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1 引言
承钢棒材厂是由承德钢铁集团有限公司投资3个多亿资金全新从国外引进全套设备的低温控轧和控冷的棒材生产线，2003年12月26日正式竣工投产。公司棒材轧机精汇了意大利达涅力公司、ASIROBICON电气公司、成套设备和国内数家骨干企业合作制造的设备，具有90年代国际先进的技术装备水平。该轧机全线自动控制，成品设计速度18m/s， 年设计能力80万吨棒材。自动化控制方面充分吸收了国内外先进经验，无论在控制系统的构成，在控制功能上，还是在系统操作水平上，都处于当今世界先进水平。
2 工艺设备介绍
2.1 工艺设备
承钢棒材厂生产线轧机为全连续式大型轧钢机，共18架，呈平立交替式布置。主轧线的主要设备有:冷坯上料设备、步进梁式加热炉、高压水除磷系统、轧机、切头及事故飞剪、控温水冷系统、水冷淬火装置、在线测径仪、组合式分段飞剪、步进齿条式冷床、摆动式冷剪、计数、打捆、称重和收集装置、液压润滑系统。上述所述设备的主要部分引进世界上著名的冶金设备设计制造公司—达涅利公司，其余部分为国外设计国内制造。
在这条生产线上还预留了钢坯无头焊接机、减定径机组、大盘卷等设备的空间。
加热炉为步进式加热炉，冷料的额定小时产量为150t/h，装出料方式为侧进侧出，可单排和双排装料，燃料为高炉煤气，加热炉采用气化冷却、煤气空气双蓄热燃烧技术。
全生产线18架轧机分为粗、中、精轧三个机组，粗轧机组6架轧机，中轧机组8架轧机，精轧机组为4架轧机。其中，在第13～14架轧机具备快速换辊功能， 16#、18#架轧机为平、立可转换轧机，全线轧机为短应力线轧机。轧线上设有两台切头和事故碎段剪，一台倍尺飞剪。
在中精轧机组间的两组和精轧机后的一组水箱用于某些需控温轧制的产品的生产，需控温的规格为Φ18～40mm。在精轧机组后设置淬火加回火处理(QTB)装置，用来对Φ12～40mm的螺纹钢进行控制冷却。该装置由四条水冷线加一条辊道运输线组成，其中有三条水冷线是用于2～3线切分的螺纹钢的冷却，有一条水冷线是用于线轧制螺纹钢时的冷却，辊道运输线是用来运送不需QTB处理的规格。
冷床为步进齿条式，宽120m，长14m。冷床在输入侧设有矫直板，在输出侧设有齐头辊道、编组链和平移装置。
定尺摆剪位于冷床输出辊道之后用于下冷床之后的轧件的定尺剪切。在冷剪之后设有加速辊道和双辊道，用来将切成定尺的钢材移送到链式运输机上。
在链式运输机后部设有钢材的计数装置，自动完成成品钢材的定支包装。
在链式运输机后为钢材的堆垛装置，自动打捆机，称重装置等。
车间电气传动采用了当今较流行的变频调速技术以及先进的自动化控制系统。硬件系统配置如图1所示。 （图片）
图1 硬件系统配置2.2 工艺流程
承钢棒材厂原料采用炼钢厂提供的合格的钢坯，通过汽车运输到棒材厂原料跨。根据生产指令，用原料跨磁盘天车上料，置于冷坯上料台架上，通过拨爪式上料台架将坯料运至移钢设备将坯料放置于上料辊道上，经过坯料的称重、不合格坯的剔除，进入加热炉中加热。热连铸坯将通过辊道直接送至加热炉的称重测长系统、不合格连铸坯的剔除，入炉加热。钢坯在步进式加热炉中加热至950～1050℃后，由炉内辊道送出炉外。经加热后的钢坯经高压水除磷后，通过夹送辊将钢坯送至粗轧机组轧制。轧机共18架，分为粗、中、精轧机组，以6-8-4的数量化分，全线轧机成平立交替式布置，其中，精轧机组的16、18架轧机为平立可转换轧机。轧机由交流电动机单独驱动，轧件在1～10架轧机之间采用微张力轧制技术，10～18架轧机之间采用活套无张力轧制。较小规格采用全线18架轧机轧制，轧制大规格时相应减少机架，减少的主要原则是:直径小于40mm的规格尽量采用精轧机轧制。在轧制过程中，各机组之间设有飞剪，用于切去轧件的不良头尾，当出现故障时，飞剪可立刻将轧件碎断。
3 微张力模型的设计
微张力的工艺原理是在相临的两个机架之间实现无张力轧制。通过上游和下游机架的速度级联关系自动修正速度，保持金属秒流量相等。由于张力由轧辊之间的速度差造成，并且张力形成环节受环境条件及建模误差的影响，使得张力形成环节的模型与真实模型存在不确定性，为了使现代棒材连轧机始终保持棒材在恒定的张力状态下进行轧制，以获得高质量的成品棒材，必须装备控制系统建立微张力轧制模型和速度级联模型等各种控制模型。
3.1 微张力产生的原理
微张力控制实质上是通过对相临两工作机架中上游机架的电机转距进行检测，加以记忆存储，形成表示钢坯内张力大小的实际值，与设定的张力给定值的偏差，通过比例、积分控制校正上游机架的速度，协调两机架之间的关系，实现微张力控制。其控制关键是准确测量各轧机的轧制力矩。系统通过检测对应机架的电枢转距间接得到该值。当本机架的轧机咬钢而轧件尚未进入下架轧机时，系统计算出的力矩值便是本轧机的轧制力距值。当下架轧机也咬钢时，重新计算得到新的力矩，两力矩之差是轧件上的张力力矩。若偏差值为正，表示机架间堆钢;若偏差值为负，表示机架间拉钢。系统就是根据该偏差值的正负和大小，给出相应的速度修正来平衡轧机的速度，保证机架间的轧件张力被限制在一定范围内，实现微张力控制。用公式表示为:
T=MN－MN-1
T＞0代表推;
T＜0代表拉;
MN表示上游机架记载的转矩;
MN-1表示坯料头部进入下游机架后记载的转矩转矩
两者之差即为张力。
由于微张力控制将两相临机架通过轧件联系起来，使其存在偶合关系，系统不具备鲁棒性，为此，引如速度校正因子进行解耦。当微张力控制开始时，速度校正因子进行自我补偿调节，通过不断的自动修正，消除初始偏差，在两轧机间形成均匀协调的速度。一般要假设过程动态特性的信息和它的变化范围。一些算法不需要精确的过程模型，但需要一些离线辨识。微张力控制的设计是以一些最差的情况为基础，因此一般系统并不工作在最优状态。过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估，棒材厂所有的张力控制模型在AMS系统完成，微张力原理图如图2：（图片）
图2 微张力形成原理图3.2 微张力控制系统
承钢棒材生产线的轧机设备采用意大利DANINELI公司产品，电控设备由意大利ASIROBICON公司提供，采用分布式控制策略，操作站使用WIN2000操作系统，通讯协议使用IEEE802.3国际标准，轧机一侧设置操作箱，以实现远程/本地操作和换型使用。整个轧制系统集辊缝控制、厚度控制、轧制过程管理、数据显示及操作控制、故障诊断及远程诊断于一体，由上到下分为操作站设定、过程站控制、传动执行三部分。
操作站设定级完成与张力自动控制有关的上层设定及其系统监控功能。主要是张力控制中轧机组态的选择,即通过画面设定哪几架轧机之间被选作微张力控制,哪几架轧机之间被选作自动活套控制。包括:HMD信号检测;物料跟踪;速度设定;标准模式下的速度校正因子设定;非标准模式下的过速校正因子保护;轧件入口速度跟踪;轧件出口速度跟踪。
过程控制站为ASIROBICON AMS系统,它主要完成与微张力控制和自动活套控制有关的物料跟踪、逻辑时序互锁、传动执行级的速度级联、速度给定及微张力控制算法等功能。
传动执行级主要完成微张力控制部分轧机的传动,在系统中由SVTL交流变频调速装置完成。控制系统由AMS过程站和S7400操作员站组成。过程站由AMS带VME机箱带CPU、PROFIBUS模块组成，通过PROFIBUS通讯模板与与加热炉、精整等其它过程站进行通讯。
系统控制程序采用ADT(ADT-ASIROBICON DEVELOPMENT TOOKIT)ISAGRAFI编制，实现了结构化程序设计。工业控制程序往往功能繁，语言多，根据工业控制要求，将编程元素设计成一个个图形功能块，称为PC元素。PC元素内有三种结构类元素PCPGM、CONTRM和FUNCM，PCPGM是程序结构的最高层，旨在完成一个完整的控制功能，一个PCPGM下允许一个或几个CONTRM，而一个CONTRM下又可包含一个或几个FUNCM，从而使整个程序结构呈阶梯状，实现了结构化设计。在CPU内还有一个实时数据库，它的作用是永久存储数据和在程序间传递数据。数据库内的元素称为DB元素，这些元素包括过程站所使用的的I/O模板和信号及程序中产生的其它数据信息。信号采集流程图如图3所示：（图片）
图3 检测信号流程图3.3 微涨力控制过程
轧机转距的变化是一个非线性增大量，滤波元素接受上游机架的波形转距参数后，乘以转距常数得到张力级联参数并存储本机架张力值。将张力进行比较后得到一个张力偏差，该张力偏差值分别进行比例和积分运算，积分运算值作为速度校正因子参与速度级联控制，得到上游机架的速度。
轧机速度设定主要由两部分组成:一部分是决定轧钢生产速度主信号，由最末机架出口速度为基准向上游分配，也就是速度级联关系，即每过一个辊缝，除以一个速度校正因子;另一部分是叠加在主基准上的速度修正量，即比例校正。这样在主级联速度给定的基础上通过速度修正调整上游机架的速度给定，协调上、下游机架间的速度关系，使钢坯在微张力控制下正常轧制。
由此可见，微张力控制实质上是在上游轧机主传动控制上增加张力外环，由微张力给定值与检测值形成的偏差，与比例增益相乘形成微张力控制的比例速度校正量;偏差值与增益常数形成速度校正因子，传递给控制环节形成自整定的速度校正，调节上游机架的速度，实现微张力控制。
3.3 微张力模型计算法则
自动控制计算法则是建立在下列基础上:
(1) 后张力变化影响的驱动转矩要少于前张力的2~4倍。
(2) 坯料进入下游前，上游传动的转矩立刻给出所需要的转矩，而不影响上游中间机架部分推和拉或来自于机械设备的临时性的扰动。
(3) 如果在上游传动转矩发生一些变化，坯料进入下游辊缝时，由于不正确的速度关系导致推或拉钢。假定转矩的变化代表推或拉，只要其他的条件如温度，摩擦力或缩减量没有引起轧制材料转矩发生变化，就认为这种变化就是唯一有效的，实际上上游转矩之间是相互影响的，我们假设棒材进入辊缝前或后在短时间内是唯一有效的。需要注意的是此时应没有临时的转矩干扰，如果认为所受的影响已被包括在转矩缩减量里。这时就可以说没有临时性干扰，此时进行的控制就将被认为是推和拉。从上面分析的叙述中可以看出张力的计算实际就是转矩的计算。
3.4 转矩的计算方法
由于转矩的变化直接体现就是张力，计算张力实际就是计算转矩，相比较来说依靠后张力转矩是相当低的，它表明速度变量发生变化，下游机架转矩的变化要小于上游机架转矩的变化。也就是说在多数情况下，这种控制被允许对速度连续进行修正。即使随后控制已经记忆了所需要的用于下游机架缩减量的转矩。指针N-1指的是电机传动产生的转矩信号。上游传动转矩N-1来自于SCR控制，转矩信号N-1_LDTRQ通过一个低通滤波器来抑制速度控制时产生的高频噪声信号得到。滤波时间的设定通过一个N-1TRQFILT参数来设置。这个滤波时间正常情况下设置为0.5s。设置低于0.4s将不会影响滤波器,因为滤波器每隔0.2s计算一次增大转矩标准到工作标准所需要的时间,滤波器输出N-1_TORQFILT,被平衡到滤波器的输入。这个增加的延时时间由参数N-1BALTIME设置, 正常情况下设置为0.4~0.6s。在坯料进入下游辊缝前和转矩的记忆出现前, 时间过短意味着被过滤的转矩级别没有达到正常的工作级别。
被滤过的转矩值滤波的转矩值单位是KNm通过一个带有N-1_TCONST因子的乘法被传送到张力值,单位是N/mm2:
N-1_TCONST=Z×2000000／DW×AREA
这里:
Z=电机齿轮传动速比;
DW=有效的轧辊直径(mm);
AREA=坯料平均截面面积(mm2)。
注意传送的值不代表着实际的张力值，仅是转矩标准值，在张力控制的算式里采用。被传送的值形成一个N-1_TCC流动的级联信号,确保上游选定的工作机架给出的电流值先进入到张力控制计算式中。注意中间机架的控制算式被认为是属于下游机架的，上游机架传动N-1作为转换器控制属于下游传动N。
3.5 微张力控制模型计算说明
轧机力距测算:正在咬钢的轧机读出电机转距NLDTRQ,则有:
第N架轧机微张力级联值=第(N-1)架轧机微张力级联值;否则，对于已不再咬钢的上游机架张力级联值为:
第N架轧机微张力级联值=NLDTRQ×(齿轮箱齿比)×2.0×10×6E/(轧辊直径×轧辊受力面积);
TN=NLDTRQ×i×2.0×10×6E/D×S
TN—第N架轧机微张力级联值;
I—齿轮箱齿比;
D—轧辊直径;
S—轧辊受力面积。
力矩存储:第N架轧机的张力偏差计算;
第N架轧机微张力实际值=第N架轧机微张力级联值-第(N-1)架轧机微张力级联值;
TNACT=TN-TN-1
TNACT:第N架轧机微张力实际值;
TN:第N架轧机微张力级联值;
TN-1:第(N-1)架轧机张力存储值。
微张力控制:两机架间有钢时，引入速度校正因子R进行上游机架速度校正:第N架轧机速度校正因子=第N架轧机积分增益×第N架轧机张力修正值;上游机架速度校正:第N架轧机校正速度主第N架轧机比例增益与第N架轧机张力修正值之积。
3.6 张力选择控制方式
张力的选择控制一般情况下是在轧制参数表中完成，也就是在配方里完成，然后下载到服务器中。微张力控制调节所需的参数，必须设置下列参数值:
(1) 下游机架启动微张力控制的距离;
(2) 张力控制的积分时间;
(3) 张力控制的设定值;
(4) 微张力设定值采样时间的平均时间;
(5) 下游机架停止采样时间。
上述这些参数的设置在配方表里完成，然后下载到服务器中, 再从服务器中下载到AMS系统，AMS系统是由“C”语言开发的程序块，包括各种功能如速度级联调节模型、活套调节模型、微张力调节模型、轧线跟踪模型等，这些模型所需要的参数都要在配方里设置，下载到AMS里即可, AMS系统接到这些参数后，开始运算、调节, 发出相关的指令。微张力模型配置画面如图4：（图片）
图4 微张力参数配置画面微张力控制的选择操作通过轧线配置显示画面来操作,在监控画面菜单选择“张力棒图”，从棒图中查看转矩设定植和从传动系统读取的转矩，二者比较,查看二者之差是否在要求的范围内,注意此时控制程序是在手动干扰的情况下执行的，也就是说在没有选择自动进行速度修正的情况下进行。见图5：（图片）
图5 微张力棒图显示画面在钢材穿过机架阶段，此种控制方式能够维持二机架间钢坯张力恒定。它适用在钢坯断面大或二机架间距离太近的场合。采用微张力控制的机架，在坯料进入轧辊和抵达下游机架之前，采集相关电机的转矩(电流)。ASIRobicon所专有的算法模型对采集信号的电源噪声和高次谐波进行过滤，以得到合适的电流设定值用作微张力调节。通过推拉微调可对设定值增加百分制的修正，并具有轧制程序的校正功能。承钢棒材厂的电流设定值是这样的，当棒材头部穿过机架5ms后，进行转矩采样，头部距离下游机架500mm停止采样，取采样的平均值作为设定值。距离和采样时间可以以及棒材的头部穿过机架和距离下一个机架的距离都可以接口模型设定，这个接口模型主要是RSVIEW人机接口。
在下游机架形成咬钢冲击以后的瞬间，调节器动作以使扭矩与冲击前的扭矩保持一致，这样轧件就处于无张力轧制。调节器计算转矩实际值同采集值之间的误差，无误差意味着轧件不受张力影响，调节器对上游轧机转速输出修正量。正确减面率R随后被自动更新。
被转换的转矩信号N-1_TCC,代表材料的缩减量，它发生在一个固定的、比较短的报警距离内，当坯料头部未端进入下游辊缝前，这个记忆的转矩作为一个N_TMEM(N/mm2)值被存贮。为减小由于剖面温度而产生的转矩差异，记忆发生的时刻和控制有效的时间之间，应在尽可能地接近辊缝时出现。到达辊缝的报警距离由参数NWL3(mm)定义。这个报警距离设定以至于在辊缝前得到一个位置，在这里上游被计算的传动转矩是不受使坯料头末梢通过入口导位装置所需要的推力影响的。通常情况下距离长度的设定等于或小于入口导位的长度，目的是为了防止摩擦影响所记忆的值。实质上这个记忆的值不包括临时性的来自坯料本身和机械设备干扰，而这些干扰在整个控制程序中会立刻消失的。记忆的变量值用于随后的坯料, 变量值将在±4N/mm2之间变化.如果变量增大，变量的原因必须找到和并进行修正。否则控制可能导致错误的速度级联关系，这是因为为了找到一个稳定的代表所需要用于减小的转矩是非常困难的。所有的这一切参数下载到服务器，然后在AMS系统自动完成张力和速度调节。
3.7 微张力控制模型转矩参数的记忆
坯料头部未端进入下游辊缝后形成的转矩和所记忆的转矩N_TMEM之间是有差别的,这种差别直接在坯料上产生一个实际的张力值。这个张力信号N_TACT(N/mm2)有一个用于拉的负信号和用于推的正信号.这两种信号是在两个机架N和N-1之间的中间部分坯料上形成的。逆向控制N_TDEV来自于实际值N_TACT，它通过增加一个张力参数N-TREF(N/mm2)。这个参数由操作员设定,取得一个合适的速度关系应用于所有坯料.通常情况下0-2N/mm2对于补偿增加质量流量是很有必要的，它是通过减少坯料的温度给出的正、负用于拉和推。注意这个参数的设定的目的是控制整个轧制材料的头尾轧制。
坯料的头部未端进入机架N后，在一个比较短的时间内张力控制被分成几块。延时时间由参数NDELTTC(s)定义，通过设定这个参数允许形成全张力以及防止临时性转矩，这个转矩主要来自于入出口导位装置，它可以通过作为形成推情况下控制说明。
逆向控制调节速度关系，在永久情况下采用整体的调节控制类型设定缩减因子(R因子)，在临时性的情况下采用比例速度调节对选定的上游传动修正。比例调节通常用于在形成全张力前使相互机架之间较长区域控制保持稳定，这主要是由于过度的坯料被移走而导致张力减弱。控制增益的设定参数通过NTIGAIN和NTPGAIN。
增益的设定对于所有的相临机架来说基本都是恒定不变的。不过对于相互之间超过5m的机架，这个值应需要设定得低一些。控制可以被集中控制当减小的转矩出现用于下一个的下游控制的记忆时，或经过一段时间。这个时间由参数NMAXTTC(s)定义。这个设定定义了几个控制部分的最大时间。一般情况下，这个时间设定为4s。坯料截面温度很好地改变了转矩的缩减量，使得所记忆的值被刷新。如果参数NEXTENDTC设定为真，经过一个单独设置的最大时间后，控制将被集中控制。这个参数正常情况下设置为针，至于传递的大部分类型，一个变化的反向张力稍微会影响下游传动的传动转矩。
3.8 张力故障检测信号的采集
任何自动化控制都需要一些传感器，这些传感器必须提供合理的工作条件。一些光学传感器被用来跟踪通过整个轧线坯料，这些元件是自动化控制控制系统主要干扰源，尽管在控制程序中经过艰苦的努力和广阔的互锁来过滤和测试这些干扰是可能消除的。
对于头和尾故障的观测，头和尾延时报警通过HMD(HOT METAL DETECT)来监视执行这个功能。所有的各种类型的报警都要严格考虑到，由于它们显示的故障检测元件如热金属检测器和扫描器，能够更新跟踪功能，一个错误的HMD信号可产生一个不正确的坯料的头和尾的跟踪，许多功能包括张力控制功能都要依靠精确的和重复性的跟踪功能，如果对于有真实位置的坯料头和尾给出一个错误的信息，大多数的功能都可能是失败的。使用传感器的测试功能可以经常对传感器内部功能进行检查，传感器内部故障和外部故障是很容易区分的，如污染的透镜、没有调准和机械设备的阻挡导致传感器不能正确显示。这些功能的操作来自于监控功能的模拟轧钢功能。
3.9 实际应用中存在的问题
在钢坯即将进入下架轧机之前和刚进入下架轧机不久，本架轧机转矩的变化代表两架之间有推、拉关系存在。实际上，一架轧机转矩在钢坯进入下架轧机之前和之后的相关性仅在较短时间内很高。所以，使自由轧制转矩和实际轧制转矩的取样时间尽量靠近，同时掌握实际轧制转矩的取样和微张力调节过程的持续时间，以保证使转矩信号在高相关性时把微张力控制完成。
另外，由于每台轧机的各种信号由调速装置经高速通讯网络传给PLC，由调速装置送来的转矩信号需滤除由速度控制所产生的高频干扰信号。滤波时间常数应根据轧机的线速度和轧机之间距离计算确定。虽然滤波时间常数越大或PLC控制程序中滤波平均次数越多所得到的转矩信号越平稳，但得到的转矩信号的延迟也越大。并且，若滤波平均次数过多，还会较大地降低程序的运行速度，影响微张力控制效果。反之，同样得不到好的微张力控制效果。所以，微张力的调整和使用要求是很高的。
应用中，造成影响粗轧区微张力控制的因素是多样的。主要有:机架前、后的光电管位置偏移、或者光电管损坏、灵敏度降低等原因造成辊道上轧件定位跟踪的偏差或错误;电机过流导致的无法轧制;后继工艺堆钢、拉钢。
4 结束语
由于采用了微张力控制，大大提高了产品的质量和成材率，经过一年多的生产实践证明，采用微张力控制模型对于产品的成材率和合格率都是非常有益的。
9/13/2006
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