过程控制与自动化——板形控制与质量管理系统
> 基于 Achenbach《铝轧机技术》第4章（p54-67）整理
一、引言
铝箔轧制是一个对精度要求极高的连续生产过程。在高速轧制条件下，带材厚度偏差往往以微米计，板形缺陷可能在毫秒级时间窗口内产生并迅速恶化。操作人员凭借肉眼和经验已经无法胜任如此精密的实时调控任务——现代铝箔轧机的过程控制与自动化系统（Process Control and Automation）正是为解决这一核心矛盾而诞生的。
Achenbach公司在铝箔轧机自动化领域拥有深厚的技术积淀。其自动化系统以模块化软件架构（modular software architecture）为核心设计理念，具备操作界面友好、操作员培训周期短、系统可靠性高、维护便捷以及故障诊断迅速等显著优势。由于采用严格的模块化设计，系统能够灵活适配客户的个性化需求，无论是全新机组的首次安装（primary installation）还是现有轧机的技术改造（rebuild），均可实现定制化配置。
自动化系统的另一大技术亮点是远程服务功能（teleservice），即通过调制解调器（modem）实现对轧机系统的远程访问与技术支持，这一功能在机组调试优化完成后的正式生产阶段发挥着不可替代的作用。
二、控制与自动化架构——四层体系
Achenbach轧机的过程控制系统通常采用四层分级架构（Fig. 47），每一层承担不同的功能职责，层与层之间通过标准化接口实现数据交互与指令传递。
第0层——基础自动化（Basic Automation）： 这一层负责最底层的驱动控制（drive control）和受控阀门（controlled valves）的操作，包括开卷机（coiler/decoiler）、轧机主传动（mill drive）、测径辊（dimensioning roll）和卷取机（coiler）等执行机构的直接控制。
第1层——过程控制（Process Controls）： 承载核心的工艺控制功能，包括：监控参考控制（monitor reference control）、冷却控制（cooler control）、主传动控制（main drive control）、自动停车（automatic shut down）、液压压下（hydraulic screw down）、厚度控制（gauge control）、弯辊控制（roll bending）、带材板形测量与控制（strip flatness measurement and control），以及带材厚度和速度测量（strip thickness and strip speed measurement）。
第2层——过程管理层（Process Control Level）： 提供人机界面（man-machine interface）、过程数据显示与操作、诊断与故障排除（diagnosis/trouble-shooting）、事件记录（event logging）、预设与记录（presetting and recording）以及轧机模型（mill modelling）等高级功能。
第3层——工厂生产与调度层（Plant Production and Scheduling）： 涵盖销售订单管理、物料计划、生产数据规划、工厂排程、生产报告、生产跟踪等企业级功能，是连接轧机自动化与企业管理系统的桥梁。
手动与自动控制模式
轧机的所有运动和联锁（interlocks）均在两种模式下实现。手动控制模式（manual control mode） 包含所有单一定位任务及其安全联锁，主要用于机组调试和检修维护。自动控制模式（automatic control mode） 则将各个独立的定位任务编排为动作链（action chains），例如换卷（coil change）、穿带与重卷（strip threading and rewinding）、换辊（roll change）、套筒处理（spool handling）等。所有功能均在分散式智能终端（decentral intelligent terminals）中编程实现，支持独立调试、诊断和断线维护。
三、SGC®板形厚度控制系统——”刚性机架”的模拟
带材厚度控制（strip thickness control）的控制参数包括轧制力（roll separating force）、辊缝位置（roll gap position）、入口和出口带材张力（entry and exit strip tensions）以及轧制速度（rolling speed）。不同的带材厚度规格和材料成分会改变这些参数对控制结果的影响程度。
针对不同的厚度公差要求，可采用不同的控制方法。现代轧机普遍采用液压操作系统，而Achenbach公司专利的SGC®系统（Spacer Gauge Control） 则代表了这一领域的前沿技术。SGC®系统采用特殊的传感器布置方案，测量支承辊轴承座（back-up roll chocks）之间的距离，将其作为伺服液压控制回路（servo-hydraulic control loop）中轧制力缸（roll force cylinders）的输入信号（Fig. 48）。
这一方法的核心思想是模拟一个”刚性机架”（stiff mill stand），即通过直接测量辊系变形量而非依赖传统的位置传感器，获得更快的系统响应时间，从而显著提高内环厚度控制的精度。SGC®系统主要用于”开辊缝”轧制（open gap rolling）工况。而对于以”闭辊缝”方式（closed gap）运行的箔材轧机，通常仅在轧制力缸上配置标准位置传感器即可满足要求。
SGC®控制系统的软件架构包含多个功能模块：预设与记录层（presetting and recording level）、SGC对话界面（SGC-Dialog）、质量流量控制（mass flow control）、前馈控制（feed-forward control）、反馈控制（feedback control）、位置控制（position control）、压力控制（pressure control）、校准（calibration）、辊缝计算（gap calculation）以及伺服阀控制（servo valve control）。这些模块协同工作，构建了一个从信号采集到执行动作的完整闭环控制系统。
四、质量流量控制——突破厚度精度极限
反馈控制与前馈控制
在所有铝轧机的出口侧均安装有一台厚度测量仪（strip thickness gauge），该测量仪可采用X射线型或辐射型。其测量读数用于对轧机厚度公差性能进行叠加的反馈控制（feedback control / monitor control）（Fig. 49）。在带材和薄带材轧机中，若在入口侧增设一台厚度测量仪，便可实现前馈控制（feed-forward control），从而获得更优的厚度公差表现。
质量流量控制原理
要实现比上述系统更优的厚度公差，需要引入质量流量控制（mass flow control），即在轧机入口侧和出口侧各增设一台带材速度测量仪（strip speed gauge）。
质量流量控制的基本原理建立在质量守恒定律之上。假设带材质量在轧制过程中保持恒定，则有：
$$h1 \cdot v1 = h2 \cdot v2$$
其中：h₁为入口厚度，v₁为入口速度，h₂为出口厚度，v₂为出口速度。
由此可推导出：
$$h2 = \frac{v1}{v2} \cdot h1$$
这意味着，只要精确测量入口厚度h₁、入口速度v₁和出口速度v₂，即可实时计算出出口厚度h₂，无需等待出口侧厚度测量仪的信号反馈。由于速度传感器的响应速度远快于厚度测量仪，质量流量控制能够建立一个动态响应更快的控制回路（dynamically faster control loop），从而显著提升厚度控制精度。
产量优化系统
箔材轧机的厚度控制主要通过调节带材后张力（strip back tension）和轧制速度（rolling speed）来实现。轧机运行速度越快、后张力越大，轧出的材料就越薄。为了优化这两个参数，箔材轧机通常配备产量优化系统（throughput optimisation system）（Fig. 50）。
其工作流程为：轧机加速至额定速度后，系统在保持带材厚度处于正确值的前提下，持续最大化带材速度，同时将后张力逐步降低至最低预设值。产量优化系统的控制逻辑需要在张力下限、张力控制上限和最大张力之间进行精细平衡——当张力超过控制上限时，系统会触发轧机停止；当厚度控制关闭时，系统同样会发出停机指令。
铝箔面积优化系统
铝箔主要以面积而非重量为单位进行销售，因此每一家轧机运营企业都致力于在相同的金属用量下获取最大的铝箔面积。面积优化系统（strip area optimisation, SAO）（Fig. 51）正是为实现这一目标而设计的。
SAO系统实时监控实际厚度偏差的三西格玛公差带（three-sigma tolerance band），并将设定值向公差带下限方向进行修正。这样，在不增加金属消耗的前提下，可以获得更多面积的铝箔产品——因为更薄的箔材意味着相同重量的铝可以生产出更大的面积。
偏心补偿
支承辊的偏心（back-up roll eccentricities）同样会影响出口带材厚度的精度。现代创新的偏心补偿技术（eccentricity compensation） 能够有效消除这一不利影响，进一步提升厚度控制的整体精度。
五、板形测量与控制——I-Unit体系与多回路协同
板形的定义与测量原理
在高轧制速度条件下，现代带材质量要求使得快速、精确的板形控制系统成为必需。操作人员已无法在轧制过程中肉眼观察板形偏差并进行手动修正，因此在线板形的精确测量至关重要。
带材板形（strip flatness）通过纵向条带之间延伸量的差异来定义，其度量单位为I-Unit：
$$1 \text{ I-Unit} = \frac{\Delta l}{l} \cdot 10^{-5}$$
考虑到以下近似关系对于铝带和铝箔足够精确：
$$\frac{\Delta l}{l} \approx \frac{\Delta \delta}{\delta}$$
其中Δl为带材长度差异，l为带材长度，Δδ为流动应力差异，δ为材料流动应力——因此，通过测量轧机出口侧偏转辊（deflector roll）上的应力分布，即可直接反映带材的板形状况。
三种板形测量辊设计
高灵敏度的板形测量辊通常采用以下三种测量原理之一：
- 分段式测量辊（segmented measuring roll）：在固定轴上安装旋转环，内部采用空气轴承（air bearing），通过双节流原理（double throttle principle）测量应力偏差。
- 全表面测量辊（full-face measuring roll）：在同心钻孔中安装压电式压力传感器（piezoelectric pressure sensors），通过中心孔进行电气连接，每转一圈在带材正下方位置测量一次应力值（Fig. 52）。
- 拉杆连接式分段测量辊：通过拉杆（tie-rod）连接的圆盘内含传感器，对经过其表面的带材应力产生响应。
三种设计各有利弊，应根据轧机的具体需求进行选择。一个关键的技术要点是：在带材边缘区域采用更窄的测量区宽度（26 mm），而在带材中心区域采用更宽的测量区宽度（52 mm），这对于准确评估真实板形轮廓（real strip flatness profile）具有显著优势（Fig. 53）。如果实际应力分布如图53a所示，26 mm测量区宽度的板形测量辊能够测得如图53b所示的精确应力轮廓，而52 mm测量区宽度的测量辊仅能获得平均值，其应力轮廓精度明显降低（图53c）。更宽的间距将提供不可用的结果。
四重控制回路
四辊轧机（four-high rolling mill）的板形控制系统由四个独立的控制回路组成（Fig. 54）：
- 倾斜控制回路（tilting control）：通过液压辊倾斜（hydraulic roll tilting）围绕轧机中心线来控制板形偏差的线性部分。
- VC辊/窜辊控制回路：板形偏差的二次部分由可膨胀支承辊（inflatable back-up roll）或轴向凸度工作辊横移（axially cambered work roll shifting）作为执行器进行控制。
- 弯辊控制回路（bending control）：通过正弯辊和负弯辊（positive and negative work roll bending）来控制板形偏差的四次指数部分。
- 冷却喷射控制回路（cooling control）：所有其他局部误差由精密的冷却剂喷射控制系统进行修正。
六辊轧机（six-high rolling mill）的板形控制系统还包含中间辊横移（intermediate roll shifting）和中间辊弯辊（intermediate roll bending）的附加控制回路。
所有控制回路均根据各轧机的特殊特性进行独立设定，各控制回路之间可能的相互干扰会被自动补偿。所有倾斜、弯辊、凸度调节和横移操作均由伺服液压控制回路实现，具有极快的动态响应速度，且其对带材板形的影响始终以带材中心线为轴对称分布。
冷却喷射控制——精细温度管理
冷却喷射控制（coolant spray control）是唯一可进行点状精确调节的控制手段，它对辊缝中的润滑条件具有快速影响，同时对整体热轮廓（thermal profile）具有长期影响。根据不同的轧制方案需求，可选用多种冷却控制策略：
- 简单系统仅包含单一控制算法，用于修正局部板形缺陷。
- 高级系统则将板形全貌和辊缝热场进行综合集成，既可以在最大板形误差时以最大冷却液量进行响应，也可以在恒定冷却液量条件下运行以实现带材温度均衡——后者能够提供更优的离线板形结果。
遵循以26 mm窄区精确测量带材边缘板形的逻辑，唯一能够控制边缘状况的执行器就是冷却喷射控制，前提是喷射梁（spray bars）能够精确调节至边缘区域。喷射梁的区域间距通常为26 mm和52 mm，与板形测量辊的布局相匹配。配备轴向可移动喷射梁的新型系统表现更为出色（Fig. 55），其在带材边缘处配有可移动喷嘴（movable nozzles）。
另一种热调节轧机以适应带材宽度的方法是在带材边缘线外侧引入所谓的”热喷射”（hot sprays）。这些附加喷嘴从外部向边缘区域传递热量，以防止如图53所示的”四分之一波浪”（quarter buckles）缺陷。
六、人机界面与数据预设
可视化系统
尽管大多数铝带和铝箔轧机通常以全自动模式运行，操作人员仍需对轧制状态拥有完美的全景式掌握。现代人机界面（man-machine interface）正是为此而设计的（Fig. 56）。
在在线显示画面上，轧制力、辊缝位置、弯辊力、辊倾斜或喷射模式等工艺参数均可通过软键（soft keys）进行手动覆盖。质量结果显示画面中的映射图（maps）允许对上一道次和当前道次的厚度和板形结果进行可视化对比。多种统计功能支持带材质量的图形化在线展示。所有显示画面均可即时存储或打印，主要用于持续质量控制目的。
数据预设与轧机模型
系统包含一个灵活的数据预设组件，可以在上一道次运行期间从”第3层”主机系统下载所有过程数据，也可以由操作人员逐项加载、设定和修改（Fig. 57）。
预设画面涵盖的关键参数包括：卷号（coil number）、订单号（order number）、带材宽度（strip width）、修边后带材宽度（trimmed strip width）、开卷机套筒直径（ring decoiler）、合金牌号（alloy）、入口厚度（entry thickness）、出口厚度（exit thickness）、轧机速度（mill speed）、最小/最大开卷张力（min/max decoiler tension）、参考曲线（reference curve）、基础润滑（base lubrication）、弯辊力（bending force）、轧制力（roll force）等。此外还提供弯辊自动、倾斜自动、VC辊自动等复选框选项，以及面积优化、前馈控制、力控制、穿带模式、板形预测控制、测量控制、位置控制等功能按钮。
启动参数与轧制记录
轧机带新卷启动时，系统根据卷材数据、实时过程数据和轧机状态，通过轧机模型计算出启动参数。这种预设的辊缝几何形状（preset roll gap geometry）能够确保在带卷加速阶段即获得最优的带材质量。
每卷带材都需要编制轧制记录，用于生产运营和质量控制。在每个道次期间，系统采集固定数量的生产和质量数据（Fig. 58），包括卷号、带材厚度、带材长度、带材宽度、日期、时间，以及板形随带材位置变化的曲线图。这些数据可以在线或离线进行展示和存储，支持统计数据显示、统计评估、道次记录和班次记录等多种形式。
七、远程服务——跨越距离的技术支持
远程服务功能（teleservice）已集成于自动化系统之中。通过电话网络，轧机制造商能够随时随地对系统进行在线访问，提供即时技术支持。远程服务的核心优势包括：
- 快速的错误分析与排除：无需等待技术人员到场，即可远程诊断故障原因并指导修复。
- 系统专家的实时协助：在复杂问题出现时，可直接获得系统设计专家的远程指导。
- 节约时间和降低停机成本：显著减少因系统故障导致的非计划停机时间（downtime），降低停机造成的经济损失。
远程服务支持两个层面的系统介入：
- 在线层面（on-line）：调整控制和可视化系统的所有在线功能，以及传动控制的所有参数。
- 离线层面（off-line）：传输数据文件和程序，用于软件更新、配置备份和参数优化。
八、对铝箔生产的启示
Achenbach的过程控制与自动化体系为铝箔生产提供了以下关键启示：
- 精度源于系统集成：厚度控制并非单一传感器或单一算法的任务，而是SGC®、质量流量控制、前馈/反馈控制、偏心补偿等多个子系统协同工作的结果。生产管理者应认识到，任何单一技术改进的效果都可能被其他环节的不足所抵消。
- 板形控制的多维度本质：板形偏差的线性、二次、四次和局部成分分别需要不同的执行器来应对，冷却喷射控制在边缘区域的精细调节能力是决定铝箔最终质量的关键因素。生产中应重视喷射系统的维护与校准。
- 面积优化的经济效益：SAO系统将厚度设定值向公差带下限偏移，看似微小的调整在大规模生产中可以带来显著的材料节约。这一理念值得推广到铝箔分切、复合等后续工序的质量控制中。
- 远程服务改变运维模式：teleservice技术使得轧机制造商能够跨越地理距离提供专业技术支持，这不仅缩短了故障处理时间，也为中小型铝箔企业获取高水平技术服务提供了可能。
- 数据驱动的持续改进：完善的轧制记录和统计分析功能为工艺优化提供了数据基础。企业应充分利用这些数据，建立从”记录”到”分析”到”改进”的持续优化闭环。
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基于 Achenbach《铝轧机技术》第4章整理