X―Pact控制系统在热轧机上的应用

摘 要：详细描述了南南铝1+1热轧生产线引进的西马克X-Pact一级自动化控制系统，深入介绍了一级系统的硬件和软件平台及自动化网络架构，重点分析了轧制过程的工艺控制功能。机组的投产效果表明，X-Pact控制系统代表了复杂工业自动化控制的先进水平。

关键词：铝轧机;工艺控制;厚度及板型控制

一、引言

南南铝“1+1热轧机组”的电气自动化引进了西马克（SMS）的X-Pact电气自动化系统，完备高效的铝合金工艺模型、先进的系统硬件平台架构和控制技术保证了生产的高质量和高效率。X-Pact电气自动化系统集成了0级到3级系统的整体解决方案，完成现代化工厂自动化控制所需的各种任务。

二、一级自动化系统硬件和软件

南南铝“1+1热轧机组”的一级系统采用了西马克X-Pact电气自动化新一代硬件平台。嵌入式工业自动化控制器和工业实时以太网EtherCAT技术的应用，使得生产线配备了最先进的自动化控制技术。对比以往的VME系统，新平台具有以下优点：（1）硬件体积减小，节省柜内空间。省掉了I/O板卡，现场对实时性要求较高的I/O直接接到就近的EtherCAT模块，以总线的形式连接到主机的以太网口。（2）硬件接线和布线更方便简单。（3）硬件成本大大降低

该“1+1热轧机组”的一级系统共配备了10台嵌入式自动化控制器和2台西门子PLC。10台嵌入式控制器分别用于：粗轧区域介质控制，粗轧机主令控制（顺序控制，物料跟踪，通讯协调等），粗轧机机架及立辊机架控制（厚度控制，宽度控制等），粗轧区域传动控制（主速度控制，主传动控制，辊道电机控制等），重型剪控制，轻型剪控制，精轧区域介质控制，精轧机主令控制，精轧机机架控制，精轧区域传动控制。2台西门子PLC分别用于粗轧及精轧区域的安全控制。

（一）一级自动化系统的硬件。一级自动化的硬件系统主要包括：嵌入式自动化控制器，人机界面计算机，软件开发服务器及工程师站计算机，IBA PDA系统等。

嵌入式自动化控制器基于Intel Core 双核技术，其强大的计算能力是获得最佳控制性能的保证。其典型配置为：

Intel 双核CPU，主频1.06Ghz或更高

最大可扩展到3G内存

1，3或5个板卡插槽，用于PCI/PCI-e板卡扩展

2个闪存插槽

5个USB2.0接口

2个10/100/1000M 以太网口

显示器接口

24V直流供电

实时时钟，有后备电池

备选CAN总线接口

（二）一级自动化系统的软件。（1）系统软件。为了保证工业控制的高实时性、稳定性、可靠性，X-pact 嵌入式控制器中运行的操作系统为VxWorks 6.x版本。VxWorks是美国风河公司（WindRiver）于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统，以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。应用软件开发服务器、工程师站、人机界面计算机、IBA PDA服务器中运行的操作系统为Microsoft Windows。 根据不同的技术要求，主要应用了Windows 2008 server和Windows 7 两个版本。（2）编程软件。一级系统应用软件的开发是在LogiCAD软件（5.2版本）这一图形化编程环境下进行的。 LogiCAD在Win

dows操作系统下运行，是一种基于IEC61131-3 标准的工业控制编程软件，具有高效、灵活和开放的特点。主要编程方式包括功能块图形化编程（FBD）、顺序功能图形编程（SFC）、C语言功能块编程等。

三、工艺控制功能

主要工艺控制功能包括厚度控制系统，板型控制系统，张力控制系统等。

（一）厚度控制系统。粗轧机的厚度控制系统包括自动厚度控制（AGC），液压辊缝控制（HGC）和电动压下控制（EMP），其中，EMP仅执行空载时辊缝的预设定，AGC根据轧制过程参数和模型预设定数据等进行在线厚度控制，产生的辊缝动态调节值实时发送给HGC，HGC执行轧制过程中轧机负载时的厚度调节任务。粗轧机的厚度控制概念如图1所示，图中的符号F代表轧制力，S为辊缝，P为压力，h为厚度。

图1 粗轧机厚度控制

厚度控制的具体执行顺序为：在轧机辊缝经过标定过程（轧辊压靠）已经调零以及实际测量了轧机弹跳曲线的前提下，轧机空载时，二级模型对每道次进行设定计算，厚度控制系统根据“轧制线最优位置”等策略对目标出口厚度进行辊缝分配，确保EMP和HGC液压缸获得最佳设定位置，然后EMP的位置控制器控制轧机两侧的电机驱动压下螺丝装置运行到目标辊缝位置，同时，HGC位置控制器驱动伺服阀控制液压缸运动到设定辊缝位置;轧机咬入材料后，AGC产生将带材控制到目标厚度所需的动态辊缝调节值实时发送给HGC的位置控制器。

自动厚度控制（AGC）

粗轧机采用的厚度计式AGC（GM-AGC），以轧机的实际弹跳曲线和弹跳方程为基础，在轧制过程中，任何时刻的轧制力F和空载辊缝S0都可以检测到，轧机的刚度系数Km也已由弹跳曲线测出（轧机标定过程中实测的弹跳曲线要经过修正才能应用在实际轧制过程中，这种修正主要与轧制材料的宽度有关），单位轧制力下轧辊不同宽度处的弹跳曲线及厚度计式

AGC的原理如图2所示。

（a）轧辊不同宽度处的弹性变形

（b）厚度计式AGC的原理

图2 轧机的弹性形变及厚度计式AGC的原理

可以用弹跳方程：

h =S0+F/Km （1）

计算出任何时刻的实际出口厚度h与参考厚度进行比较，等于把整个机架作为测量厚度的“厚度计”。当轧件出现厚度偏差Δh时，由图（b）所示的P-h相图可以计算出辊缝调节量为：

Δs =（1+Cm/Km）* Δh （2）

式中，Cm 为轧件的塑形变形系数。Δh/Δs 的比值成为压下效率，表示液压辊缝的变化量到底有多大一部分能反应到轧件出口厚度的变化上。

辊缝调节量Δs 和动态扰动补偿值（如轧辊热膨胀，轧辊磨损）一起实时发送给HGC的辊缝位置控制器，以消除厚度偏差。

精轧机由于终轧产品厚度范围更小、对产品质量要求更高，其厚度控制在GM-AGC的基础上又引入了监控式厚度控制，即Monitor-AGC。精轧机的厚度控制原理如图3所示。

图3 精轧机带有监控式AGC的厚度控制

在轧制过程中，安装在精轧机出口（距离精轧机机架很近）的测厚仪实时测量轧件的厚度，并以报文的形式发送给一级AGC系统，实现厚度的闭环控制。实际生产结果表明，这种厚度控制策略完全达到了控制精度要求。

轧机调平控制（RAC）

实际轧制过程中操作侧和传动侧的轧制力的偏差会引起辊缝的不对称，而辊缝的不对称是导致轧制材料出现楔形和镰刀弯的主要原因。轧制力偏差可能源于：

传动侧和操作侧之间轧辊温度偏差

物料咬入辊缝时偏离了轧制中心线

物料咬入辊缝时已经是非对称镰刀弯形状

物料咬入辊缝时为楔形形状

图4 RAC的必要性及其工作原理

RAC功能的必要性及其工作原理如图4所示。一般情况下，RAC工作在“绝对模式”下，即两侧轧制力偏差的参考值为0，然后基于轧机倾斜模量和轧制过程中实测的轧制力偏差，RAC计算辊缝的调平参考值并实时发送给HGC执行辊缝位置控制。轧机调平在辊缝中心线附近进行，即轧机的一侧辊缝关闭，另一侧辊缝打开，因此其不会影响物料的出口厚度。

由于轧制过程的复杂性，操作人员可以在任意时刻对辊缝调平进行人工干预。

（二） 板型控制系统。二级设定模型计算每个道次横向的板型及平整度。轧制道次的计算结果，例如轧制压力、厚度、宽度和轧制速度，作为模型的基本数据。设定模型也要考虑工作辊的热性能等特性（即，辊系在轧制周期内的历史数据），以及辊系在负载情况下的弹跳性能（例如不同工作辊和支撑辊磨削及辊的位置）。每个道次CVC工作辊窜辊和弯辊以及轧辊多区冷却的设定值也会被计算，目标是获得合适的平直度而又不影响材料流量。

图5 平直度的演变

板型控制系统的执行机构是工作辊弯辊和CVC工作辊窜辊（精轧机）。

工作辊弯辊（WRB）

WRB控制的功能：

轧机空载时，确保上工作辊与支承辊紧密接触，防止打滑。

轧机负载时，控制轧制过程中辊缝的几何形状

图6 WRB的功能

WRB可以补偿轧辊热凸度的变化，改善辊缝形状从而改进轧制材料的平直度。WRB力控制器的参考值是二级模型预设定值、板型监测控制补偿值、PGM补偿值以及操作人员的手动干预的总和。

CVC工作辊窜辊

CVC工作辊独特的磨削曲线使得其表面的凸度连续变化，再通过上下工作辊反方向的横向窜动影响辊缝的轮廓从而改进轧制材料的板型，具体原理如图7所示。

图7 CVC工作辊窜辊

CVC工作辊窜辊的位置控制由伺服阀驱动液压缸来实现，实际位置由装在液压缸内部的绝对值式传感器测量，参考位置来自二级模型的设定值和操作人员的手动干预。

（三）张力控制系统。保持一定的张力是精轧机轧制过程顺利进行的必要条件，轧线没有张力测量装置，因此采取的是调整卷取机主电机的转矩限幅的方法来实现间接张力控制。张力参考值来自二级设定模型或操作人员进行人工设定，实时根据带材在卷取机上的层数和带材的厚度计算出卷材的直径，进而设定出动态的转矩限幅值并发送到卷取机主电机的变频器中。

四、结 论

“1+1热轧机组”应用的西马克X-PACT自动化控制系统已于2014年底通过了最终验收。从投产效果看，由嵌入式工业控制器构成的自动化系统运行稳定，功能完备，易于扩展，具备完整的监控和报警机制，快速的故障查询极大减少了停机时间。性能测试中最重要的厚度差和板型精度均达到了合同保证值的要求。实践表明，X-PACT自动化系统的新型硬件平台和控制技术代表了复杂工业领域自动化控制的先进水平。

参考文献：

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