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    趙  琳（1981-）


     男，山東萊蕪人，工程師，學(xué)士學(xué)位，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制。




    摘   要：本文以萊鋼大型H型鋼TCS自控系統(tǒng)為例，詳細(xì)論述了AGC和HGC的控制原理，為類(lèi)似軋機(jī)的高精度力學(xué)控制系統(tǒng)的精確控制提供了借鑒的依據(jù)。

    關(guān)鍵詞：TCS；AGC；HGC

    Abstract: In this paper, taking the large h-beam TCS conveying control system as an example, we discusse the control principle of AGC and HGC for similar mill high-precision mechanical control system and provide the reference for the precise mechanical control of the mill machine.

    Key words: TCS; AGC; HGC

1 前言

    萊鋼大型H型鋼生產(chǎn)線(xiàn)是全國(guó)最大的三條大H型鋼生產(chǎn)線(xiàn)之一，精軋機(jī)組是該生產(chǎn)線(xiàn)上的主要控制設(shè)備之一，其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 主要由TCS系統(tǒng)控制完成。
 
    TCS系統(tǒng)為大H型生產(chǎn)線(xiàn)核心系統(tǒng)，是一套高精度力學(xué)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制功能復(fù)雜，故障率居高不下。為了降低系統(tǒng)故障率，提高控制精度， 對(duì)TCS系統(tǒng)進(jìn)行了改造。優(yōu)化了AGC的油膜補(bǔ)償、軋機(jī)剛性補(bǔ)償?shù)鹊哪：壿嬁刂疲岣吡讼到y(tǒng)的控制精度。

2 系統(tǒng)功能概述

    TCS系統(tǒng)采用分級(jí)控制方式，主要分為三個(gè)主要部分：UR、E、UF，三大部分基本獨(dú)立工作，與產(chǎn)出的成材直接掛鉤，TCS現(xiàn)行的控制系統(tǒng)從程序上主要分為全局控制系統(tǒng)TMAC，這一級(jí)的控制在級(jí)別上為最高，下級(jí)又分為UR-Stac、E-Stac、UF-Stac等幾個(gè)模塊。在程序中各個(gè)資源控制用各種不同的標(biāo)志來(lái)區(qū)別，每個(gè)子系統(tǒng)由一個(gè)資源代碼ID進(jìn)行唯一的標(biāo)識(shí)。產(chǎn)生的每個(gè)狀態(tài)或事故報(bào)警均帶有資源代碼ID，這樣在信息和產(chǎn)生信息系統(tǒng)之間的分配是唯一的。

    在實(shí)際控制中分為HGC控制方式和AGC控制方式，HGC控制方式為靜態(tài)軋制模式，AGC控制方式為動(dòng)態(tài)模式。

    TCS的程序控制由分單元組成，宏觀(guān)單元的控制可以進(jìn)入到下一層控制。這在原理上與一般控制方式不同。每個(gè)控制單元的關(guān)系如圖1所示。

          

                            圖1   程序功能示意圖

    在系統(tǒng)中每個(gè)控制單元可以獨(dú)立運(yùn)行，從邏輯上受控于TMAC，TMAC為最高級(jí)控制，負(fù)責(zé)全面的通訊及下級(jí)的模式。在結(jié)構(gòu)上主要分為下列幾個(gè)部分：

    ·  實(shí)時(shí)處理，一個(gè)周期為3毫秒，在這個(gè)任務(wù)中任何中斷不能實(shí)現(xiàn)，每個(gè)周期的運(yùn)行都要被嚴(yán)格的執(zhí)行。各種模擬量信號(hào)的讀入與輸出都在這里被實(shí)現(xiàn)。

    ·  EventT，事件控制器任務(wù)。在這個(gè)任務(wù)中，各種外部觸發(fā)因素都會(huì)在這里被接收，并提交。

    ·  StaT，狀態(tài)機(jī)器。主要控制邏輯與技術(shù)參數(shù)，等價(jià)與其它程序中的順控。

    ·  TimerT，時(shí)間間隔控制器。在這里所有的時(shí)間同步控制與計(jì)算都在這個(gè)回路里被執(zhí)行。

3 控制實(shí)現(xiàn)

    3.1 油膜厚度補(bǔ)償控制原理

    大H型鋼精軋機(jī)使用的是油膜軸承。當(dāng)軋輥轉(zhuǎn)速升高時(shí)，油膜厚度變厚；轉(zhuǎn)速降低時(shí)，油膜厚度變薄。軋輥轉(zhuǎn)速變化將直接影響油膜軸承的油膜厚度，進(jìn)而引起型鋼成材厚度的波動(dòng)，產(chǎn)生厚度公差，使型鋼尺寸的精度降低。為了滿(mǎn)足用戶(hù)的要求，需要進(jìn)行油膜厚度補(bǔ)償。

    油膜厚度Qf與軋輥轉(zhuǎn)速n和軋制力P的關(guān)系式為：  Qf=      （1）

    式中，為軋輥轉(zhuǎn)速與軋制力之比的函數(shù)，為一未知常數(shù)。轉(zhuǎn)速可以通過(guò)主傳動(dòng)給出的運(yùn)行反饋速度獲得，壓力可以通過(guò)TCS系統(tǒng)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的壓力傳感器獲得，這些數(shù)據(jù)的獲取都是比較容易的。但是檢測(cè)儀器無(wú)法進(jìn)入軸承內(nèi)部對(duì)油膜厚度進(jìn)行直接測(cè)量。所以，油膜厚度只能通過(guò)校準(zhǔn)（或者稱(chēng)為壓靠）的方法間接得出。

    受油膜厚度變化影響的型鋼厚度h計(jì)算公式為：h=G+f（P）-Of            （2）

    式中，G為輥縫值，f（P）為對(duì)應(yīng)的軋機(jī)彈跳。

    當(dāng)校準(zhǔn)時(shí)，軋機(jī)內(nèi)沒(méi)有鋼，h=0，故由公式（2）得：G= Of - f（P）      （3）

    在軋制過(guò)程中，當(dāng)軋輥以?xún)煞N不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軋制力為P，由公式（3）得：
 
         G1=Of1- f（P） （4）

         G2=Of2- f（P） （5）

由式（4）（5）得，G1-G2=Of1-Of2   （6）

    由以上推導(dǎo)可見(jiàn)，軋制力相同、軋輥轉(zhuǎn)速不同時(shí)，軋機(jī)彈跳f（P）相同，油膜厚度O的變化等于輥縫值的變化。將零輥縫條件下的油膜厚度值定為相對(duì)油膜厚度零點(diǎn)值Of0 。當(dāng)式(4)是在零輥縫條件下，式(5)是壓力為P0、而轉(zhuǎn)速為任意值時(shí)根據(jù)式(6)可以求出其相對(duì)油膜厚度。又從式(1)可知，只要在n/P=n0／P0 條件下，其油膜厚度值必定等于相對(duì)油膜厚度的零點(diǎn)值Of0。這樣就可以確定在其他壓力下的相對(duì)油膜厚度值的參考零點(diǎn)，從而可以確定不同軋制力、不同轉(zhuǎn)速下的相對(duì)油膜厚度值。

    3.2 高精度力學(xué)控制系統(tǒng)基于油膜厚度補(bǔ)償?shù)妮伩p調(diào)節(jié)量計(jì)算

    軋機(jī)校準(zhǔn)完成以后，在軋制過(guò)程中，TCS系統(tǒng)可以從操作人員設(shè)定的軋制程序表得到每個(gè)道次的輥縫設(shè)定值。然后根據(jù)輥縫設(shè)定值和校準(zhǔn)得出的油膜厚度補(bǔ)償值進(jìn)行實(shí)際輥縫的設(shè)定。受油膜厚度變化影響的型鋼厚度計(jì)算公式可以表示為：

          h=G+- Of （7）式中，MP為軋機(jī)剛度系數(shù)。

對(duì)式（7）兩邊取增量式得到，Of   （8）

又由于W=-，則                       （9）

式中，W為軋件塑性系數(shù)。將式（9）代入式（8）中得到：  Of    （10）

欲使h=0，可得到油膜厚度變化所需要的輥縫調(diào)節(jié)量為：G Of=Of    （11）

為了提高補(bǔ)償精度的可靠性，TCS系統(tǒng)中按照下式修正輥縫補(bǔ)償量：G Of=A?Of   （12）

式中，A為加權(quán)系數(shù)，在0.5~1之間取值。

    根據(jù)式（12）和操作人員設(shè)定的每個(gè)道次的輥縫值，通過(guò)校準(zhǔn)過(guò)程中計(jì)算出的油膜厚度補(bǔ)償量，TCS系統(tǒng)可以精確控制型鋼各尺寸的厚度變化，保證高精度的產(chǎn)品尺寸和質(zhì)量控制。

    3.3 加減速厚度補(bǔ)償控制

    當(dāng)軋制速度變化時(shí)，軋輥和型鋼之間的摩擦系數(shù)、變形抗力和軸承油膜厚度都會(huì)發(fā)生變化，從而影響軋制力和壓下量。為了減小速度變化對(duì)產(chǎn)品尺寸的影響，當(dāng)速度大于低速基準(zhǔn)V 時(shí)，在設(shè)定速度增減時(shí)對(duì)輥縫做出相應(yīng)調(diào)節(jié)。

                  （13）

式中，為速度變化（v）對(duì)軋制力（F）的影響系數(shù)。

    3.4 AGC和HGC的功能原理

    TCS系統(tǒng)是一個(gè)高精度力學(xué)控制系統(tǒng)。首先由獲得的軋輥數(shù)據(jù)（如輥徑、輥寬、墊片厚度等）進(jìn)行校準(zhǔn)；得出整個(gè)機(jī)架（包括軋輥形變、墊片等）的拉伸曲線(xiàn)；再由AGC（Automatic Gauge Control）自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)根據(jù)軋制表中的輥縫值和軋制力，結(jié)合拉伸曲線(xiàn)，自動(dòng)計(jì)算出新的輥縫值；最后由HGC（Hydraulic Gap Control）液壓輥縫控制系統(tǒng)根據(jù)得出的新輥縫數(shù)值，通過(guò)液壓缸行程來(lái)完成新輥縫設(shè)置。

    TCS控制的核心為AGC控制，是在HGC的基礎(chǔ)上完善而來(lái)的。AGC是一種閉環(huán)控制，HGC是一種普通的控制方式，沒(méi)有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，是一種靜態(tài)的軋鋼模式，對(duì)于精度要求較高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種模式達(dá)不到要求。AGC模式是一種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模式。

    AGC系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于熱軋生產(chǎn)線(xiàn)中。主要原因是在熱軋過(guò)程中，軋件非常容易發(fā)生形變。形變量的不同因不同的鋼種與不同的軋機(jī)而不同。所以要真正達(dá)到設(shè)定值的要求必須要用到AGC系統(tǒng)。要想達(dá)到精確控制，TCS系統(tǒng)在軋鋼之前要先校準(zhǔn)軋機(jī)。TCS的校準(zhǔn)比較復(fù)雜。每一步都要依靠事先做好的狀態(tài)表來(lái)轉(zhuǎn)換，如mac的狀態(tài)表。

    校準(zhǔn)的過(guò)程主要也是記錄彈性形變的過(guò)程，可以設(shè)定10個(gè)不同的記錄點(diǎn)來(lái)記錄機(jī)架的形變量。

    在實(shí)際軋鋼過(guò)程中，溫度與現(xiàn)場(chǎng)軋制力均要考慮在內(nèi)，溫度與型鋼的腹板寬度有關(guān)，并可以用一個(gè)指數(shù)公式來(lái)表達(dá)：

          d=(delta_max-D)(1-e*TW/delta1) （14）

    D 為一個(gè)初始值，由公式（14）得出： D＝d1(d1-delta_min)(1-e*TW/delta1)     

    在HGC中的輥縫設(shè)定主要有下列公式：

          C_diff=HSOLL|HIST+MON|

          C_diff=控制偏差

          HSOLL=設(shè)定值

          HIST＝機(jī)架間距離值

          MONI＝設(shè)定偏差補(bǔ)償量。

    在這個(gè)控制模式中控制偏差提前被計(jì)算出來(lái)，并在實(shí)際調(diào)整過(guò)程中被應(yīng)用到實(shí)際的輥縫中去。

    這種模式的缺點(diǎn)就是沒(méi)有辦法能夠使產(chǎn)口保證到一定的尺寸，誤差不能控制，所以采用MMC方式，即AGC模式。
MMC（MILL MODULUS CONTROL）機(jī)架系數(shù)控制，即機(jī)架彈性形變控制。在MMC方式中程序控制原理如下公式：

          Delta_H=delta_S+a*F/M

          Delta_S2=delta_S－（G*（M＋Q）/M）*Delta_H

    其中，Delta_S為輥縫變化量；Delta_F為軋制力變化量；a為系數(shù)；Delta_H為定尺偏差；Delta_S為位置設(shè)定；M為機(jī)架彈性；Q為鋼的彈性。

    通過(guò)上述公式，可以計(jì)算出由校準(zhǔn)得出的機(jī)架形變量在實(shí)際軋制過(guò)程中的應(yīng)用，所以可以控制現(xiàn)場(chǎng)伺服的輸出，以實(shí)現(xiàn)精確控制。

4 結(jié)論

    該項(xiàng)目自投入使用以來(lái)，控制精度大大提高，故障時(shí)間明顯降低，取得了良好的效果，為公司帶來(lái)了可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

    參考文獻(xiàn)：

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                                                        轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》