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【摘 要】介绍了邯钢3000mm中板轧机自动控制系统、板形和平直度控制系统的原理、相关数学模型及影响因素。
【关键词】板形；平直度；液压AGC；轧机；自动控制
引言
邯钢3000mm中板轧机是上世纪90年代从德国SACK公司进口的二手设备，其压下系统是电动压下方式。为了进一步提高产品质量和自动化水平，邯钢对该轧机进行了技术升级改造，增加了液压AGC系统和主轧区自动控制系统。机械部分采用SMS先进技术，在机架上部安装了具有过载保护功能的AGC缸，通过液压缸和位置控制实现轧制力设置和厚度控制；电气部分采用SIEMENS先进的自动控制技术，结合现状、本着节省投资的原则，对轧机局部系统进行了改造，实现了轧机区域自动化轧钢。改造于2012年已完成并投入运行。以下主要对轧机自动控制系统和直接影响钢板质量的板形和平直度控制系统进行介绍。
1.新增主轧区自动控制
本次改造新增的主轧区自动控制包括：一次除鳞机控制、轧机控制、热矫直区控制。
1.1一级除鳞机控制
根据工艺数据（PDI）信息确定除鳞水集管的高度、将除鳞辊道加速、与出炉辊道速度相匹配、开启除鳞高压水、待钢坯通过除鳞机后关闭高压水，这一系列操作可自动完成。
1.2轧机控制
轧机控制包括对压下、推床、主电机及其辊道的控制。轧制过程由道次计算自动完成（包括二次除鳞和工作辊的冷却），压下、推床、AGC的定位由位置控制自动完成，各操作的顺序和钢板输送根据自动跟踪系统的信息自动完成。
1.3热矫直区控制
轧制完成后，轧机输出辊道速度降低到与热矫直机速度匹配，将钢板送入热矫直机，同时，包含轧后温度的PDI数据传输给矫直机自动控制系统。
2.轧机自动控制系统
轧机自动控制主要是轧制道次计算。道次计算模型是根据轧制力、轧制力矩、最大咬入角等限制条件确定下一道次的最大压下量，将下一道次的预计算值发送给板形和平直度模型，对工作辊弯辊量进行预设定并校验相应板形和平直度，如果校验合格则接受此预计算值，若板形值太高或超过浪形条件限制则减小该道次压下量，直到满足所有限制条件。当该道次最大允许压下量确定后，重复以上过程对后续道次进行逐次计算，直至末道次的钢板厚度小于目标厚度，最终的目标厚度通过调整各道次的压下量来达到。
轧制道次的计算是在轧制前完成的。在轧制过程中，当检测到任何超出轧机能力、板形及平直度限制条件时，前面的道次预计算将不再有效，为完成轧制过程，余下的道次将根据以上步骤重新计算。
轧制道次设定预计算必须确定每道次轧机运行所需的参数，并保证预设定的目标值尽量接近真实值。主要包括：电动压下和HGC位置、主电机转速、辊道速度、轧制力、轧制力矩、厚度尺寸、工作辊冷却水水量、AGC和AWC（自动宽度控制）的数据等。
轧制道次计算包括以下几部分内容：
●预计算和再计算：指轧制第一道次前进行的设定计算和预计算失效或人工干预情况下进行的再计算。
●轧制策略：即确定优化的轧制道次数、合理的轧制力分配和负荷分配。
●道次后计算和自适应：根据每道次后实际测量值进行道次后计算，计算值与实测值对比获得自适应系数。
●板形和平直度控制模型：用于控制轧机出口轧件的板形和平直度。
●平面形状控制模型：通过确定最佳转钢厚度和自动形状控制来优化钢板的平面形状。
●热机轧制模型：用于“控制轧制”工艺，轧件按照设定的终轧温度、道次压下量以及开轧温度进行轧制。为了提高轧机产能，对热机轧制的轧件，由三级系统生成的PDI信息指令控制，可进行多轧件交叉轧制。
●神经元网络：主要用于提高轧制力的控制精度，尤其对生产较薄、强度大且较宽的规格，需要热机轧制的产品或具有特殊化学成份的品种，可提高其控制精度。
3.板形和平直度控制系统原理
板形和平直度控制系统的主要作用是根据设定的目标值控制轧件的出口平直度和板形。
各道次的板形（板凸度）与有载辊缝形状是一致的，而有载辊缝形状又是由工作辊原始辊型（辊凸度）、工作辊弹性变形（挠曲和压扁）、工作辊热辊型和工作辊磨损辊型等因素共同决定的，因此所有影响有载辊缝形状的因素都可用来控制钢板板形。
平直度控制是靠各道次平直度合适的分配来获得的，目的是获得钢板任意位置的平直度，特别是出口平直度。由此可见，负荷分配对保证钢板平直度具有决定性作用，所以板形和平直度控制要进行综合的轧制道次设定计算。只有通过计算轧辊叠加变形、轧辊热凸度和磨损凸度、变形和应力在变形区的分布，并具有一定精度的数学模型才能获得良好的板形和平直度。
4.板形和平直度控制系统数学模型
用于板形和平直度控制系统的数学模型包括：弯辊模型、工作辊压扁模型、轧辊热凸度和磨损凸度模型、轧件变形模型（材料流动模型）。
4.1 弯辊模型
在考虑了工作辊挠度曲线、工作辊压扁量、工作辊辊型等参数后，根据钢板厚度和目标板形值确定二次曲线。当确定弯辊力的变化范围后（以使整个板形在可控范围内），弯辊力进行变化以调整板形，使可控值与目标值进行协调的结果作为执行机构的设定值，轧机的弯辊机构据此进行调整动作。该模型计算的结果就是辊缝的几何形状。
4.2 工作辊压扁模型
工作辊压扁模型用于计算工作辊与轧件接触区的弹性压扁量。不同于弯辊模型计算的工作辊挠曲变形曲线，工作辊与轧件接触区的压扁曲线取决于接触区的轧制力分布情况，接触区的轧制力分布由材料流动模型计算。
4.3 轧辊温度场和轧辊磨损模型
轧辊温度场和轧辊磨损模型用于计算轧辊的磨损状态及轧辊沿半径和轴线方向的温度分布。
轧件的热量通过轧辊表面与轧件的接触角输入和导出，由于轧辊是持续转动的，所以轧辊芯部的温度场逐渐形成稳定的平均值，即轧辊辊身内部温度分布会随着时间变化形成只有半径方向和轴线方向的不同。根据轧辊内部温度场确定轧辊相应的热凸度。
4.4 材料流动模型
材料流动模型用于计算各道次变形区内（咬入角内）轧制压力的分布以及由此产生的每道次出口处轧件的平直度状况。
在轧制过程中，假定变形区形状沿轧辊长度方向保持圆弧形状（暂不考虑工作辊的压扁变形），那么每道次轧件的几何形状与咬入变形区几何形状相同，而变形区的几何形状是由出口区与入口区之间的轧件厚度分布决定的。利用这一原理，材料流动模型可计算出变形区内轧制负荷的分布和变形区出口处钢板的形状。
4.5 辊缝形状模型
輥缝形状是以轧件与工作辊接触区中心和边部的变形差来表示的，由以下影响因素决定。
●轧辊物理性能和几何形状
●轧件宽度
●轧制力
●轧辊热凸度
●工作辊和支撑辊的磨损
●辊缝内负荷分配
所以，辊缝形状由以上数学模型进行计算，综合结果就反应出轧机出口钢板的板形。将实测的成品板形（板凸度）数值再用于辊缝形状模型的自适应，以调整板形的目标值，实现控制板形的目的。
5.结束语
3000mm中板轧机升级改造后运行一年多来，产品厚度稳定性大幅提高，成材率同比提高0.55%，全年轧钢原因改判率同比降低0.26%，轧钢性能合格率达到99.95%，超额完成公司99.9%目标。由此可见，加强轧钢过程控制后，产品质量明显提高，使企业不仅可以按时、保质、更好的满足用户需求，同时也大大降低了操作工的劳动强度。
【关键词】板形；平直度；液压AGC；轧机；自动控制
引言
邯钢3000mm中板轧机是上世纪90年代从德国SACK公司进口的二手设备，其压下系统是电动压下方式。为了进一步提高产品质量和自动化水平，邯钢对该轧机进行了技术升级改造，增加了液压AGC系统和主轧区自动控制系统。机械部分采用SMS先进技术，在机架上部安装了具有过载保护功能的AGC缸，通过液压缸和位置控制实现轧制力设置和厚度控制；电气部分采用SIEMENS先进的自动控制技术，结合现状、本着节省投资的原则，对轧机局部系统进行了改造，实现了轧机区域自动化轧钢。改造于2012年已完成并投入运行。以下主要对轧机自动控制系统和直接影响钢板质量的板形和平直度控制系统进行介绍。
1.新增主轧区自动控制
本次改造新增的主轧区自动控制包括：一次除鳞机控制、轧机控制、热矫直区控制。
1.1一级除鳞机控制
根据工艺数据（PDI）信息确定除鳞水集管的高度、将除鳞辊道加速、与出炉辊道速度相匹配、开启除鳞高压水、待钢坯通过除鳞机后关闭高压水，这一系列操作可自动完成。
1.2轧机控制
轧机控制包括对压下、推床、主电机及其辊道的控制。轧制过程由道次计算自动完成（包括二次除鳞和工作辊的冷却），压下、推床、AGC的定位由位置控制自动完成，各操作的顺序和钢板输送根据自动跟踪系统的信息自动完成。
1.3热矫直区控制
轧制完成后，轧机输出辊道速度降低到与热矫直机速度匹配，将钢板送入热矫直机，同时，包含轧后温度的PDI数据传输给矫直机自动控制系统。
2.轧机自动控制系统
轧机自动控制主要是轧制道次计算。道次计算模型是根据轧制力、轧制力矩、最大咬入角等限制条件确定下一道次的最大压下量，将下一道次的预计算值发送给板形和平直度模型，对工作辊弯辊量进行预设定并校验相应板形和平直度，如果校验合格则接受此预计算值，若板形值太高或超过浪形条件限制则减小该道次压下量，直到满足所有限制条件。当该道次最大允许压下量确定后，重复以上过程对后续道次进行逐次计算，直至末道次的钢板厚度小于目标厚度，最终的目标厚度通过调整各道次的压下量来达到。
轧制道次的计算是在轧制前完成的。在轧制过程中，当检测到任何超出轧机能力、板形及平直度限制条件时，前面的道次预计算将不再有效，为完成轧制过程，余下的道次将根据以上步骤重新计算。
轧制道次设定预计算必须确定每道次轧机运行所需的参数，并保证预设定的目标值尽量接近真实值。主要包括：电动压下和HGC位置、主电机转速、辊道速度、轧制力、轧制力矩、厚度尺寸、工作辊冷却水水量、AGC和AWC（自动宽度控制）的数据等。
轧制道次计算包括以下几部分内容：
●预计算和再计算：指轧制第一道次前进行的设定计算和预计算失效或人工干预情况下进行的再计算。
●轧制策略：即确定优化的轧制道次数、合理的轧制力分配和负荷分配。
●道次后计算和自适应：根据每道次后实际测量值进行道次后计算，计算值与实测值对比获得自适应系数。
●板形和平直度控制模型：用于控制轧机出口轧件的板形和平直度。
●平面形状控制模型：通过确定最佳转钢厚度和自动形状控制来优化钢板的平面形状。
●热机轧制模型：用于“控制轧制”工艺，轧件按照设定的终轧温度、道次压下量以及开轧温度进行轧制。为了提高轧机产能，对热机轧制的轧件，由三级系统生成的PDI信息指令控制，可进行多轧件交叉轧制。
●神经元网络：主要用于提高轧制力的控制精度，尤其对生产较薄、强度大且较宽的规格，需要热机轧制的产品或具有特殊化学成份的品种，可提高其控制精度。
3.板形和平直度控制系统原理
板形和平直度控制系统的主要作用是根据设定的目标值控制轧件的出口平直度和板形。
各道次的板形（板凸度）与有载辊缝形状是一致的，而有载辊缝形状又是由工作辊原始辊型（辊凸度）、工作辊弹性变形（挠曲和压扁）、工作辊热辊型和工作辊磨损辊型等因素共同决定的，因此所有影响有载辊缝形状的因素都可用来控制钢板板形。
平直度控制是靠各道次平直度合适的分配来获得的，目的是获得钢板任意位置的平直度，特别是出口平直度。由此可见，负荷分配对保证钢板平直度具有决定性作用，所以板形和平直度控制要进行综合的轧制道次设定计算。只有通过计算轧辊叠加变形、轧辊热凸度和磨损凸度、变形和应力在变形区的分布，并具有一定精度的数学模型才能获得良好的板形和平直度。
4.板形和平直度控制系统数学模型
用于板形和平直度控制系统的数学模型包括：弯辊模型、工作辊压扁模型、轧辊热凸度和磨损凸度模型、轧件变形模型（材料流动模型）。
4.1 弯辊模型
在考虑了工作辊挠度曲线、工作辊压扁量、工作辊辊型等参数后，根据钢板厚度和目标板形值确定二次曲线。当确定弯辊力的变化范围后（以使整个板形在可控范围内），弯辊力进行变化以调整板形，使可控值与目标值进行协调的结果作为执行机构的设定值，轧机的弯辊机构据此进行调整动作。该模型计算的结果就是辊缝的几何形状。
4.2 工作辊压扁模型
工作辊压扁模型用于计算工作辊与轧件接触区的弹性压扁量。不同于弯辊模型计算的工作辊挠曲变形曲线，工作辊与轧件接触区的压扁曲线取决于接触区的轧制力分布情况，接触区的轧制力分布由材料流动模型计算。
4.3 轧辊温度场和轧辊磨损模型
轧辊温度场和轧辊磨损模型用于计算轧辊的磨损状态及轧辊沿半径和轴线方向的温度分布。
轧件的热量通过轧辊表面与轧件的接触角输入和导出，由于轧辊是持续转动的，所以轧辊芯部的温度场逐渐形成稳定的平均值，即轧辊辊身内部温度分布会随着时间变化形成只有半径方向和轴线方向的不同。根据轧辊内部温度场确定轧辊相应的热凸度。
4.4 材料流动模型
材料流动模型用于计算各道次变形区内（咬入角内）轧制压力的分布以及由此产生的每道次出口处轧件的平直度状况。
在轧制过程中，假定变形区形状沿轧辊长度方向保持圆弧形状（暂不考虑工作辊的压扁变形），那么每道次轧件的几何形状与咬入变形区几何形状相同，而变形区的几何形状是由出口区与入口区之间的轧件厚度分布决定的。利用这一原理，材料流动模型可计算出变形区内轧制负荷的分布和变形区出口处钢板的形状。
4.5 辊缝形状模型
輥缝形状是以轧件与工作辊接触区中心和边部的变形差来表示的，由以下影响因素决定。
●轧辊物理性能和几何形状
●轧件宽度
●轧制力
●轧辊热凸度
●工作辊和支撑辊的磨损
●辊缝内负荷分配
所以，辊缝形状由以上数学模型进行计算，综合结果就反应出轧机出口钢板的板形。将实测的成品板形（板凸度）数值再用于辊缝形状模型的自适应，以调整板形的目标值，实现控制板形的目的。
5.结束语
3000mm中板轧机升级改造后运行一年多来，产品厚度稳定性大幅提高，成材率同比提高0.55%，全年轧钢原因改判率同比降低0.26%，轧钢性能合格率达到99.95%，超额完成公司99.9%目标。由此可见，加强轧钢过程控制后，产品质量明显提高，使企业不仅可以按时、保质、更好的满足用户需求，同时也大大降低了操作工的劳动强度。