專利名稱：一種熱鍍鋅線鍍層厚度自動控制系統的制作方法
CN 102912275 A書明說1/5頁一種熱鍍鋅線鍍層厚度自動控制系統技術領域
本發明屬鋼鐵生產設備技術領域，適用于熱鍍鋅生產線的鍍層厚度控制。
背景技術：
熱鍍鋅板因其良好的耐腐蝕性被廣泛應用于建筑、家電、汽車等行業。近些年來， 隨著熱鍍鋅板市場競爭日益激烈，用戶對熱鍍鋅板質量的要求越來越高。鍍層厚度及其勻性是評價鍍鋅板質量的一項重要指標，鍍層太薄影響產品的抗腐蝕性，鍍層太厚影響產品的點焊性和附著性同時造成鋅原料的浪費。目前，國內多數熱鍍鋅生產線對鍍層厚度的控制依然采用傳統的控制方法，即由操作人員依據經驗對設定值進行手工調整。手工調整不可避免地會引起過薄或超厚，最終導致鍍鋅產品質量下降和鋅原料的浪費。因此開發高性能的鋅層厚度自動控制系統對于提高產品質量和節約原料消耗具有重要意義。
目前，世界各主要熱鍍鋅工藝廠家在總結生產經驗基礎上，已形成了一套自己的控制系統。不同廠家熱鍍鋅鍍層控制系統采用的硬件設備基本相同，執行機構采用氣刀，檢測設備采用冷態測厚儀，但在控制策略和控制模型上互不相同，這也決定了系統的控制效果O
“熱鍍鋅線鋅層厚度的閉環控制簡介”(劉海龍，四川冶金，2006 28(6))，介紹了 VAI CLACIM公司的鍍層厚度控制系統，系統包括設定值模型、前饋閉環控制回路和反饋閉環控制回路。設定值模型采用模糊控制算法建立，描述鍍層厚度與氣刀壓力、氣刀間距、運行速度之間的關系，設定值模型計算氣刀壓力、氣刀間距初始設定值。前饋控制消除速度波動帶來的擾動，速度變化時維持鍍層厚度不變，通過調節氣刀壓力來消除速度變化引起的鍍層厚度波動。通過鍍層厚度與速度、氣刀壓力、氣刀間距之間的近似線性關系，間接計算出氣刀壓力附加設定值。反饋閉環控制回路采用氣刀壓力、間距聯合調節控制方式，采用氣刀壓力優先調節方式，當壓力調節達到限幅時保持壓力設定值不變進行間距調節。根據鍍層厚度實際值，通過鍍層厚度與速度、氣刀壓力、氣刀間距之間的近似線性關系，計算氣刀壓力和間距的附加設定值。控制策略，首先根據設定值模型計算出氣刀壓力、氣刀間距的初始設定值；前饋控制消除速度波動引起的厚度偏差，根據速度變化計算氣刀壓力的附加設定值；反饋控制以單側表面平均鍍層厚度和兩側表面鍍層厚度偏差為控制目標，通過壓力調節消除平均鍍層厚度偏差，通過氣刀噴嘴開口度調節消除兩側鍍層厚度偏差。此系統能夠對鍍層厚度實現閉環自動控制，但是前饋和反饋閉環控制回路中對控制器增益進行了線性化處理，認為鍍層厚度與氣刀間距、氣刀壓力、運行速度之間是線性關系，而氣刀壓力、間距與鍍層厚度之間是非線性關系，尤其是氣刀間距與鍍層厚度之間存在較強的非線性，因此進行線性化處理存在較大誤差。`
“鍍層厚度系統DMC串級控制仿真研究”(姚剛霞，微計算機信息，2007 23 (25))， 介紹了武鋼熱鍍鋅線鍍層厚度自動控制系統，系統采用DMC預測控制算法，根據鍍層厚度和速度變化計算氣刀壓力設定值。采用DMC預測控制解決了模型失配時系統魯棒性問題， 但是文章只講述了通過壓力調節進行鍍層厚度控制的仿真試驗結果，實際應用過程中僅通4過調整氣刀壓力來控制鍍層厚度是不夠的。
“寶鋼熱鍍鋅機組鋅層重量控制模型的應用”(林莉軍，寶鋼技術，2007 (4))，介紹寶鋼熱鍍鋅線的鋅層厚度控制系統，系統包括預測模型和反饋閉環控制回路。預測模型計算氣刀壓力和氣刀間距初始設定值，反饋控制回路計算氣刀壓力和氣刀間距附加設定值。 系統能夠實現鍍層厚度自動控制，但是預測控制回路和反饋控制回路都是建立在模型基礎上，控制性能過于依賴模型精度，當模型失配時控制效果不佳。
目前，國內大多數熱鍍鋅生產線的鍍層厚度控制依然由操作工手動調整完成，不可避免地會引起鍍層厚度偏差過大。現有的鍍層厚度自動控制系統中也存在調節時間長和控制效果不佳的缺陷。發明內容
本發明的目的在于提供一種熱鍍鋅線鍍層厚度自動控制系統，本系統能夠快速消除鍍層厚度偏差，尤其是變規格和升降速過程中具有很好的控制效果，從而達到提高成材率和降低鋅原料消耗的目的。
為了實現上述發明目的，本發明提供一種熱鍍鋅線鍍層厚度自動控制系統，包括以下內容
I、系統包括氣刀、測厚儀、工業PC機、PLC控制器、鍍層厚度控制程序。鍍層厚度控制系統中氣刀是執行機構，測厚儀是檢測機構，控制程序運行在工業PC中。工業PC機與 PLC控制器之間采用PROFIBUS DP現場總線連接，測厚儀與PLC之間采用工業以太網連接。 PLC控制器采集鍍層厚度實際值和生產過程數據發送到工業PC機中，鍍層厚度自動控制程序根據鍍層厚度實際值和生產過程數據實時計算氣刀壓力、間距、框架位置設定值并發送到PLC控制器中，實現氣刀壓力、間距、框架位置調整。
鍍層厚度控制程序采用串級控制，副回路采用常規PID控制算法，利用常規PID密集采樣優勢將副回路設計成隨動系統。主回路采樣周期為副回路采樣周期的50-100倍，通過多層次控制把抗干擾性和魯捧性這兩個相互矛盾的性能要求分割到不同層次進行處理。 系統的主回路為鍍層厚度閉環控制回路，系統的副回路為氣刀裝置的壓力、間距、框架位置閉環控制回路。主回路實時地為副回路計算設定值數據，包括氣刀壓力、間距、框架位置設定值。
2、主回路由氣刀間距預設定、前饋閉環控制、反饋閉環控制三部分組成。
(I)氣刀間距預設定，根據生產過程經驗數據，建立原料帶鋼厚度和鍍層厚度與氣刀間距之間關系的二維數據表格，通過查表法選擇氣刀間距設定值。
(2)前饋閉環控制通過前饋控制模型計算氣刀壓力基礎設定值。根據生產過程數據采用最小二乘法回歸出描述鍍層厚度W與帶鋼速度V，氣刀壓力P，氣刀間距d等參數之間的關系的數學模型。模型輸入為鍍層厚度設定值、速度實際值、氣刀間距實際值，輸出為氣刀壓力設定值，當鍍層厚度設定值或帶鋼速度或氣刀間距發生變化時系統根據前饋模型計算氣刀壓力設定值，通過改變氣刀壓力來實現鍍層厚度控制。
(3)反饋閉環控制采用雙面平均鍍層厚度和偏差鍍層厚度聯合控制方式。以雙面平均鍍層厚度為控制目標，通過氣刀壓力調節消除雙面平均鍍層厚度誤差。以偏差鍍厚為控制目標，通過調節氣刀框架位置，保證帶鋼位于氣刀的中心位置，消除帶鋼上下表面的鍍5層厚度偏差。反饋控制針對控制對象大滯后、非線性、強耦合等特性采用無模型自適應控制器，消除模型失配誤差和系統長期累積誤差。
3、副回路包括氣刀壓力閉環控制、氣刀間距位置閉環控制回路。氣刀壓力控制采用比例積分控制器，氣刀間距、氣刀框架控制采用比例控制器。
4、鍍層厚度控制手動/自動模式無擾動切換控制方法。手動模式時主回路不參與控制，副回路氣刀壓力、間距位置、框架位置設定值由操作工手動給定。氣刀間距預設定回路跟隨當前手動設定值，前饋控制模型實時計算氣刀壓力基礎設定值，反饋控制中偏差鍍層厚度控制回路停止計算，平均鍍層厚度控制回路設定值為當前氣刀壓力手動設定值與前饋控制模型計算的基礎設定值之差。當由手動切換到自動模式時，氣刀間距位置保持不變， 偏差鍍層厚度控制回路開始計算，當前氣刀壓力設定值作為雙面平均鍍層厚度主回路輸出的初始設定值。自動模式切換到手動模式時，鎖存主回路前一掃描周期輸出的設定值作為副回路的初始設定值，主回路控制切除。
5、換卷過程鍍層厚度控制方法。換卷過程中前饋控制模型始終進行計算。如果換卷過程鍍層厚度規格不變，當焊縫到達氣刀時將當前氣刀間距設定值和反饋控制器輸出值鎖存，直到焊縫經過測厚儀時鎖存解除。如果換卷過程鍍層厚度規格改變，當焊縫到達氣刀時首先將反饋控制器輸出清零，然后通過查表選擇氣刀間距預設定值進行氣刀間距調整， 當焊縫進過測厚儀時反饋控制器開始計算氣刀壓力附加設定值。
鍍層厚度自動控制系統投入運行消除了手動操作存在的一些缺陷，產品的鍍層厚度能夠快速達到目標值，調節過程小于2分鐘(寶鋼系統小于3分鐘)，鍍層厚度偏差和均勻性有所改善，同時還降低了鋅原料消耗，不同規格鍍厚降低鋅原料消耗f4g/m2。
圖I熱鍍鋅鍍層厚度控制示意圖2控制系統構成圖3前饋控制模型消除速度擾動的控制效果曲線；
圖4雙面平均鍍層厚度控制效果曲線；
圖5雙面偏差鍍層厚度控制效果曲線。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明具體實施方式
作進一步的說明
國內某熱鍍鋅線，測厚儀距離氣刀150米，運行速度50-150米/分。6種常用鍍厚規格 80、100、120、180、220、275g/m2。
I、系統配置。
選用德國FOEN公司氣刀、美國THERMO公司鍍層測厚儀、氣刀控制器選用SIEMENS 公司S7-300PLC控制器、工業PC機選擇SIEMENS公司IPC427C型嵌入式工業PC機。如圖 I所示，PC機與PLC控制器之間采用PROFIBUS DP協議進行數據通訊，PC機做從站，PLC控制器做主站。PC機側配置CP5611網卡，PLC控制器側配置CP342-5網卡，網卡之間通過 PROFIBUS DP 總線連接。PC 機中安裝 WIN PE 操作系統、SIMATIC NET 6. 2,LABVIEff 8. 6 開發軟件。PC機側的網絡配置在SIMATIC NET 6. 2軟件中完成，PLC側網絡配置在STEP75. 3開發軟件中完成。在LABVIEW 8. 6軟件中開發主回路控制程序，在STEP75. 3軟件中開發副回路控制程序。
2、如圖2所示，系統采用串級控制，主回路控制程序運行在PC機中，副回路控制程序運行在PLC控制器中。控制系統主回路掃描周期ls，副回路掃描周期20ms。
3、主回路由氣刀間距預設定、前饋閉環控制、反饋閉環控制三部分組成。
(I)氣刀間距預設定表格
厚度U.3-0.40.4-0.80.8 1.51.5-2.080 1209 10IO 1313 1515 18120 18010 1313 1515 1818-22
I80 22013 1515-1818-2222 26220 27515 1818 2222 2626 30
(2)前饋控制模型。根據不同鍍層厚度規格，利用最小二乘法建立對象的數學模型
W (80) =-0. 029P+2. 795D+0. 229V ；
W(IOO) =-0. 285P+5. 567D+0. 704V ；
ff(120)=-0. 174P+5. 672D+0. 451V ；
W (180) =-0. 409P+7. 587D+0. 780V ；
W (220) =-0. 148P+5. 485D+0. 508V ；
ff(275)=-0. 191P+3. 181D+1. 027V ；
其中W-鍍層厚度，P-氣刀壓力，D-氣刀間距，V運行速度。
如圖3所示前饋控制模型消除速度擾動的控制效果，當速度變化時前饋控制模型計算的壓力設定值進行調整，消除速度波動對鍍層厚度的擾動。
(3)反饋控制回路包括雙面平均鍍層厚度控制回路和雙面偏差鍍層厚度控制回路。針對過程的大滯后、非線性、時變特性選用通用型無模型自適應控制器，控制器通過前N 個采樣值來分析偏差的整個趨勢，觀察過程的動態特性。通過這種觀察利用神經網絡技術， 根據偏差的歷史數據直接計算出下一步控制作用。
雙面平均鍍層厚度控制回路，當偏差小于3g/m2時，進行微調，控制器參數Kc=O. 5， Tc=30s，過程的滯后時間最大300s，最小80s。當鍍厚偏差大于3g/m2小于30g/m2時，調節幅度加強，控制器參數選擇Kc=O. 55，Tc=45s。如圖4所示雙面平均鍍層厚度控制效果，鍍層厚度規格為36g/m2，穩態運行過程中通過動態調整氣刀壓力進行雙面平均鍍層厚度控制， 雙面平均鍍層厚度偏差控制在4g/m2以內。
雙面偏差鍍層厚度控制回路，當鍍厚偏差小于2g/m2時，進行微調，控制器參數 Kc=O. 1，Tc=8s,過程的滯后時間最大300s，最小80s。當鍍厚偏差大于3g/m2小于30g/m2 時，調節幅度加強，控制器參數選擇Kc=0。25，Tc=45s。如圖5所示雙面偏差鍍層厚度控制效果，鍍層厚度規格為36g/m2，當雙面鍍層厚度出現較大偏差時，通過調整氣刀框架位置進CN 102912275 A書明說5/5頁行雙面偏差鍍層厚度控制，將雙面鍍層厚度偏差控制在4g/m2以內。
4、副回路包括氣刀壓力、間距、框架位置閉環控制，如圖2所示。
(I)氣刀壓力閉環控制回路。回路包括變頻電機、壓力傳感器、PI控制器。通過變頻電機驅動氣刀風機調節氣刀壓力，通過控制變頻電機轉速控制氣刀壓力。
(2)氣刀間距閉環控制回路。回路包括步進電機，位置傳感器，P控制器。通過步進電機啟停控制調節氣刀間距。
(3)氣刀框架位置閉環控制回路。回路包括普通交流電機，位置傳感器，P控制器。 通過電機啟停控制調節氣刀框架位置。
5、鍍層厚度控制手動/自動模式無擾動切換。手動模式時主回路不參與控制，副回路氣刀壓力、間距位置、框架位置設定值由操作工手動給定。氣刀間距預設定回路跟隨當前手動設定值，前饋控制模型實時計算氣刀壓力基礎設定值，反饋控制中偏差鍍層厚度控制回路停止計算，平均鍍層厚度控制回路設定值為當前氣刀壓力手動設定值與前饋控制模型計算的基礎設定值之差。當由手動切換到自動模式時，氣刀間距位置保持不變，偏差鍍層厚度控制回路開始計算，當前氣刀壓力設定值作為雙面平均鍍層厚度主回路輸出的初始設定值。自動模式切換到手動模式時，鎖存主回路前一掃描周期輸出的設定值作為副回路的初始設定值，主回路控制切除。
6、換卷過程鍍層厚度控制。換卷過程中前饋控制模型始終進行計算。如果換卷過程鍍層厚度規格不變，當焊縫到達氣刀時將當前氣刀間距設定值和反饋控制器輸出值鎖存，直到焊縫經過測厚儀時鎖存解除。如果換卷過程鍍層厚度規格改變，當焊縫到達氣刀時首先將反饋控制器輸出清零，然后通過查表選擇氣刀間距預設定值進行氣刀間距調整，當焊縫進過測厚儀時反饋控制器開始計算氣刀壓力附加設定值。8
權利要求
1.一種熱鍍鋅線鍍層厚度自動控制系統，其特征在于包括氣刀、測厚儀、工業PC機、 PLC控制器、鍍層厚度控制程序，控制程序運行在工業PC中，工業PC機與PLC控制器之間采用PROFIBUS DP現場總線連接，PLC控制器采集鍍層厚度實際值和生產過程數據發送到工業PC機中，鍍層厚度控制程序采用串級控制方法，利用常規PID密集采樣優勢將副回路設計成隨動系統，主回路采樣周期為副回路采樣周期的50-100倍，鍍層厚度自動控制程序根據鍍層厚度實際值和生產過程數據實時計算氣刀壓力、間距、框架位置設定值并發送到PLC 控制器中，實現氣刀壓力、間距、框架位置調整，同時還設計了手動/自動模式無擾動切換方法和換卷過程鍍層厚度控制方法。
2.根據權利要求I所述的一種熱鍍鋅線鍍層厚度自動控制系統，其特征在于主回路由氣刀間距預設定、前饋閉環控制、反饋閉環控制三部分組成，(I)氣刀間距預設定，根據生產過程經驗數據，建立原料帶鋼厚度和鍍層厚度與氣刀間距之間關系的二維數據表格，通過查表法選擇氣刀間距設定值；(2)前饋閉環控制通過前饋控制模型計算氣刀壓力基礎設定值，根據生產過程數據采用最小二乘法回歸出描述鍍層厚度w與帶鋼速度V，氣刀壓力p， 氣刀間距d等參數之間的關系的數學模型，模型輸入為鍍層厚度設定值、速度實際值、氣刀間距實際值，輸出為氣刀壓力設定值，當鍍層厚度設定值或帶鋼速度或氣刀間距發生變化時系統根據前饋模型計算氣刀壓力設定值，通過改變氣刀壓力來實現鍍層厚度控制；(3) 反饋閉環控制采用雙面平均鍍層厚度和偏差鍍層厚度聯合控制方式，以雙面平均鍍層厚度為控制目標，通過氣刀壓力調節消除雙面平均鍍層厚度誤差，以偏差鍍厚為控制目標，通過調節氣刀框架位置，保證帶鋼位于氣刀的中心位置，消除帶鋼上下表面的鍍層厚度偏差，反饋控制針對控制對象大滯后、非線性、強耦合等特性采用無模型自適應控制器，消除模型失配誤差和系統長期累積誤差。
3.根據權利要求I所述的一種熱鍍鋅線鍍層厚度自動控制系統，其特征在于副回路包括氣刀壓力閉環控制、氣刀間距位置、框架位置閉環控制回路，氣刀壓力控制采用比例積分控制器，氣刀間距、氣刀框架控制采用比例控制器。
4.根據權利要求I所述的一種熱鍍鋅線鍍層厚度自動控制系統，其特征在于鍍層厚度控制手動/自動模式無擾動切換控制方法，手動模式時主回路不參與控制，副回路氣刀壓力、間距位置、框架位置設定值由操作工手動給定；氣刀間距預設定回路跟隨當前手動設定值，前饋控制模型實時計算氣刀壓力基礎設定值，反饋控制中偏差鍍層厚度控制回路停止計算，平均鍍層厚度控制回路設定值為當前氣刀壓力手動設定值與前饋控制模型計算的基礎設定值之差；當由手動切換到自動模式時，氣刀間距位置保持不變，偏差鍍層厚度控制回路開始計算，當前氣刀壓力設定值作為雙面平均鍍層厚度主回路輸出的初始設定值；自動模式切換到手動模式時，鎖存主回路前一掃描周期輸出的設定值作為副回路的初始設定值，主回路控制切除。
5.根據權利要求I或2所述的一種熱鍍鋅線鍍層厚度自動控制系統，其特征在于換卷過程鍍層厚度控制方法，換卷過程中前饋控制模型始終進行計算，如果換卷過程鍍層厚度規格不變，當焊縫到達氣刀時將當前氣刀間距設定值和反饋控制器輸出值鎖存，直到焊縫經過測厚儀時鎖存解除；如果換卷過程鍍層厚度規格改變，當焊縫到達氣刀時首先將反饋控制器輸出清零，然后通過查表選擇氣刀間距預設定值進行氣刀間距調整，當焊縫進過測厚儀時反饋控制器開始計算氣刀壓力附加設定值。.
全文摘要
本發明提供一種冷軋熱鍍鋅線鍍層厚度控制系統，包括氣刀、測厚儀、工業PC機、PLC控制器、鍍層厚度控制程序，控制程序運行在工業PC中，工業PC機與PLC控制器之間采用PROFIBUS DP現場總線連接，PLC控制器采集鍍層厚度實際值和生產過程數據發送到工業PC機中，控制程序采用串級控制方法，利用常規PID密集采樣優勢將副回路設計成隨動系統，主回路采樣周期為副回路的50-100倍，控制程序根據鍍層厚度實際值和生產過程數據實時計算氣刀壓力、間距、框架位置設定值并發送到PLC控制器中，實現氣刀壓力、間距、框架位置調整，同時還設計了手動/自動模式無擾動切換和換卷過程鍍層變規格切換控制。本發明能夠快速消除鍍層厚度偏差，在變規格和升降速過程中具有很好的控制效果。
文檔編號C23C2/20GK102912275SQ201210408578
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月23日 優先權日2012年10月23日
發明者秦大偉, 王軍生, 張巖, 費靜, 侯永剛, 宋君, 劉寶權, 吳萌, 王奎越, 柴明亮 申請人:鞍鋼股份有限公司