专利名称：一种热镀锌线镀层厚度自动控制系统的制作方法
CN 102912275 A书明说1/5页一种热镀锌线镀层厚度自动控制系统技术领域
本发明属钢铁生产设备技术领域，适用于热镀锌生产线的镀层厚度控制。
背景技术：
热镀锌板因其良好的耐腐蚀性被广泛应用于建筑、家电、汽车等行业。近些年来， 随着热镀锌板市场竞争日益激烈，用户对热镀锌板质量的要求越来越高。镀层厚度及其匀性是评价镀锌板质量的一项重要指标，镀层太薄影响产品的抗腐蚀性，镀层太厚影响产品的点焊性和附着性同时造成锌原料的浪费。目前，国内多数热镀锌生产线对镀层厚度的控制依然采用传统的控制方法，即由操作人员依据经验对设定值进行手工调整。手工调整不可避免地会引起过薄或超厚，最终导致镀锌产品质量下降和锌原料的浪费。因此开发高性能的锌层厚度自动控制系统对于提高产品质量和节约原料消耗具有重要意义。
目前，世界各主要热镀锌工艺厂家在总结生产经验基础上，已形成了一套自己的控制系统。不同厂家热镀锌镀层控制系统采用的硬件设备基本相同，执行机构采用气刀，检测设备采用冷态测厚仪，但在控制策略和控制模型上互不相同，这也决定了系统的控制效果O
“热镀锌线锌层厚度的闭环控制简介”(刘海龙，四川冶金，2006 28(6))，介绍了 VAI CLACIM公司的镀层厚度控制系统，系统包括设定值模型、前馈闭环控制回路和反馈闭环控制回路。设定值模型采用模糊控制算法建立，描述镀层厚度与气刀压力、气刀间距、运行速度之间的关系，设定值模型计算气刀压力、气刀间距初始设定值。前馈控制消除速度波动带来的扰动，速度变化时维持镀层厚度不变，通过调节气刀压力来消除速度变化引起的镀层厚度波动。通过镀层厚度与速度、气刀压力、气刀间距之间的近似线性关系，间接计算出气刀压力附加设定值。反馈闭环控制回路采用气刀压力、间距联合调节控制方式，采用气刀压力优先调节方式，当压力调节达到限幅时保持压力设定值不变进行间距调节。根据镀层厚度实际值，通过镀层厚度与速度、气刀压力、气刀间距之间的近似线性关系，计算气刀压力和间距的附加设定值。控制策略，首先根据设定值模型计算出气刀压力、气刀间距的初始设定值；前馈控制消除速度波动引起的厚度偏差，根据速度变化计算气刀压力的附加设定值；反馈控制以单侧表面平均镀层厚度和两侧表面镀层厚度偏差为控制目标，通过压力调节消除平均镀层厚度偏差，通过气刀喷嘴开口度调节消除两侧镀层厚度偏差。此系统能够对镀层厚度实现闭环自动控制，但是前馈和反馈闭环控制回路中对控制器增益进行了线性化处理，认为镀层厚度与气刀间距、气刀压力、运行速度之间是线性关系，而气刀压力、间距与镀层厚度之间是非线性关系，尤其是气刀间距与镀层厚度之间存在较强的非线性，因此进行线性化处理存在较大误差。`
“镀层厚度系统DMC串级控制仿真研究”(姚刚霞，微计算机信息，2007 23 (25))， 介绍了武钢热镀锌线镀层厚度自动控制系统，系统采用DMC预测控制算法，根据镀层厚度和速度变化计算气刀压力设定值。采用DMC预测控制解决了模型失配时系统鲁棒性问题， 但是文章只讲述了通过压力调节进行镀层厚度控制的仿真试验结果，实际应用过程中仅通4过调整气刀压力来控制镀层厚度是不够的。
“宝钢热镀锌机组锌层重量控制模型的应用”(林莉军，宝钢技术，2007 (4))，介绍宝钢热镀锌线的锌层厚度控制系统，系统包括预测模型和反馈闭环控制回路。预测模型计算气刀压力和气刀间距初始设定值，反馈控制回路计算气刀压力和气刀间距附加设定值。 系统能够实现镀层厚度自动控制，但是预测控制回路和反馈控制回路都是建立在模型基础上，控制性能过于依赖模型精度，当模型失配时控制效果不佳。
目前，国内大多数热镀锌生产线的镀层厚度控制依然由操作工手动调整完成，不可避免地会引起镀层厚度偏差过大。现有的镀层厚度自动控制系统中也存在调节时间长和控制效果不佳的缺陷。发明内容
本发明的目的在于提供一种热镀锌线镀层厚度自动控制系统，本系统能够快速消除镀层厚度偏差，尤其是变规格和升降速过程中具有很好的控制效果，从而达到提高成材率和降低锌原料消耗的目的。
为了实现上述发明目的，本发明提供一种热镀锌线镀层厚度自动控制系统，包括以下内容
I、系统包括气刀、测厚仪、工业PC机、PLC控制器、镀层厚度控制程序。镀层厚度控制系统中气刀是执行机构，测厚仪是检测机构，控制程序运行在工业PC中。工业PC机与 PLC控制器之间采用PROFIBUS DP现场总线连接，测厚仪与PLC之间采用工业以太网连接。 PLC控制器采集镀层厚度实际值和生产过程数据发送到工业PC机中，镀层厚度自动控制程序根据镀层厚度实际值和生产过程数据实时计算气刀压力、间距、框架位置设定值并发送到PLC控制器中，实现气刀压力、间距、框架位置调整。
镀层厚度控制程序采用串级控制，副回路采用常规PID控制算法，利用常规PID密集采样优势将副回路设计成随动系统。主回路采样周期为副回路采样周期的50-100倍，通过多层次控制把抗干扰性和鲁捧性这两个相互矛盾的性能要求分割到不同层次进行处理。 系统的主回路为镀层厚度闭环控制回路，系统的副回路为气刀装置的压力、间距、框架位置闭环控制回路。主回路实时地为副回路计算设定值数据，包括气刀压力、间距、框架位置设定值。
2、主回路由气刀间距预设定、前馈闭环控制、反馈闭环控制三部分组成。
(I)气刀间距预设定，根据生产过程经验数据，建立原料带钢厚度和镀层厚度与气刀间距之间关系的二维数据表格，通过查表法选择气刀间距设定值。
(2)前馈闭环控制通过前馈控制模型计算气刀压力基础设定值。根据生产过程数据采用最小二乘法回归出描述镀层厚度W与带钢速度V，气刀压力P，气刀间距d等参数之间的关系的数学模型。模型输入为镀层厚度设定值、速度实际值、气刀间距实际值，输出为气刀压力设定值，当镀层厚度设定值或带钢速度或气刀间距发生变化时系统根据前馈模型计算气刀压力设定值，通过改变气刀压力来实现镀层厚度控制。
(3)反馈闭环控制采用双面平均镀层厚度和偏差镀层厚度联合控制方式。以双面平均镀层厚度为控制目标，通过气刀压力调节消除双面平均镀层厚度误差。以偏差镀厚为控制目标，通过调节气刀框架位置，保证带钢位于气刀的中心位置，消除带钢上下表面的镀5层厚度偏差。反馈控制针对控制对象大滞后、非线性、强耦合等特性采用无模型自适应控制器，消除模型失配误差和系统长期累积误差。
3、副回路包括气刀压力闭环控制、气刀间距位置闭环控制回路。气刀压力控制采用比例积分控制器，气刀间距、气刀框架控制采用比例控制器。
4、镀层厚度控制手动/自动模式无扰动切换控制方法。手动模式时主回路不参与控制，副回路气刀压力、间距位置、框架位置设定值由操作工手动给定。气刀间距预设定回路跟随当前手动设定值，前馈控制模型实时计算气刀压力基础设定值，反馈控制中偏差镀层厚度控制回路停止计算，平均镀层厚度控制回路设定值为当前气刀压力手动设定值与前馈控制模型计算的基础设定值之差。当由手动切换到自动模式时，气刀间距位置保持不变， 偏差镀层厚度控制回路开始计算，当前气刀压力设定值作为双面平均镀层厚度主回路输出的初始设定值。自动模式切换到手动模式时，锁存主回路前一扫描周期输出的设定值作为副回路的初始设定值，主回路控制切除。
5、换卷过程镀层厚度控制方法。换卷过程中前馈控制模型始终进行计算。如果换卷过程镀层厚度规格不变，当焊缝到达气刀时将当前气刀间距设定值和反馈控制器输出值锁存，直到焊缝经过测厚仪时锁存解除。如果换卷过程镀层厚度规格改变，当焊缝到达气刀时首先将反馈控制器输出清零，然后通过查表选择气刀间距预设定值进行气刀间距调整， 当焊缝进过测厚仪时反馈控制器开始计算气刀压力附加设定值。
镀层厚度自动控制系统投入运行消除了手动操作存在的一些缺陷，产品的镀层厚度能够快速达到目标值，调节过程小于2分钟(宝钢系统小于3分钟)，镀层厚度偏差和均匀性有所改善，同时还降低了锌原料消耗，不同规格镀厚降低锌原料消耗f4g/m2。
图I热镀锌镀层厚度控制示意图2控制系统构成图3前馈控制模型消除速度扰动的控制效果曲线；
图4双面平均镀层厚度控制效果曲线；
图5双面偏差镀层厚度控制效果曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式
作进一步的说明
国内某热镀锌线，测厚仪距离气刀150米，运行速度50-150米/分。6种常用镀厚规格 80、100、120、180、220、275g/m2。
I、系统配置。
选用德国FOEN公司气刀、美国THERMO公司镀层测厚仪、气刀控制器选用SIEMENS 公司S7-300PLC控制器、工业PC机选择SIEMENS公司IPC427C型嵌入式工业PC机。如图 I所示，PC机与PLC控制器之间采用PROFIBUS DP协议进行数据通讯，PC机做从站，PLC控制器做主站。PC机侧配置CP5611网卡，PLC控制器侧配置CP342-5网卡，网卡之间通过 PROFIBUS DP 总线连接。PC 机中安装 WIN PE 操作系统、SIMATIC NET 6. 2,LABVIEff 8. 6 开发软件。PC机侧的网络配置在SIMATIC NET 6. 2软件中完成，PLC侧网络配置在STEP75. 3开发软件中完成。在LABVIEW 8. 6软件中开发主回路控制程序，在STEP75. 3软件中开发副回路控制程序。
2、如图2所示，系统采用串级控制，主回路控制程序运行在PC机中，副回路控制程序运行在PLC控制器中。控制系统主回路扫描周期ls，副回路扫描周期20ms。
3、主回路由气刀间距预设定、前馈闭环控制、反馈闭环控制三部分组成。
(I)气刀间距预设定表格
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)前馈控制模型。根据不同镀层厚度规格，利用最小二乘法建立对象的数学模型
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-镀层厚度，P-气刀压力，D-气刀间距，V运行速度。
如图3所示前馈控制模型消除速度扰动的控制效果，当速度变化时前馈控制模型计算的压力设定值进行调整，消除速度波动对镀层厚度的扰动。
(3)反馈控制回路包括双面平均镀层厚度控制回路和双面偏差镀层厚度控制回路。针对过程的大滞后、非线性、时变特性选用通用型无模型自适应控制器，控制器通过前N 个采样值来分析偏差的整个趋势，观察过程的动态特性。通过这种观察利用神经网络技术， 根据偏差的历史数据直接计算出下一步控制作用。
双面平均镀层厚度控制回路，当偏差小于3g/m2时，进行微调，控制器参数Kc=O. 5， Tc=30s，过程的滞后时间最大300s，最小80s。当镀厚偏差大于3g/m2小于30g/m2时，调节幅度加强，控制器参数选择Kc=O. 55，Tc=45s。如图4所示双面平均镀层厚度控制效果，镀层厚度规格为36g/m2，稳态运行过程中通过动态调整气刀压力进行双面平均镀层厚度控制， 双面平均镀层厚度偏差控制在4g/m2以内。
双面偏差镀层厚度控制回路，当镀厚偏差小于2g/m2时，进行微调，控制器参数 Kc=O. 1，Tc=8s,过程的滞后时间最大300s，最小80s。当镀厚偏差大于3g/m2小于30g/m2 时，调节幅度加强，控制器参数选择Kc=0。25，Tc=45s。如图5所示双面偏差镀层厚度控制效果，镀层厚度规格为36g/m2，当双面镀层厚度出现较大偏差时，通过调整气刀框架位置进CN 102912275 A书明说5/5页行双面偏差镀层厚度控制，将双面镀层厚度偏差控制在4g/m2以内。
4、副回路包括气刀压力、间距、框架位置闭环控制，如图2所示。
(I)气刀压力闭环控制回路。回路包括变频电机、压力传感器、PI控制器。通过变频电机驱动气刀风机调节气刀压力，通过控制变频电机转速控制气刀压力。
(2)气刀间距闭环控制回路。回路包括步进电机，位置传感器，P控制器。通过步进电机启停控制调节气刀间距。
(3)气刀框架位置闭环控制回路。回路包括普通交流电机，位置传感器，P控制器。 通过电机启停控制调节气刀框架位置。
5、镀层厚度控制手动/自动模式无扰动切换。手动模式时主回路不参与控制，副回路气刀压力、间距位置、框架位置设定值由操作工手动给定。气刀间距预设定回路跟随当前手动设定值，前馈控制模型实时计算气刀压力基础设定值，反馈控制中偏差镀层厚度控制回路停止计算，平均镀层厚度控制回路设定值为当前气刀压力手动设定值与前馈控制模型计算的基础设定值之差。当由手动切换到自动模式时，气刀间距位置保持不变，偏差镀层厚度控制回路开始计算，当前气刀压力设定值作为双面平均镀层厚度主回路输出的初始设定值。自动模式切换到手动模式时，锁存主回路前一扫描周期输出的设定值作为副回路的初始设定值，主回路控制切除。
6、换卷过程镀层厚度控制。换卷过程中前馈控制模型始终进行计算。如果换卷过程镀层厚度规格不变，当焊缝到达气刀时将当前气刀间距设定值和反馈控制器输出值锁存，直到焊缝经过测厚仪时锁存解除。如果换卷过程镀层厚度规格改变，当焊缝到达气刀时首先将反馈控制器输出清零，然后通过查表选择气刀间距预设定值进行气刀间距调整，当焊缝进过测厚仪时反馈控制器开始计算气刀压力附加设定值。8
权利要求
1.一种热镀锌线镀层厚度自动控制系统，其特征在于包括气刀、测厚仪、工业PC机、 PLC控制器、镀层厚度控制程序，控制程序运行在工业PC中，工业PC机与PLC控制器之间采用PROFIBUS DP现场总线连接，PLC控制器采集镀层厚度实际值和生产过程数据发送到工业PC机中，镀层厚度控制程序采用串级控制方法，利用常规PID密集采样优势将副回路设计成随动系统，主回路采样周期为副回路采样周期的50-100倍，镀层厚度自动控制程序根据镀层厚度实际值和生产过程数据实时计算气刀压力、间距、框架位置设定值并发送到PLC 控制器中，实现气刀压力、间距、框架位置调整，同时还设计了手动/自动模式无扰动切换方法和换卷过程镀层厚度控制方法。
2.根据权利要求I所述的一种热镀锌线镀层厚度自动控制系统，其特征在于主回路由气刀间距预设定、前馈闭环控制、反馈闭环控制三部分组成，(I)气刀间距预设定，根据生产过程经验数据，建立原料带钢厚度和镀层厚度与气刀间距之间关系的二维数据表格，通过查表法选择气刀间距设定值；(2)前馈闭环控制通过前馈控制模型计算气刀压力基础设定值，根据生产过程数据采用最小二乘法回归出描述镀层厚度w与带钢速度V，气刀压力p， 气刀间距d等参数之间的关系的数学模型，模型输入为镀层厚度设定值、速度实际值、气刀间距实际值，输出为气刀压力设定值，当镀层厚度设定值或带钢速度或气刀间距发生变化时系统根据前馈模型计算气刀压力设定值，通过改变气刀压力来实现镀层厚度控制；(3) 反馈闭环控制采用双面平均镀层厚度和偏差镀层厚度联合控制方式，以双面平均镀层厚度为控制目标，通过气刀压力调节消除双面平均镀层厚度误差，以偏差镀厚为控制目标，通过调节气刀框架位置，保证带钢位于气刀的中心位置，消除带钢上下表面的镀层厚度偏差，反馈控制针对控制对象大滞后、非线性、强耦合等特性采用无模型自适应控制器，消除模型失配误差和系统长期累积误差。
3.根据权利要求I所述的一种热镀锌线镀层厚度自动控制系统，其特征在于副回路包括气刀压力闭环控制、气刀间距位置、框架位置闭环控制回路，气刀压力控制采用比例积分控制器，气刀间距、气刀框架控制采用比例控制器。
4.根据权利要求I所述的一种热镀锌线镀层厚度自动控制系统，其特征在于镀层厚度控制手动/自动模式无扰动切换控制方法，手动模式时主回路不参与控制，副回路气刀压力、间距位置、框架位置设定值由操作工手动给定；气刀间距预设定回路跟随当前手动设定值，前馈控制模型实时计算气刀压力基础设定值，反馈控制中偏差镀层厚度控制回路停止计算，平均镀层厚度控制回路设定值为当前气刀压力手动设定值与前馈控制模型计算的基础设定值之差；当由手动切换到自动模式时，气刀间距位置保持不变，偏差镀层厚度控制回路开始计算，当前气刀压力设定值作为双面平均镀层厚度主回路输出的初始设定值；自动模式切换到手动模式时，锁存主回路前一扫描周期输出的设定值作为副回路的初始设定值，主回路控制切除。
5.根据权利要求I或2所述的一种热镀锌线镀层厚度自动控制系统，其特征在于换卷过程镀层厚度控制方法，换卷过程中前馈控制模型始终进行计算，如果换卷过程镀层厚度规格不变，当焊缝到达气刀时将当前气刀间距设定值和反馈控制器输出值锁存，直到焊缝经过测厚仪时锁存解除；如果换卷过程镀层厚度规格改变，当焊缝到达气刀时首先将反馈控制器输出清零，然后通过查表选择气刀间距预设定值进行气刀间距调整，当焊缝进过测厚仪时反馈控制器开始计算气刀压力附加设定值。.
全文摘要
本发明提供一种冷轧热镀锌线镀层厚度控制系统，包括气刀、测厚仪、工业PC机、PLC控制器、镀层厚度控制程序，控制程序运行在工业PC中，工业PC机与PLC控制器之间采用PROFIBUS DP现场总线连接，PLC控制器采集镀层厚度实际值和生产过程数据发送到工业PC机中，控制程序采用串级控制方法，利用常规PID密集采样优势将副回路设计成随动系统，主回路采样周期为副回路的50-100倍，控制程序根据镀层厚度实际值和生产过程数据实时计算气刀压力、间距、框架位置设定值并发送到PLC控制器中，实现气刀压力、间距、框架位置调整，同时还设计了手动/自动模式无扰动切换和换卷过程镀层变规格切换控制。本发明能够快速消除镀层厚度偏差，在变规格和升降速过程中具有很好的控制效果。
文档编号C23C2/20GK102912275SQ201210408578
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者秦大伟, 王军生, 张岩, 费静, 侯永刚, 宋君, 刘宝权, 吴萌, 王奎越, 柴明亮 申请人:鞍钢股份有限公司