自动化与过程控制
> 本文基于Achenbach《铝轧机技术》(2002)整理，仅引用原文内容。
> 来源：Achenbach, Aluminium Rolling Mill Technology, 2002, Ch.4,6
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1. 自动化系统概述 (Introduction to Automation)
原文指出：由于其结构化的软件包代表了易于操作、操作员培训周期短、高可靠性、易维护和快速故障诊断，自动化系统是当前技术水平（state of the art）。由于其严格的模块化设计，系统可以根据客户要求进行单独适配，适用于新建轧机和现有轧机的改造（p.54）。
> 原文强调：另一个优势是通过调制解调器提供的直接支持功能，即远程服务（teleservice），在调试和优化期间的生产过程中使用。（p.54）
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2. 过程控制架构 (Process Control Architecture)
2.1 四级控制层次结构
技术控制系统通常分为四个层次（Fig. 47, p.54）：
第0层——基础自动化（Level 0 – Basic Automation）
基础自动化层控制以下设备（p.54）：
- 驱动装置（drives）
- 控制阀（controlled valves）
- 卷取机（Coiler）
- 轧机主驱动（Mill drive）
- 定径辊（Dimensioning roll）
第1层——过程控制（Level 1 – Process Controls）
过程控制层包含以下功能模块（p.54）：
- 监控参考控制（Monitor reference control）
- 冷却控制（Cooler control）
- 主驱动控制（Main drive control）
- 自动停车（Automatic shut down）
- 液压压下（Hydraulic screw down）
- 厚度控制（Gauge control）
- 辊型弯曲（Roll bending）
- 带材板形测量与控制（Strip flatness measurement and control）
- 带材厚度和速度测量（Strip thickness and strip speed measurement）
第2层——过程控制级（Level 2 – Process Control Level）
过程控制级提供以下功能（p.54）：
- 人机界面（Man-machine interface）
- 过程数据显示/操作（Process data display/operating）
- 诊断/故障排除（Diagnosis / trouble-shooting）
- 事件记录（Event logging）
- 预设和记录（Presetting and recording）
- 轧机建模（Mill modelling）
第3层——工厂生产与调度（Level 3 – Plant Production and Scheduling）
工厂级管理系统涵盖（p.54）：
- 销售订单与订单数据库（Sales orders, Sales order database）
- 物料计划（Material planning）
- 生产数据计划与工厂生产计划（Production data planning, Plant production planning）
- 工厂调度（Plant scheduling）
- 生产报告与数据评估（Production reporting, Production data evaluation）
- 生产订单与统计（Production orders, Production order statistics）
- 序列计划（Sequence planning）
- 生产跟踪（Production tracking）
2.2 轧机控制模式
所有运动和联锁以两种模式实现（p.55）：
| 模式 | 英文术语 | 用途 |
|---|---|---|
| 手动控制 | Manual control mode | 包含所有单个定位任务及其安全联锁，用于调试和维修 |
| 自动控制 | Automatic control mode | 序列将单个定位任务连接为动作链，如换卷、穿带和重卷、换辊、套筒处理等 |
> 原文指出：所有功能均在分散的智能终端中编程，允许独立的调试程序、诊断和维修断开。（p.55）
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3. 带材厚度测量与控制 (Strip Thickness Measurement and Control)
3.1 控制参数
带材厚度控制系统的控制参数包括（p.55）：
- 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）
- 轧制速度（rolling speed）
> 原文指出：较大或较小的带材厚度和材料成分会改变这些参数对控制结果的影响。（p.55）
3.2 SGC®（垫片厚度控制）系统
SGC®（Spacer Gauge Control） 是一项专利系统（Fig. 48, p.56），使用特殊传感器设置测量支撑辊轴承座之间的距离，作为伺服液压控制回路的输入信号。
> 原文解释：该方法模拟了一个”刚性”机架（”stiff” mill stand），允许非常快的响应时间，从而提高内环厚度控制的精度。它用于”开缝”轧制（”open gap” rolling），而以”闭缝”运行的箔材轧机仅配备标准位置传感器。（p.56）
3.3 反馈/监控控制 (Feedback/Monitor Control)
所有铝轧机在出口侧安装一台厚度计（Fig. 49, p.57）。该厚度计可以是X射线型或辐射型，其输出读数用于轧机带材厚度公差性能的叠加反馈或监控控制（superimposed feedback or monitor control）。
> 原文指出：在带材和薄带材轧机中，通过在入口侧增加一台厚度计，实现前馈控制（feed-forward control），可以实现更好的带材厚度公差结果。（p.57）
3.4 质量流量控制 (Mass Flow Control)
通过在轧机入口和出口侧增加带材速度计，使用质量流量控制可以获得比上述系统更好的公差。
基于质量守恒方程：
$$h1 \cdot v1 = h2 \cdot v2$$
其中：
- h₁：入口厚度（entry gauge）
- v₁：入口速度（entry speed）
- h₂：出口厚度（exit gauge）
- v₂：出口速度（exit speed）
假设带材质量保持不变，可以建立动态更快的控制回路：
$$h2 = \frac{v1}{v2} \cdot h1$$
3.5 产量优化系统 (Throughput Optimisation Systems)
箔材轧机的带材厚度控制通过变化带材后张力和轧制速度来实现。轧机运行速度越快，后张力增加越大，轧制材料就越薄（p.58）。
> 原文说明：为优化这两个参数，箔材轧机通常配备产量优化系统（Fig. 50）。将轧机加速至额定速度后，通过不断最大化带材速度，将后张力降低至最小预设值，同时保持带材厚度在正确值。（p.58）
3.6 带材面积优化 (Strip Area Optimisation)
铝箔主要按面积而非重量销售。因此，每家轧机运营公司都试图通过以最低允许公差极限的带材厚度轧制来最大化箔材面积（p.58）。
> 原文说明：优化系统监控实际厚度偏差的三西格玛公差带（three-sigma tolerance band），并修正参考值至下侧，以在相同金属量下获得更多面积。（p.58, Fig. 51）
3.7 偏心补偿 (Eccentricity Compensation)
支撑辊偏心（back-up roll eccentricities）影响出口带材厚度的精度。原文指出：当今，创新的偏心补偿方法允许补偿这种不良影响。（p.59）
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4. 带材板形测量与控制 (Strip Flatness Measurement and Control)
4.1 板形定义与测量原理
原文指出：当今的带材质量要求和高轧制速度使得现代快速板形控制系统成为必要。轧机操作员不再能够在轧制过程中看到板形偏差，因此无法进行手动校正。因此，需要快速而精确的在线板形测量（p.59）。
带材板形通过纵向条带伸长率之差定义，单位为I单位（I-Units）：
$$1 \text{ I-Unit} = \frac{\Delta l}{l} \cdot 10^{-5}$$
在以下近似条件下：
$$\frac{\Delta l}{l} \approx \frac{\Delta \delta}{\delta}$$
其中：
- Δl：带材长度差（difference of strip length）
- l：带材长度（strip length）
- Δδ：流动应力差（difference of flow stress）
- δ：材料流动应力（material flow stress）
> 原文说明：该近似对于铝带和铝箔足够精确，因此在轧机出口侧的偏转辊上测量应力分布可直接指示带材板形。（p.59）
4.2 测量原理
典型的高灵敏度带材板形测量辊设计使用以下三种测量原理之一（p.60）：
- 旋转环式分段测量辊：在固定轴上使用旋转环，内部采用空气轴承，通过双节流原理测量应力偏差
- 全表面测量辊：在同心钻孔中安装压电压力传感器，通过中心孔电气连接，每转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：使用拉杆连接的圆盘，包含对运行其上的带材应力做出反应的传感器
> 原文指出：一个重要事实是，与带材中心较宽区域（52 mm）相比，在带材边缘较窄区域（26 mm）的测量对于评估真实板形轮廓具有很大优势。（p.60）
测量区域宽度的影响（Fig. 53, p.61）：
- 实际应力分布如图53a所示
- 26 mm区域间距的测量辊可测得如图53b所示的适当应力轮廓
- 52 mm区域间距的测量辊仅能测得均值，得到如图53c所示的较不精确的应力轮廓
- 更宽的间距将提供不可用的结果
4.3 板形控制回路
四辊轧机的板形控制系统由四个独立控制回路组成（Fig. 54, p.62）：
| 控制回路 | 控制对象 | 执行器 |
|---|---|---|
| 线性部分 | 板形偏差的线性部分 | 液压辊系绕轧机中心线倾斜（hydraulic roll tilting） |
| 平方部分 | 板形偏差的平方部分 | 可膨胀支撑辊或轴向凸度工作辊窜动（inflatable back-up roll / axially cambered work roll shifting） |
| 四次指数部分 | 板形偏差的四次指数部分 | 正负工作辊弯曲（positive and negative work roll bending） |
| 局部误差 | 所有其他局部误差 | 精密冷却液喷射控制（coolant spray control） |
> 原文补充：六辊轧机的板形控制系统增加了中间辊窜动（intermediate roll shifting）和中间辊弯曲（intermediate roll bending）的控制回路。（p.62）
所有控制回路根据各轧机的特殊特性独立设置。各控制回路之间可能的干扰被补偿。所有倾斜、弯曲、凸度和窜动操作均由伺服液压控制回路完成，具有极高的动态响应速度。其对带材板形的影响始终相对于带材中心线对称（p.62）。
4.4 冷却液喷射控制 (Coolant Spray Control)
冷却液喷射控制是唯一可逐点调节的控制方式，对辊缝中的润滑条件有快速影响，对整体热轮廓有长期影响（p.63）。
原文列出了不同的冷却控制策略（p.63）：
- 简单系统：仅包含单一控制算法来纠正局部板形缺陷
- 复杂系统：整合带材和辊缝的整体板形和热图像，允许系统在最大板形误差时以最大冷却液量响应，或以恒定冷却液量运行以实现均匀带材温度——此方法提供更好的离线板形结果
喷射梁规格（p.63）：
- 区域间距：26 mm和52 mm，与板形测量辊布局一致
- 新型系统配备轴向可移动喷射梁（axially shiftable spray bars）（Fig. 55），在带材边缘效果更佳
> 原文还提到：热调节轧机至带材宽度的另一种方法是在带材边缘线外引入所谓的”热喷射”（hot sprays），这些附加喷嘴将热量从外部传递到边缘区域，以防止”四分之一波浪”（quarter buckles）。（p.63）
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5. 人机界面与可视化 (Man-Machine Interface: Visualisation)
原文指出：尽管大多数铝带和铝箔轧机通常以全自动模式运行，操作员仍应完美掌握轧制状态。现代人机界面据此设计（p.64）。
在线显示功能（Fig. 56, p.64）：
- 轧机实际状态的在线显示
- 技术参数（轧制力、辊位、辊弯曲、辊倾斜或喷射模式）可通过软键覆盖
- 质量结果显示的映射图允许将上一道次与当前道次的厚度和板形结果进行视觉比较
- 多种统计功能允许带材质量的图形化在线演示
- 所有显示画面可立即存储或打印，主要用于持续质量控制
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6. 数据预设与轧机建模 (Data Presetting and Mill Modelling)
6.1 数据预设系统
数据预设包含一个灵活的组件，其中所有过程数据可以单独加载、设置和修改，或在最后一个道次运行期间从”第3层”主机系统下载（Fig. 57, p.65）。
预设参数包括（Fig. 57）：
- 带卷号（Coil Number）、订单号（Order Number）
- 带材宽度（Stripwidth）、修边后带材宽度（Trimmed Stripwidth）
- 开卷机环径（Ring Decoiler）、合金（Alloy）
- 入口厚度（Entry Thickness）、出口厚度（Exit Thickness）
- 轧机速度（Mill Speed）
- 最小/最大开卷机张力（Min/Max Decoiler Tension）
- 参考曲线（Reference Curve）
- 基础润滑（Base Lubrication）
- 弯曲力（Bending Force）、轧制力（Roll Force）
- 复选框：弯曲自动、倾斜自动、VC自动
- 按钮：带材面积优化、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
6.2 启动参数
> 原文说明：新带卷的轧机启动由从带卷数据、实际过程数据和轧机模型中的轧机状态计算的参数执行。该预设辊缝几何形状保证了从带卷加速阶段开始即实现最佳带材质量。（p.65）
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7. 记录系统 (Recording)
原文指出：出于运营和质量控制原因，必须准备每条带材的记录。在每个道次期间，系统收集固定数量的生产和质量数据（Fig. 58, p.66）。
记录功能包括：
- 统计数据显示（statistical data display）
- 统计评估（statistical evaluation）
- 道次和班次记录（pass and shift record）
记录参数（Fig. 58）：
- 带卷号、带材厚度（µm）、带材长度（m）、带材宽度（mm）、日期、时间
- 板形（I-Unit）与带材位置（m）的关系图
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8. 远程服务 (Teleservice)
远程服务功能集成在系统中。通过电话网络提供对系统的在线访问。轧机制造商能够随时随地提供服务（p.67）。
远程服务的优势：
- 快速错误分析和消除（prompt error analysis and elimination）
- 系统专家协助（help by system specialists）
- 节省时间和高成本的系统停机时间（saving of time and cost-intensive system down time）
远程服务的两个介入级别（p.67）：
| 级别 | 英文术语 | 功能 |
|---|---|---|
| 在线 | On-line | 调整控制和可视化的所有在线功能，以及驱动控制的所有参数 |
| 离线 | Off-line | 传输数据文件和程序 |
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9. 未来技术发展趋势 (Future Developments)
9.1 总体发展方向
原文指出：在过去几十年中，针对不同金属、不同材料厚度和不同自动化水平的轧机已经开发出来。没有出现具有全新技术方法的重大突破，而是大量小的发展步骤导致了生产力、产品质量和系统可靠性的巨大提高。未来的发展指向同一方向（p.80）。
> 原文总结：出现在地平线上的不是一台新机器，而是不同技术领域中新思想的智能组合，提供了更现代的铝带轧机世代。（p.80）
9.2 三大基本方法
原文提出未来发展的三大基本方法（p.80–81）：
1. 问题解决模块的集成 (Integration of Problem Solving Modules)
结合过程自动化、带材厚度和板形控制、机械系统和驱动技术的元素，形成集成的问题解决模块。
> 原文预测：自动化系统将在硬件和软件配置方面完全现代化。所有轧机的驱动系统将转变为交流变频控制转换器技术（AC frequency controlled converter technology）。尽管这一发展过程才刚开始，但可以预见它将在至少五年内成为技术水平。机械齿轮的数量将随之减少。（p.80）
2. 辊流优化 (Optimisation of the Roll Flow)
集成到辊流工艺中的包括带材和带卷处理步骤，旨在减少处理时间；轧机中心部分的某些模块，如全自动带材送入装置和轧制油管理（p.81）。
3. 新材料开发 (Development of New Materials)
磨损更少、变形程度更高的新材料正在进入市场。它们将被持续整合到轧机的机械设计中。
> 原文指出：需要进行测试以证明其可靠性足以达到20年或更长的使用寿命。未来发展基于各种技术和工艺研究努力。在这一领域，与多所技术大学的积极合作至关重要。（p.81）
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10. 自动化系统技术指标总结
根据原文内容，Achenbach轧机自动化系统的关键指标如下：
| 系统/功能 | 关键指标 | 原文参考 |
|---|---|---|
| 控制层次 | 4级结构（Level 0–3） | Fig. 47, p.54 |
| SGC®厚度控制 | 专利系统，模拟刚性机架 | p.56 |
| 质量流量控制 | h₂ = (v₁/v₂)·h₁ | p.57 |
| 板形测量 | 1 I-Unit = (Δl/l)·10⁻⁵ | p.59 |
| 测量区域宽度 | 边缘26 mm / 中心52 mm | p.60 |
| 板形控制回路 | 4个独立回路（四辊）/ 6个（六辊） | p.62 |
| 冷却喷射区域 | 26 mm和52 mm间距 | p.63 |
| 远程服务 | 电话网络在线访问 | p.67 |
| 驱动技术趋势 | AC变频控制转换器技术 | p.80 |
| 新材料寿命目标 | ≥20年 | p.81 |
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参考文献
- Achenbach Buschhütten GmbH, Aluminium Rolling Mill Technology, verlag moderne industrie, 2002, ISBN 3-478-93276-9
- 原文Fig. 47–58, pp. 54–67；Chapter 6, pp. 80–81