一种适用于高速板带轧制过程厚度控制的板带材跟踪方法

摘要

本发明提出一种适用于高速板带轧制过程厚度控制的板带材跟踪方法，该方法：对高速板带轧制的测厚仪与机架之间的距离进行修正，得到修正后的总跟踪距离，将修正后的总跟踪距离划分为个定长的跟踪段，并计算修正后的跟踪段长度；计算经过测厚仪的板带材在一个跟踪段长度内厚度检测值的平均值，即跟踪段厚度值，将跟踪段厚度值作为跟踪对象；开辟用于存储各跟踪段厚度平均值的寄存器；根据跟踪段余数和修正后的板带材跟踪距离对寄存器进行移位操作；输出最低偏移地址位寄存器的数据，即为跟踪至下游机架辊缝处的板带材的厚度值。本发明补偿了每个跟踪段内由于跟踪余数及执行周期占用对跟踪精度的不良影响，大幅度提高板带材跟踪精度。

说明书

技术领域

本发明属于板带轧制自动控制技术领域，具体涉及一种适用于高速板带轧制过程厚度控制的板带材跟踪方法。

背景技术

在板带轧制过程中，一种最常用的厚度控制方法是通过机架前后的测厚仪对板带的实际厚度进行测量，并进而通过调节相应执行机构来对板带厚度进行前馈或反馈控制，由于轧机结构的限制，测厚仪的维护，以及为了防止断带损坏测厚仪，测厚仪一般安装在离直接产生厚度变化的辊缝较远的地方，如，1450mm冷连轧机的入口侧测厚仪要求安装位置离机架中心线约2.5m～3.5m左右，这种安装方式导致测厚仪检测出来的实际厚度值与影响厚度的辊缝实际值不是在同一时间内发生的，这就需要对板带材进行跟踪，以确认其由测厚仪测量处到达辊缝处的时刻或由辊缝处到达测厚仪测量处的时刻。板带材跟踪的准确性直接影响到产品的厚度控制效果。例如，前馈式AGC(Automatic Gage Control)是针对机架入口侧测厚仪检测到的尖峰性厚度偏差进行消除，如果板带材跟踪不准确，将直接导致影响厚度的辊缝作用点与相应的尖峰性厚度偏差测量点不匹配，反而造成原厚度偏差被放大；监控式AGC则是针对机架出口侧测厚仪检测到的趋势性厚度偏差进行消除，如果板带材跟踪不准确，将导致闭环反馈内模型计算的纯滞后时间失配，继而降低监控AGC的性能。

现代高速轧制生产线的板带材跟踪功能与厚度自动控制功能一样，大部分是通过高性能的可编程控制器实现，随着对轧制速度及产品精度的要求的提升，采用的控制器的性能也越来越高。以某1450mm冷连轧机组为例，其在轧制极薄厚度规格0.18mm的镀锡基板时，末机架出口带钢速度可达1200m/min以上，其厚度控制系统采用西门子公司的SIMATIC TDC(Technology and Drive Control)系列控制器，该控制器的最快执行周期可达1ms。然而，任何控制器的计算过程在时间并不是完全连续的，而是基于执行周期的离散计算，，这将导致控制器计算的带材跟踪距离难于“恰好”与跟踪长度一致。例如，当前经过测厚仪的带材速度保持为18m/s不变，控制器执行周期为1ms，跟踪长度为150mm，在经过了8个执行周期后，控制器计算的带材跟踪距离为144mm，并未达到跟踪长度，但再经过一个执行周期，带材跟踪距离为162mm，则超过了跟踪长度，此时控制器认为跟踪完成，但却产生了12mm的余数，随着带材跟踪距离的延长以及轧制速度的增大，该余数也将越来越大。此外，测厚仪作为传感器和相应的厚度控制执行机构均存在固有的响应时间，测厚仪一般在10ms～30ms之间，执行机构一般在30ms～100ms之间，该响应时间在低速轧制时对跟踪精度的影响不明显，但随着轧制速度的增大，其影响将越来越严重，例如，在轧制速度为1200m/min时，该响应时间至少能导致800mm的跟踪误差。截至到目前的板带材跟踪方法中，对上述因素干扰的考虑均不足，特别在高速轧制时，导致很多产品厚度偏差由于跟踪不准确造成的。这也是在很多冷连轧的厚度控制系统中，前馈式AGC只应用于轧机速度相对较低的第1或第2机架的原因。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种适用于高速板带轧制过程厚度控制的板带材跟踪方法。

一种适用于高速板带轧制过程厚度控制的板带材跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1：获取测厚仪的响应时间T_g和厚度控制系统执行机构的响应时间T_a，对高速板带轧制的测厚仪与机架之间的距离l_s进行修正，得到修正后的总跟踪距离l_s，cor，将修正后的总跟踪距离l_s，cor划分为n个定长的跟踪段，并计算修正后的跟踪段长度l_unt；

所述修正后的总跟踪距离l_s，cor的计算公式如下所示：

l_s，cor＝l_s-V_a(T_g＋T_a)；

其中，l_s为测厚仪测量点到下游机架中心线的距离，V_a为当前板带材的实际速度。

步骤2：计算经过测厚仪的板带材在一个跟踪段长度l_unt内厚度检测值的平均值，即跟踪段厚度值h_tra，将跟踪段厚度值h_tra作为跟踪对象；

步骤3：开辟用于存储各跟踪段厚度平均值的寄存器：根据跟踪段个数n在厚度控制器中开辟寄存器组数为n、长度为4×n byte的缓存区，所述缓存区内各寄存器依据其偏移地址减小方向与沿轧制方向的跟踪段一一对应；

步骤4：根据跟踪段余数和修正后的板带材跟踪距离对寄存器进行移位操作；

所述根据跟踪段余数和修正后的板带材跟踪距离对寄存器进行移位操作的具体过程如下所示：

根据当前板带材的实际速度V_a和上一段跟踪余数l_rem(i-1)计算板带材跟踪距离l_tra，cor(i)，当该板带材跟踪距离l_tra，cor(i)大于或等于修正后的跟踪段长度l_unt时，将当前每个寄存器内存储的厚度值依次在缓存区中由高偏移地址向相邻的低偏移地址移位一次，同时计算该段跟踪余数l_rem(i)，并将最新计算的跟踪段厚度值h_tra存入原存储数据已被移走的最高偏移地址位的寄存器，寄存器的移位操作结束后清零跟踪距离l_tra，cor(i)；

所述根据当前板带材的实际速度V_a计算板带材跟踪距离l_tra，cor(i)的计算公式如下所示：

其中，l_tra，cor(i)为跟踪段第i次移位时板带材跟踪距离，T_m为厚度控制器的执行周期，l_rem(i-1)为跟踪段i-1跟踪余数；

所述跟踪段i-1跟踪余数l_rem(i-1)的计算公式如下所示：

其中，l_tra，cor(i-1)为跟踪段第i-1次移位时板带材跟踪距离。

步骤5：输出最低偏移地址位寄存器的数据，即为跟踪至下游机架辊缝处的板带材的厚度值。

本发明的有益效果：

本发明提出一种适用于高速板带轧制过程厚度控制的板带材跟踪方法，本发明根据传感器及执行机构响应时间对跟踪距离进行修正，并补偿了每个跟踪段内由于跟踪余数及执行周期占用对跟踪精度的不良影响，大幅度提高板带材跟踪精度，有助于提高板带材产品的厚度精度；同时本发明不需要改造轧线设备及仪表配置，无需成本上的投入，在具有厚度控制功能的轧线上均能实现，可以广泛推广到板带材轧机中。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中适用于高速板带轧制过程厚度控制的板带材跟踪方法流程图；

图2为本发明具体实施方式中种跟踪段划分示意图；

图3为本发明具体实施方式中对厚度控制器的寄存器进行移位操作的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

本实施例中，某1450mm五机架冷连轧机组厚度自动控制系统采用Siemens公司的SIMATIC TDC(Technology and Drive Control)控制器，厚度控制器的执行周期T_m设置为1ms；5#机架前设置有测厚仪，为Thermo>g为10ms，其测量点与5#机架轧制中心线的距离l_s为3.15m；5#机架厚度控制以轧机主传动系统为执行机构，现场响应测试获得主传动系统的响应时间T_a为50ms；该轧机最大轧制速度为1350m/min；轧制钢种为MRT4，成品厚度为0.18mm，5#机架压下率设定为25％，出口带材速度设定为最大轧制速度1350m/min，在稳态恒速轧制时，经过5#机架前测厚仪的带材速度V_a为1011～1015m/min(平均速度为1013m/min，即16.88mm/ms)。

一种适用于高速板带轧制过程厚度控制的板带材跟踪方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：获取测厚仪的响应时间T_g和厚度控制系统执行机构的响应时间T_a，对高速板带轧制的测厚仪与机架之间的距离l_s进行修正，得到修正后的总跟踪距离l_s，cor，将修正后的总跟踪距离l_s，cor划分为n个定长的跟踪段，并计算修正后的跟踪段长度l_unt。本实施方式中，测厚仪检测带材厚度再将其转化为电信号发送至控制器需要一定的时间，该时间被成为测厚仪的响应时间，同样，厚度控制系统执行机构接收到控制器发送的控制命令再调整到位也需要一定的时间，该时间被称为执行机构的响应时间。一般来说，该响应时间均为定值，测厚仪的响应时间由厂家提供，执行机构的响应时间可通过响应测试等方法获得。在板带材跟踪过程中需对该响应时间进行补偿，以保证厚度控制位置的准确性。

目前大部分跟踪方法是将跟踪时间缩短以补偿该响应时间，这将无法适应轧制速度变化对跟踪时间带来的影响。因此，将该响应时间根据当前轧制速度转化为带材长度，并在总跟踪距离上减去该部分长度，以补偿响应时间的影响。

修正后的总跟踪距离l_s，cor的计算公式如式(1)所示：

l_s，cor＝l_s-V_a(T_g＋T_a)(1)

其中，l_s为测厚仪测量点到下游机架中心线的距离，单位为m，V_a为当前板带材的实际速度，单位为m/s。

本实施方式中，厚度控制系统执行机构可为机架传动系统或为液压辊缝控制系统。

当厚度控制系统执行机构为机架主传动系统时，本实施例中，为机架主传动系统，修正后的总跟踪距离如式(2)所示。

l_s，cor＝l_s-V_a(T_g＋T_a)＝3150-16.88×(10＋50)＝2137.2mm(2)

其中，T_a为机架主传动系统的响应时间，单位为s。

本实施方式中，在高速板带轧制过程中，如图2所示，测厚仪的安装位置距离轧机中心线的距离是固定不变的，但在该距离内产生的厚度实测信号个数却是根据实际轧制速度而变化的。以某1450mm冷连轧机组厚度控制系统为例，控制器接收测厚仪的厚度实测信号的周期为1ms，5^#机架前测厚仪的测量点与下游机架中心线之间距离为2.5m，当5^#机架入口轧制速度为1100m/min时，大约只需要跟踪136个厚度实测信号，但当5^#机架入口轧制速度下降至100m/min时，大约需要跟踪1497个厚度实测信号，这需要浪费控制器大量的存储空间。因此，此方法采用划分定长的带材跟踪段的方式，根据测厚仪与机架之间的距离将带材划分为n个定长的跟踪段，将跟踪段内的厚度实测值取平均值作为跟踪段的厚度值，跟踪段数n的取值过小，使跟踪段过长，取平均值后将影响厚度测量精度，n值也不宜过大，需保证跟踪段长度在任何轧制速度下均大于控制器一个执行周期内带材经过的长度。

本实施方式中，设置跟踪段数n＝16，即将总跟踪距离划分为16段。

修正后的跟踪段长度l_unt的公式如式(3)所示：

每段跟踪段的长度约133.6mm，因长度很短，厚度不会在此范围内发生大范围变化，取平均值后不会影响厚度测量精度；当带材速度为最大速度1015m/min时，经过每个跟踪段约需132ms，远大约控制器执行周期1ms，因此该跟踪段数n取值合理。

步骤2：计算经过测厚仪的板带材在一个跟踪段长度l_unt内厚度检测值的平均值，即跟踪段厚度值h_tra，将跟踪段厚度值h_tra作为跟踪对象。

本实施例中，修正后的跟踪段长度l_unt为133.6mm，当前板带材的实际速度V_a为16.88mm/ms，则测厚仪完成一个跟踪段长度的测量需要大约8ms，厚度控制器的执行周期T_m为1ms，则厚度控制器在一个跟踪段长度内反馈次数即采样的厚度值个数为8，具体采样值如表1所示。

表1一个跟踪段长度内的测厚仪厚度采样值

采样后计算得到一个跟踪段长度内的厚度平均值h_tra为0.242mm，如式(4)所示：

本实施方式中，h_act，1为测厚仪的第一个厚度检测值，h_act，2为测厚仪的第二个厚度检测值，h_act，j为一个跟踪段长度范围内测厚仪的最后一个厚度检测值，j为一个跟踪段长度内测厚仪的反馈次数，数值为0.242mm的h_tra为跟踪对象。

步骤3：开辟用于存储各跟踪段厚度平均值的寄存器：根据跟踪段个数n在厚度控制器中开辟寄存器组数为n、长度为4×n byte的缓存区，所述缓存区内各寄存器依据其偏移地址减小方向与沿轧制方向的跟踪段一一对应。

本实施方式中，在厚度控制器中开辟缓存区作为寄存器适用，缓存区需存储16组浮点数，分别对应寄存器1～16，缓存区字节长度为4×16＝64byte。最高偏移地址位即寄存器1存储位于跟踪段1的厚度值，依次类推，最低偏移地址的寄存器n存储位于跟踪段n的厚度值。

步骤4：根据跟踪段余数和修正后的板带材跟踪距离对寄存器进行移位操作。

本实施方式中，根据跟踪段余数和修正后的板带材跟踪距离对寄存器进行移位操作的具体过程，如图3所示。

根据当前板带材的实际速度V_a和上一段跟踪余数l_rem(i-1)计算板带材跟踪距离l_tra，cor(i)，当该板带材跟踪距离l_tra，cor(i)大于或等于修正后的跟踪段长度l_unt时，将当前每个寄存器内存储的厚度值依次在缓存区中由高偏移地址向相邻的低偏移地址移位一次，同时计算该段跟踪余数l_rem(i)，并将最新计算的跟踪段厚度值h_tra存入原存储数据已被移走的最高偏移地址位的寄存器，寄存器的移位操作结束后清零跟踪距离l_tra，cor(i)。

所述根据当前板带材的实际速度V_a计算板带材跟踪距离l_tra，cor(i)的计算公式如式(5)所示：

其中，l_tra，cor(i)为跟踪段第i次移位时板带材跟踪距离，T_m为厚度控制器的执行周期，l_rem(i-1)为跟踪段i-1跟踪余数。

所述跟踪段i-1跟踪余数l_rem(i-1)的计算公式如式(6)所示：

其中，l_tra，cor(i-1)为跟踪段第i-1次移位时板带材跟踪距离。

数值为0.242mm的厚度值，经过16次移位，第1次移位为存入最高偏移地址位的寄存器1，第2～15次移位操作为其向临近的低偏移地址位存入一次，最后一次跟踪操作为将其存入最低偏移地址位(0～4byte)寄存器16。

第1次移位的带材跟踪距离计算值l_tra，cor(1)如式(7)所示：

第1次移位后的跟踪余数l_rem(1)如式(8)所示：

此时l_tra，cor(1)＞l_unt，控制器进行第1次移位操作，即将厚度值0.242mm存入寄存器1，同时清零l_tra，cor(1)。该跟踪过程经过7个执行周期，加上执行移位操作占用的1个执行周期，跟踪时间为8ms。

第2次移位的带材跟踪距离计算值l_tra，cor(2)如式(9)所示：

第2次移位后的跟踪余数l_rem(2)如式(10)所示：

此时l_tra，cor(2)＞l_unt，控制器进行第2次移位操作，即将厚度值0.242mm由寄存器1读取并存入寄存器2，原寄存器1内数值由最新计算的跟踪段厚度平均值替代，同时清零l_tra，cor(2)。该跟踪过程经过7个执行周期，加上执行移位操作占用的1个执行周期，跟踪时间为8ms。

第3次移位的带材跟踪距离计算值l_tra，cor(3)如式(11)所示：

第3次移位后的跟踪余数l_rem(3)如式(12)所示：

此时l_tra，cor(3)＞l_unt，控制器进行第3次移位操作，即将厚度值0.242mm由寄存器2读取并存入寄存器3，原寄存器2内数值由上游跟踪段厚度值替代，同时清零l_tra，cor(3)。该跟踪过程经过7个执行周期，加上执行移位操作占用的1个执行周期，跟踪时间为8ms。

第4～15次移位：

板带材跟踪距离计算值和跟踪余数的计算方式及跟踪操作方式与前3次移位相同，不再赘述，过程数据具体如表2所示。

表2第4～15次跟踪操作过程数据

第16次移位的带材跟踪距离计算值l_tra，cor(16)如式(13)所示：

第16次移位后的跟踪余数l_rem(16)如式(14)所示：

此时l_tra，cor(16)＞l_unt，控制器进行第16次移位操作，将厚度值0.242mm存入寄存器16，同时清零l_tra，cor(16)，l_rem(16)作为跟踪余数参与上游跟踪段厚度值的第16次移位计算。该跟踪过程经过7个执行周期，加上执行移位操作占用的1个执行周期，跟踪时间为8ms。

步骤5：输出最低偏移地址位寄存器的数据，即为跟踪至下游机架辊缝处的板带材的厚度值。

本实施方式中，将由寄存器16读取的厚度值0.242mm输出。

该厚度值0.242mm的跟踪时间共为127ms，带材速度为16.88mm/ms，则板带材跟踪距离应为2143.76mm，减去第16次跟踪的跟踪余数6.88mm，加上补偿距离1012.8mm，则为3149.68mm。与测量点与5^#机架轧制中心线的距离l_s＝3150mm之间的偏差小于0.5mm。