關于 FM458在冷軋連退線光整機上應用的研究
作者：張毅
1 冷軋連退線光整機簡介
某冷軋廠連退線的主要產品為高檔家電板及汽車板，設計年產能70萬噸。其中，光整機為四輥結構，采 用支撐輥傳動、工作輥彎輥和液壓下壓上方式，最大軋制力為1 200 t，最大彎輥力（單側）為125 t，延伸率為0%～3%，有450 mm、650 mm兩種輥徑，最大運行速度為650 m／min。
2光整機的功能及組成
冷軋板經過光整后對表面質量的改善和性能的提高有較大作用，主要體現(xiàn)在以下4個方面：消除帶鋼明顯的屈服平臺；改善帶鋼的機械性能和平直度；使板面獲得更加均勻一致的光澤度；使帶鋼表面達到一定的粗糙度。
光整機主要由軋機本體、工作輥和支撐輥換輥設備、濕光整系統(tǒng)、邊部空氣吹掃設備4大部分組成，其結構簡圖如圖1所示。
3 光整機軋機控制系統(tǒng)軟、硬件組成
光整機有3種主要的工作狀態(tài)：①當處于壓上工作方式時，光整機采用恒軋制壓力控制方式，同時保持前后帶材張力不變；②在進行工作輥預壓靠和快速打開作業(yè)中，光整機處于位置閉環(huán)控制狀態(tài)；③當處于延伸率自動控制工作方式時，根據帶鋼延伸率給定值．通過帶鋼張力和軋制力的閉環(huán)控制以保持恒定的帶材延伸率。
Siemens功能模塊FM458主要實現(xiàn)彎輥控制、延伸率控制以及液壓HRFC控制3大功能。其中，HR-FC控制有位置閉環(huán)控制(APC)和壓力閉環(huán)控制(AFC)兩種控制模式；彎輥控制包括正彎和負彎兩種方式，以獲得不同的輥凸度；延伸率控制主要通過對帶鋼前后張力和軋制力的調整以確保帶鋼延伸率的恒定，從而改善帶鋼的表面質量和內在性能。
由于光整機軋機控制系統(tǒng)具有非常強的實時性要求，需要快速響應，其系統(tǒng)的硬件配置具有一定的典型性，具體如表1所示。
FM458使用的編程軟件是STEP7／CFC。CFC是一種基于功能塊的圖形編程工具，其中配置了很多預編程的功能塊，這些功能塊以庫的形式存放。每個功能塊都有一個參數表，可根據實際工藝要求進行參數的選擇。功能塊在CFC中的連接直接用鼠標點選連接，并具有可跨頁面擴展功能，連接標記由系統(tǒng)自動標出。
4 主壓下HRFC控制原理
HRFC功能主要是通過對安裝在機架底部傳動側和操作側兩端的液壓缸位置和軋制壓力的同步控制來獲得合適的光整機軋制壓力，本系統(tǒng)采用支承輥液壓壓上的方式，液壓缸的壓力通過一套伺服分配器進行軋輥打開和關閉的控制，同時調節(jié)軋制力的大��；利用兩套液壓缸的3個伺服閥實現(xiàn)軋輥的關閉、快開和全部打開等控制功能；每個液壓缸的壓力信號各由一個壓力傳感器讀取，經過專用變送模塊模數轉換后傳送至FM458中；液壓缸的位置信號則由液壓缸兩側的位置傳感器進行監(jiān)控，再將現(xiàn)場4 m A～20 m A電流信號經模塊轉換成±10 V電壓信號送入FM458中。
控制系統(tǒng)利用位置信號和壓力信號進行計算，確定HRFC的綜合壓下量。HRFC控制原理如圖2所示。光整下壓上控制系統(tǒng)主要包括軋輥位置控制、傾斜斜率控制、軋制力控制和壓差控制，在不同的工作狀態(tài)下采用不同的控制策略，對應于位置控制器、傾斜控制器、軋制力控制器和壓差控制器4個控制器。這4個控制器通常成對投入：在未壓靠時，采用位置控制加傾斜斜率控制；當壓靠后立刻切換至軋制力控制加壓差控制，整個切換過程由控制系統(tǒng)自動完成。
圖3為位置控制器功能原理圖，其他控制器與此類同，不再贅述。圖3中，W1=實際設定斜率值+AGC位置修正值十位置斜率發(fā)生器值；W2、W3為傳動側測量位置值；X為偏移補償值；Lu為輸入最大限幅值；LL為輸入最小限幅值；KP為放大系數；Y為限幅后的位置控制輸出；YE為位置控制偏移值；Q u、Q L分別為輸出最大、最小限幅值。位置控制器的投入基本策略如下：換輥作業(yè)完成后，控制系統(tǒng)采用位置控制模式首先對軋輥位置進行標定；校輥完成后切換至軋制力控制模式；在正常軋鋼時，生產人員通過軋輥傾斜斜率控制或軋制力壓差控制來調整液壓缸兩側壓力。
5彎輥控制
光整機的彎輥控制主要包括工作輥的正彎和負彎，利用布置在工作輥端部的16個彎輥缸對輥端軸承座施加作用力，從而引起工作輥的附加彎曲，促使工作輥的凸度變化最終改變輥縫形狀，以實現(xiàn)板形修正的目的。
彎輥控制器的原理與HGC（液壓壓下控制）基本一致，如圖4所示。從圖4中可以看到，設定的正、負彎輥壓力值經補償計算后輸出到相對應的伺服閥中，在FM458控制模塊中，彎輥伺服閥的開口度用±10V的電壓數值來表示，經電壓轉換電流的專用模板向伺服閥輸出4 m A～20 m A的電流信號驅動伺服閥運動。4 m A～20 m A的電流信號與伺服閥開口度有如 下對應關系：12 m A對應伺服閥開口度為0，4 m A對應-100%開口度，20 m A對應+100%開口度。在彎輥系統(tǒng)中，伺服閥輸出到活塞側，彎輥桿側液壓系統(tǒng)設置的恒定背壓值為15 bar(15 000 k Pa)。彎輥控制采用閉環(huán)控制方式，彎輥缸壓力傳感器檢測出的電流信號值經模數轉換模塊輸入ET站參與運算控制。
6延伸率控制
由于延伸率是光整唯一變形指標，在保證帶鋼力學性能方面起著至關重要的作用，因此，延伸率控制是平整過程中最關鍵的控制，通過帶鋼延伸率的變化間接確定帶鋼厚度的變化。該連退平整機延伸率在0%～3%之間，由于軋制力與張力間的負相關性，在同等延伸率的設定條件下，張力設定越大，軋制力越��；反之，則越大。
通常情況下，冷軋連退平整機一般選用延伸率加軋制力控制模式，在這個模式下，軋制力起主導作用，為因變量，延伸率進而發(fā)生改變，通過PI閉環(huán)控制器將達到設定的延伸率時所需的軋制力送至HGC軋制力控制器中，并處理延伸率控制和壓下量控制間的耦合關系。延伸率控制原理圖如圖5所示。
此外，本光整機還可以采用延伸率加張力控制模式實現(xiàn)對延伸率的調節(jié)。在這一模式下，系統(tǒng)通過入口張力PI控制器和出口張力PI控制器對光整機段的張力進行調節(jié)，通過對入口、出口張力的閉環(huán)PI調節(jié)來達到系統(tǒng)所要達到的延伸率的效果。
7 結語
本控制系統(tǒng)的現(xiàn)場運行非常穩(wěn)定，系統(tǒng)響應快，控制精度高，光整板形質量好。通過對整個生產過程進行實測，開輥縫時，系統(tǒng)采用位置閉環(huán)控制，當設置值為18 mm時，最大實際值為18. 001 mm，最小實際值為17. 998 mm，最大靜態(tài)誤差為±0.011%。進入穩(wěn)態(tài)平整過程，系統(tǒng)采用軋制力閉環(huán)控制狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為±0. 1%，完全達到了設計能力和水平，穩(wěn)定了系統(tǒng)位置控制和軋制力的控制精度，提高了板形質量。
8摘要：冷軋光整機是冷軋連退線的關鍵設備，對Siemens的CPU功能塊FM458在連退線光整機3個主要子模塊中的配置情況及典型應用進行了介紹，同時闡述了其實現(xiàn)光整機壓下控制HRFC、彎輥控制和延伸率控制的原理及方法。
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