梅钢 1780 热轧活套控制改进

摘要:研究了液压活套的设备概况及基本原理，结合梅钢1780 热轧现场实际应用情况，对电气设备进行现场改进。为适应带钢厚度减薄、产品强度的提升所带来的活套一系列问题，开发了控制优化策略和辅助功能。经过逐步改进，活套张力控制、套量控制满足了整个产品系列轧制稳定性对活套的要求。

0 引言

梅钢1780热轧项目于2012年4月热负荷试车，精轧活套采用意大利Danieli公司设计的全液压活套。由于梅钢热轧产品不断拓展，活套电气设备以及控制出现了和其他厂家类似的一系列问题，譬如: 角度编码器、压力传感器的异常损坏，轧制过程中失张、拉窄、抖动、高频振荡、穿带受阻、甩尾等，针对出现的问题，机、电、液专业通过对设备结构及控制原理分析，有针对地进行了改进，取得了良好的效果。

1 设备概况及基本原理

1．1 设备概况

梅钢1780产线精轧机组采取 7 机架连轧的 方式，在每个机架间布置全液压活套用于机架间秒流量及带钢张力的调节。活套的动作依靠安装在传动侧的油缸驱动，油缸盲端固定在轧机牌坊上，杠端固定在活套本体转臂上，活套机械设备本体安装在机架间带高度调节的框架上。活套油缸通过位于轧机传动侧的伺服阀箱内的液压伺服阀进行精确的控制，并可通过电控液压单向阀进行主油路与油缸供油的切断和开通，实现活套在故障及安全保护模式下的锁定功能。安装在活套转轴上的角度编码器用于检测活套转动角度，安装在活套臂上的压头用于检测活套受力，同时伺服阀箱内对应于油缸盲端和杠端各安装有0～40MPa量程的压力传感器，用于监控活 套两腔压力。整个活套液压系统连接在精轧高 压系统中，实际供油压力为 27 MPa。Danieli公司在液压回路设计时，在油缸盲端设计有电控的单向阀用于活套调节速度的切换，电磁阀得电时，活套以正常速度进行动作；电磁阀失电时，同样的伺服阀给定下，活套动作速度降低；实际应用过程中为保证高性能响应，该电磁阀一直处于得电状态。活套液压控制简图如图1所示。

1.2 工作原理

活套在实际生产过程中分为如下几个阶段：等待过程、起套过程、张力及套量调节过程［4］、尾 部落小套过程、落套过程。处于等待位置时，活套以一定的角度维持在固定位置，保证穿带顺利进行; 当带钢进入本活套的下游机架时，活套以 一定的速率向最高位置运动，以接触带钢后形成张力; 当活套的角度和带钢的张力达到一定的幅值时，活套起套过程结束，进入张力及套量调节阶段，通过安装在活套臂上的压头或压力传感器结合角度编码器检测出来的压力、角度以及活套机械结构的物理尺寸，可以计算出带钢张力，与二级模型设定张力比较后的差值经PI控制调节［1］伺服阀开度，通过张力调节实现活套抬起或下落，从而实现该过程中带钢张力的恒定，而套量调节则是利用二级模型设定的活套高度与实际活套高度的差值经PI调节后控制上游机架升速或降速使活套稳定在一个高度［8］; 在带钢尾部离开上游轧机前，通过精确计算可以控制活套在一个设定位置进入落小套状态［6］，此阶段，活套的张力和套量分别以设定的速度减小到比较适合尾部抛钢的设定值；最后通过带钢跟踪，预计带钢尾部即将离开上游机架时，活套由张力控制切换到位置控制，从当前位置下落到下一块带钢的等待位置，如此完成一个活套的控制过程。

2 现场电气设备改进

活套现场的电气设备在实际应用中出现了一些问题，如角度编码器、压力传感器的损坏，角度编码器安装支架的断裂，伺服阀故障等，这些问题的出现造成了大量的停机，制约了产能和质量的提升。

在处理角度编码器损坏的问题上，不仅从设备安装同轴度以及外部环境上进行改善，更主要地是在活套操作侧安装辅助位移传感器。辅助位移传感器采用内置 MTS磁尺，当活套轴转动时带动辅助位移传感器动作，从而获取MTS的位移量，当辅助结构固定后，通过线性插补的方法可以形成MTS位移与角度编码器检测的角度一一对应的关系，因而完成MTS模拟活套转动角度的功能。采用100个点的插补，完全满足活套动作全行程的角度模拟需求，从实际应用的情况来看，MTS 位置插补模拟的角度与实际编码器 检测的角度，两者误差控制在±0.2°以内。在判断传感器的故障时，采用通道自身的检测状态信号、位置变化率是否过大、位置是否达到限幅三种情况进行检测，从而自动完成编码器和 MTS位置的在线自动切换。

在处理压力传感器损坏［10］的问题上，在阀箱内同一检测点安装另一组压力传感器作为当 前传感器的备用设备，当检测到压力传感器的电流输入值小于 3.5mA 或者大于高压系统压力(27MPa) 时，判断为压力传感器故障，自动投入备用的传感器。

在处理角度编码器安装接手方面，采用一种自主设计的编码器安装支架有效解决了原有支架断裂的问题。原有安装方式为编码器内部转动部分套入活套转轴延伸的小短轴上，用固定螺丝紧固，编码器外部固定部分通过双翼弹性支架固定在活套固定板上，这样，编码器内部随活套轴转动，外部维持在固定位置，从而完成检测。而实际应用中，由于双翼弹性支架在编码器转动过程中受外力、安装时同心度偏移、活套轴轴向窜动等影响，因此容易造成编码器打滑、损坏的现象。为此，通过设计如图2所示的带卡箍的滑条结构固定在编码器的外部进行改进。编码器通过带卡箍的滑条在滑槽内前后、上下滑动，而滑槽顶端焊接在活套本体上，采取这种方式，解决了活套本体轴向窜动、上下振动对角度编码器冲击的问题。

在处理伺服阀类故障时，进行了如下改进。

( 1) 原有系统在判断阀故障时采取伺服阀给定大于±80%、或该阀阀芯反馈信号 大于±80%、或伺服阀给定与该阀反馈信号的偏差超过±80% ，然而，因为活套张力及位置控制为闭环控制，阀故障时，伺服阀给定会弥补系统误差，信号加强，故禁止所有伺服阀阀芯反馈信号参与伺服阀故障停机的控制逻辑，仅保留伺服阀给定信号作为阀故障的判据，当给定大于±80% 时，判断为阀故障。阀芯反馈信号仅用于在画面服务器中触发声音 警，提醒维护人员检查，而不参与具体的停机逻辑控制。

( 2) 增加画面伺服阀快速测试功能。画面增加按钮，按钮按下时自动锁定液压截止阀，保证现场机械设备不动作，从画面输入不同的伺服阀给定电流信号，维护人员可通过万用表测量I/O模块输出电流是否与画面输入一致，也可通过伺服阀阀芯反馈电流判断伺服阀动作是否正确。

3 控制问题及改进

梅钢1780产线活套在实际应用过程中，出现活套高频振荡、尾部反翘、大幅度波动、重力标定超标、空载力矩超标等问题，从而在轧制过程中出现诸如穿带受阻、带钢失张、拉钢、带钢跑偏、甩尾等现象。为此，除了使二级模型对轧制过程工艺设定日趋精确以及采取前述现场基础设备的改进外，还进行了以下控制程序的改进，从而保证了活套的稳定运行。

3.1 活套自动防振荡控制

活套振荡是由于机、电、液共同作用以及轧件在复杂工况下产生的，一般出现在张力调节器中，而控制的手段主要是通过调整调节器的增益来打破这种振荡。将活套实际的角度反馈进行微分处理，然后计算活套移动角速度，当速度大0.175 rad/s时，检测活套为上升状态，记录活套4次进入上升状态的总时间，从而求出最近4次活套进入上升状态的平均频率，当频率大于设定的 0.9 Hz 时，启动程序，降低张力调节器增益，消除振荡。

3.2 活套自学习模型［5］开发

L1采集从活套起套开始的活套角度、下游机架速度、操作工对上游机架的速度干预量各100 个点共 2s 的数据，同时采集各活套从起套到进入张力环的时间，将数据组合发送到L2模型，L2根据实际参数计算实际套量并与目标套量进行比较，然后进行遗传算法自学习，从而优化对轧机冲击速度的补偿，达到稳定头部套量的目的。

3.3 头部套量梯度控制

为了解决活套头部起套过低造成套量偏差过大、调整过快，从而引起带钢头部失张的情况，在L1控制程序中先将活套的工作角度适当降低3～5°，然后以一定速率上升到工作角度，在接近工作角度过程中，逐渐减小活套套量调节器和张力调节器的增益，使活套比较平稳地逐渐趋向工作角度，维持了头部张力的恒定。

3.4 尾部活套防反翘控制

在尾部落小套过程中，活套的套量给定以一定的速率下降到落小套的工作角度［7］，但实际应用过程中，活套受带钢尾部一系列因素的影响，在张力闭环的情况下，会出现活套实际角度降低到一个比设定套量小的角度后又重新上升的现象。通过试验，采取的改进措施是实时比较套量设定值和实际值，以两者较小的作为套量设定， 这样落套时调节器偏差始终为落套方向，防止了尾部反翘。

3.5 套量调节器和张力调节器的匹配控制

活套控制稳定的最关键部分是套量和张力两个调节器的匹配工作，通过调节上游机组的速度来增加或减少本活套套量，通过伺服阀控制活套油缸来控制活套上升或下降以稳定活套张力。对于二者的匹配控制，主要从以下几个方面进行改进。(1) 降低厚度控制 GFB (Gauge Error Feed- Back，厚度反馈偏差控制) 、GMC ( Gaugemeter Control，厚度计控制) 的速率到 0.2～0.25 mm /s，减小厚度调节速度对机架间秒流量的影响。

(2）采用秒流量自动补偿技术［2］。将本机架当前时刻GFB及GMC动作量通过辊缝和厚度的转换系数转换成厚度的变化量X，同样求出上游机架GFB及GMC动作量相应的厚度变化量；然后将计算出的厚度变化量通过带钢的跟踪与带钢长度方向的位置进行一一对应，形成队列Yn;最后根据带钢跟踪位置，查找队列Yn，找出进入 本机架时对应带钢位置的Yn中的值 Y，通过 X与Y的差值来控制上游机架的速度，从而通过调节上游机架的速度来弥补AGC动作过程中造成的秒流量偏差［9］

(3）套量调节器和张力调节器解耦控制［3］。其一，通过设定张力与实际张力的偏差补偿上游机架的速度; 其二，通过判断套量在一定范围内活套在上升还是下降来优化张力调节器的增益; 其三，在活套张力和套量小于一定值时，通过开环增加伺服阀给定，使活套快速抬起以维持张 力，保证不失张。

(4) 低角度张力力矩限幅控制。由于活套角度越低，活套维持同样张力所需要的力矩就越小，然而活套本身在启动时又需要比较大的力矩，因此在低角度时若力矩给定太小，很难使活套辊快速跟踪套量的增大，这样就容易失张。为此在控制时，以活套工作角度5°以下位置所需的力矩作为力矩调节器的最小限幅，这样就形成了在低角度时活套力矩给定恒定、高角度时活套力 矩随角度变化的控制。

3. 6 活套空载力矩及重力标定问题

3.7 套量调节器的优化

原有套量控制计算机架间实际的带钢长度，然后与工作位置需要的机架间带钢长度比较后进行PI控制，调节上游机架速度。但实际使用时，活套实际工作角度一般在15～45°之间，这样对应的机架间带钢长度与设定的带钢长度的偏差为-1～3cm，这个偏差量作为调节器的控制输入，控制的范围比较窄。优化后，套量控制改为控制活套套量高度(活套辊上表面到标准轧制线的距离)，控制范围为－12 ～14 cm，这样控制 精确度更高，而且契合工艺人员的直观感受。

4 总结

综上所述，活套自身的控制和轧机的辊缝、速度以及生产其他工艺参数是一个耦合的关系，最终目的是保证带钢秒流量平衡以及张力、套量的稳定，从而达到稳定轧制的目的。当然，由于各个厂家设备的差异，因此轧制过程中表现出来的现象也千差万别，但最终主要是通过套量调节以及张力调节相互匹配，同时配合其他工艺参数、控制参数的调整，来找到适应设备特性而又利于稳定轧制的控制方法。