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《轧钢过程自动化》结课论文
——厚度自动化控制
学生：乔磊
学号：1361142114
专业：材料成型及控制工程
班级：13-成型-1
指导教师：振亮董瑞
目录
1.引言 (2)
2.概念 (2)
3.轧钢机厚度控制原理 (2)
4.轧钢钢厚度控制系统 (4)
4.1轧钢钢厚度控DDC系统的硬件 (4)
4.2轧钢厚度控制DDC系统的软件 (4)
5.带钢生产中的厚度控制应用 (6)
5.1厚度控制的类型及比较 (6)
5.2 AGC控制系统在冷轧带钢生产中的应用 (7)
5.3提高和改善带钢纵向精度的有效措施 (7)
6.轧机压下装置液压系统（AGC）的优化设计 (8)
6.1确立合适的设计指标 (8)
6.2优化系统的主要功能 (10)
7.AGC控制技术的发展趋势 (10)
8.总结 (11)
9.参考文献 (11)
[摘要]
综述板带轧钢厚度控制技术的控制原理，轧钢钢厚度控系统的硬件及其软件组成，带钢生产中的厚度控制应用和AGC控制系统的优化、发展。
[关键词]：轧机；厚度自动控制（AGC）；前馈控制；反馈控制；PID；DDC；
一、引言
对轧板行业，厚度质量是板带轧制过程中最关键的工艺指标之一，它直接关系到产品的质量和经济效益。在轧钢自动化发展过程中，除对基础自动化改造之外，首先被人们重视的和着手进行工作的就是厚度ACC。厚度自动控制(ACC)是50年代发展起来的新技术，它使带钢纵向尺寸精度提高了一个数量级。我国在60年代开始研究和实验AGC技术，近年来，结合我国当前的设备改造和提高产品质量的需要，又开始了推广AGC技术的新高潮。
二、概念
1.轧机：轧机是实现金属轧制过程的设备。泛指完成轧材生产全过程的装备﹐包括有主要设备﹑辅助设备﹑起重运输设备和附属设备等。
2.厚度自动控制（AGC）：无需人直接干预其运行的控制系统对带钢厚度进行控制，由主控系统和被控系统组成。
3.前馈控制：将被控变量的一个或多个影响条件的信息转换成反馈回路外的附加作用的控制。
4.反馈控制：将系统的输出信息返送到输入端，与输入信息进行比较，并利用二者
的偏差进行控制的过程。反馈控制其实是用过去的情况来指导现在和将来。
5.PID：比例为分积分。
6.DDC：直接数字控制。
三、轧钢机轧钢厚度控制原理
轧钢机轧压成形的带钢材的厚度取决于轧钢机的两个轧辊之间的辊缝宽度[1]。对轧压带钢材厚度的控制，实际就是对轧钢机两轧辊之间的辊缝宽度的控制。轧钢机的两个轧辊分别作为操作侧和传动侧，轧辊两侧可分别作为两个控制回路，两个控制回路的参数基本对称。若对两个控制回路同时调节，既调整操作侧，又控制传动侧，这样实现就可以减少调节时间，提高控制精度。由于两侧的控制原理一样，这里仅叙述操作控制回路。控制回路如图1 所示。当给定某一辊缝宽度值S 。( 即带钢材厚度) 之后，此信号通过一调节器进入功率放大器，经放大并转换成与输入电压成正比例的电流信号送到伺服阀。伺服阀门线圈得到电流，则伺服阀门打开，油管中具有压强PS 的高压油进入液压缸，推动缸中柱塞作相对于缸体的移动。轧辊连在柱塞上，它除了作转动外，还能随柱塞作上下移动。一直到反馈电压与给定电压相等，功率放大器输出为零时，伺服阀门才关闭，油管中油被封住，缸体中柱塞停止运动，这时，上下两辊之间就形成了一定的辊缝宽度。这就是位置反馈调节过程( 图1 中所示回路1) 。
图1 轧钢厚度调节原理图
当轧钢机轧压带钢材受力及其它原因，轧钢机机架产生弹跳( 伸长变形) ，这时辊缝实际宽度与给定值间产生了偏差。轧钢机机架受力越大，变形就越大(在弹性围) ，轧钢机机架的这种变形使辊缝增大。这时，用一个压头检测器来检测压力，检测到的变化压力经压电转换器转换一定大小的信号电压，此信号电压加调节器的另一输入端，与给定值厂之差来抵消因机架弹跳而引起的辊，缝的增加，这就是压力反馈的调节过程(图1 中的回路2)
图2 DDC控制系统框图
四、轧钢钢厚度控系统
4.1轧钢钢厚度控DDC系统的硬件
轧钢厚度控制是一个直接数字控制(DDC )系统，DC系统采用微型计算机“智能”部件来实现，也就是用PID数字控制器取代图1 中的模拟调节器。用PID数字控制器组成的直接数字控制(DDC) 系统，其结构简化框图如图2 所示。采用微型计算机组成的DDC控制系统，实现对轧钢机轧钢厚度的控制。该DDC 系统有: 轧钢机、伺服河、模拟输入端和模拟输出端、微型计竟机及显示接口电路、ZPU 等。在轧钢机厚度控制系统中组成结构图(如图3 所示)。图中各种模拟物理量通过放大器送到模数转换器(ADC)D + 7A，D + 7A 的输出数字信号送到微型计算机，经过计算机处理，将处理后的数字信号送到数模转换器(D A C ) ，D / D 转换器的输出的模拟信号送到执行部件伺服阀，去调节控制轧钢机轧辊的辊缝宽度。各种中断信号经并行接口电路(T U 一A R T 板)输入口送入计算机，然后再经并行输出口实现各种中断。另外，微型计算机还具有数字显示、超极限报警等功能，因而还配有一些附件及接口电路
图3 轧钢厚度控制DDC系统硬件框图
4.2轧钢厚度控制DDC系统的软件
轧钢厚度控制的DDC 系统的控制总流程图如图4 所示。该DDC 系统的控制总流程图的常用控制程序有: 控制程序、中断程序、子程序库。
图4轧钢厚度控制DDC系统总流程图
4.2.1.控制程序
控制程序是DDC系统的核心程序。这部分程序有: PID算法，采样滤波，限幅处理。
PID算法
PID算法程序是根据下式编制的
式中，e为控制输入信号与反馈信号之差，即偏差；u为输出信号，即为给予受控对象的控制信号；
采样滤波
输入信号e容易受干扰，可能有较大随机起伏。为了消除随机干扰，采用平均值滤波，即为下式：
限幅处理
数模转换器工作于双极性，数字量为一个字节，一个字节的最高位为符号位处理，在+127~128之间限制。
4.2.2中断程序
中断电路米用并行接口电路板TUART与微型计算机连接。由于DDC控制系统所需要的中断数量多于TUART板所提供的中断个数，利用一个并行输入口和一个并行输出口以及一个外部中断源，通过加接口电路，配合软件可完成多重中断的处理。中断服务程序包括中断初始化程序、中断判别程序和外部中断服务程序三个部分。
4.2.3子程序库
为了充分利用微型计算机系统提供的资源(硬件资源和软件资源)，建立了一
个库文件，汇编形成一个浮动地址的子程序库模板。子程序库中包括以下程序: 外部接口电路检查程序、通道口初始化程序、数据显示程序、超极限报警程序、延时程序。
五、带钢生产中的厚度控制应用
5.1厚度控制的类型及比较
厚度自动控制(AGC) 系统，多采用了混合形式，即以模拟量系统为主而某些环节则由超小型计算机来完成，并由于穿带和轧制速度的差值大，因此除了稳态轧制时的厚度控制外尚具有加减速阶段的厚度控制问题，这些构成了与热轧带钢生产中截然不同的厚度自动控制系统。影响厚度指标的因素很多，而且它们之间又存在着千丝万缕的联系[2]。如来料厚度和硬度的变化及轧制过程中速度和力不稳、轴承的浮动、轧辊的升温偏心以及辊缝之间摩擦条件的改变等，均能使产品的出口厚度产生误差，为了解决这些因素造成的厚度波动，所采用的多方面措施统称为AGC功能。典型的A GC主要有以下几种:
（1）前馈AGC；
（2）反馈AGC (即: 压力反馈AGC)；
（3）监控AGC；
（4）力AGC；
其控制方法的特点比较为：
前馈式和反馈式：
优点:利用前馈和反馈AGC可以大囚地消除出日厚度偏差。缺点:对于存在十精度要求之的小偏差。对于油膜厚度变化、轧辊r热膨胀、轧辊磨损等因素造成的缓慢变化的小偏差。采用这两种类似十比例控制方式效果不太理想。不能达到无误
差调节。
监控AGC：利用出口侧测厚仪作比例积分调节。可以使厚度系统达到无误差节。对于冷连轧机，由于加工硬化现象明显严重，一般在第一、二道次采用压下AGC 控制，可消除大部分偏差，但到后面几个道次压下效果明显下降。此时硬化严重，轧件变薄，偏差较小。易采用力来调厚。尤其是出口厚度在0.5mm以下厚度波动在士15微米。力允许波动囚在士30%时力AGC效果最明显。
5.2AGC控制系统在冷轧带钢生产中的应用
5.2.1可逆轧机上的AGC系统
以四辊可逆轧机为例。①一般可采用测厚仪直接测厚，调整辊缝的前馈或反馈AGC系统；②也可采用压力间接测厚，调整辊缝的压力AGC系统；③还可以采用改变力设定值的力AGC系统；④生产厚带钢时，采用力AGC或前馈AGC为宜，并与反馈（监控）AGC系统相配； 合产薄带钢时，靠调辊缝改变厚度不人生效，采用力AGC系统为宜。
这里是一个四辊轧机的基本特性：工作辊直径：D= 55rnrn；支撑辊直径：Do= 260mm；轧辊辊身长度:L= 200mm；复合齿轮箱速比：i=3.53；最大轧制速度：v=4m/s；最人轧制力：P= 30t；卞传动电机:ZZ- 62，N= 40kW、n=1500r/min；压下电机；ZZ- 42，N= 1. 5kW，n=1500r/min；最大带坯厚度：2X 120mm；最大压下速度：V=0.33mm/s。
5.2.2 ACC系统用于连轧机应考虑的问题
连轧机与单机不同点在于当改变N机架后力时，必须同时改变N一1机架的前力，这就引起N机架入口厚度的变化，因此，连轧时必须考虑复合作用。连轧机上的力ACC模型公式形式比较复杂本文给出了形式简明的实用公式：
5.3提高和改善带钢纵向精度的有效措施
坏料沿纵向的厚度和硬度波动、轧制速度不稳等是造成纵向厚差的卞要原因。力既是扰动因素，也可以作控制要素。在没有AGC控制系统时，轧钢工已从实践中摸索出一些有效的改善精度的操作方法，即采用小力、小压下量、多道次轧制是提高带材尺寸精度的有效方法。同样，连轧线材、型钢等都强调无力轧制如试制高精度碳工钢带材时(用T8A或T9A)采用此方法轧出了成品为0. 06mm 的钢筘带，其厚差小于0. 0015mm又比如生产不锈钢带材和精密合金带材时，也是采用这种方法来减少热轧带坏公差。用四辊轧机开坏时，将4mm的坏料经6道次轧成1. 5mm厚的半成品，其纵向厚度差为0. 06mm ~0. 07rnrn。轧制同规格的坏料，增加两个道次轧制成1. 5mm时，其纵向厚度差为0.05~0. 06mm同样方法，将1. 5 mm厚的退火带坏也增加2~3道次轧制到0. 9mm的合格成品时，可以明显地改善成品带材的纵向厚度公差。小压下量、多道次生产带钢时，无论从经济还是从技术角度来看都是不够合理的，因为这必然降低产量，增加能耗和提高产品的成本。
在国外，提高带钢尺寸精度是采用厚度自动控制(AGC)方法。在我国AGC技术虽然在60年代已经普及，但有许多技术理论问题有待继续研究和探索。加之日前国许多老企业都在进行技术改造，结合轧机的技术改造，有必要人力研究和推广AGC技术。
六、轧机压下装置液压系统（AGC）的优化设计
大型轧钢机械在工作时，产生大约为60000 kN的巨大轧制力并通过压下装置及压下孔传递给机架。其压下孔的底部直接承受轧制力[3]。对5000 mm中厚板
轧钢机而言，在轧制钢板时，产生的最大轧制力为67000 kN，尖峰值达到80000KN。大型轧机(中厚板轧机)的负载很大，其轧制压力高达数千万牛。而油缸的直径往往受到轧机牌坊窗口尺寸的限制，活塞油缸比柱塞油缸占地而积大，在无特殊要求的情况下，通常采用柱塞油缸，油缸的直径根据轧机结构允许的条件预选一个尽可能大的柱塞直径。同时，还应考虑主缸柱塞直径与增压缸设计的合理匹配及密封件的经济性。在设计中，首先应根据轧机的厚控要求、系统的控制精度、系统的响应性能，确立出合适的设计指标，进行轧机压下装置液压系统的优化。
6.1确立合适的设计指标
板形和板厚是热带钢最重要的两个质量指标。带钢凸度允许偏差在士3 um 以，钢板合格率一般在90%以上，凸度控制精度在士2 um，板形控制精度在0.8%围。厚度自动控系统的目的是保证纵向厚度的精度，板形自动控制系统的目的是保证带钢横向厚度的均匀性和良好的平直度。但是，在一条热轧生产线上要同时控制板形和板厚两个质量指标是很难的。当调整压下改变厚度时，轧制力将发生变化，影响到出口断而的形状和带钢平直度，即影响了带钢的板形；而当板形控制系统调整弯辊断而形状时，必将改变辊缝形状而影响出口厚度。因此采用液压压下的自动厚度控制系统(Autanatic Gauge Control) AGC是解决这一问题的关键。
6.1.1液压AGC性能特点分析
随着现代化工业的发展，Semes(赛麦斯)AGC技术作为轧钢行业的一种高新技术得到广泛应用。所谓Semes AGC技术，实际上是一种稀油与油脂(通常称之为干油)联合液压伺服动力机构，在液压控制系统和计算机自动控制系统的协调配合下，完成轧辊辊缝的位置控制和在轧制状态下带负荷进行微量辊缝调整，从
而实现车咐纵向厚度的自动控制(见图5)
Seanes AGC技术是机、电、液一体化的典型例，是在稀油AGC技术的基础上经过改进并与之并行发展起来的一种AGC技术，国称之为干油AGC技术，以与稀油AGC相区别。
ACC系统包括3个主要部分；
(1)测厚部分；
(2)厚度比较和调节部分；
(3)辊缝调整部分。
图5 Seimes AGC系统
6.1.2提高板材厚度精度
随着对热轧带钢厚度精度的要求越来越高，对于低凸度带钢、难加工带钢和低温轧制等产品的开发和稳定生产，就需要响应快、精度高的厚度控制来更好地避免穿带时出现绞折等故障。轧制带钢过程中，厚度波动的原因比较复杂，主要
有：
(1)待轧原料厚度不均和硬度波动；
(2)轧制润滑液润滑性能不稳定，造成摩擦力；
发生变化；依据弹跳方程，凡是影响轧制压力、原始辊缝和油膜厚度的因素都将对实际轧出厚度产生影响，使轧制过程中辊缝不断发生变化，带钢厚度也随之产生波动。为了消除带钢厚度不均，提高热轧带钢厚度精度，在热轧带钢精轧机上配置液压ACC，实现高精度的带钢厚度控制很有必要。
6.1.3提高板材板形精度
工作辊弯辊(WRB)控制中的一个很重要的因素就是弯辊与AGC的非相干控制。电动AGC或液压AGC均可实现非相干控制技术，但液压AGC的性能优于电动AGC。热轧带钢精轧机要获得高精度的带钢厚度精度，要获得良好的板形，应配置液压AGE。
6.1.4温差补偿
坯料上下温度不均形成阴阳面，即低温而为阴面，高温而为阳面。轧制时，有阴阳而的钢坯容易产生弯曲、扭转。阴面向上时，轧件出轧辊时向上弯；；阴面向下时，轧件向下弯。向上弯易发生顶导卫板和缠辊等事故。坯料外温度不均匀，轧制时延伸不均，使轧件产生应力，容易造成裂纹。沿坯料长度上温度不均匀，轧制时造成辊跳值波动，而使同一轧件尺寸波动，给控制成品尺寸公差造成困难。液压AGC自动厚度控制系统的作用是消除带钢因水印或头尾温差造成的厚度偏差。
6.1.5辊缝自动复位
在开始轧制时，需要将两工作辊之间的缝隙消除，消除方式有电动辊缝复位
和液压辊缝复位。当需要做辊缝复位时，操作人员只需在操作台上将相应的开关板到“复位”位置，油缸自动下压到设定压力值，并保持5s完成自动液压辊缝复位。
6.1.6压下位置检测形成闭环系统
压下位置检测系统包括电动码盘、电动位移传感器、液压位移传感器、压力传感器、测温仪、热检器、测宽仪、测厚仪等，能对压下量进行实时检测并反馈到控制端形成闭环系统，提高了板厚精度。
6.1.7 Semes ACC装置的结构特点
压下油缸采用油脂作为工作介质，安装在压下螺丝与上支承辊轴承座之间的扁状横梁，置于压下螺丝正下方。增压缸及阀块重异一体安装在扁状横梁上，工作介质为稀油，用增压缸来提高压下油缸的工作压力，降低对液压系统诸多方而的要求，可使压下油缸能在轧制过程中承受巨大的轧制压力(最大轧制力为67000 KN，尖峰值达到80000 kN），并能实现板材纵向厚度的自动控制。
6.1.8液压ACC可以进行功能扩展
液压A GC系统是一个集板带材料、轧机木体、轧制工艺、液压系统、电气系统以及控制系统于一体的复杂系统，而ACC要取得理想的效果，首先要求控制系统必须快速、可靠。德国SIEMENS公司的SMADYND数字控制系统拥有丰富的硬件模块，是一种实时多任务的分布式数字控制系统，具有运行速度快、可靠性高、功能强大、容易组合等特点，是实现液压AGC功能的一种理想控制系统，主板上有6槽、12槽、24槽3种，同时还有各种各样的I/O模块和接口模块，用户可以根据自己的实际情况任意选用不同的主板、电源、处理器、I/O模块和接口模块，从而构成满足各种要求的控制系统。同时该系统还可以通过PD网、
工业以太网与SIEMENS的PLC和其他自动化公司的产品联用进行功能扩展。6.2优化系统的主要功能
由于5000mm中厚板轧钢机产生的最大轧制力达到67 000 KN，压下控制系统采取“液压全程”方式，油缸最大行程为110 mm，正常工作行程为0~100 mm。其行程比以前的同类产品要大，其他功能类似以前的同类产品。主要功能如下【4】。
(1)板形厚度控制；
(2)调偏控制；
(3)轧板自动偏心补偿；
(4)液压缸的位置自动控制；
(5)轧制规程的最优化计算；
(6)安全保护功能；
(7)具有温度自动补偿功能；
(8)轧件宽度补偿；
(9)同步自动控制；
(10)在线示教功能；
(11)轧制状态的判断；
(12)预压自动清零；
(13)自动测试系统的弹性曲线；
(14)模拟和自诊断功能。
七、AGC控制技术的发展趋势
20世纪80年代到现在，板厚控制向着大型化、高速化、连续化的方向发展，成为板厚技术发展的新阶段。这一阶段己将板厚控制的全过程溶入计算机网络控
制的自动化级和基础自动化级。其中常用的智能算法有：神经网络、模糊控制、遗传算法、模糊神经网络等[5]。
对于AGC这样一个多变量、强藕合、非线性的实时控制过程，一方而采用最优控制、多变量控制、自适应控制、预测控制等最新控制理论，以追求控制性能的最高水平；另一方而采用神经网络、模糊控制、遗传算法等智能算法，以追求系统的灵活性和多样性。以上两方而的追求融合在一起，开发出高精度的厚度自动控制系统是AGC控制技术发展的大趋势。各种控制理论和智能算法的不同组合也在这一领域提供了广阔的探索空间。
八、总结
厚度是板带钢最主要的尺寸质量指标之一，厚度自动控制（AGC）是现代化板带钢生产中不可缺少的部分。在冶金生产中，自动化发展最快、成效最明显的是轧钢工艺生产过程，其中尤其是板带轧机中冷、热连轧机自动化成就最为明显。所以说实现冶金生产过程自动化是企业生存和发展、参与竞争的强有力武器，它能有效地提高产量和稳定产品质量，提高生产设备的潜在能力和使用效率，特别是在复杂的工作条件和环境下，充分发挥了机械与电气设备潜力，减轻了操作人员的劳动强度，以便达到最经济地进行生产和经营的目的。所以对于AGC的研究具有着重大且深远的意义。
九、参考文献
[1]柳孝仁.轧钢厚度控制中的计算机系统[J].公路交通大学学报，1995，（12）:1一3
[2]郭立新，改娣.冷轧带钢生产中的AGC系统[J].机械，2010，（5）:167一168
[3]顺田，美武.轧机压下装置液压系统的优化设计[J].机床与液压，2010，（11）:74
一80
[4]莉. 多功能流动舞台车液控制系统[J].人学学报，2004, 14( 2): 12- 14.
[5]蕾，王炎.AGC控制技术的发展过程及趋势[J]. 大学学报(自然科学版)，2007，（7）:222一225