DE4040360A1

DE4040360A1 - Regelung eines mehrgeruestigen warm- und/oder kaltband-walzwerks

Info

Publication number: DE4040360A1
Application number: DE19904040360
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Seyfried; Guenter Dipl Ing Soergel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-12-17
Filing date: 1990-12-17
Publication date: 1991-06-27
Also published as: JPH04288917A

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelung bei dem Herstellen von Walzband mittels eines mehrgerüstigen Warm- und/oder Kaltband- Walzwerks, das ein übergeordnetes Prozeßleitsystem, dem ein Walzprogramm mit den Anfangs- und Endabmessungen, mit Material daten, Walztemperaturen etc. vorgegeben wird und ein Führungs system zur Sollwertführung untergeordneter, entkoppelter Einzel regler für die variablen Funktionsgrößen der einzelnen Walz gerüste, z. B. Walzeneinstellung, Drehzahl, Axialzug etc. auf weist, wobei durch einen Rechenvorgang über Modellgleichungen unter konvergierender Modellparameteranpassung an die tatsäch lichen Parameter die Sollwerte der Einzelregler derart bestimmt werden, daß sich ein Regelverhalten entsprechend eines geschlossenen Regelkreises ergibt.

Unter ständigem Kostendruck ist es bei steigenden Qualitäts anforderungen notwendig, Walzstraßen in Bezug auf die Prozeß führung zu optimieren. Dazu ist eine flexible, insbesondere das Profil und die Planheit des erzeugten Produktes berück sichtigende, schnelle Regelung notwendig. Allgemein haben sich dafür Regelsysteme mit geregelter Adaption, z. B. des Typs wie unter 2.7 der VDI/VDE-Richtlinien 3685 definiert, durchgesetzt.

Eine entsprechend arbeitende schnelle Regelung für Walzstraßen ist z. B. aus der DE 30 26 229 A1 bekannt. Die bekannte Regelung arbeitet jedoch insbesondere bezüglich des in den einzelnen Gerüsten erreichbaren Bandprofils, das für die Weiterver arbeitung sehr wesentlich ist, da insbesondere die Planheit des Fertigbandes hiervon abhängig ist, nur unzureichend. Die berück sichtigten Einflüsse erlauben auch bei Verwendung empirischer Faktoren keine Anpassung an die tatsächlichen Abhängigkeiten der einzelnen Walzgerüste voneinander. Dies zwingt zur Eintei lung des Walzgutes in Dickenklassen, so daß sich eine Regelung in Stufen ergibt. Die erzeugte Bandqualität läßt zu wünschen übrig.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Regelung für ein mehr gerüstiges Walzwerk anzugeben, die dem gegenüber zu einer erhöhten Regelgenauigkeit der Walzwerkskomponenten in allen Arbeitspunkten der Gerüste und damit zu einer verbesserten Bandqualität führt. Insbesondere sollen die Haupteinflußgrößen auf die wesentlichen Eigenschaften des Bandes, d. h. in erster Linie die Bandplanheit und des Bandprofil, auf relativ einfache und schnell reagierende Weise selbstadaptierend stufenlos aus geregelt werden.

Die Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß über eine Anpassung der Modellgleichungen an die tatsächlichen Abhängig keiten der einzelnen Variablen eine Profil- und Planheitsrege lung durch Anderung der Lastverteilung auf die Einzelgerüste, durch Beeinflussung der Walzenrückbiegung, der Balligkeit und ggf. die Walzenverschiebung und/oder -schränkung derart erfolgt, daß sich die Funktion eines geschlossenen Regelkreises ergibt.

In Anpassung an die Gegebenheiten bei Warmwalzwerken wird bei diesen das Bandprofil bis zu dem kritischen Gerüst, hinter dem sich eine relative Profilkonstanz ergibt, geregelt beeinflußt und danach unter Beachtung dar Planheitsbedingungen im wesent lichen linear verringert. So ergibt sich eine den Fließbedin gungen das Stahls während des Walzens angepaßte Regelung, bei der es besonders vorteilhaft ist, wenn eine Korrektur der Regelungsparameter entsprechend des Walzenabriebs und der Walzenerwärmung erfolgt.

Durch die Beachtung der Lastverteilung und ihre Änderung, die Folgen für die Walzendurchbiegung hat und ggf. die Änderung der Walzenkontur, z. B. durch hydraulische oder thermische Mittel (segmentierte Arbeitswalzenkühlung), oder der Walzenverschie bung und/oder Schränkung ergibt sich eine Profilbeeinflussung, die am Ende der Walzstraße zu einem planen Bandprofil führt. Ein solches Band erfüllt insbesondere die Forderung, daß seine einzelnen Abschnitte auch nach einer Teilung plan bleiben. Es ist dabei von Vorteil, wenn die Walzkraft und die Walzspaltform der Einzelgerüste in Abhängigkeit von dem vor den Gerüsten vorliegenden Bandprofil und der Planheit geregelt wird. So ergibt sich eine Verbesserung des Bandprofils und der Planheit von Gerüst zu Gerüst, die zu einer laufenden Verbesserung der Bandform führt. Die Bestimmung des Bandprofils und gegebenen falls der Bandplanheit durch die allgemein bekannten mechani schen, radiometrischen, optischen oder US-Meßgeräte kann dabei vorteilhaft an einer besonders günstigen Stelle erfolgen, z. B. vor dem kritischen Gerüst. Dieses Gerüst wird dann als Leitgerüst verwendet, von dem aus die entsprechenden Werte, insbesondere die Walzkraftverteilung mit ihren Einzelwerten, z. B. Bandspannung und Verformungskraft, eingestellt wird. Hierbei wird vorteilhaft ein Streckenmodell verwendet, dem Sensoren, wie z. B. Fotozellen, die variablen Daten liefern.

Die konvergierende Parameteranpassung erfolgt vorteilhaft durch Gleichungen des Typs, wie sie in den Ansprüchen 5, 6 und 7 wiedergegeben sind. Bei diesen Gleichungen ergibt sich eine schnelle Konvergenz bei geringem Rechenaufwand.

Zur Sicherung eines einwandfreien Produktionsablaufes ist weiterhin vorgesehen, daß bei Überschreiten vorgegebener Gerüst grenzwerte, vorteilhaft in dem Leitrechner, eine optimierte Neuberechnung des Stichplans derart erfolgt, daß in dem neuen Stichplan die Grenzen eingehalten werden. So ist vorteilhaft sichergestellt, daß stets ein die Eigenschaften der Walzstraße berücksichtigender Stichplan zur Verfügung steht, dem die Anfangsparameter in der zu erwartenden Größe aufgegeben werden.

Es ergibt sich eine sichere Prozeßregelung mit vertretbarem Rechenaufwand.

Durch Mittelwertbildung unter Berücksichtigung der Meßwert streuung, z. B. über einen Verstärkungsfaktor, wird den Anforde rungen an die Sicherheit der Regelung vorteilhaft Rechnung getragen und die Tatsache berücksichtigt, daß alle Meßwerte, insbesondere Meßwerte in einem Warmbetrieb, mit einem nicht zu vernachlässigenden Meßfehler behaftet sind. Insbesondere eine Meßwertdrift kann nicht ausgeschlossen werden.

Um eine Anpassung der Modelle an die physikalischen Prozesse beim Walzen zu erreichen, muß die Meßwerterfassung dem Adap tionskreis zuordbare Meßwerte zur Verfügung stellen. Dies bedeutet, die unterschiedlichen Meßwerte (z. B. Walzkraft, Temperatur, Banddicke) müssen bandabschnittsbezogen erfaßt werden.

Erreicht wird dies durch Einteilung des Bandes in sogenannte Bandsegmente. Für jedes Bandsegment werden beim Durchlauf durch die Walzstraße alle Meßwerte gesammelt. Nach Austritt des Band segments aus der Walzstraße erfolgt eine segmentbezogene Nach berechnung und damit eine Verbesserung des Walzmodells.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprüchen.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein schematisiertes Walzgerüst mit Angabe der wichtigsten Größen,

Fig. 2 die regeltechnische Verknüpfung der Walzgerüste in einem Abschnitt der Walzstraße,

Fig. 3 den meß-, steuer- und regeltechnischen Aufbau einer Walzstraße sowie

Fig. 4 die Materialflußverhältnisse während des Walzens von Warmband.

In Fig. 1 bezeichnet 1 das verformte Band hinter dem Gerüst, während die Arbeitswalzen mit 2 und die Stützwalzen mit 3 bezeichnet sind. 4 bezeichnet den unverformten Bandteil vor dem Gerüst. Die Bandgrößen vor dem Gerüst sind mit i-1 und hinter dem Gerüst mit i bezeichnet. Die Bandgeschwindigkeit beträgt vor dem Gerüst V_i-1 und hinter dem Gerüst V_i. Die an dem Gerüst und dem Band (1, 4) vorliegenden Größen und Kräfte verhalten sich bei dem Durchgang durch das Gerüst wie in den folgenden, z. B. aus Vorträgen und Fachartikeln bekannten, Gleichungen wiedergegeben.

1) h_i · V_i = h_i-1 · V_i-1 (Volume Constancy)
2) V_i = (1 + _i + r_vi) · V_wi (Forward Slip)
3) S_i = h_i - C_i(B) · F_i - Roll Flattening (F_i, h_i, h_i, h_i-1) - Bearing Oil Film Thickness (F_i, V_i) + r_Si (Screwdown)
4) F_i = f (r_fi, K_f, B, h_i-1, h_i, _{Zi-1, Zi},V_i,) (Roll Separating Force)
5) M_i = m(r_mi, K_f, B, h_h-1, h_i, T_i, _{Zi-1, Zi}, V_i,) (Rolling Torque)
6) T_i = t(r_ti, T_i-1, M_-1 (Heat Losses (Rolling Time, Transport Time)) (Initial Pass Temperature, Deformation Energy)

Aus den einzelnen Gleichungen ergibt sich der Zusammenhang der einzelnen Größen.

Die Sollwerte der einzelnen Größen werden zur Erreichung eines optimierten Walzprozesses über eine Leitebene miteinander ver knüpft, die in Fig. 2 dargestellt ist. Auch hier sind die aus Veröffentlichungen und Vorträgen bekannten Bezeichnungen gewählt.

In Fig. 2 bezeichnet 5 das Leitsystem und 6, 7, 8 die Walzgerüste mit ihren Meßgeräten 10, 11, 12, beispielsweise Positions-, Dreh moments- und Kraftmeßgeräte. Die Meßgeräte 10, 11, 12 geben Signale zu den Einzelreglern 16, 17, 18, die wiederum auf die verschiedenen Gerüstantriebe 13, 14, 15, z. B. für die Zustellung, das Drehmoment etc., wirken. Von den Einzelreglern 16, 17, 18 werden Signale der variablen Prozeßgrößen 22 ebenso wie Signale der Prozeßgrößen aus den Meßgeräten 10, 11 und 12 als Ausgangs signale auf das Leitsystem 5 übertragen.

Dem Leitsystem 5 werden außerdem die Zielvariablen sowie Materialdaten und zusätzliche Walzbedingungen durch das symbolisch dargestellte Signal 19 eingegeben. Dies entspricht der Führungsgröße W der Norm. Das Leitsystem 5, in dem die Berechnung der Modellgleichungen, wie sie beispielhaft bei der Erläuterung von Fig. 1 und in den Ansprüchen wiedergegeben sind, erfolgt, unterzieht die eingegebenen Prozeßdaten und zwar sowohl die gemessenen Daten als auch die variablen Daten einer statistischen Verarbeitung und Anpassung und führt die Adaption der Modellgleichungen an den tatsächlichen Walzprozeß durch. Über die Modellgleichungen führt das Leitsystem 5 die Opti mierung, insbesondere die Walzkraft- und Dickenabnahmevertei lung sowie das Berechnen der Sollwerte für die Einzelregler durch.

Die Sollwerte für die Einzelregler werden über die Signale 20 den Einzelreglern 16, 17,18 aufgegeben. So ergibt sich über das Leitsystem 5 ein quasi geschlossener Regelkreis für die Einzel regler 16, 17, 18.

In Fig. 3 sind mit 23 die einzelnen Gerüste einer Walzstraße und mit 24 die einzelnen Meßgeräte, nicht nur der einzelnen Gerüste 23, sondern auch anderer Funktionsbausteine, z. B. für die Walz gutabbildung, die Dicken- und Planheitsmessung etc., bezeich net. Die Meßwerte der Meßgeräte 24 werden einer Meßwertanpas sung 25 aufgegeben, wonach sie in die statistische Aufbereitung 26 gelangen, aus der die angepaßten und aufbereiteten Meßwerte einer Nachberechnung zugeführt werden. In der Nachberechnung 27 werden die wesentlichen Prozeßvariablen z. B. die Enddicke, die Endtemperatur, die Dickenabnahme, die Gerüstkraft, die Antriebs kraft, die relative Dickenabnahme etc. regeltechnisch optimiert berechnet. Mit den Standardabweichungen der aufbereiteten Meß werte wird die Verstärkung der entstandenen feed-back-Kreise verändert.

Die Werte der Nachberechnung 27 gelangen zur Adaptions- und Lernprozedur 28, von wo aus sie den Modellgleichungen in 29 zur Verfügung gestellt werden. Von hier erfolgt auch die sehr wesentliche Rückführung der ermittelten Werte zur Nachberech nung 27, um die notwendige Adaption und die erforderlichen Lernschritte durchführen zu können. Zusammen mit Eingaben 30 der generellen Walzbedingungen werden dann die Ergebnisse aus der Berechnung der Modellgleichungen einer Vor- und Nachberech nung 31 unterzogen, aus der dann die neuen Sollwerte für die Einzelregler ermittelt werden.

Fig. 4 verdeutlicht den Zusammenhang, der in Walzwerken zwischen der Banddicke und den Profilverlaufs-Änderungen herrscht. Abhängig von der Möglichkeit des Materialquerflusses ist im Dickenbereich unter ca. 12 mm schnell abnehmend im wesentlichen nur noch ein Materiallängsfluß, d. h. eine lineare Dickenabnahme möglich. Zwischen 6 und 12 mm Dicke liegt daher das kritische Gerüst, an dem der endgültige relative Profilverlauf erreicht sein muß, um ein planes Fertigprodukt zu erzeugen. Das kriti sche Gerüst wird vorteilhaft als Leitgerüst für die Walzkraft verteilung, Balligkeit, Walzenverschiebung etc. der davor liegenden Gerüste verwendet. Zusammen mit der Sollwerteinstel lung ergibt sich so eine Regelung einer Warmbandstraße, die in optimaler Weise von den Möglichkeiten eines Warmwalzprozesses Gebrauch macht. Hinter dem kritischen Gerüst erfolgt die Rege lung im wesentlichen wie bei einem Kaltwalzen, d. h. die Dicken abnahme, die Walzenballigkeit, die Lastverteilung auf die ver schiedenen Gerüste etc. wird ebenso wie die Stichabnahme auf die optimale Planheit des Fertigprodukts ausgerichtet. Das Band muß für eine optimale Planheit einen gleichmäßigen Eigenspan nungsverlauf aufweisen, damit auch nach einer Bandteilung plane Teilstücke erhalten werden. Die Eigenspannungsverteilung wird vorteilhaft mit einer bekannten Meßrolle kontrolliert und gege benenfalls durch geeignete Mittel (Gerüsteinstellung, Biege einrichtung, Kühlung, Schmierung beim Kaltwalzen) korrigiert.

Vorteilhaft werden in die Regelung auch die Zustände einbezogen, die sich auf der Ofenseite und der Kühlstrecke ergeben. Die Regelung arbeitet entsprechend u. a. mit einem Gesamt-Temperatur modell und Einzel-Temperaturmodellen. Dazu kommen die aus der Literatur bekannten Walzprozeßmodelle, z. B. ein Walzkraft modell, ein Verformungsmomentenmodell, ein Walztemperatur modell, ein Anstellungsnullpunktsmodell, ein Lastverteilungs modell, ein Streckenmodell, ein Walzzeitmodell sowie Modelle der Arbeitswalzen, z. B. Biegemodell, Erwärmungsmodell und Verschleißmodell.

Alle profilrelevanten Parameter werden also sehr vorteilhaft durch ein Netz von selbstadaptierenden Modellen berücksichtigt.

Claims

1. Regelung bei dem Herstellen von Walzband mittels eines mehrgerüstigen Warm- und/oder Kaltband-Walzwerks, das ein über geordnetes Prozeßleitsystem, dem ein Stichplan mit den Anfangs und Endabmessungen, mit Materialdaten, Walztemperaturen etc. vorgegeben wird und ein Führungssystem zur Sollwertführung untergeordneter, entkoppelter Einzelregler für die variablen Funktionsgrößen der einzelnen Walzgerüste, z. B. Walzenanstel lung, Drehzahl, Axialzug etc. aufweist, wobei durch einen Rechenvorgang über Modellgleichungen unter konvergierender Parameteranpassung an die tatsächlichen Parameter die Sollwerte der Einzelregler derart bestimmt werden, daß sich ein Regel verhalten entsprechend eines geschlossenen Regelkreises ergibt und wobei eine Profil- und Planheitsregelung durch Änderung der Lastverteilung auf die Einzelgerüste, durch Beeinflussung der Walzenrückbiegung, der Balligkeit und gegebenenfalls der Walzenverschiebung- und/oder -schränkung erfolgt.

2. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß Warmband bis zu dem kritischen Gerüst, hinter dem sich eine relative Profilkonstanz ergibt, profil regelnd beeinflußt und danach zur Planheitsaufrechterhaltung der Profilquerschnitt im wesentlichen linear verringert wird.

3. Regelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß zusätzlich zur Parameteran passung eine bleibende Korrektur der Modellgleichungsparameter entsprechend des Walzenabriebs und der Walzenerwärmung erfolgt.

4. Regelung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Walzkraft und Walzspalt form der Einzelgerüste in Abhängigkeit von dem aktuellen Band profil und der aktuellen Planheit geregelt wird.

5. Regelung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die konvergierende Para meteranpassung von einer Ausgangsgleichung des Typs r_Si = S_i - h_i + C_RiF_i
r_fi = -a_Ri h_i-1 + a_Ri h_i + F_iausgeht, wobei r die Parameter darstellen.

6. Regelung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die konvergierende Parameter anpassung mit Gleichungen des Typs weitergeführt wird, wobei die korrigierten Parameter darstellen.

7. Regelung nach Anspruch 5 und 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die konvergierende Parameter anpassung mit den Gleichungen weitergeführt wird und daraus die Gerüstvariablen ermittelt werden.

8. Regelung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Profil- und Planheits ermittlung hinter dem kritischen Gerüst mit Rückrechnung auf das kritische Gerüst erfolgt.

9. Regelung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das kritische Gerüst erfolgt.

9. Regelung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten vorgegebener Gerüstgrenzwerte in einem Leitrechner eine Neuberechnung des Stichplans derart erfolgt, daß in dem neuen Stichplan die Grenzwerte eingehalten werden.

10. Regelung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Stichplanberechnung und die Adap tion der konvergierenden Parameter im Leitrechner erfolgt.

11. Regelung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Verstärkungsfaktor erfolgt, der in Abhängig keit von der Meßwertstreuung unter Berücksichtigung der jewei ligen Lage des Meßpunktes auf dem Band ermittelt wird.

12. Regelung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilregelung einer mehrgerüstigen Walzenstraße über Lastumverteilungen zwischen den Einzelgerüsten mit neuen Arbeitspunkten für die Lastwalzspaltregelungen, die Walzenrück biegeregelungen und die Walzenverschiebe- und/oder Schränkungs regelungen erfolgt.