鞍钢1450平整模型研究与仿真

2.1 平整机主要工艺概况
鞍钢股份有限公司冷轧厂4#线1450mm单机架平整机组（如图2.1）设计年产量60万吨，成品厚度范围0.3mm~2mm，轧制带钢宽度为700~1380mm。生产钢种包括CQ、DQ、DDQ等。机架出口速度最高可达1200m/min，最大卷重为28吨。该平整机组由德国西门子公司总包，机械设备由中国一重负责制造供货，三电系统由西门子公司负责。

整个平整机组由下列主要设备构成：
1）入口开卷区：包括入口步进梁、测宽测径装置、上料小车、压辊与刮刀、1#与2#上料辊、切头剪、开卷机。
2）机架区：包括压辊装置、入口压辊、入口S辊组、入口导向台、入口激光测速仪、平整机、出口导向台。
3）出口区：包括出口分切剪、出口激光测速仪、出口S辊组、出口导板、卷取机、自动对中装置、磁力皮带助卷器、卸卷小车、出口步进梁、打捆机。
4）介质系统：包括入口液压站、出口液压站、油膜稀油站、延伸率控制液压站、工作辊弯辊液压站、湿平整乳液站。

2.1.1 机组工艺生产流程
平整机组在工序上接罩式退火炉之后，对退火后的带钢进行处理，使其具有良好的机械物理性能和表面质量。
从罩式退火炉来的钢卷用吊车将其立式放在1#步进梁上，该步进梁位于机组操作侧垂直于轧制中心线。通过过程控制系统（二级）发送来料卷信息，每个钢卷宽度已经记录在PLC（一级）中。1#步进梁将钢卷输送到翻卷机上，翻卷机将钢卷由立式翻转为卧式。1#钢卷小车根据钢卷宽度自动控制接卷位置，1#钢卷小车将钢卷托起，向准备站运送钢卷，运行至钢卷外径测量装置处停，测完钢卷直径后，进行高度对中（对准予开卷机卷筒），然后1#钢卷小车继续向准备站运行，将钢卷送到准备站的预开卷机卷筒上。卷筒涨径，压辊压下，钢卷开卷刀伸出，预开卷机卷筒、压辊、矫直机以相同的速度转动，将带材引入矫直机。当带材到达矫直机时，上矫直辊压下进行直头，继续向前送料至切断剪处，停止送料。切断剪开始剪切，切掉的废料头滑入废料箱中。重复以上剪切过程，直至将不符合平整要求的钢卷头部全部切掉。预开卷机卷筒、矫直机反转，将带头转动到开卷机卷筒的下方。1#钢卷小车托卷台托住钢卷，钢卷开卷刀缩回、压辊摆起、卷筒缩径。
1#钢卷小车将钢卷卸下运往2#步进梁，行走至钢卷外径测量装置处停，测完钢卷直径后，1#钢卷小车继续向2#步进梁运行，并将钢卷运回到2#步进梁。2#步进梁将钢卷向开卷机步进式运送，最终运到#2钢卷小车的受卷位置上，2#钢卷小车将钢卷托起运送1400mm后停，进行高度自动对中后（对中开卷机卷筒），继续行走将钢卷套在卷筒上。卷筒涨径，压辊压下。2#钢卷小车下降最低位。
开卷机转动向入口张紧辊送料，开头刮板装置中的刮板将带材掀起向前送料。带材头部到达下张紧辊时，压辊摆起压紧带材（此时入口、出口的上下张紧辊已经转动），继续送料至上下张紧辊之间时，下张紧辊升起，压紧带材，送到上张紧辊顶部时，上压辊摆下压紧带材。带材头部咬入入口张紧辊后，手动对中系统使带材对中。继续向前送料，带材经过入口导向台（此时防皱辊、防跳辊均在下限）以喂料速度进入平整机（此时辊缝已摆好、工作辊已在转动）。当带材头部到达出口张紧辊的上张紧辊时，上压辊摆下压紧带材，继续送料至上下张紧辊之间时，下张紧辊升起压紧带材，送到下张紧辊底部时，下压辊摆起压紧带材。开卷机、入口、出口的张紧辊、平整机继续同步向前送料，带材经过出口导向台（此时出口导向台的导板已升起，活动导板已伸出）一直喂入由皮带助卷器包着的卷取机卷筒处，卷取机已经启动，将带材在卷取机卷筒上绕34圈后，机组停止送料，皮带助卷器的皮带松开，抱紧辊抬起，皮带助卷器即退回原位。开卷机的压紧辊、入口张紧辊的上下压辊、出口张紧辊的上下压辊均摆开，人口、出口下张紧辊下降，开头刮板、入口导向台、出口导向台均落回下限，防皱辊、防跳辊上升至工作位置，自动对中系统、延伸率自动控制系统、液压压下控制系统、弯辊系统、平整液喷射系统（湿平整）均投入工作，开卷机、入口、出口的张紧辊、平整机、卷取机联合控制轧制带头。
当机组建立张力，加速到所要求的平整速度时，开始进行稳定平整轧制带材。平整机出口处的液压剪是事故处理剪或将大卷分为小卷时用的。当带材在开卷机卷筒上快到尾部时，机组减速轧制带尾，自动对中系统、弯辊系统退出工作。机组停车，带尾剪切机切掉带材尾部。开卷机的压辊、入口张紧辊的上下压辊、出口张紧辊的上下压辊均摆起压紧带材，防皱辊、防跳辊均落回下限，3#钢卷小车的升降台（升降台上有托辊）升起托住钢卷，当带材尾部处于卷筒下方时，机组全部停车。由№3钢卷小车和卷取机的推板共同卸下钢卷，№3钢卷小车托着钢卷运往3#步进梁，步进梁受卷之后，步进式向后送料，在3#步进梁的3卷位称重，在4卷位捆扎，在5、6卷位上由吊车将钢卷吊放到钢卷存放场上。同时开卷机反转，将带尾卷在卷筒的下方（钢卷的内径即废卷芯由于在退火过程中已被损坏，由废尾卷清除装置将废卷芯从开卷机上直接吊走，并抛到废料箱中。
带钢厚度大于1.5mm时，不经入口张紧辊和出口张紧辊，沿导板在入口张紧辊和出口张紧辊的上张紧辊处通过（上张紧辊仅作转向辊），此时开卷刀和带尾剪切机均上升至上限即开卷和剪切的合适位置。其它工艺过程与上述相同。
轧制完成后机组停车、卸张，2#钢卷小车托辊已低压压上，开卷机压辊已压下，入口张紧辊前的带尾剪切机动作，剪切带尾。剪切完毕，机组重新启动，开卷机电机反转将废带材卷饶在卷筒上，开卷机停车卷筒缩径。2#钢卷小车行走电机启动，使废卷芯与卷筒脱离运出4000mm后停，2#钢卷小车托头升起，废尾卷清除装置的升降缸伸出，夹钳夹紧废卷芯，然后升降缸缩回，小车电机启动开出线外12000mm停。升降缸伸出，夹钳松开废卷芯，废卷芯掉入废料斗中；废尾卷清除装置的升降缸缩回最小位置之后，小车电机启动开至等待位置停。
机组在喂料速度下平整带材直至减速停车之后，入口、出口张紧辊的上下压辊缸动作，使压辊压紧带材。测张辊压辊缩回，防皱辊、防跳辊下降，带钢防缠导板缩回。开卷机反转卷废带材的同时，入口张紧辊电机、四辊平整机电机、出口张紧辊电机、卷取机电机联合控制以喂料速度轧制带尾。同时3#钢卷小车升降缸动作，以低压上升使托辊托住钢卷停。当卷取机卷筒将带材尾部卷到卷筒的下方时，整个机组停车。入口、出口张紧辊上下压辊摆开。卷取机卷筒涨缩缸动作使卷筒缩径，保护罩气缸动作，打开安全门，然后卷取机活动支承摆开，3#钢卷小车（或如有必要卷取机推板与3#钢卷小车同步卸卷）卸卷。3#钢卷小车运行4400mm后停，然后进行高度调整，旋转液压缸动作使托头转动90°,使钢卷中心线与3#步进梁中心线一致。3#步进梁的活动梁在最低位行走缸活塞杆伸出，到1卷位去接卷。到1卷位之后，活动梁上升托卷，托卷之后行走缸缩回极限，活动梁下降，完成一个步距。3#钢卷小车升降缸下降极限位置，小车返回卷取机下方等待接卷。
3#步进梁步进式运送钢卷，当钢卷运到3卷位时，进行称重。钢卷运到4卷位时打捆装置对钢卷进行打捆。3#步进梁重复运卷过程，直至将钢卷运到5卷位和6卷位，由吊车将钢卷吊到存储库。
由于平整机压下量很小，利用出入口厚度来测量压下量比较困难，因此用与压下量成正比的带钢长度变化，即延伸率来表示带钢的变形程度。为了完成精确的恒延伸率控制，入口和出口分别装有激光测速仪。激光测速仪实时跟踪入口和出口速度，反馈给延伸率自动控制系统进行恒延伸率控制。表2.1为该平整机基本设备参数。
本机组配备干、湿两套平整系统，可根据产品的要求任意选用。入口端设有予开卷准备站以及卷尾清除装置，可节省辅助操作时间。平整机架前后配有大直径的S张力辊组及整块弧形导板，便于穿带，所有厚度在2.5以下的带钢，均可通过张力辊组采用较大的张力平整。开卷机采用新颖结构，芯轴为实体构造，因而能承受较大的张力，卷筒的涨缩靠移动扇形块实现，所产生的位移量能自动得到补偿。机组采用过程计算机控制。

2.1.2 机组设备参数
该平整机为单机架四辊不可逆轧机，主轧机、开卷机和卷取机变频装置采用的是用SIEMENS公司的6SE70模块，采用28MPA液压压上系统，平整机前后配置有BETA LaserMike公司的激光测速仪，出入口配置有ABB公司的张力计，具有工作辊正负弯功能，并配备有完整的平整液喷淋系统。该生产线主要设备参数如表2.1所示。

冷轧平整机组由过程自动化系统、基础自动化系统和人机界面(HMI)三部分组成，人机界面又分为过程自动化HMI与基础自动化HMI，同时预留有同生产制造执行系统（三级）的接口。在此对整个系统进行介绍。
过程自动化系统在生产线自动控制系统中是用来管理生产过程数据的计算机系统，通常完成生产线上各设备的设定值计算、模型优化、生产过程数据和产品质量数据的收集、收集设备运行数据、生产计划数据维护、生产原料数据和生产成品数据的管理、物料数据在生产线上的全线跟踪、协调各控制系统间的动作和数据传递等。过程计算机控制系统需要和工厂生产管理系统通讯，接收生产计划指令、原料数据、轧辊数据等；上传生产计划完成进度数据、成品结果数据、设备开动效率数据和各种其它管理需要的数据。
基础自动化系统主要分为三部分：1）工艺控制系统：根据二级模型预设定数据，首先控制液压压上缸、弯辊液压缸以等执行机构尽可能接近预设值，并根据机组出入口激光测速速度、轧制力等反馈值对各执行机构进行快速动态调整，保证最终产品的质量精度。2）主令控制系统：根据道次预设定数据，控制主轧机、开卷机和卷取机速度，通过设定输出转矩完成轧制过程中的张力控制，并作为主要执行机构完成厚度控制。3）辅助控制系统：与工艺控制和主令控制系统结合，完成轧线单体设备的顺序控制(比如换辊顺控、卸卷顺控等)，同时还负责高压、低压等公辅系统、平整液喷淋系统控制。
过程自动化系统、基础自动化系统和人机界面之间均通过工业以太网进行数据交互通讯。基础自动化系统各部分之间通过西门子现场总线PROFIBUS-DP网和工业以太网两种通讯方式进行数据交换，基础自动化系统与操作台、远程I/O、传动装置之间通过PROFIBUS-DP网进行通讯。整个计算机控制系统组成及网络布置如图2.3所示。

基础自动化级(LEVEL1)其主要设备为SIEMENS FM458 PLC控制系统、S7-400 PLC控制系统、S7-300 PLC控制系统、。主要功能是实现主线协调、自动延伸率控制、机架控制、张力控制、顺序控制、媒介/通风系统控制、急停控制等。
机组主控制器由一台S7-400 PLC承担，完成顺序控制、主令控制、全线协调控制、操作台控制、速度主令、换辊控制、与HMI SERVER的通讯、与DB SERVER的通讯等功能。全线操作台、与机组逻辑动作相关的检测元器件等均由S7-400进行信号处理。
机组液压控制器由一台S7-400 PLC承担，完成液压站逻辑控制和液压站起停控制功能。与全线液压、润滑系统相关的检测仪表、元器件、执行机构等均由S7-400进行信号处理。
机组机架工艺控制器由S7-FM458 PLC承担，完成液压压下控制、电动压下控制、弯辊控制、延伸率控制、与传动系统的通讯等功能。与机架工艺控制相关的检测仪表、传感器、执行机构等均由S7-FM458进行信号处理。
鞍钢冷轧厂1450mm单机架平整机组延伸率自动控制是平整过程中核心内容，平整机的所有电气系统是延伸率控制系统的下级系统，为延伸率控制系统服务。平整机的所有控制系统都与延伸率实行闭环（如图1－2所示）。平整延伸率控制系统是由延伸率测量、通过调节前后两台激光测速仪实现带钢延伸率自动控制、通过调节机架出入口侧的带钢张力实现带钢延伸率的自动控制、通过调节轧机的轧制力实现带钢延伸率的自动控制这四部分组成。
用张力调节带钢的延伸率，仅用于1.5mm以下的带钢，在单机架平整机上，一般用于0.3～1.5mm的带钢。这是因为从张力对改变延伸率的效果来看，带钢越薄，用张力调节延伸率的效果越好。带钢越厚，则用张力调节的效果越差（如图2－3）。而用改变轧制力的方式来调节带钢延伸率的效果，与用张力调节的效果正好相反，即带钢越薄，用轧制力调节带钢延伸率的效果越差。即带钢越厚，则用轧制力调节带钢延伸率的效果越好（如图2－4）。事实上，在实际平整轧制中，对于0.3～1.5mm之间的带钢，是采用张力加上轧制力的方法来控制延伸率的，此时轧机前后的S辊作为张力辊。厚度超过1.5mm的带钢，则完全采用轧制力控制延伸率方式，此时S辊作为导向辊。在采用张力加轧制力的方式控制延伸率时，两个用以控制带钢延伸率的附加调节量，即附加张力和附加轧制力就是根据图2－3～4两条曲线给出的（如图2－5）。所谓通过调节前后S辊的速度实现带钢延伸率的自动控制，就是指在轧制力基本恒定的情况下，利用延伸率给定值和实际值之间的差值产生一个附加的速度给定值去改变前后S辊的速度，从而实现对带钢延伸率的控制。但是在实践生产过程中，发现采用调节轧机前后S辊的速度控制延伸率方式时，控制延伸率效果很差，只适于在平整机组速度V300m/min时使用，生产率低。因此，生产方将此调节方式模块封锁，不再投入现场使用。目前，延伸率控制只采用前两种调节方式。