彩色涂层钢板生产线的带钢悬垂度控制
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摘要
彩色涂层钢板(简称彩板)即有机涂层钢板，又称之为预涂层钢板。但是，高端产品的市场在国内还是处于起步阶段。例如工艺上由辊涂新增了覆膜、压花和印花，品种上由最初的预涂钢板(PCM)发展到彩色层压板(VCM)以及环保彩色钢板(ECM)等，国内关键技术还没有攻克，大多数彩涂生产线都需要引进国外技术，依靠国外力量。
本论文结合广东韩江钢板有限公司“韩江钢板2#彩涂生产线电控设备设计和制造”项目，通过分析得出垂度控制的效果将是提高产品的合格率、改善产品品质的关键措施，烘烤段垂度控制的主要任务就是保证带钢在启动、运转和停机的时候保证其运作平整，不会发生刮壁磨损现象。它是提高钢带生产成品率的核心部分，因此选定烘烤段垂度控制系统为本课题主要的研究对象。
本系统欲通过对炉外带钢某一点的悬垂度检测来控制张紧辊附加张力给定电流值以实现对最低点距炉底距离底控制。本课题介绍了超声波传感器检测的基本工作原理和操作方法，选用一通用性比较好的超声波传感器进行电路设计，分别用PLC和单片机进行控制，提供基本设计方案，并通过理论推导和参考实验数据的方法进行比较分析。
根据烘烤段实际结构，画出系统的控制模型，然后通过数学推理分析带钢的悬垂度与张力，速度及执行构件之间的数学关系，结合课题实际情况建立出控制对象的数学模型以及干扰的传递函数。并利用先进控制方法(IMC控制方法)设计出IMC控制器，以该控制器对悬垂度进行控制，并通过仿真软件Simulink的仿真。在设计的控制器的时候提出了模型失配情况的处理，并根据模型失配的情况设计符合IMC控制理论的IMC控制器并进行模拟仿真。
Color printed steel in another name is precoated steel.But the technology of precoated in our country is just at the beginning. For example that the Precoated Color Material (PCM) has developed to Vinyl Chloride Monomer (VCM) and also the Electronic Counter Measures Steel(ECM), but the key technology were still not captured yet. Most of the steel product line need to indraught the technology from oversea or depend on the power of aboard.
This thesis derives from the project "Design and Manufacture of Electric Control Device of Hanjiang 2# Precoated Steel Product Line". It comes out to be that the effect of catenary control is the crucial measure to improve the quality of products through analysis. As stable catenary control of the steel during stars and stops are the core of uncoiling part auto-control, uncoiler constant catenary control is chosen as the main research object.
In these system, we try to detect one point outside of the steel to get its Catenary in order to control the speed of the roller by the current. This thesis discusses on the catenary control system controlled by tension control and through the ultrasonic detecting device.
This thesis shows out the basic principle and the working instrument of ultrasonic detecting device, and build up a high quality and precision during detecting through the way of experimentation. Then, by mathematic analysis, consequence the relation between catenary and tension, moreover, we use another control theory (IMC control theory) to control the catenary and emulated by Simulink and make up the modules of detective and controller.
本论文结合广东韩江钢板有限公司“韩江钢板2#彩涂生产线电控设备设计和制造”项目，通过分析得出垂度控制的效果将是提高产品的合格率、改善产品品质的关键措施，烘烤段垂度控制的主要任务就是保证带钢在启动、运转和停机的时候保证其运作平整，不会发生刮壁磨损现象。它是提高钢带生产成品率的核心部分，因此选定烘烤段垂度控制系统为本课题主要的研究对象。
本系统欲通过对炉外带钢某一点的悬垂度检测来控制张紧辊附加张力给定电流值以实现对最低点距炉底距离底控制。本课题介绍了超声波传感器检测的基本工作原理和操作方法，选用一通用性比较好的超声波传感器进行电路设计，分别用PLC和单片机进行控制，提供基本设计方案，并通过理论推导和参考实验数据的方法进行比较分析。
根据烘烤段实际结构，画出系统的控制模型，然后通过数学推理分析带钢的悬垂度与张力，速度及执行构件之间的数学关系，结合课题实际情况建立出控制对象的数学模型以及干扰的传递函数。并利用先进控制方法(IMC控制方法)设计出IMC控制器，以该控制器对悬垂度进行控制，并通过仿真软件Simulink的仿真。在设计的控制器的时候提出了模型失配情况的处理，并根据模型失配的情况设计符合IMC控制理论的IMC控制器并进行模拟仿真。
Color printed steel in another name is precoated steel.But the technology of precoated in our country is just at the beginning. For example that the Precoated Color Material (PCM) has developed to Vinyl Chloride Monomer (VCM) and also the Electronic Counter Measures Steel(ECM), but the key technology were still not captured yet. Most of the steel product line need to indraught the technology from oversea or depend on the power of aboard.
This thesis derives from the project "Design and Manufacture of Electric Control Device of Hanjiang 2# Precoated Steel Product Line". It comes out to be that the effect of catenary control is the crucial measure to improve the quality of products through analysis. As stable catenary control of the steel during stars and stops are the core of uncoiling part auto-control, uncoiler constant catenary control is chosen as the main research object.
In these system, we try to detect one point outside of the steel to get its Catenary in order to control the speed of the roller by the current. This thesis discusses on the catenary control system controlled by tension control and through the ultrasonic detecting device.
This thesis shows out the basic principle and the working instrument of ultrasonic detecting device, and build up a high quality and precision during detecting through the way of experimentation. Then, by mathematic analysis, consequence the relation between catenary and tension, moreover, we use another control theory (IMC control theory) to control the catenary and emulated by Simulink and make up the modules of detective and controller.
引文
[1] 包斯文．中国高档彩涂板市场潜力巨大．[J]．《中国冶金报》，2005．1
[2] 张译中．彩涂板市场发展及国内外主要厂家对比．[J]．《轧钢》，2004．6
[3] 宋加．浅谈彩涂板生产．[J]．《南方钢铁》，2000．8
[4] 宋加．彩涂板技术发展及我国生产概况．[J]．《轧钢》，2002．2
[5] 范世儒，孙长田．彩涂板生产工艺．[J]．《鞍钢技术》，2004．4
[6] 王成晓，安德福．发展中的彩色涂层钢板生产．《天津冶金》，2004．6
[7] 贾永君，张玲兰，尚明磊，金旭芳．国内彩徐线现状及前景．《制造业自动化》，2003．12
[8] 刘德成．数字技术在宝钢1号彩涂机组垂度控制中的应用．[J]《钢铁》2002．10
[9] 方明顺，吕增健，钱国强．带式输送机悬垂度与倾角分析．[J]．焦作大学学报．2000年9月第3期。
[10] 张登成，唐硕．悬垂线理论在拖曳系统中的应用研究．[J]．飞行力学．2005年6月第23卷第2期。
[11] 张芮，张卫，黄鑫，唐来钢．变化率限幅技术在卷取机张力控制中的应用．[J]．《冶金自动化》，2000．5
[12] 王春选，蒋文滨．大张力卷取机的参数计算及分析．[J]．《山西机械》1999年增刊
[13] 宁宇．提高卷取机张力控制精度的实用技术．[J]．《有色设备》，2000．2
[14] 孙敏．梅钢热轧卷取机控制系统的设计思想．[J]．《制造业自动化》，2002．10
[15] 蔡方伟，吴章维，刘珧，魏成文．基于SIMADYND的宝钢热轧卷取机控制系统．[J]．《冶金自动化》，2002．2
[16] 刘美霞．卷取机EPC控制系统数学模型的确定及其动态特性．[J]．《机械》，2001．5
[17] 高键，李众，李彦．卷取机递变张力PLC控制系统．[J]．《机械研究与应用》，1999．12
[18] 杜岩，唐谦，李冰．钢带传动系统的设计．[J]．《机械设计与制造》．2002．2第一期
[19] 陈穹，李光煜，孙明，何凤梅．钢带传动系统分析与研究．[J]．《煤矿机械》．2005年第5期。
[20] 李建华．钢带生产线上立辊轧机改造．[J]．《冶金设备管理与维修》．2003．3第21卷。
[21] 陈志平，王炳源，张季平，周千恂．钢带长距离精密传动的应用研究．[J]．《研究．开发》．2002．6第40卷第454期。
[22] 西门子(中国)自动化与驱动集团编．深入浅出西门子S7-300 PLC[M]．北京：北京航天航空大学出版社，2004
[23] Siemens AG．STEP V5．3编程手册，2004
[24] Siemens AG. S7-400 Instruction List, 2004
[25] Siemens AG. STEP 7-Ladder Logic for S7-300 and S7-400,2004
[26] Siemens AG. System Software for S7-300/400 System and Standard Functions, 2004
[27] Hakan Koc, Dominique Knitel, Michel de Mathelin, Gabriel Abba. Modeling and Robust Control of Winding Systems for Elastic Webs. 1063-6536@20002 IEEE
[28] 谢春德，马永宽，梁万福，黄宇．邯钢冷轧彩涂线技术装备及改进．[J]．《冶金设备》，2004．2
[29] John M Bentley等. SENSORLESS TENSION CONTROL IN PAPER MACHINES[C], 2002 Annual Pulp and PAPER Industry Technical Conference, Toronto, ON, C anada, June 17-21, 2002
[30] Hong-Hee Lee, 等. A study on speed synchronization for multi-motors using controller area-network[C]. Korea-Russia Int'l Sympon Science and Tech, Proceedings of the 4th, 2000 vol.2
[31] 魏乐．面向工业过程的IMC-PID控制器设计．[J]．《华北电力大学学报》．2003年5月第30卷第3期。
[32] 周抑涛，刘开培．内模控制在串级系统中的应用．[J]．《福建电力与电工》．2005年3月，第25卷第1期。
[33] 秦继荣，沈安俊．现代直流伺服控制技术及其系统设计．[M]北京：机械工业出版社，1991
[34] 孙串友，孙晓斌编著．感测技术基础[M]．电子工业出版社．2001
[35] 王智中．感应电动机的闭环控制系统设计．[J]《控制系统》2006年4月，第25卷第1期
[36] Laroche, E; Koc, H; Knittel, D; De Mathelin, M. Web winding system robustness analysis via/sp1 mu/-analysis. Control Applications, 2001. (CCA 01). Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on, 2001 Page(s):948～953
[37] Tetsuzo Sakamoto, Yoshikazu Fujino. MODELING AND ANALYS OF A WEB TENSION CONTROL SYSTEM. IEEE Catalog Number. 95THS081
[38] 孙一康．带钢热连轧数学模型基础[M]．北京：冶金工业出版社，1979
[39] 唐志祥．卷筒包装材料的张力分析[J]．包装工程，1999，(3)：17～18
[40] 王炎生．有零极点的系统的一种截尾降阶方法[J]．控制与决策，1996，11(2)：72～74
[41] 孙华，肖志杰，甘朝晖．卷取张力控制系统仿真[J]．计算机仿真，2004，21(10)：182～184
[42] 刘蓉，吕震中．基于内模PID控制的球磨机负荷控制系统的设计．[J]．《电力设备》．2005．1，第6卷第1期
[43] 潘笑，钟神勃．基于IMC的PID控制器的设计实现．[J]．《计算机仿真》．2005．8
[44] 刘红军，韩璞，孙海蓉，姚万业．基于内模控制的PID控制器的设计[J]．《计算机仿真》2004．5计．计算机仿真2004．5
[45] 汤志坚，张学瑕．宝钢2彩涂机组过程计算机系统进程通讯的实现．[J]．《宝钢技术》，2003．4
[46] 王树青．先进控制技术．[M]．北京：化学工业出版社，2001．
[47] 邵惠鹤．工业过程高级控制[M]．上海：上海交通大学出版社，1997
[48] 王东风，王剑东，韩璞，于希宁，基于内模原理的PID控制器参数整定[R] 华北电力大学学报 2003．7
[49] John M Bentley等.SENSORLESS TENSION CONTROL IN PAPER MACHINES[C]. 2002 Annual Pulp and Paper Industrial Technical Conference, Toronto, Canada, 2002
[50] T. Chino等.Advanced Process control Technologies forContinuous Annealing Line and Galvanizing Line[J].川崎制铁技报，1999，31(4)
[51] 崔坚，李佳．西门子工业网络通信指南[M]．北京：机械工业出版社，2004
[2] 张译中．彩涂板市场发展及国内外主要厂家对比．[J]．《轧钢》，2004．6
[3] 宋加．浅谈彩涂板生产．[J]．《南方钢铁》，2000．8
[4] 宋加．彩涂板技术发展及我国生产概况．[J]．《轧钢》，2002．2
[5] 范世儒，孙长田．彩涂板生产工艺．[J]．《鞍钢技术》，2004．4
[6] 王成晓，安德福．发展中的彩色涂层钢板生产．《天津冶金》，2004．6
[7] 贾永君，张玲兰，尚明磊，金旭芳．国内彩徐线现状及前景．《制造业自动化》，2003．12
[8] 刘德成．数字技术在宝钢1号彩涂机组垂度控制中的应用．[J]《钢铁》2002．10
[9] 方明顺，吕增健，钱国强．带式输送机悬垂度与倾角分析．[J]．焦作大学学报．2000年9月第3期。
[10] 张登成，唐硕．悬垂线理论在拖曳系统中的应用研究．[J]．飞行力学．2005年6月第23卷第2期。
[11] 张芮，张卫，黄鑫，唐来钢．变化率限幅技术在卷取机张力控制中的应用．[J]．《冶金自动化》，2000．5
[12] 王春选，蒋文滨．大张力卷取机的参数计算及分析．[J]．《山西机械》1999年增刊
[13] 宁宇．提高卷取机张力控制精度的实用技术．[J]．《有色设备》，2000．2
[14] 孙敏．梅钢热轧卷取机控制系统的设计思想．[J]．《制造业自动化》，2002．10
[15] 蔡方伟，吴章维，刘珧，魏成文．基于SIMADYND的宝钢热轧卷取机控制系统．[J]．《冶金自动化》，2002．2
[16] 刘美霞．卷取机EPC控制系统数学模型的确定及其动态特性．[J]．《机械》，2001．5
[17] 高键，李众，李彦．卷取机递变张力PLC控制系统．[J]．《机械研究与应用》，1999．12
[18] 杜岩，唐谦，李冰．钢带传动系统的设计．[J]．《机械设计与制造》．2002．2第一期
[19] 陈穹，李光煜，孙明，何凤梅．钢带传动系统分析与研究．[J]．《煤矿机械》．2005年第5期。
[20] 李建华．钢带生产线上立辊轧机改造．[J]．《冶金设备管理与维修》．2003．3第21卷。
[21] 陈志平，王炳源，张季平，周千恂．钢带长距离精密传动的应用研究．[J]．《研究．开发》．2002．6第40卷第454期。
[22] 西门子(中国)自动化与驱动集团编．深入浅出西门子S7-300 PLC[M]．北京：北京航天航空大学出版社，2004
[23] Siemens AG．STEP V5．3编程手册，2004
[24] Siemens AG. S7-400 Instruction List, 2004
[25] Siemens AG. STEP 7-Ladder Logic for S7-300 and S7-400,2004
[26] Siemens AG. System Software for S7-300/400 System and Standard Functions, 2004
[27] Hakan Koc, Dominique Knitel, Michel de Mathelin, Gabriel Abba. Modeling and Robust Control of Winding Systems for Elastic Webs. 1063-6536@20002 IEEE
[28] 谢春德，马永宽，梁万福，黄宇．邯钢冷轧彩涂线技术装备及改进．[J]．《冶金设备》，2004．2
[29] John M Bentley等. SENSORLESS TENSION CONTROL IN PAPER MACHINES[C], 2002 Annual Pulp and PAPER Industry Technical Conference, Toronto, ON, C anada, June 17-21, 2002
[30] Hong-Hee Lee, 等. A study on speed synchronization for multi-motors using controller area-network[C]. Korea-Russia Int'l Sympon Science and Tech, Proceedings of the 4th, 2000 vol.2
[31] 魏乐．面向工业过程的IMC-PID控制器设计．[J]．《华北电力大学学报》．2003年5月第30卷第3期。
[32] 周抑涛，刘开培．内模控制在串级系统中的应用．[J]．《福建电力与电工》．2005年3月，第25卷第1期。
[33] 秦继荣，沈安俊．现代直流伺服控制技术及其系统设计．[M]北京：机械工业出版社，1991
[34] 孙串友，孙晓斌编著．感测技术基础[M]．电子工业出版社．2001
[35] 王智中．感应电动机的闭环控制系统设计．[J]《控制系统》2006年4月，第25卷第1期
[36] Laroche, E; Koc, H; Knittel, D; De Mathelin, M. Web winding system robustness analysis via/sp1 mu/-analysis. Control Applications, 2001. (CCA 01). Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on, 2001 Page(s):948～953
[37] Tetsuzo Sakamoto, Yoshikazu Fujino. MODELING AND ANALYS OF A WEB TENSION CONTROL SYSTEM. IEEE Catalog Number. 95THS081
[38] 孙一康．带钢热连轧数学模型基础[M]．北京：冶金工业出版社，1979
[39] 唐志祥．卷筒包装材料的张力分析[J]．包装工程，1999，(3)：17～18
[40] 王炎生．有零极点的系统的一种截尾降阶方法[J]．控制与决策，1996，11(2)：72～74
[41] 孙华，肖志杰，甘朝晖．卷取张力控制系统仿真[J]．计算机仿真，2004，21(10)：182～184
[42] 刘蓉，吕震中．基于内模PID控制的球磨机负荷控制系统的设计．[J]．《电力设备》．2005．1，第6卷第1期
[43] 潘笑，钟神勃．基于IMC的PID控制器的设计实现．[J]．《计算机仿真》．2005．8
[44] 刘红军，韩璞，孙海蓉，姚万业．基于内模控制的PID控制器的设计[J]．《计算机仿真》2004．5计．计算机仿真2004．5
[45] 汤志坚，张学瑕．宝钢2彩涂机组过程计算机系统进程通讯的实现．[J]．《宝钢技术》，2003．4
[46] 王树青．先进控制技术．[M]．北京：化学工业出版社，2001．
[47] 邵惠鹤．工业过程高级控制[M]．上海：上海交通大学出版社，1997
[48] 王东风，王剑东，韩璞，于希宁，基于内模原理的PID控制器参数整定[R] 华北电力大学学报 2003．7
[49] John M Bentley等.SENSORLESS TENSION CONTROL IN PAPER MACHINES[C]. 2002 Annual Pulp and Paper Industrial Technical Conference, Toronto, Canada, 2002
[50] T. Chino等.Advanced Process control Technologies forContinuous Annealing Line and Galvanizing Line[J].川崎制铁技报，1999，31(4)
[51] 崔坚，李佳．西门子工业网络通信指南[M]．北京：机械工业出版社，2004