本实用新型的控制系统与轧机控制级计算机之间的通信；

生产信息收集模块，和所述通信模块及计算控制模块连接，用于从所述轧机控制级计算机获取生产信息，并将该生产信息发送给所述计算控制模块。

进一步地，还包括：

控制参数设定模块，与所述计算控制模块连接，用于输入控制参数，并将控制参数发送给所述计算控制模块。

本实用新型提供的冷轧带钢板形横向整体优化控制系统有效解决了使用传统板形控制方法时经常遇到局部板形偏差过大、产品次品率高的技术问题，可以显著提高冷轧带钢的板形控制质量。

附图说明

图1为本实用新型的冷轧带钢板形横向整体优化控制系统一个实施例的结构框图。

图2为本实用新型一个实施例的板形控制方法流程图。

图3为本实用新型实施例中给出的三组控制加权系数随板形偏差绝对值变化图。

图4为本实用新型实施例中某一控制周期控制前板形偏差分布图。

图5为采用传统板形控制系统得到的控制后板形偏差分布图。

图6为采用本实用新型板形控制系统得到的控制后板形偏差分布图。

图7为传统板形控制系统和本实用新型板形控制系统的应用效果比较图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

如图1所示，本实用新型的一实施例中，冷轧带钢板形横向整体优化控制系统包括：

通信模块，优选为工业以太网通信模块，用于完成板形横向整体优化控制系统与轧机过程控制级(L2级)计算机之间的轧制过程数据网络通信功能；

生产信息收集模块，与所述网通信模块及计算控制模块相连接，用于接收来自轧机过程控制级(L2级)计算机的轧机和带卷生产信息，并将该生产信息发送给计算控制模块。轧机和带卷生产信息包括：轧机所配备的板形调控机构数目N、所轧带钢的宽度B(单位mm)、当前轧机实际轧制速度V(单位m/s或者m/min)、所轧带钢有效覆盖的接触式板形仪测量段个数n；

控制参数设定模块，与计算控制模块连接，用于输入控制参数，并将控制参数发送给所述计算控制模块。控制参数包括设定板形横向整体优化控制系统的板形控制加权系数和建立板形横向整体优化控制目标函数；

稳定轧制判断模块，与计算控制模块连接，用于接收当前轧机实际轧制速度V，判断V是否大于由轧钢工艺工程师预先确定的稳定轧制临界速度V₀。若有V＞V₀，则输出判断结果信号S＝1；否则，输出判断结果信号S＝0；

人工操作模块，用于接收稳定轧制判断模块的判断结果信号S，若有S＝0则此时板形自动控制系统不能投入在线运行，而依靠操作员人工观测轧机出口板形缺陷，手动确定各板形调控机构调节量u_i(i＝1，2，…，N)；

板形目标曲线设定模块，用于接收所轧带钢的宽度B和所轧带钢有效覆盖的接触式板形仪测量段个数n，同时考虑信号补偿和后续处理工序板形需求来设定出这n个板形测量段所对应的板形目标信号ref_i(i＝1，2，…，n)，并将其存储于板形计算机数据库中；

计算控制模块，用于接收稳定轧制判断模块的判断结果信号S、所述n个板形测量段所对应的板形目标信号ref_i(i＝1，2，…，n)和由接触式板形仪在线实测的n个板形测量段所对应的板形测量信号σ_i(i＝1，2，…，n)，若有S＝1则此时板形自动控制系统投入在线运行，首先计算本控制周期的板形偏差信号δ_i(i＝1，2，…，n)，然后利用本模块中的板形最优调节量计算公式在线计算出本控制周期内的各板形调控机构最优调节量u_i(i＝1，2，…，N)，用于改变工作辊辊缝分布状态，以保证轧机出口板形质量，降低冷轧带钢产品的次品率；

接触式板形仪，安装在轧机出口处而用于冷轧带钢出口板形测量信号σ_i(i＝1，2，…，n)，每次测量后通过TCP/IP网络通讯将测量值传送至所述计算控制模块。

上述技术方案中的控制参数设定模块中，板形控制加权系数应当是关于板形偏差绝对值的增函数。特别地，这里可以选用如下形式的板形控制加权系数：

$f\left({\mathrm{\δ}}_i\right)=e^{\frac{1}{a}\left|{\mathrm{\δ}}_i\right|},i=\mathrm{1,2},...,n$

式中，δ_i表示第i个板形测量段所对应的板形偏差值，单位为板形国际单位I；e表示指数函数；a为用于调节函数斜率大小的关键参数，它需为大于零的正实数；|δ_i|表示δ_i的绝对值。

上述实施例中的控制参数设定模块中，所述板形横向整体优化控制目标函数为：

$J=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(f\left({\mathrm{\δ}}_i\right)\×{({\mathrm{\δ}}_i-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ij}}\×u_j)}^2),$

式中，E_ij表示第j个板形调控机构的单位动作量在第i个板形测量段的板形调控系数，单位为I/板形调控机构的单位动作量；u_j表示第j个板形调控机构的动作量，f(δ_i)为第i个板形测量段所对应的板形控制加权系数。

上述实施例中的计算控制模块中，所述板形偏差信号δ_i(i＝1，2，…，n)的计算方法为：δ_i＝ref_i-σ_i。

上述实施例中的计算控制模块中，所述板形最优调节量计算公式为：

式中，δ_i表示第i个板形测量段所对应的板形偏差值，单位为板形国际单位I；E_ij表示第j个板形调控机构的单位动作量在第i个板形测量段的板形调控系数，单位为I/板形调控机构的单位动作量；u_j表示第j个板形调控机构的动作量；f(δ_i)为第i个板形测量段所对应的板形控制加权系数。

本实用新型通过引入板形控制加权系数来增加较大板形偏差处在控制目标函数中的权重，设计板形横向整体控制目标函数，可以自动计算出可以有效减少轧机出口板形最大偏差量的各板形调控机构最优调节量，用于冷轧带钢板形的在线调节，提高了板形偏差分布的均匀性；

本实用新型在显著提高板形控制质量的同时其在线调节量计算部分并未增加额外的计算环节，整个板形控制系统实现简单、反应速度快，完全满足冷轧带钢板形自动控制的实时性要求。

基于本实用新型的冷轧带钢板形横向整体优化控制方法可用于四辊、六辊单机架或多机架冷连轧机组。以下以一台单机架六辊轧机为例，六辊轧机可轧制的产品包括普通板、高强钢、部分不锈钢和硅钢等。本实施例轧制的是中高牌号硅钢，机型为UCM轧机，板形控制手段包括轧辊倾斜、工作辊正负弯辊、中间辊正弯辊、中间辊窜辊以及乳化液分段冷却等。其中中间辊窜辊是根据带钢宽度进行预设定，调整原则是将中间辊辊身边缘与带钢边部对齐，亦可由操作方考虑添加一个修正量，调到位后保持位置不变；乳化液分段冷却具有较大的时间滞后特性。因而在线调节的板形控制手段主要有轧辊倾斜、工作辊正负弯辊、中间辊正弯辊三种。该机组的主要技术性能指标和设备参数为：

轧制速度：Max 900m/min，轧制压力：Max 18000KN，最大轧制力矩：140.3KN×m，卷取张力：Max 220KN，主电机功率：5500KW；

来料厚度范围：1.8～2.5mm，来料宽度范围：850～1280mm，轧后厚度范围：0.3mm～1.0mm；

工作辊直径：290～340mm，工作辊身长：1400mm，中间辊直径：440～500mm，中间辊身长：1640mm，支撑辊直径：1150～1250mm，支撑辊身长：1400mm；

每侧工作辊弯辊力：-280～350KN，每侧中间辊弯辊力：0～500KN，中间辊轴向横移量：-120～120mm，辅助液压系统压力：14MPa，平衡弯辊系统压力：28MPa，压下系统压力：28MPa。

板形测量装置(通常为接触式板形仪)采用瑞典的ABB公司板形辊，该板形辊辊径313mm，由实心钢轴组成，沿宽度方向每隔52mm被分成一个测量区域，每个测量区域内沿轴向在测量辊的四周均匀分布着四个沟槽以放置磁弹性力传感器，传感器的外面被钢环所包裹。本实例中产品规格(厚度×宽度)为：0.80mm×1250mm。

如图2所示，利用本实施例进行冷轧带钢板形横向整体优化控制的具体工作流程为：

1)收集轧机和带钢生产信息 本实例中轧机和带钢生产信息包括：在线板形调控机构共有轧辊倾斜、工作辊正负弯辊、中间辊正弯辊三种，因此有N＝3；所轧带钢的宽度B＝1250mm；当前轧机实际轧制速度V＝900m/min；本实例中带钢宽度为1250mm，板形仪测量辊各测量段宽度尺寸为52mm，因此带钢总共覆盖1250/52＝24.0385个测量段，由于轧机操作侧和传动侧最外端的两个测量段覆盖率很小(不及测量段宽度52mm的2％)，因此可以舍去轧机操作侧和传动侧最外端两个测量段，也就是说所轧带钢有效覆盖的接触式板形仪测量段个数n＝24。

2)选定板形控制加权系数 图3给出了指数型函数

在关键参数a取不同值时得到的控制加权系数随板形偏差绝对值变化图。本实例中选用上述指数型函数来确定板形控制加权函数，这里关键参数a＝12，因此板形控制加权系数是板形偏差绝对值的增函数，因此可以增加较大板形偏差处在控制目标函数中的权重，有效消除冷轧带钢生产过程中局部板形偏差过大现象的发生。该指数函数表示的控制加权系数表示为：

$f\left({\mathrm{\δ}}_i\right)=e^{\frac{1}{12}\left|{\mathrm{\δ}}_i\right|},i=\mathrm{1,2},...,24---\left(1\right)$

式中，δ_i表示第i个板形测量段对应的板形偏差值，单位为板形国际单位I；e表示指数函数；|δ_i|表示δ_i的绝对值。

3)为本实例构造一种板形横向整体优化控制目标函数

$J=\underset{i=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}(f\left({\mathrm{\δ}}_i\right)\×{({\mathrm{\δ}}_i-\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ij}}\×u_j)}^2)---\left(2\right)$

式中，E_i1表示轧辊倾斜机构的单位动作量在第i个板形测量段的板形调控系数，单位为I/mm，E_i2表示工作辊正负弯辊机构的单位动作量在第i个板形测量段的板形调控系数，单位为I/KN，E_i3表示中间辊正弯辊机构的单位动作量在第i个板形测量段的板形调控系数，单位为I/KN；u₁表示轧辊倾斜机构的动作量，u₂表示工作辊正负弯辊机构的动作量，u₃表示中间辊正弯辊机构的动作量。

4)确定目标函数取最小值时板形最优调节量计算公式 为了尽可能均匀的消除本实例的板形偏差，这里需要求取使得目标函数J取得最小值时的板形调控机构调节量，也就是使得J对各板形调控机构调节量所取的偏导数均等于零：

$\frac{\∂J}{{\∂u}_j}=0,j=\mathrm{1,2,3}.$

通过数学推导，可以获得本实例的板形最优调节量计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ u_2\\ u_3\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}\underset{i=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}f\left({\mathrm{\δ}}_i\right)E_{i1}{E}_{i1}& \underset{i=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}f\left({\mathrm{\δ}}_i\right)E_{i2}{E}_{i1}& \underset{i=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}f\left({\mathrm{\δ}}_i\right)E_{i3}{E}_{i1}\\ \underset{i=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}f\left({\mathrm{\δ}}_i\right)E_{i1}{E}_{i2}& \underset{i=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}f\left({\mathrm{\δ}}_i\right)E_{i2}{E}_{i2}& \underset{i=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}f\left({\mathrm{\δ}}_i\right)E_{i3}{E}_{i2}\\ \underset{i=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}f\left({\mathrm{\δ}}_i\right)E_{i1}{E}_{i3}& \underset{i=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}f\left({\mathrm{\δ}}_i\right)E_{i2}{E}_{i3}& \underset{i=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}f\left({\mathrm{\δ}}_i\right)E_{i3}{E}_{i3}\end{array}\right]}^{-1}\×\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}f\left({\mathrm{\δ}}_i\right){\mathrm{\δ}}_i{E}_{i1}\\ \underset{i=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}f\left({\mathrm{\δ}}_i\right){\mathrm{\δ}}_i{E}_{i2}\\ \underset{i=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}f\left({\mathrm{\δ}}_i\right){\mathrm{\δ}}_i{E}_{i3}\end{array}\right]---\left(3\right)$

5)判断板形自动控制系统是否具备上线条件 本实例中由轧钢工艺工程师确定的稳定轧制临界速度V0＝300m/min，可以看出在步骤1)中收集的轧机实际轧制速度V大于V0，此时转至第6)步，可以投入板形自动控制系统不能投入在线运行。

6)接收板形仪周期性发出的板形信号 在本实例板形自动控制系统上线运行以后，板形仪每隔一定时间都会通过TCP/IP网络通讯向板形自动控制系统发送24个不同板形测量段的板形信号，板形自动控制系统接收到本次板形信号后将其赋值给控制程序中的板形测量信号变量σ_i(i＝1，2，…，24)，其单位为I。

7)板形自动控制系统从板形计算机数据库中读取由轧钢工艺工程师所预先设定的板形目标信号ref_i(i＝1，2，…，24)，其单位为I；再利用板形目标信号减去板形测量信号得到本控制周期的板形偏差信号δ_i(i＝1，2，…，24)，计算公式为：δ_i＝ref_i-σ_i。图3为本实施例中一种典型的板形偏差分布图。

8)利用板形最优调节量计算公式(3)实时计算出本次控制周期内的轧辊倾斜、工作辊正负弯辊、中间辊正弯辊三种板形调控机构的最优调节量u_i(i＝1，2，3)。

9)输出轧辊倾斜、工作辊正负弯辊、中间辊正弯辊三种板形调控机构的最优调节量u_i(i＝1，2，3)，用于改变工作辊辊缝分布状态，以保证轧机出口板形质量，降低冷轧带钢产品次品率。

本实施例中带钢产品板形质量要求为各测量段板形偏差不超过6I。图4为本实例中某一控制周期控制前板形偏差分布图，可以看出此时最大板形偏差为δ_max＝^22.5I，绝对值平均板形偏差为图5为采用传统板形控制系统控制后的板形偏差分布图，此时最大板形偏差为δ_max＝7I，绝对值平均板形偏差为

此时虽然板形偏差绝对值的平均值均小于6I，但是在第24个板形测量段板形偏差超过了6I，即实际板形已经超出了产品质量要求。图6为采用本实用新型的轧带钢板形横向整体优化控制系统进行控制后的板形偏差分布图，此时最大板形偏差为δ_max＝52I，绝对值平均板形偏差为

此时获得的最大板形偏差和绝对值平均板形偏差均小于6I，即实际板形完全满足产品质量要求。图7给出了传统板形控制系统和本实用新型轧带钢板形横向整体优化控制系统在单机架六辊可逆冷轧机上的应用效果比较图，可以看出本实用新型有效减少了轧机出口板形最大偏差量，解决使用传统板形控制系统时经常遇到局部板形偏差过大、产品次品率高的技术问题，可以显著提高冷轧带钢的板形控制质量。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims (2)

1.一种冷轧带钢板形横向整体优化控制系统，其特征在于，包括：

接触式板形仪，安装于轧机出口处，用于测量获得轧机的输出板形参数；

计算控制模块，与所述接触式板形仪连接，用于接收所述接触式板形仪测得的输出板形参数，并根据该输出板形参数与目标板形参数计算出板形调控机构的最优调节量；

板形调控机构，与所述计算控制模块连接，用于根据计算控制模块计算出的最优调节量对轧机进行调整。

2.根据权利要求1所述的冷轧带钢板形横向整体优化控制系统，其特征在于，还包括：

控制参数设定模块，与所述计算控制模块连接，用于输入控制参数，并将控制参数发送给所述计算控制模块。

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