2030mm带钢冷连轧厚度自动控制系统-机电一体化设计

课程设计说明书

2030mm带钢冷连轧厚度自动控制系统Automatic control system of 2030mm strip cold rolling thickness

学院（系）：

专业：机械设计制造及其自动化

学生姓名：

学号：

指导教师：

评阅教师：

完成日期：2015.12.31

y

课程设计任务书-机电一体化

一、学生基本信息

二、课程性质与考查方式

在学习《轧制过程自动化》后，进行的课程大作业，主要目的是掌握轧制自动化所学内容。

成绩考核办法：

1、日常出勤情况考核，为期3周（12月10日至12月31日）；

2、中期进度情况、完成情况考核；

3、课程设计答辩，考核任务完成数量与质量，评价学生课程设计成绩。

三、课程目标

1、机自专业冶金机械方向轧钢机械课程设计的目的是综合运用所学机械制图、理论力学、材料力学、机械原理、结构力学、塑性力学与轧制原理、轧钢工艺学、轧制过程自动化等专业基础课的理论知识，按照《轧制过程自动化》专业课及其行业相关标准要求，对板带，型钢，棒线材，钢管等各类钢材轧制过程进行自动控制设计。包括厚度自动控制原理，厚度控制的基本理论，厚度自动控制的设备组成及结构特点等，培养学生在该技术领域分析问题和解决问题的能力。

2、学生应认真阅读和理解课程设计任务书，搜集与分析有关轧制过程自动化最新的专业文献资料，熟悉和学习有关各种最新设计标准和规范的内容，了解与设计内容相关的行业动态，在教师指导下，独立、认真、按时完成任务书规定的设计内容。

3、培养学生具有运用工程工作所需的相关数学、自然科学以及经济和管理知识的能力；

4、培养学生具有运用工程基础知识和本专业的基础理论知识解决问题的能力，具有系统的工程实践学习经历；了解本专业前沿发展现状和趋势；

5、培养学生掌握基本的创新方法，具有追求创新的态度和意识；具有综合运用理论和技术手段设计系统和过程的能力，设计过程中能够综合考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素；

6、培养学生掌握文献搜索、资料查询及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；

四、设计内容

1、题目：2030mm带钢冷连轧厚度自动控制系统

2、完成的工作内容

完成2030mm冷连轧机的主要设备组成和结构特点，厚度自动控制系统的基本原理

和基本理论，建立一个完善的厚度控制系统。

五、设计的方法和步骤：

1、查阅资料，熟悉题目，明确设计任务和要求，综合分析相关知识、资料，了解行业新动态；

2、比较、确定总体控制方案与控制原理，选择合适的控制方法；

3、具体设计、分析、绘图等；

4、总结并撰写设计说明书。

六、成绩考核办法：

1、日常出勤情况考核；

2、中期进度情况、完成情况考核；

3、课程设计答辩，考核任务完成数量与质量，评价学生课程设计成绩。

摘要

自动化主要是指以无人化为目标的自动化技术。它是在生产现场为使生产合理化而进行的自动操作和自动化技术的简称。它是一个用自动的方法来实现的过程，即将过程、进程或装置转变成自动的操作。

轧制自动化实际上是对轧制过程进行自动控制，尤其在高速与高精度轧制时，更需要计算机高速准确地控制生产过程。但所有自动控制都是人们精心安排和设计的。轧制自动控制就包括描述轧制过程的数学模型、机械动态特性模型及其组合方式。同时需要高精度的检测器、高速度的模拟或数字控制单元与系统以及稳定可靠的执行单元。

本文着重介绍了2030mm冷连轧机的主要设备组成、厚度自动控制系统的基本原理和结构特点等。

关键词：轧制过程自动化；2030mm冷连轧；厚度自动控制

Automatic control system of 2030mm strip cold rolling thickness

Abstract

Automation is mainly refers to the automation technology which aims at unmanned. It is referred to as the production site for the rationalization of the production of automatic operation and automation technology. It is an automatic method to achieve the process, the process, the process or device into an automatic operation.

Rolling automation is actually the automatic control of the rolling process, especially in high speed and high precision rolling, but also need to control the production process of high speed and accuracy of computer. But all the automatic controls are carefully planned and designed. The rolling automatic control includes the mathematical model, the dynamic characteristic model and the combination method of the rolling process. At the same time, a high precision detector, a high speed analog or digital control unit and a system, and a stable and reliable execution unit are required.

This paper mainly introduces the basic principle and structural characteristics of the main equipment and the automatic control system of 2030mm Cold Rolling Mill.

Key words: rolling process automation; 2030mm Cold Rolling; automatic thickness control

目录

摘要............................................................ III ABSTRACT......................................................... IV 1 绪论. (1)

1.1国外带钢冷连轧机控制技术的发展 (1)

1.2国内冷连轧机控制技术的发展 (2)

1.3厚度自动化控制系统 (3)

1.4我国冷连轧控制技术展望 (4)

1.5冷连轧机简介 (5)

2 冷连轧的基础理论 (7)

2.1工艺流程 (7)

2.2厚度控制 (8)

2.2.1 测厚仪监控控制 (8)

2.2.2 前馈控制 (10)

2.2.3 张力控制 (10)

2.3金属秒流量控制 (12)

2.4厚度自动控制系统的基本设计思想 (13)

3 控制系统的设计 (14)

3.1控制系统的功能 (14)

3.2控制系统的硬件设计 (15)

3.2.1 系统的硬件配置 (15)

3.2.2 系统实现的硬件部分 (16)

3.3控制系统的软件设计 (18)

3.4压下位置零点校正 (18)

3.5运行状态控制 (20)

3.6厚度控制 (21)

3.7程序设计及功能块说明 (23)

4 控制系统上位机控制界面 (24)

4.1WINCC简介 (24)

4.2WINCC与S7-400之间通讯的实现 (25)

4.3上位机现场监控系统的实现 (26)

4.3.1 变量管理 (26)

4.3.2 画面组态 (26)

4.3.3 报警组态 (26)

4.4PLC控制字各位的定义 (26)

参考文献 (29)

致谢 (30)

.

1 绪论

钢铁工业属于原材料工业，是国民经济中的基础工业。我国钢铁工业的发展突飞猛进，2012年中国大陆粗钢产量已到达7.16亿t，约占世界钢铁总产量的46.3%，成为远远高出其他国家的第一产钢大国，但同时也是钢材进口大国，特别是部分高端冷轧产品无法完全满足需求，一定程度上仍依赖于国外进口。另一方面，我国冶金行业核心装备的研发和制造水平仍然不高，与发达国家相比仍然存在不小的差距。酸洗冷连轧机组集成技术是国际公认的系统复杂、技术、密集、难度极大、精度极高的综合性技术，需要拥有机组总成、工艺、机械、三电等方面深厚的专业能力，国际上仅有德国西马克、西门子-奥钢联、日本三菱日立等少数顶尖公司具备集成能力。

经过几十年的发展，特别是近20年来大量的技术引进，我国在技术的积累和创新、人才的培养和锻炼，以及在工程设计、设备制造、生产机组的自主集成上都达到了一个新的水平。这些积累主要是通过对引进技术的消化、掌握，并不断发现问题，改进和创新所形成的。

1.1 国外带钢冷连轧机控制技术的发展

1924年，世界第1套带钢冷连轧机组在美国阿姆柯公司巴特勒工厂建成，轧机的配置形式为四辊三机架。1938年，苏联在扎波罗什工厂开始安装从国外引进的三机架1680mm带钢冷连轧机。在20世纪年代所建的三机架冷连轧机，辊身长度大多在，轧制成品最薄为0.40mm，轧制速度较低。

日本于1940年在新日铁广畑厂建设了第1套四机架1420mm冷连轧机。1951年苏联建设了一套2030mm五机架冷连轧机，年产250万t，安装在新利佩茨克。

20世纪60年代，美国杨斯顿板管公司为了生产0.10mm以下的镀锡板，建成了世界第1套六机架冷连轧机组。之后，日本和德国也装备了六机架冷连轧机组。从20世纪70年代以来，对冷轧薄板的需求量越来越大，对成品质量的要求越来越高，四机架冷连轧机已基本被五机架冷连轧机取代。而六机架冷连轧机无论在生产薄规格带钢的能力方面，还是在实际生产速度的提高方面，并不比五机架冷连轧机具有太大的优越性，因此五机架冷连轧机便成为当今生产冷轧薄规格带钢的主流设备。

1968年夏，NKK福山厂FE工程(福山无头轧机工程)正式启动。由IHI、三菱电机和NKK3家开始共同研发，逐项解决了各个问题后，世界上首套全连续式冷连轧机于1971年春开始试运转，同年6月正式投产。此种轧机在前面增加了焊机和活套，在钢卷进人轧机之前将钢卷焊接起来，借助活套的缓冲功能使得带钢源源不断地进人轧机进行连续轧制。全连续式冷连轧机的出现是冷轧生产技术史上的一次革命，它彻底解决了带钢轧制过程的频繁穿带、加减速及甩尾等问题。

冷连轧计算机控制系统是保证冷连轧机有效而有条不紊地运行不可缺少的核心环节，冷连轧机的控制系统自始至终都伴随着冷连轧机的发展逐步走向成熟。从20世纪50年代开始，随着电子技术和自动控制理论的发展，美国首先开始在轧钢生产中采用晶体管逻辑控制、自动厚度控制、卡片程序控制等新技术，使轧钢自动化程度有了较大的提高。自20世纪60年代以来，计算机技术获得了巨大发展，并在工业控制领域取得显著成效。美国首先将计算机用于带钢热连轧生产控制，并获得成功。在此基础上，于20世纪60年代末带钢冷连轧机组也实现了计算机控制。最初带钢连轧机组的控制系统，主要由1台中小型计算机对生产过程进行集中控制，将生产管理到轧制过程的实时控制融于一体。这种方法容易造成各功能模块工作不匹配，计算机系统软件与应用软件维护困难。一旦某个控制环节出现问题，将造成整个生产线停机，严重影响轧机生产效率。

冷连轧机计算机控制系统水平是由低级到高级，从局部到全局逐步发展的。自20世纪70年代末期，随着微型计算机工业的崛起，现代化带钢连轧生产线全部采用分布式计算机，实行分级控制。通常情况下，一条带钢连轧机组生产线的分布式计算机控制系统分为3级，整个计算机控制系统的组成和功能如图1.1所示[1]。

图1.1 冷连轧计算机控制系统[1]

1.2 国内冷连轧机控制技术的发展

我国第1套冷连轧机是1978年武钢引进的1700mm五机架冷连轧机，该机组的投产使我国具备了生产热镀锌、电镀锌和冷轧硅钢片的能力；宝钢于1985年建成了2030mm五机架冷连轧机组。20世纪90年代以后，宝钢又陆续新建了1420mm、1500mm 以及宝钢三期1800mm五机架冷轧机组，这使得我国冷轧带钢的品种和规格逐步扩大。此外，其他一些钢厂也先后投产了先进的冷连轧机，如本钢1970mm、唐钢1750mm、首钢京唐1700mm五机架冷连轧机组。在过去的几十年中，我国冷轧薄板生产能力增加了40多倍，生产装备技术水平已由只能生产低碳薄板发展到了能生产高碳钢、合金钢、

高合金钢、不锈耐热冷轧薄板、镀锌板、涂层钢板、塑料复合板和硅钢片等。

迄今为止，我国引进的带钢冷连轧生产线计算机控制系统已经囊括了世界上所有掌握冷轧带钢生产核心技术的公司，其中包括德国西门子、日本日立、西门子奥钢联等公司。出于对自己核心技术的保密，引进系统中一些关键模型及控制功能通常采用“黑箱”的形式，使新功能和新产品的开发以及以后的系统升级改造受到很大制约。

为打破国外公司的技术垄断、掌握冷连轧生产线的控制系统及关键工艺，国内的大专院校、科研单位和企业合作，在消化吸收国外先进的计算机控制技术的同时，逐步研制开发了具有自主知识产权、适合国内生产线的计算机控制系统。鞍钢率先运用自主集成建设模式，在二冷轧厂成功建设了酸轧机组，改变了我国酸轧机组完全依靠国外引进的局面，推进了我国冷轧设备的国产化，促进了我国冷轧板带生产设备的发展，但在这一建设中，三电控制设计及调试还是由国外负责。

为突破冷轧关键技术的黑箱限制，建立具有自主知识产权的控制系统，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（RAL）先后与三菱、西门子-奥钢联和东芝三菱等国际公司合作，完成了宝钢益昌薄板五机架冷连轧、唐钢1800mm五机架冷连轧和鞍钢莆田1450mm酸洗冷连轧联合机组等多条生产线的过程控制数学模型系统研制、开发与现场调试。通过多年的技术积累，东北大学已经具备了自主设计、集成和开发冷连轧机组自动化控制系统的能力。2011年东北大学RAL独立完成了某冷轧薄板厂大型酸轧联合机组计算机控制系统的硬件集成与软件研发，该项目的实施有力推动了大型高端酸洗冷连轧机组的自主创新和国产化进程，增强了我国在轧制控制系统方面的核心竞争力。

1.3 厚度自动化控制系统

图1.2 冷连轧过程控制系统功能结构图[1]

冷连轧机过程控制系统的核心功能是为轧机基础自动化系统提供合理的负荷分配及轧制设定参数，并通过自适应、自学习对模型进行优化。除此之外，过程控制系统的功能还包括：与基础自动化和生产管理级计算机的通信;钢卷跟踪;测量值采集与处理;带钢成品质量及设备运行数据统计；生产计划数据、原料主数据、设备数据及带钢生产实绩数据的管理;提供人机接口、报表输出及班组管理等，其功能结构框图如图1.2所示。

厚度精度是冷连轧产品最重要的尺寸指标之一，厚度自动控制(Automatic Gauge Control，简称AGC)系统也是现代冷连轧机自动控制系统中必不可少的组成部分。冷连轧厚度控制技术发展到现在，根据在线检测仪表、执行机构以及作用情况，AGC控制方法可归纳为以下3种基本形式:

（1）前馈AGC。基于测厚仪的反馈式厚度自动控制系统，避免不了控制上的传递滞后或过渡过程的滞后，因而限制了控制精度的进一步提高。特别是当来料厚度波动较大时，更会影响带钢的实际轧出厚度的精度。为了克服此缺点，在冷连轧机上广泛采用前馈式厚度自动控制系统，简称前馈AGC。对于冷连轧而言，前馈AGC可通过3种控制手段实现对厚度的控制，即调节本机架的辊缝、调节上游机架的速度、调节本机架的速度。

（2）监控AGC。监控AGC是根据轧机出口测厚仪检测到的带钢厚度偏差来调节辊缝或轧制速度以达到消除厚度偏差的目的。应用于冷连轧机的监控AGC具有3种厚度控制手段，即调节本机架的辊缝、调节上游机架速度、调节本机架速度。然而，监控AGC具有检测上的滞后，这就限制了其性能的提高，随着控制理论的发展和Smith预估器等消除大滞后环节的控制算法的使用，监控AGC已经成为厚度控制系统一个必不可少的组成部分。

（3）秒流量AGC。在冷连轧机的厚度控制系统中，普遍应用秒流量AGC。通过秒流量相等原则估算机架出口厚度，将该厚度与目标厚度进行比较得到出口厚度偏差，通过调整本机架辊缝、上游机架速度或本机架速度来消除厚度偏差。

现代工业的飞速发展，同时也对冷轧带钢的厚度精度提出了更高的要求，随着对AGC研究的深人，目前广泛应用的传统控制方法已经越来越难以满足需求了。这就促使了现代控制理论的分析和设计方法逐渐被AGC控制所采纳。此外智能控制也被引人到了AGC控制中，主要有模糊控制、神经网络控制、遗传算法、专家系统和学习控制等。

1.4 我国冷连轧控制技术展望

自改革开放以来，我国在板带轧制工艺、轧制数学模型及板形、厚度控制技术等方面取得了长足的进步。通过消化引进技术、自主集成和自主创新，中国已跻身于轧制技术发达国家之列。目前，冷连轧生产正朝着产品专业化、设备大型化、生产灵活化、工

艺连续化、控制自动化的方向发展。结合我国冷连轧控制技术的发展历程和现状，轧钢工作者应加强对引进生产线的消化、吸收和再创新，迅速发挥引进效益，从控制系统硬件的提升以及智能化模型和控制软件的进一步优化和开发等方面来改进冷连轧控制系统的性能：

（1）对引进生产线的消化、吸收和再创新。组织产学研结合的队伍进行引进技术的消化和吸收，破解引进系统中的“黑箱”部分，不但要恢复原有的功能，实现引进设备应当带来的效益，同时还要进行自主创新，根据产品开发的需要，开发新的装备、工艺和技术，增添新的有特色功能，进行工艺技术的优化和再创新。

（2）加强自动化检测仪表和控制器的自主开发。目前，我国已经基本掌握了冷连轧自动化控制技术，不仅可以实现技术集成，而且可以自主开发。但是，目前冷连轧所使用的各类传感器、检测仪表(板形仪、张力计、测厚仪等)和控制器(PLC、TDC等)，绝大多数是由发达国家引进的，这极大地限制了中国轧制过程自动化技术的发展。在这种情况下，应当通过产学研的结合和行业、学科的交叉，努力开发各种轧制过程必须的检测仪表、传感器和控制器等，突破自动化技术的瓶颈，促进轧制自动化的发展，这对于提高控制精度、生产优质产品十分重要。

（3）优化技术和智能算法的应用。随着技术的迅速发展，冷连轧控制系统中应通过采用优化技术和人工智能技术对数学模型和轧制规程进行优化或控制，以实现轧制过程的系统优化和人工智能控制。例如：利用专家系统、模糊逻辑、遗传算法、人工神经网络等智能算法实现对轧制过程的优化、诊断和控制等。

1.5 冷连轧机简介

机组形式：全连续五机架四辊液压压下串列式冷连轧机。

轧机规格：

工作辊尺寸：（）；

支撑辊尺寸：（）；

常规规格：

入口厚度：；

出口厚度：；

宽度：；

钢卷质量最大：45t；

单位卷重：带钢宽度大于时，最大为；带钢宽度小于或等于

时，最大为；

钢卷直径：

进料段：外径最大，最小；内径；

出口段：外径最大，最小；内径；开卷方式：

常规轧制上开卷；

全连续轧制下开卷；

卷取方式：上卷取；

2 冷连轧的基础理论

带钢的轧制过程是一个复杂的形变过程，它牵涉到的范围很广，如来料条件(初始厚度、宽度以及钢种)、轧制设备(轧辊辊径、电机容量限制条件、轧制负荷限制条件)和其他工艺参数。因此全面了解轧制过程，设定一个科学的压下分配，使成品钢的厚度、板型以及机组的轧制规程达到一个合理的水平，对产品的产量、质量及成本均有重大影响。

2.1 工艺流程

冷轧的工艺过程主要由开卷、矫直、焊接、轧制、剪切和卷取六个过程组成。其中，开卷、矫直和焊接是前期的准备过程，轧制是对钢材进行加工的主要过程，剪切和卷取是产品的后期处理过程。

钢卷由天车运至开卷机，为了能进行连续轧制，在一个钢卷开卷时，下一个钢卷应当做好准备，这时就需要两套开卷装置交替工作。带钢开卷后经由夹送辊进入矫直辊，矫直的目的在于为下一步的焊接做准备，钢卷的矫直过程由2个上压辊和3个下压辊完成。由于带钢的头部厚度不符合规定的尺寸，为了不影响焊接的过程，需要用剪切机将带钢头部切掉。剪切后的带钢通过测厚仪，检测前后两卷钢卷的厚度，以便于闪光焊机将前一个钢卷的尾部和后一钢卷的头部焊接在一起。

完成了开卷、矫直和焊接的过程后，入口段充入活套内存储。这是实现全连续轧制的保证，因为在进行焊接的时候，开卷机是不向活套充入带钢的，这时需要活套内存储的一段带钢来维持轧制；在焊接完毕后，入口段加速从而将活套中的带钢再次存满。

带钢从活套出来，接着通过一系列转向辊、张力辊及焊缝检测器。在五机架全连续轧制中每一机架均采用两个支承辊、两个工作辊的结构，每个机架上部有一个液压压下缸，用来调整每个机架内轧辊的负荷辊缝。调节各机架的带钢速度和张力，轧出所需的成品厚度。在控制策略方面，尽量将来料的厚度误差消除在第一机架上，最后一、两个机架一般作为精轧部分用以提高厚度精度和板形质量。各机架之间都设有测厚仪和测张力辊，用来测量带钢在轧制过程中的实际值。同时将这些数据传输到控制系统中，经过计算机，轧制速度调节系统、张力调节系统等厚控装置的综合作用，得到符合要求的板厚及板形。

在五机架出口处还设有夹送辊及飞剪，带钢导向装置、磁力皮带以及两台卷取机。带钢轧制成产品后，送到卷取机上重新卷成钢卷。在进行全连续轧制的过程中，需要两个卷取机交替工作，当第一个卷取机卷取完成时，轧机减速，启动飞剪将带钢剪断，之后导入第二卷取机进行卷取[2]。

图2.1 五机架冷连轧机工艺流程图[2]

2.2 厚度控制

轧制过程是轧机与轧件相互作用的过程，轧辊对带钢施加压力使之产生塑性形变，同时带钢的反作用力也会使轧辊产生弹性变形，如图2.2所示。研究塑性曲线和弹性变形曲线之间的关系，是轧制工艺的一个重要研究内容。

图2.2 弹塑性曲线[2]

带钢出口厚度的影响因素很多，为了能够精确控制厚度，会采用多种控制方式配合来达到厚度控制目的，主要控制方式有：测厚仪控制、前馈控制和张力控制等。

2.2.1 测厚仪监控控制

测厚仪监控系统由以下三个部分组成：

（1）厚度检测装置：出口厚度一般由安装在机架出口处的测厚仪检测，检测结果