高速线材生产线微张力控制和自适应控制系统分析

高速线材生产线微张力控制和自适应控制系统分析

刘成恩，曾桂蔚，潘绵峰

宝武集团广东韶关钢铁有限公司，广东韶关 512123

摘要：本文先介绍了在当前钢铁行业发展过程中，优化生产线控制系统的意义，然后以某高速线材生产线的优化升级事件为例，介绍了生产线控制系统的优化方法，以期通过在当前钢铁行业发展过程中，合理应用上述控制系统的方式，降低产品生产成本，提高产品生产效益，推动钢铁制造行业朝着现代化的方向发展。

关键词：高速线材生产线；微张力控制；自适应控制

引言：高速线材是当前钢铁产品生产过程中较为重要的一种钢铁产品，被广泛应用于紧固件钢、汽车弹簧用钢等产品的生产制造工作中，现阶段，为了更好地满足社会对高速线材的需要，在明确企业产品生产情况的基础上，产品生产企业可以通过优化高速线材生产线微张力与自适应控制系统的方式，提升产品质量，满足市场需要。

一、优化生产线控制系统的意义

在社会经济飞速发展的背景下，人们对钢铁产品的质量与产量需求逐年提升，如图1所示，近年来我国钢材产量整体呈上升趋势。为了更好地满足市场经济的需要，当前大部分钢铁企业在运营管理过程中，通过不断对自身的产品生产工艺、生产流程进行优化创新以及购进先进生产设备等方式，尽可能地提升产品的产量与质量。但需要注意的是，钢铁行业作为传统大型制造业，在长时间的发展过程中，世界范围内的钢铁企业数量相对较多，这一情况的出现使得市场出现了钢铁产品产能过剩、同质化竞争较为严重等问题，这些问题的存在，在一定程度上阻碍了钢铁企业的健康可持续发展。在此过程中，为了实现市场供求关系的有效转化，提升钢铁企业的市场竞争力，钢铁企业方面需要应用新的设备、技术工艺与生产模式，在优化产品质量的同时，降低产品的生产成本，从而实现企业与消费者之间的双赢。相较于其他方式，尽管购进先进生产设备能够实现企业产品的有效创新优化，但这种方式成本相对较高，在钢铁产品生产企业竞争越发激烈的当下，新设备的购进会增加产品生产成本，在降低产品收益率的同时，会在一定程度上会减少企业内部可流动的资金总量，进而给企业后续运营发展造成一定的阻碍。现阶段，为了在降低产品生产成本的基础上，提升产品的质量与产量，钢铁企业方面可以通过对产品生产线系统进行优化升级的方式，提高产品的生产效率，进一步提升产品生产的经济效益[1]。

图 1 2017年到2021年我国钢材产量

二、优化生产线控制系统的方法

现阶段，我国拥有几十条高速线材的轧钢生产线，这些生产线都具备生产工业线材的能力，但现阶段，国内部分高速线材轧钢生产线生产的线材质量稳定性落后于新日铁、浦项等钢厂的产品质量生产稳定性，这一情况的出现使得当前国内大量下游线材使用企业为了提升产品的质量，产品生产原料大多选用进口线材，这不仅导致下游线材使用企业生产成本大幅度提升，还阻碍了国内高速线材轧钢企业的可持续发展。现阶段，对高速线材轧钢企业的产品生产情况进行调查分析后可以发现，生产线控制系统稳定性不足是导致线材产品质量不够稳定的主要原因之一。为切实解决上述问题，对生产线控制系统进行优化，成为了一项极为必要的工作。

（一）项目概况

1、系统设备改造

宝武集团广东韶关钢铁有限公司高二线轧钢生产过程中为了进一步提升高速线材的生产质量与效率，项目从系统设备改造、传动系统改造、网络系统改造、人机操作接口（HMI）系统开发与L1系统软件更新、轧线控制系统升级改造、智能化微张力控制、高精度轧件头尾跟踪及故障检测、轧机动态速降补偿及自学习控制、高精度数据采集辅助诊断系统等多方面全方位改造升级。

目前高二线PLC控制系统为10年前的GE产品，系统性能（如PLC运算速度、程序处理能力、通信速率等）较为落后，无法满足产线集控需求，需进行适应性改造。将高二线PLC硬件部分更新为目前最新的、性能更高的PLC控制系统，同步对远程I/O和操作台/箱IO进行升级改造，操作台/箱/柜更新，为一键轧钢创造条件，为远程集控打下基础。与此同时，集卷站、PF线、液压以及润滑系统、自动化系统都进行了配套的优化升级，此外，为了降低设备优化成本，高二线设备主电机及传动系统利旧。在进行系统优化的过程中为了满足智能轧钢的要求，将要对每架轧机的空载特性，以及轧机的转动惯量进行测试。传动的工作特性包括静态特性和动态特性，通过调试软件在轧钢和不轧钢两种状态下，观察传动的速度和电流曲线，根据该曲线调整传动装置的电流调节器和速度调节器的相关参数，必要时加入预控调节功能，使之满足智能轧钢控制的需要。其PLC控制系统更新为西门子品牌，实现网络连通的同时，配置等量光纤链路模块，保证通讯网络的稳定性。

2、轧线控制系统升级改造

自动轧钢技术是指在更换产品规格、换辊换槽等条件下，自动控制系统在大数据和数学模型的支持下，利用微张力精确调节、活套精确调节等轧钢控制技术，快速自动匹配各轧机的速度和秒流量，操作人员只需进行紧急停车等应急响应，无需进行任何实时的轧钢参数的调节操作，把主操从繁杂的转数调节中解脱出来，也消除了产线对主操人员的依赖性，提高了产线的稳定性。

核心技术包括：精确的轧件位置跟踪、微张力控制模型、活套控制技术、轧钢过程状态判断和纠错技术等。

3、 智能化微张力控制

棒线材轧机上的微张力控制是通过检测和调整相邻机架间的速度关系从而实现微张力轧制的一种手段，适合于轧件截面较大的场合。

系统设有微张力调节器。其作用是根据下一机架咬钢前后所检测的张力大小偏差产生速度修正信号，调整机架速度以维持张力值不变。从而实现其前后机架间的负荷平衡保证产品质量。系统通过检测电机转矩的大小，间接求出机架间的张力，通过PLC中的微张力调节器进行调节。

（二）改造过程中出现的问题及其解决方法

在本次生产线系统优化改造的过程中，存在着较多的问题，需要工作人员一一对其进行优化调整。具体来说，首先，利用旧传动系统时，设备存在着动态速降过大的问题，为解决这一问题，需要将传动设备的内部降速补偿从原有的速度环改为直接补偿力矩，从而使设备的降速能够满足工作需要；其次，钢坯温度、环境温度都会对微张力控制工作产生一定的影响，初始为提升微张力控制的质量，在工作过程中先让轧线停机10min，然后令程序自动关断微张力调节器，然后开始轧制工作，并且在轧制的高速线材数量达到10根后，重新投入微张力调节器，现阶段，通过优化编制温降补偿程序，降低钢温不均对速度调节及环境对微张力的影响，微张力控制可随时投入。最后，在活套自适应控制时，可能会出现拉钢轧制的现象，此时可以通过微系统增加自适应控制自动存储功能的方式，解决问题。

（三）应用效果

1.微张力控制

在刚完成改造工作时，系统的高线微张力与自适应控制系统无法正常工作，导致问题出现的原因包括传动装置的动态降速过大、传动系统性能不够强、轧机速度不够平稳、加热炉胚料头尾与中部的温差过大、微张力部分参数设计不够合理等。为保证系统能够正常工作，在明确导致系统无法正常工作的原因后，通过对问题进行针对性处理的方式，实现了系统微张力与自控制能力的有效强化，保证系统在后续应用过程中，能够通过自动调节的方式，提升自身工作的稳定性与可靠性。并且相较于传统的生产线控制系统，优化后的控制系统有着在微张力不投入时，张力判断难度低的优点，降低了操作人员手动操作的难度，提升了现场指挥调度的效率。在微张力控制体系得到优化后，系统控制轧线的速度波动明显变小，轧机间的堆拉钢关系也得到了改善，降低了严重拉轧钢现象出现的可能性，进一步提升了高速线材的质量稳定性。

2.粗中轧张力控制

对于高速线材生产活动来说，生产线粗中轧微张力控制的合理性与预精轧钢区域活套调节质量之间存在着直接的联系，在微张力控制功能正常后，轧钢设备的活套控制效果将会得到有效的优化，不仅解决了起落套大落问题，提升了活套高度的平稳性，降低了工作误差，还使得预精轧钢区域能够处于无张力的轧制状态，为高速线材生产活动的顺利推进提供助力。

结论

相较于改造前的生产线控制系统，改造后的控制系统以S7系列可编程控制器为核心，以二类通信网络搭建系统的整体架构，赋予了生产线系统并行运算、集中管理、分散控制、资源共享等功能，在系统的实际应用过程中，高速线材生产线的产品生产速率、微张力控制、活套控制等方面能力都有所提升，为该企业产品生产经济效益的增长打下了坚实的基础。

参考文献：

[1]武秀琪.基于大数据的高速线材生产线在线质量分析平台的开发与应用[J].信息系统工程,2020(08):52-53.

[2]郑东棋.三钢高速线材生产线微张力控制和自适应控制系统综述[J].福建冶金,2020,49(03):35-37+20.