冷轧乳化液压力协调控制系统的研究与应用

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良好的冷却润滑效果是实现冷轧机高速稳定轧制的基础，冷轧过程的冷却润滑功能由乳化液系统完成。利用乳化液系统，在轧制过程中保持精确的乳化液喷射流量和稳定的压力，不仅可以改善带钢表面质量，而且可以调整轧辊热凸度，从而提高板形控制精度。目前，对乳化液系统的研究主要集中在工艺和设备方面，文献[1]着重研究了乳化液系统的乳化液成分性能，文献[2]主要研究了乳化液系统的工艺参数优化和设备改造，这些研究都较少涉及乳化液控制系统的优化。而保持乳化液供乳管路压力稳定是达到良好冷却润滑效果的重要保障，因此乳化液压力控制是乳化液控制系统的核心。常规的乳化液压力控制通常是调节系统旁通阀开度来调节供乳管路系统压力，但由于该阀具有非线性特征，经常会出现调节偏差大且能力不足的情况，因此无法实现高精度系统压力控制。

基于此，作者结合现场实际工艺状况，将乳化液系统旁通阀和主泵变频电动机均设定为控制收稿日期：2012-09 10作者简介：费 静(1978 )，女，辽宁鞍山人，工程师，硕士，主要从事冶金自动化方面的研究工作。

第3期 费 静，等：冷轧乳化液压力协调控制系统的研究与应用 59对象，采用旁通阀开度和供乳主泵变频电动机速度同时调节的乳化液压力协调控制策略，引入压力影响效率函数，建立了乳化液压力协调控制系统。系统于 2011年应用于鞍钢股份有限公司莆田1450冷连轧生产线，实现了对乳化液系统压力的精确、快速控制。 1 乳化液系统调压原理乳化液系统压力调节可以通过 2种手段进行：(1)提高主泵变频电动机转速可以增大乳化液输出量，从而使乳化液系统压力增加；(2)增大旁通压力调节阀口开度可以加大乳化液回流量，从而使乳化液系统压力减校基于以上调压原理，协调控制旁通压力调节阀和供乳主泵变频电动机，即旁通调压和变频调压协同工作，就可以提高乳化液系统压力的控制能力和精度。乳化液压力控制系统如图1所示。

5 机架 机架 3 机架 机架 1 机架补油 乳液箱 油箱 3乳液 补油 乳液油箱 2 箱 油箱 1图1 乳化液压力控制系统Fig.1 Emulsion pressure control system1.1 旁通调压原理乳化液系统压力常规上是通过乳化液主供乳管路的旁通压力调节阀来实现 自动控制。旁通压力调节阀是-个以压力为控制 目标的气动 比例阀 ]，可以通过精确控制主阀芯的位置来控制流量，从而通过控制旁通流量间接调节系统压力。1～ 4 机架的供乳管路压力分别由4个压力计检测，将它们的平均值作为旁通压力调节阀的压力反馈值，轧制时预先设置的系统压力作为压力目标值，通过 PID控制器进行闭环控制(如图2所示)，最终实现对乳化液系统总管路的压力调节。

系统总管路乳化液流量图 2 旁通调压原理框图Fig.2 Pressure adjusting diagram of the bypass valve1.2 变频调压原理变频调压是通过调节供乳主泵变频电动机的转速来调节离心泵的输出流量，以保证整个供乳系统的系统压力恒定。主泵变频传动采用异步电动机，为电流内环、转速外环的双闭环控制系统，转速环要求稳态无误差，以稳定性最好为原则。

正常工作时，要保持供乳管路系统压力恒定(-般设定为800 kN/m )，-旦压力计检测到系统压力发生变化，主泵变频电动机接收 PID控制器的指令，调节电动机转速来改变离心泵输出流量，从而调节系统压力，如图3所示。

统总管路化液流量图3 变频调压原理框图Fig.3 Pressure adjusting diagram of the converter motor2 压力协调控制系统在实际应用中，由于旁通压力调节阀有时会出现调节能力不足的问题，同时变频电动机距离压力测量装置位置较远，单独应用变频调压控制会存在调节滞后问题，所以这里首次提出依靠二者协调控制共同作用完成乳化液系统压力的精确控制。协调控制就是利用最小二乘法的优化原理，求出两种调节负荷分配调节量，即通过相互配60 冶 金 自 动 化 第37卷合达到消除乳化液系统压力偏差的目的[引。

在此引入影响效率函数，将其定义为压力调节手段的单位压力调节量对于压力偏差的影响效果：- △ 式中，Fi 为第 i种压力调节手段对第 个测量点的影响效率函数；Aa 为第 i种调节手段的调节量(负荷分配系数)；AP 为调节量为 △ 时引起的第 个测量点的系统压力偏差变化量。

从式(1)可以看出，影响效率函数和系统压力偏差具有变化的-致性，在系统压力偏差的控制误差平方和最携的控制 目标下，采用最小二乘算法建立压力控制效果最优评价函数 E，以获得两种控制手段各自的最佳调节量。

E [△Pf- (F ×△ )] (2)式中，n，m分别为测量点数和调节手段数 目。

由压力偏差的控制误差平方和最携的控制目标可知，各调节手段调节量 △ 应满足： 0 (3)对上式展开计算，得到以下形式的线性方程组 ：11，b1 lljbf llnbmlh：Ilb1 lijb linbm1 (4)：1mlbl Z耐6 lmmbmZ其中，l，j ( × )，k1 m 9i#k；b ；z ( × )。

通过求解方程组，其非零解存在且唯-，即求得 ：B(Q Q) QTDFl1 F 1 F 1Fl F F础F1 F F(5)， D [三二]。矩阵口中的各项对应控制执行机构相对于本次压力偏差的各个调节量 Aa ，在此即为旁通阀开度和供乳泵变频电动机速度的各自调节量。

影响效率函数的设定具有极大的灵活性，能够及时反映生产过程中乳化液系统压力情况的变化，使压力控制系统始终保持在最佳工作状态。

实际应用中，压力调节手段有 2种，压力检测点有4个，因此在压力协调控制中，i1，2 1，2，3，4； 4；m2。通过 Siemens的高速处理器 TDC来实现矩阵运算，由压力协调控制系统计算旁通阀和供乳泵变频电动机对应系统压力偏差调节的调节量，然后应用 PID控制器进行系统参数整定 j，最终实现乳化液系统压力的高精度控制。

3 系统实现流程鞍钢莆田1450冷连轧生产线乳化液压力协调控制时，首先将变频电动机的速度设置为80%额定转速，启动变频主泵；然后将旁通压力调节阀开度设置为 50%满开度；当压力传感器检测到实际值并反馈给系统以后，通过影响效率函数计算两者的调节量，变频泵为0.34，旁通阀为0.66。

在运行中，通过不断检测实际压力，将 目标值与实际值进行比较，得出的偏差用于修正更新计算，用计算所得的负荷分配调节量实时进行协调控制。

需要注意的是，当旁通压力调节阀开度大于95%时，说明乳化液系统压力较高，单独利用旁通压力调节阀已经很难实现系统压力的减小，此时需切换至手动模式，调整变频电动机转速为 60%额定转速；当旁通压力调节阀开度小于5%时，说明乳化液系统压力较低，单独利用旁通压力调节阀已经很难实现系统压力的增大，此时只有将变频电动机的转速增大至 100%额定转速才能有效增大系统压力。

4 应用结果分析鞍钢莆田1450冷连轧生产线采用的供乳主泵变频电动机额定参数如下：功率 250 kW，电流450 A，电压380V，转速2980 r/min，离心泵的扬程为122.4 m；变频调压PID控制器的整定参数分别为：比例系数K 0.7，积分时间常数 Tl1 S，微分时间常数TD0.02 S。旁通压力调节阀参数为：扭转角度(90±3)。，最大转矩 882 N·m；旁通调压PID控制器的整定参数分别为：K l， 0.8 S，TD0.0l S。

现场投入乳化液压力协调控制系统前后的控制效果如图4所示，图中的旁通压力调节阀开第3期 费 静，等：冷轧乳化液压力协调控制系统的研究与应用 61匿臀Z(a)投入前世嚣 量奋(b)投入后图4 压力协调控制系统控制效果Fig.4 Efect of pressure coordination control system度、供乳主泵电动机速度和系统压强每 0.15 s采集-次。

在投入压力协调控制系统之前，泵的变频电动机速度值不变，只调节旁通压力调节阀的开度，从图4(a)可以看出系统压力-直处于震荡不稳定状态，不能满足短时间内压力稳定的要求；在投入压力协调控制系统之后，在系统压力目标值分别设定在 800 kN/m ，850 kN/m 和900 kN/m 隋况下，以消除系统压力偏差为控制 目标，通过协调控制阀的开度和电动机的速度变化(见图4(b))，系统达到稳态的时间为 20 s，超调量为4%，体现了系统压力调节的快速性和平稳性，满足了现场生产需求。

5 结论鞍钢莆田 1450冷连轧生产线乳化液控制应用压力协调控制系统，结合影响效率函数的控制方法和PID控制调节手段，对变频主泵电动机和旁通压力调节阀进行协调控制，实现了乳化液系统压力快速响应高精度调节。

(1)将乳化液系统中的供乳主泵改为变频电动机控制，提高了乳化液系统压力调节精度和效率，有效地延长了泵站使用寿命，提高了经济效益。

(2)首次在乳化液控制系统中提出压力协调控制的影响效率函数，通过最小二乘方法对系统压力调节机构的负荷分配更加合理，压力调节平滑、波动小，响应速度快，提高了系统的稳定性和可靠性。

(3)乳化液系统压力协调控制后，控制精度有大幅度提高，系统的超调量只有 4%，稳态时间仅为20 S，完全满足生产要求，提高了轧制过程冷却和润滑效率。