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摘要 介绍了太钢冷轧硅钢森吉米尔可逆轧机自动控制系统的组成与技术实现，并对其AGC等关键技术进行了分析。
关键词 冷轧硅钢森吉米尔可逆轧机；自动控制系统配置；AGC；SSC3000计算模型
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）11-0000-00
1 概述
ZR22B52森吉米尔可逆式冷轧机组是太钢1320 mm冷轧电机硅钢生产线的主要设备，96年投产以后技术性能及机电设备运转情况良好。随着硅钢生产能力扩大，原有轧机机组已不能满足生产需要，面对当前冷轧硅钢市场竞争更加激烈的严峻形势，太钢以开发高牌号冷轧硅钢为契机，增建新硅钢生产线，建设能力增加20万t/a，并增设高磁感产品，扩大产品牌号，产品厚度规格也由原有的0.5 mm扩展到0.35、0.5和0.65 mm，以更好的适应市场需求。
2006年新增的第二套ZR22B52森吉米尔可逆式冷轧机组仍由法国DMS公司承担，电气系统由法国Alstom公司设计。与1996年投产的系统相比，无论在电气传动系统、数学模型还是技术指标方面，都有了提高。
2 传动控制系统
森吉米尔可逆式冷轧机的主传动包括主轧机和左/右卷取机。考虑同步电机变化平稳、精度高，可以在低速时大扭矩工作，适用范围宽、效率高，且功率因数为1等特点，选择交流同步电机作为轧机和左/右卷取机的传动电机。机组最大速度800 m/min。
主轧机电机电压3.3 KV，功率4.7 KW，517/1470 rpm，左右卷取电机电压3.3 KV，功率2.8 KW，440/1700 rpm。控制主传动同步电机的中压驱动装置ALSPA VDM6000为水冷式PWM（脉冲宽度调制）电压源变频器，功率元件选用IGBT（绝缘门双极晶体管），采用公共直流母线供电形式，整流后的直流电压达5000V，给轧机和左右卷取机的逆变装置供电。用于整流和主轧机逆变控制的VDM6000容量为9 MVA，用于左右卷取逆变控制的VDM6000容量分别为4.7 MVA。
森吉米尔可逆式冷轧机的辅助传动系统包括开卷机、两台导向辊电机和矫直机，分别为660V和380V交流交流电机。开卷机选用两台MV3000控制装置完成整流和逆变，导向辊电机和矫直机共用一台ALSPAMV3000进行整流，选用3台ALSPAMV1000进行逆变和调速控制。传动控制系统单线图见图1。
控制交流同步电机的VDM6000是基于IGBT组件的中压驱动装置，具有低谐波、大功率因数、电网干扰小、低噪音电流正弦波输出、转矩波动<2%等优点，但整流元件IGBT采用线接组装形式，为减少IGBT故障采取了一系列改进措施，包括：限制IGBT元件过压值、保证IGBT最大工作电流必须保持在安全工作区、改进去离子水冷却装置热交换器等，并选择故障率低的IGBT制造厂家。
3 控制系统网络拓扑结构
Alstom公司设计的森吉米尔可逆式冷轧机控制系统的数据传输由三级以太网（L2、L1、L0）、CAN BUS以及N80总线组成，图2为控制系统网络拓扑结构。
该系统中：
1）L1和L2两级以太网实现基础自动化与过程计算机之间的信息交换，通信协议采用TCP/IP和UDP。
2）L0以太网用以连接ALSPA C80-HPCi基础自动化控制器和VDM6000主传动控制器，实现HPCi与主传动之间的高速数据通信。L0以太网基于Alstom的EGD协议，主要特点包括：100 M/S以太网、UDP通信协议、典型交换周期10 ms-20 ms等。利用L0以太网可以大大提高工作效率，保证各站点数据的实时性。
3）CAN-BUS是标准的工业实时总线，用于连接HPCi和交流辅助传动装置，传输速率为500 kb/s。
4）N80总线连接HPCi到远程I/O（包括操作台、现场操作箱、MCC、电磁阀等）。
L2模型服务器和L1的HMI服务器同时连接L1和L2以太网，L2模型服务器和HMI服务器均选用IBM服务器，采用C++和VB编程语言，微软SQL数据库。L1和L2操作站选用DELL PC机，组态软件为Intouch。
ALSPA L1的C80-HPCi是Alstom开发的高性能32位控制器，基于Windows 2000的Vx-WORKS实时操作系统，采用FBD（功能模块编辑）和SFC（顺序控制表）进行用户程序编辑。
轧机的压下量、厚度、板型检测都直接关系到带卷的控制精度，关键的检测装置配置有：压下位置传感器选用索尼磁尺，轧机两端的测厚仪选用IRM公司的连续非接触式X射线测厚仪；新增的板型仪和边部检测装置选用BFI公司产品。板型仪和测厚仪除自带HMI显示外，均以硬线形式与HPCi连接。
4 关键技术
4.1 AGC（自动厚度控制）
冷轧硅钢对于带卷的厚度控制要求严格，AGC是非常关键的控制环节。
AGC控制原理如图3所示。
AGC包括辊缝调节和张力调节。张力调节适用于轧制薄规格钢板（成品厚度≥0.3 mm）。厚度偏差小，采用张力方式，厚度偏差大时，两种方式同时使用。轧制薄板时，辊缝调节容易造成对带卷板型的影响，因此采用张力调节方式以保证板型的质量。
辊缝调节将压下装置作为主执行器，采用前馈/反馈控制。张力调节叠加在前馈/反馈控制回路中，利用上游张力作为执行器。
扰动系数通过轧制强度数学模型来确定，同时还计算卷取机电磁转矩与钢带张力之间的动态偏移。惯量补偿用于消除由于压下量被AGC改变所造成的上游张力的扰动。
4.1.1 前馈控制
辊缝调节考虑了钢带从测厚仪到机架的传输时间造成的厚度偏差以及压下机构的响应时间。根据相应的干扰系数和机座变形进行幅值计算，并对开卷扭矩基准进行校正。 张力模式将上游厚度偏差分别通过张力控制（微小偏差）和辊隙控制消除（较大偏差）来消除。
4.1.2 反馈控制
辊隙调节采用模型的最佳化控制。考虑了轧机的响应时间，机架与出口测厚仪之间的钢带传送时间和测厚仪（采用了Smith预报器）的响应时间。
4.1.3 秒流量控制
在轧制带尾和速度改变时秒流量控制起作用。由于机架和出口测厚仪之间有时间传递，所以秒流量控制比反馈更快。
为了保持零厚度偏差，当秒流量起作用时反馈控制仍在进行中。但它的动态性能将减少，反馈控制减去秒流量将得到瞬时厚度校正，以保持系统的稳定性。
4.2 单机架轧机设定计算模型SSC3000
Alstom开发的SSC3000是用于可逆冷轧机每一道次最佳设定的计算模型，能够快速方便地配置轧机数据并支持简单的模型功能调整。
根据轧机和电机的特性、已轧制产品的冶金性能及最适宜的轧制规程，SSC3000对每一道次进行最佳设定，包括：轧制力、卷取/开卷张力、入口和出口厚度、最大轧制速度等。
利用实际测量数据，SSC3000模型在每一道次完成后进行自适应修正，并调整后序道次设定值。每个带卷轧制结束时，还要对模型本身进行调整以补偿长时间的变化。
SSC3000软件包含有偏差管理功能，该功能能把不同厚度的出口带卷产品与一种入口带卷区分开来。模型还提供生产必须的指示，如：停车时的带卷重量、分卷、结束剪切、带卷撤离等。
SSC3000模型包括轧机的极限值（速度、轧制力、转矩）和生产极限值（中心点、温度）。
SSC3000的材料数据库可以不断充实，用户可以有较宽的选择范围，同时为用户提供了仿真设置计算，可以通过显示画面观察模型的数据流，便于用户进行新产品开发和产品质量分析。
5 结束语
新建的森吉米尔可逆式冷轧机年生产能力20万吨，恒速轧制时，带卷厚度T>0.6 mm，精度为±0.5%T，带卷厚度T≤0.6 mm，精度为±3 μm；加速/减速轧制时，带卷厚度T>0.6 mm，精度为±1%T，带卷厚度T≤0.6 mm，精度为±6 μm。控制系统能够满足工艺技术要求。
参考文献
[1]ALSTOM Power Conversion Technical Exchange China MV7000 June 2005.
关键词 冷轧硅钢森吉米尔可逆轧机；自动控制系统配置；AGC；SSC3000计算模型
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）11-0000-00
1 概述
ZR22B52森吉米尔可逆式冷轧机组是太钢1320 mm冷轧电机硅钢生产线的主要设备，96年投产以后技术性能及机电设备运转情况良好。随着硅钢生产能力扩大，原有轧机机组已不能满足生产需要，面对当前冷轧硅钢市场竞争更加激烈的严峻形势，太钢以开发高牌号冷轧硅钢为契机，增建新硅钢生产线，建设能力增加20万t/a，并增设高磁感产品，扩大产品牌号，产品厚度规格也由原有的0.5 mm扩展到0.35、0.5和0.65 mm，以更好的适应市场需求。
2006年新增的第二套ZR22B52森吉米尔可逆式冷轧机组仍由法国DMS公司承担，电气系统由法国Alstom公司设计。与1996年投产的系统相比，无论在电气传动系统、数学模型还是技术指标方面，都有了提高。
2 传动控制系统
森吉米尔可逆式冷轧机的主传动包括主轧机和左/右卷取机。考虑同步电机变化平稳、精度高，可以在低速时大扭矩工作，适用范围宽、效率高，且功率因数为1等特点，选择交流同步电机作为轧机和左/右卷取机的传动电机。机组最大速度800 m/min。
主轧机电机电压3.3 KV，功率4.7 KW，517/1470 rpm，左右卷取电机电压3.3 KV，功率2.8 KW，440/1700 rpm。控制主传动同步电机的中压驱动装置ALSPA VDM6000为水冷式PWM（脉冲宽度调制）电压源变频器，功率元件选用IGBT（绝缘门双极晶体管），采用公共直流母线供电形式，整流后的直流电压达5000V，给轧机和左右卷取机的逆变装置供电。用于整流和主轧机逆变控制的VDM6000容量为9 MVA，用于左右卷取逆变控制的VDM6000容量分别为4.7 MVA。
森吉米尔可逆式冷轧机的辅助传动系统包括开卷机、两台导向辊电机和矫直机，分别为660V和380V交流交流电机。开卷机选用两台MV3000控制装置完成整流和逆变，导向辊电机和矫直机共用一台ALSPAMV3000进行整流，选用3台ALSPAMV1000进行逆变和调速控制。传动控制系统单线图见图1。
控制交流同步电机的VDM6000是基于IGBT组件的中压驱动装置，具有低谐波、大功率因数、电网干扰小、低噪音电流正弦波输出、转矩波动<2%等优点，但整流元件IGBT采用线接组装形式，为减少IGBT故障采取了一系列改进措施，包括：限制IGBT元件过压值、保证IGBT最大工作电流必须保持在安全工作区、改进去离子水冷却装置热交换器等，并选择故障率低的IGBT制造厂家。
3 控制系统网络拓扑结构
Alstom公司设计的森吉米尔可逆式冷轧机控制系统的数据传输由三级以太网（L2、L1、L0）、CAN BUS以及N80总线组成，图2为控制系统网络拓扑结构。
该系统中：
1）L1和L2两级以太网实现基础自动化与过程计算机之间的信息交换，通信协议采用TCP/IP和UDP。
2）L0以太网用以连接ALSPA C80-HPCi基础自动化控制器和VDM6000主传动控制器，实现HPCi与主传动之间的高速数据通信。L0以太网基于Alstom的EGD协议，主要特点包括：100 M/S以太网、UDP通信协议、典型交换周期10 ms-20 ms等。利用L0以太网可以大大提高工作效率，保证各站点数据的实时性。
3）CAN-BUS是标准的工业实时总线，用于连接HPCi和交流辅助传动装置，传输速率为500 kb/s。
4）N80总线连接HPCi到远程I/O（包括操作台、现场操作箱、MCC、电磁阀等）。
L2模型服务器和L1的HMI服务器同时连接L1和L2以太网，L2模型服务器和HMI服务器均选用IBM服务器，采用C++和VB编程语言，微软SQL数据库。L1和L2操作站选用DELL PC机，组态软件为Intouch。
ALSPA L1的C80-HPCi是Alstom开发的高性能32位控制器，基于Windows 2000的Vx-WORKS实时操作系统，采用FBD（功能模块编辑）和SFC（顺序控制表）进行用户程序编辑。
轧机的压下量、厚度、板型检测都直接关系到带卷的控制精度，关键的检测装置配置有：压下位置传感器选用索尼磁尺，轧机两端的测厚仪选用IRM公司的连续非接触式X射线测厚仪；新增的板型仪和边部检测装置选用BFI公司产品。板型仪和测厚仪除自带HMI显示外，均以硬线形式与HPCi连接。
4 关键技术
4.1 AGC（自动厚度控制）
冷轧硅钢对于带卷的厚度控制要求严格，AGC是非常关键的控制环节。
AGC控制原理如图3所示。
AGC包括辊缝调节和张力调节。张力调节适用于轧制薄规格钢板（成品厚度≥0.3 mm）。厚度偏差小，采用张力方式，厚度偏差大时，两种方式同时使用。轧制薄板时，辊缝调节容易造成对带卷板型的影响，因此采用张力调节方式以保证板型的质量。
辊缝调节将压下装置作为主执行器，采用前馈/反馈控制。张力调节叠加在前馈/反馈控制回路中，利用上游张力作为执行器。
扰动系数通过轧制强度数学模型来确定，同时还计算卷取机电磁转矩与钢带张力之间的动态偏移。惯量补偿用于消除由于压下量被AGC改变所造成的上游张力的扰动。
4.1.1 前馈控制
辊缝调节考虑了钢带从测厚仪到机架的传输时间造成的厚度偏差以及压下机构的响应时间。根据相应的干扰系数和机座变形进行幅值计算，并对开卷扭矩基准进行校正。 张力模式将上游厚度偏差分别通过张力控制（微小偏差）和辊隙控制消除（较大偏差）来消除。
4.1.2 反馈控制
辊隙调节采用模型的最佳化控制。考虑了轧机的响应时间，机架与出口测厚仪之间的钢带传送时间和测厚仪（采用了Smith预报器）的响应时间。
4.1.3 秒流量控制
在轧制带尾和速度改变时秒流量控制起作用。由于机架和出口测厚仪之间有时间传递，所以秒流量控制比反馈更快。
为了保持零厚度偏差，当秒流量起作用时反馈控制仍在进行中。但它的动态性能将减少，反馈控制减去秒流量将得到瞬时厚度校正，以保持系统的稳定性。
4.2 单机架轧机设定计算模型SSC3000
Alstom开发的SSC3000是用于可逆冷轧机每一道次最佳设定的计算模型，能够快速方便地配置轧机数据并支持简单的模型功能调整。
根据轧机和电机的特性、已轧制产品的冶金性能及最适宜的轧制规程，SSC3000对每一道次进行最佳设定，包括：轧制力、卷取/开卷张力、入口和出口厚度、最大轧制速度等。
利用实际测量数据，SSC3000模型在每一道次完成后进行自适应修正，并调整后序道次设定值。每个带卷轧制结束时，还要对模型本身进行调整以补偿长时间的变化。
SSC3000软件包含有偏差管理功能，该功能能把不同厚度的出口带卷产品与一种入口带卷区分开来。模型还提供生产必须的指示，如：停车时的带卷重量、分卷、结束剪切、带卷撤离等。
SSC3000模型包括轧机的极限值（速度、轧制力、转矩）和生产极限值（中心点、温度）。
SSC3000的材料数据库可以不断充实，用户可以有较宽的选择范围，同时为用户提供了仿真设置计算，可以通过显示画面观察模型的数据流，便于用户进行新产品开发和产品质量分析。
5 结束语
新建的森吉米尔可逆式冷轧机年生产能力20万吨，恒速轧制时，带卷厚度T>0.6 mm，精度为±0.5%T，带卷厚度T≤0.6 mm，精度为±3 μm；加速/减速轧制时，带卷厚度T>0.6 mm，精度为±1%T，带卷厚度T≤0.6 mm，精度为±6 μm。控制系统能够满足工艺技术要求。
参考文献
[1]ALSTOM Power Conversion Technical Exchange China MV7000 June 2005.