1、收稿日期：2012-03-06作者简介：董占奎（1969-） ，男，河北乐亭人，工程师，主要从事热轧工艺和轧制过程自动控制方面的工作。首钢京唐 1580 热连轧定宽压力机二级系统设计及应用董占奎 1，田 华 2，宋向荣 2（1.首钢京唐钢铁联合有限责任公司 热轧部，河北 唐山 063210；2.北京金自天正智能控制股份有限公司）摘要：首钢京唐 1580 热连轧定宽压力机自动化工程项目的二级控制系统是国内第 1 套自主集成具有自主知识产权的定宽压力机过程控制系统。系统主要功能包括：轧件跟踪、模型设定计算、模型自学习、数据采集、数据通信等。目前系统运行状况非常稳定，实测宽度达到工艺考核指标，完全满
2、足现场生产的要求。关键词：热连轧；定宽压力机；轧件跟踪；模型设定计算；模型自学习文献标志码：B 文章编号：1000-7059（2012）0 -00 0Design and application for L2 system of slab sizing pressin Shougang Jingtang 1580mm Hot Strip MillDONG Zhan-kui1，TIAN Hua 2，SONG Xiang-rong 2(1. Hot Metal Dept.,Shougang Jingtang United Iron and Steel Company, Tangshan 06321
3、0 China;2.Beijing Aritime Intelligent Control Co., Ltd.)Abstract: Based on the automation project of Shougang Jingtang 1580mm hot strip mill, the level 2（L2） software of slab sizing press (SSP) has been designed and developed, which is constructed independently by domestic companies. The main functi
4、ons of the system include plate tracking, model setup calculating, model self-learning, data acquisition and data communication, etc. At present, the operation of the system is very stable, and measured width is of the process evaluation index, which fully meet the requirements of the production.Key
5、 words: hot strip mill; slab sizing press; plate tracking; model setup calculating; model self-learning0 引言近几年我国冶金重型装备制造技术和板材生产技术有了很大进步，为减少板坯的宽度种类，提高连铸与轧钢的一体化水平 1-2，定宽压力机（Slab Sizing Press，以下简称SSP ）设备在热轧生产线上已经得到广泛应用。目前国内已经投入使用的SSP及其自动控制系统主要是从国外引进的 3-5。2京唐1580热连轧SSP 自动化项目，由北京金自天正智能控制股份有限公司自主开发，设计出具有自
6、主知识产权的热连轧SSP二级系统，系统功能主要包括：物料跟踪、模型设定、模型自学习、数据采集、数据通信等。2011年7月SSP二级系统已经投入使用，系统运行状况非常稳定，宽度控制良好，完全满足现场生产要求。1 工艺流程配备 SSP 的热轧生产线上的调宽设备主要有 SSP 和立辊轧机，SSP 在锻压状态下以中间坯目标宽度为目标对板坯全长进行大的侧压，最大减宽量为 350mm6；立辊轧机通常与平辊轧机配合使用，主要作用是微量调宽，经过几个道次的轧制，控制后续粗轧平辊轧机轧制后带来的自然宽展，其减宽量一般不大于 100mm。SSP 和立辊轧机分工明确，通过合理控制保证宽度指标。SSP 位于除鳞箱和粗
7、轧机之间。板坯出加热炉后经过除鳞箱，去除表面氧化铁皮，由SSP 前的侧导板完成水平对中；再由辊道和入口夹送辊将板坯送至挤压室预设定位置，通过两个对称的锤头进行宽度方向的第 1 次侧压，之后锤头打开，板坯通过导向辊的作用向前步进某一长度，锤头第 2 次侧压，之后锤头再打开，板坯再向前步进，按照预设定规程侧压N 道次后，由出口夹送辊将板坯传递到 SSP 出口辊道，进行后续工序的加工。2 系统组成SSP 自动控制系统主要是指基础自动化级（L1）与过程自动化级（L2），系统配置的总体原则：先进、可靠、开放、经济、合理。L2 系统采用 Server/Client 结构，由 1 台高性能 PC 服务器和
8、1 台高性能 PC 客户端组成，均采用当前主流配置。其中 PC 服务器置于过程机房，用于运行数据库和应用程序； PC 客户端置于粗轧操作室，用于显示 SSP 设定规程画面和进行相应操作。SSP 的 L2 系统通信主要是指 PC 服务器与 L1 和人机界面（HMI）及仪表的通信。与L1 的通信功能主要是 L1 给 L2 上传生产过程的实测数据，L2 根据 L1 上传的数据做出判断，从而给 L1 下发 SSP 设定规程。与 HMI 的通信功能主要是将 SSP 的规程发送到画面以及接收人工干预数据。与仪表的通信包括与高温计和 SSP 前测宽仪的通信，在设置高温计时，每个站位采用两个高温计，同时获取板
9、坯温度实际值，两组数值通过 L1 上传给 L2 系统，一用一备；与测宽仪之间有两种通信方式，一是 L2 系统与测宽仪直接通信，以该通信方式为主，二是测宽仪数据通过 L1 上传给 L2 系统，L2 系统根据时间和上传次数求平均值，这种通信方式留作备用，这种一用一备的通信方式，可以避免某一通信方式中断时，数据不能及时传递的问题。L2 系统采用 Windows 2003 Server 操作系统，依托金自天正具有自主知识产权的过程控3制开发平台 HDP，利用 Oracle 10g 数据库系统管理数据，采用 Visual Studio 2008 开发工具和 VC+语言实现 SSP 的 L2 控制系统功能
10、。3 系统功能L2 系统主要对 SSP 区域进行工艺参数设定计算，实现生产过程的优化控制：通过轧件跟踪触发模型设定计算，进行数据采集、HMI 干预和数据通信等（见图 1 ） 。其中，轧件跟踪是实现模型设定计算的基础，而模型设定计算是其核心功能。SSP 模型设定计算主要包括SSP 锤头开口度设定、 SSP 入口和出口夹送辊的位置设定等关键参数的计算。图 1 SSP 的 L2 系统控制功能图Fig.1 System control function graph for SSP L2图 2 中，PDI 修改是指板坯原始数据信息修改。3.1 轧件跟踪通过轧件跟踪，一方面为操作员显示正确的生产信息，包括
11、轧件位置、状态和相关的工艺参数以及轧线工况；另一方面依据轧件跟踪信息触发相应的程序：操作数据库、调用模型计算、产生控制信息等。SSP 的区域跟踪是通过 L1 上传的 SSP 入口和出口热金属检测器信号的检得和检失以及夹送辊的实测压力来判断跟踪区域是否有钢，并在共享内存中创建跟踪数组以存储这些变量，然后将数值转换后发送到 HMI 画面上显示。3.2 模型设定计算如图 2 所示，L2 系统在 4 个时刻自动触发模型设定计算（见表 1 第 14 行），在粗轧第 1 道次出口测得宽度实测值后，延时进行模型自学习计算（见表 1 第 5 行）。4表 1 L2 模型设定触发时机表Table 1 Trigge
12、r time of SSP L2 model setup次数 触发时机 触发的功能 数据来源 HMI 与 L1 通信1 板坯入炉SSP 一次预设定PDI显示 否2 板坯即将出炉SSP 二次预设定PDI、化学成分显示 否3 板坯出炉SSP 三次预设定PDI、高温计实测值显示根据跟踪区域是否有钢判断4 SSP 入口SSP 四次预设定PDI、高温计实测值、SSP 入口测宽仪实测值显示 发送设定数据5粗轧第 1 道次出口SSP 自学习粗轧第 1 道次测宽仪实测值无 无表 1 中 SSP 一次和二次预设定完成数据有效性检查，设定结果不下发一级系统；三次预设定由于采集到温度的实测值，因此其设定较一次和二次
13、设定更准确，如果 SSP 区域有钢，则该次设定不下发，否则，下发该次设定到一级系统；四次预设定则是在采集到温度和宽度的实测值后进行，该次设定与前三次设定相比更加准确，其设定结果下发一级系统。在通过 SSP 模型进行设定计算时，首先确定减宽量，计算轧制力；其次判断轧制力是否在限定范围内，若轧制力超限，则给出新的板坯步进长度，再重新迭代计算，直到给出合理的 SSP 锤头开口度；然后计算入口和出口夹送辊的位置设定；最后当板坯经过 SSP，并且由粗轧第 1 道次出口的测宽仪测得实际宽度后，SSP 设定模型进行自学习。SSP 模型设定计算流程如图 2 所示。 5S S P 空过轧制力超限S S P 开口
14、度设定计算轧制力计算结束夹送辊入口和出口位置设定计算开始给定新的步进长度数据准备 ：1 ） P D I2 ） 实测值3 ） 模型自学习参数减宽量计算NNYY图 2 SSP 模型设定计算流程图Fig.2 Calculating flow chart of SSP model setup3.2.1 轧制力模型在计算轧制力时，需要先计算 SSP 的减宽量，然后再根据减宽量大小计算 SSP 一次击打板坯的偏移量，最后再代入轧制力模型计算出轧制力。（1）计算减宽量假设板坯为弹塑性体、SSP 为刚体，考虑侧压后的狗骨回复量和过压量，根据 SSP 入口宽度 和出口目标宽度 ，可以确定 SSP 的减宽量 ，即
15、ENWEXSPW（1）SPNDPOERMW式中， 为中间目标宽度，mm； 为 SSP 引起的狗骨回复量，mm； 为 SSP 过RMX OEW压量，mm。（2）计算一次击打板坯的偏移量一次击打板坯的偏移量（2）SP1 SP212SP212tan tan(tan)tWWLLL 式中， 为 SSP 锤头角度 1，； 为 SSP 锤头角度 2，； 为 SSP 锤头尺寸，1 SP2mm。SSP 锤头尺寸如图 3 所示。6SSP 一次击打板坯步进量，mm。DL图 3 SSP 锤头尺寸示意图Fig.3 Diagram of dimension for SSP hammers（3）计算轧制力轧制力模型基本方程
16、如下：（3）SPmpDPS()kQLEH式中， 为平均变形抗力，MPa； 为轧制力模型系数； 为修正系数； 为板坯厚度，pQPESHmm。3.2.2 SSP 开口度模型根据 SSP 轧制力 和出口目标宽度 ， 可以确定 SSP 开口度 ，即SPEXWSPG（4）SPEXEX()GW式中， , , 为 SSP 设备常数，由工艺设备参数确定。3.2.3 夹送辊位置模型根据板坯的原始数据信息 PDI 和板坯温度进行计算，得出板坯的热值，在某一偏移量的基础上可确定入口夹送辊的高度。而出口夹送辊的高度，需要考虑板坯经过侧压后产生的狗骨峰值，在峰值基础上偏移一定高度，进行夹送辊位置设定。（1） 入口上夹送
17、辊高度（5）sENPU(,)HTf式中， 为入口上夹送辊高度，mm； 为与板坯厚度 和板坯温度 相关的函数。s(,)HTf sHsT（2） 入口下夹送辊高度入口下夹送辊高度与运输辊道高度相同。（3） 出口上夹送辊高度（6）EXPUsuH7式中， 为出口上夹送辊高度，mm； 为向上偏移量， mm。EXPUHu（4） 出口下夹送辊高度（7）psEXPDd2式中， 为出口下夹送辊位置，mm； 为经过 SSP 侧压定宽后的板坯最高厚度，pHmm； 为向下偏移量，mm。d3.2.4 模型自学习利用粗轧第 1 道次从测宽仪得来的实际值和计算值之差作为下一块板坯 SSP 开口度设定的补偿量，利用指数平滑法对
18、 SSP 开口度模型的补偿量进行更新。（1） 当前自学习值计算（8）CURM_1ACTR_1AC=WZ式中， 为 SSP 开口度模型自学习补偿量； 为粗轧第 1 道次出口测宽仪实测值；RM_1ACTW为粗轧第 1 道次出口宽度计算值。R_1AC（2） 平滑更新利用指数平滑法更新自学习补偿量，判断新的自学习补偿量是否满足边界条件。（9）OLD1CUROLDCURLNEW()ZZZ否 则式中， 为新的自学习补偿量； 分别为自学习补偿量的上、下限； 为旧的LD和 OLDZ自学习补偿量； 为平滑系数。对于新的钢种和规格，模型经过 35 次自学习参数调整，即1可使宽度达到目标值允许公差范围要求。模型自学
19、习计算流程如图 4 所示。开始当前自学习补偿量超限计算补偿量平滑更新返回YN8图 4 SSP 模型自学习计算流程图Fig.4 Calculating flow chart of SSP adaptation model setup4 应用效果2011 年 7 月 2 日进行了第 1 块板坯的定宽热试，减宽量为 60mm，成品宽度达标。之后分别对减宽量 100，150，200，250，320 mm 的 SSP 设定计算功能进行了调试，并于 7 月29 日完成了减宽极限 350mm 的设备能力测试，检验了系统在极限情况下设定规程的合理性。图 5 为投入 SSP 后随机抽取的实测宽度趋势图。（a）S
20、PA-H 钢种，侧压量 140mm（b）SPHC 钢种，侧压量 200mm图 5 投入 SSP 后的宽度统计数据图Fig.5 Diagram of width statistic data after using SSP 从图 5 可以看出，SPA-H 和 SPHC 这两个钢种，SSP 侧压量分别为 140mm 和 200mm 的情况下，带钢全长实测宽度的趋势平稳，板坯宽度控制效果良好，完全满足现场生产要求。参考文献： 1刘统珂，赵立伟. 板坯定宽压力机的技术发展与进步J.一重技术，2011,143(5)：29-31.2Hideyuki Nikaidu. Development of slab
21、 sizing press for heavy width reduction in hot strip millsJ.Iron Steel Engineer,1990(9)：21-26.3焦四海，周 旭，刘相华，等.调宽压力机调宽过程中的弹塑性有限元分析J.钢铁，1999 (10)：21-23.4孙本荣，率 民，杨新法，等 . 热宽带钢连轧机调宽轧制工艺参数研究J.钢铁，1995，30(10)：37-41.5季 明.2050 热轧增加板坯侧压能力可行性研究D.上海：上海交通大学，2011.96鱼晓峰，李亚峰，王 维，等.首钢京唐 1580 热轧定宽机控制系统J.中国科技博览，2010（32）：309.
