熱鍍鋅線鋅層厚度的新型控制方法簡介

 前 言 
　　我們知道，熱鍍鋅產(chǎn)品具有很強(qiáng)的抗腐蝕性和良好的外觀，因此，其應(yīng)用越來越廣泛，它不僅可應(yīng)用于建筑行業(yè)，更主要地可應(yīng)用于汽車制造業(yè)。寶鋼1550mm冷軋熱鍍鋅生產(chǎn)線就是一條用于制造高品質(zhì)汽車板的生產(chǎn)線。隨著熱鍍鋅產(chǎn)品應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，人們對它的要求也在不斷地提高。 
在熱鍍鋅線上所有的控制系統(tǒng)中，鍍層厚度控制系統(tǒng)是一個非常重要的部分。其控制精度的優(yōu)劣將直接影響熱鍍鋅板的質(zhì)量。目前，多數(shù)生產(chǎn)線對鍍層厚度的控制依然主要采用傳統(tǒng)的控制方法，即由操作人員依據(jù)經(jīng)驗對設(shè)定值進(jìn)行手工調(diào)整。由于手工干預(yù)會因操作人員的不同而不同，因而不可避免地會引起鋅層厚度上的偏差，從而使得鋅層過薄，zui終導(dǎo)致鍍鋅產(chǎn)品質(zhì)量下降。 
針對以上問題，在寶鋼1550mm熱鍍鋅機(jī)組中，西門子公司利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)出的控制模型，為解決鍍層厚度控制的問題提供了一個既經(jīng)濟(jì)又實用的綜合方案。 
2 鍍層厚度的控制 
　　西門子公司提供的鍍層厚度控制系統(tǒng)采用的是控制器加冷態(tài)測厚儀的方法，如圖1所示。 
圖1 鍍層厚度控制原理圖鍍層厚度控制的執(zhí)行單元為氣刀。氣刀是兩個沿帶鋼寬度方向布置在帶鋼兩面的噴嘴，其控制鍍層的因素主要有：噴嘴吹掃氣體的壓力和噴嘴與帶鋼的距離。鍍層厚度控制的反饋單元為鍍層測厚儀，因其安裝位置的不同可分為熱態(tài)測厚儀和冷態(tài)測厚儀。熱態(tài)測厚儀安裝在氣刀的上方，緊挨著氣刀。由于在此位置它的反應(yīng)zui及時，因而控制zui靈敏，幾乎無滯后。但是，由于其安裝的位置溫度高，測量的精度有限；同時，因靠近氣刀，帶鋼抖動嚴(yán)重，對測量也不利；而且，熱態(tài)測厚儀只能對帶鋼中心線的鍍層厚度進(jìn)行測量，對帶鋼邊部的鍍層厚度無法進(jìn)行測量。而由于冷態(tài)測厚儀安裝在出口段質(zhì)量檢查臺處，可以對帶鋼沿寬度方向上鍍層厚度的分布進(jìn)行測量，且此處工作環(huán)境好、檢修方便、測量精度也高。當(dāng)然，由于冷態(tài)測厚儀安裝的位置與氣刀距離太遠(yuǎn)，反饋信號的滯后時間較長，從而對提高控制精度有一定影響。 
1.1 控制模型的建立 
影響鍍層厚度的主要因素有： 
(1) 帶鋼速度v 
帶鋼預(yù)設(shè)定截面下的zui大速度為恒定值，因此有利于壓力和距離點的操作。 
(2) 壓力p和距離a 
噴嘴吹掃空氣壓力和噴嘴與帶鋼之間的距離為可調(diào)節(jié)的變量。通過改變此二變量可以實現(xiàn)對鍍層厚度的控制。 
(3) 噴嘴形式 
由于每種形式的噴嘴均采用不同的模型，因此每個噴嘴的性能都可得到考慮，且模型的切換可以在線完成。 
(4) 設(shè)備參數(shù)的改變 
所有在建立模型時未考慮到的影響鍍層厚度的因素均可由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動學(xué)習(xí)，并相應(yīng)予以補(bǔ)償。 
通過上述因素v、p、a可建立起鍍層厚度的控制模型： 
c=f(v,p,a) 
以上特性曲線函數(shù)關(guān)系式描述了鍍層厚度c與參數(shù)v、p、a之間的關(guān)系，而其算法采用模糊控制算法。 
由此可見，控制器可以根據(jù)有關(guān)的工藝參數(shù)，如機(jī)組速度、帶鋼尺寸、鍍層厚度等的目標(biāo)值，計算出壓力p及間距a的預(yù)設(shè)定值，從而為鍍層厚度控制器提供一個前饋控制。當(dāng)機(jī)組速度、帶鋼尺寸、鍍層厚度等設(shè)定值突然發(fā)生變化時，這種前饋控制是非常必要的。另外，通過冷態(tài)鍍層測厚儀的測量值，給控制器提供了反饋信號，并可對控制模型中的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 
在實際運(yùn)行時， 由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的在線學(xué)習(xí)及自適應(yīng)能力(圖2)， 可以通過神經(jīng)元的學(xué)習(xí)完成對設(shè)備的確認(rèn)，記 
圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)及自適應(yīng)功能 
錄下冷態(tài)檢測設(shè)備的檢測結(jié)果，得出控制模型所算出的設(shè)定值允許波動的范圍，從而保證了控制的平滑性。由于具有在線學(xué)習(xí)功能，模型可以根據(jù)實際條件的變化情況進(jìn)行自動調(diào)整，從而不斷獲得高準(zhǔn)確度的計算結(jié)果。1.2 鍍層厚度控制的有關(guān)部件 
鍍層厚度的自動控制是由以下有關(guān)部件實現(xiàn)的： 
● 控制模型 
● 壓力設(shè)定值的預(yù)控 
● 監(jiān)視控制回路 
● 帶鋼上/下表面的鍍層控制 
● 操作點的自動確定 
● 壓力調(diào)節(jié)回路 
● 鍍層厚度檢測設(shè)備 
下面分別對各有關(guān)部件進(jìn)行簡單的介紹。 
(1) 控制模型 
利用反向過程模型，變量p、a的設(shè)定值可以根據(jù)函數(shù)c=f(v,p,a)及實際的帶鋼速度予以確定。這一部分在前面有關(guān)內(nèi)容中已經(jīng)介紹過。 
(2) 壓力設(shè)定值的預(yù)控 
控制系統(tǒng)通過反向過程模型計算出設(shè)定值，再根據(jù)帶鋼上/下表面的不同而加以調(diào)整。設(shè)定值將送往下級調(diào)節(jié)回路，并由焊縫跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行控制。 
(3) 監(jiān)視控制回路 
由預(yù)設(shè)定值規(guī)定的鍍層參數(shù)中已含有一定的裕量，極限值則可以zui終由操作決策人員確定。通過監(jiān)視控制回路，所設(shè)定的鍍層參數(shù)可以慢慢地調(diào)節(jié)到該極限值。 
壓力設(shè)定值的預(yù)控及監(jiān)視控制回路的控制原理框圖如圖3所示。 
圖3 預(yù)控及監(jiān)視回路的控制原理框圖 
(4) 帶鋼上/下表面的鍍層控制 
對于鍍層而言，模型會計算出上/下表面的距離。這樣，在相同的噴射壓力下，就會獲得不同的鍍層厚度(圖4)。 
圖4 帶鋼兩面鍍層控制原理框圖 
(5) 操作點的自動確定 
根據(jù)不同的操作點和計算設(shè)定值的改變量，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算出壓力和距離的修正值，并傳送到下級控制回路。當(dāng)新的壓力設(shè)定值超出操作范圍時，噴嘴距離會被自動調(diào)整。 
(6) 局部影像和焊縫跟蹤 
該功能可記錄所有的測量值和其局部基準(zhǔn)值，并通過集成的焊縫跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)影像同步。 
(7) 壓力控制回路 
壓力控制回路由上一級的神經(jīng)模糊預(yù)控和下一級的壓力控制回路組成。該預(yù)控功能可在更換鍍層規(guī)格時實現(xiàn)時間的*化。 
(8)鍍層厚度檢測設(shè)備 
實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和預(yù)控系統(tǒng)的功能的前提條件是配備橫向冷態(tài)檢測儀檢測設(shè)備。在帶鋼檢測位置：“帶鋼右側(cè)”、“帶鋼左側(cè)”、“帶鋼中間”處，在給定的檢測周期內(nèi)所檢測到的鍍層厚度的平均值被傳送到鍍層厚度控制系統(tǒng)。 
3 控制結(jié)果及系統(tǒng)評價 
下面，介紹一下寶鋼1550熱鍍鋅機(jī)組采用手動和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種操作方式時鍍層厚度的變化情況，并將進(jìn)行比較。 
3.1 控制結(jié)果 
采用傳統(tǒng)的手動操作方式，即手動調(diào)節(jié)設(shè)定值的操作方式通常會造成鍍層厚度因操作員的改變而發(fā)生偏差的情況，圖5 
圖5 采用手動操作方式的結(jié)果便是速度發(fā)生細(xì)微改變(從50m/min到53m/min)時造成鍍層厚度超出設(shè)定極限值的實例。 
圖6是采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后的操作實例，由圖中可以看到：即使速度變化較大(如從102m/min升至117m/min)，鍍層的厚度也不會超出極限值。圖6 采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)操作方式的結(jié)果 
由于采用了過程模型，設(shè)定值可以根據(jù)速度的變化情況進(jìn)行同步修正。該過程模型的鍍層厚度設(shè)定值如發(fā)生變化，則壓力p和距離a新的設(shè)定值會由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)先確定。因設(shè)定值傳送到下一級的控制回路的時間是*化的，鍍層的過渡厚度會變得盡可能的短。為了在zui短的時間內(nèi)使自動壓力控制趨于穩(wěn)定，壓力控制器執(zhí)行元件的輸出還會受到模糊功能的控制(此結(jié)果是根據(jù)德國Thyssen鋼廠FBA13#熱鍍鋅線的實際生產(chǎn)記錄的) 
4 系統(tǒng)評價 
通過以上說明可以看出，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制鍍層厚度有以下優(yōu)點： 
(1) 當(dāng)鍍層厚度規(guī)格變化時，或鍍層速度發(fā)生改變時，或由于自學(xué)模型進(jìn)行在線調(diào)整而改變設(shè)備參數(shù)時，都可以實現(xiàn)均勻的鍍層厚度控制，從而使產(chǎn)品的質(zhì)量得到保證。 
(2) 不需要熱態(tài)檢測設(shè)備。 
(3) 具有很高的經(jīng)濟(jì)效益，具體表現(xiàn)在： 
● 在滿足標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的zui小鍍層厚度的前提下實現(xiàn)了操作的*化； 
● 更換鍍層厚度規(guī)格時，使過渡厚度zui小化； 
● 能始終保持允許的zui小鍍層厚度，而不會因操作人員的改變而發(fā)生任何變化； 
● 無需操作人員的干預(yù)即可自動適應(yīng)設(shè)備參數(shù)的改變； 
● 解放了操作人員。