熱鍍鋅線鋅層厚度的新型控制方法簡介

 前 言 
　　我們知道，熱鍍鋅產品具有很強的抗腐蝕性和良好的外觀，因此，其應用越來越廣泛，它不僅可應用于建筑行業，更主要地可應用于汽車制造業。寶鋼1550mm冷軋熱鍍鋅生產線就是一條用于制造高品質汽車板的生產線。隨著熱鍍鋅產品應用范圍的不斷擴大，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中，鍍層厚度控制系統是一個非常重要的部分。其控制精度的優劣將直接影響熱鍍鋅板的質量。目前，多數生產線對鍍層厚度的控制依然主要采用傳統的控制方法，即由操作人員依據經驗對設定值進行手工調整。由于手工干預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終導致鍍鋅產品質量下降。 
針對以上問題，在寶鋼1550mm熱鍍鋅機組中，西門子公司利用神經網絡技術開發出的控制模型，為解決鍍層厚度控制的問題提供了一個既經濟又實用的綜合方案。 
2 鍍層厚度的控制 
　　西門子公司提供的鍍層厚度控制系統采用的是控制器加冷態測厚儀的方法，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測厚儀和冷態測厚儀。熱態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，帶鋼抖動嚴重，對測量也不利；而且，熱態測厚儀只能對帶鋼中心線的鍍層厚度進行測量，對帶鋼邊部的鍍層厚度無法進行測量。而由于冷態測厚儀安裝在出口段質量檢查臺處，可以對帶鋼沿寬度方向上鍍層厚度的分布進行測量，且此處工作環境好、檢修方便、測量精度也高。當然，由于冷態測厚儀安裝的位置與氣刀距離太遠，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 
帶鋼預設定截面下的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節的變量。通過改變此二變量可以實現對鍍層厚度的控制。 
(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) 設備參數的改變 
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網絡自動學習，并相應予以補償。 
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) 
以上特性曲線函數關系式描述了鍍層厚度c與參數v、p、a之間的關系，而其算法采用模糊控制算法。 
由此可見，控制器可以根據有關的工藝參數，如機組速度、帶鋼尺寸、鍍層厚度等的目標值，計算出壓力p及間距a的預設定值，從而為鍍層厚度控制器提供一個前饋控制。當機組速度、帶鋼尺寸、鍍層厚度等設定值突然發生變化時，這種前饋控制是非常必要的。另外，通過冷態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參數進行優化。 
在實際運行時， 由于神經網絡具有很強的在線學習及自適應能力(圖2)， 可以通過神經元的學習完成對設備的確認，記 
圖2 神經網絡的在線學習及自適應功能 
錄下冷態檢測設備的檢測結果，得出控制模型所算出的設定值允許波動的范圍，從而保證了控制的平滑性。由于具有在線學習功能，模型可以根據實際條件的變化情況進行自動調整，從而不斷獲得高準確度的計算結果。1.2 鍍層厚度控制的有關部件 
鍍層厚度的自動控制是由以下有關部件實現的： 
● 控制模型 
● 壓力設定值的預控 
● 監視控制回路 
● 帶鋼上/下表面的鍍層控制 
● 操作點的自動確定 
● 壓力調節回路 
● 鍍層厚度檢測設備 
下面分別對各有關部件進行簡單的介紹。 
(1) 控制模型 
利用反向過程模型，變量p、a的設定值可以根據函數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內容中已經介紹過。 
(2) 壓力設定值的預控 
控制系統通過反向過程模型計算出設定值，再根據帶鋼上/下表面的不同而加以調整。設定值將送往下級調節回路，并由焊縫跟蹤系統進行控制。 
(3) 監視控制回路 
由預設定值規定的鍍層參數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。通過監視控制回路，所設定的鍍層參數可以慢慢地調節到該極限值。 
壓力設定值的預控及監視控制回路的控制原理框圖如圖3所示。 
圖3 預控及監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 
根據不同的操作點和計算設定值的改變量，神經網絡計算出壓力和距離的修正值，并傳送到下級控制回路。當新的壓力設定值超出操作范圍時，噴嘴距離會被自動調整。 
(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值，并通過集成的焊縫跟蹤系統實現影像同步。 
(7) 壓力控制回路 
壓力控制回路由上一級的神經模糊預控和下一級的壓力控制回路組成。該預控功能可在更換鍍層規格時實現時間的*化。 
(8)鍍層厚度檢測設備 
實現神經網絡和預控系統的功能的前提條件是配備橫向冷態檢測儀檢測設備。在帶鋼檢測位置：“帶鋼右側”、“帶鋼左側”、“帶鋼中間”處，在給定的檢測周期內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。 
3 控制結果及系統評價 
下面，介紹一下寶鋼1550熱鍍鋅機組采用手動和神經網絡兩種操作方式時鍍層厚度的變化情況，并將進行比較。 
3.1 控制結果 
采用傳統的手動操作方式，即手動調節設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生偏差的情況，圖5 
圖5 采用手動操作方式的結果便是速度發生細微改變(從50m/min到53m/min)時造成鍍層厚度超出設定極限值的實例。 
圖6是采用神經網絡后的操作實例，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 采用神經網絡操作方式的結果 
由于采用了過程模型，設定值可以根據速度的變化情況進行同步修正。該過程模型的鍍層厚度設定值如發生變化，則壓力p和距離a新的設定值會由神經網絡預先確定。因設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短的時間內使自動壓力控制趨于穩定，壓力控制器執行元件的輸出還會受到模糊功能的控制(此結果是根據德國Thyssen鋼廠FBA13#熱鍍鋅線的實際生產記錄的) 
4 系統評價 
通過以上說明可以看出，采用神經網絡控制鍍層厚度有以下優點： 
(1) 當鍍層厚度規格變化時，或鍍層速度發生改變時，或由于自學模型進行在線調整而改變設備參數時，都可以實現均勻的鍍層厚度控制，從而使產品的質量得到保證。 
(2) 不需要熱態檢測設備。 
(3) 具有很高的經濟效益，具體表現在： 
● 在滿足標準所規定的zui小鍍層厚度的前提下實現了操作的*化； 
● 更換鍍層厚度規格時，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生任何變化； 
● 無需操作人員的干預即可自動適應設備參數的改變； 
● 解放了操作人員。