热轧带钢层流冷却区功能说明.doc

首钢1580热轧工程层流冷却功能说明

首钢1580热轧
层流冷却区功能说明

轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（东北大学）
轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（东北大学） 31
目录
1 层流冷却区概述 4
2 层流冷却系统设计工艺技术参数 7
3 层流冷却区域设备组成与技术参数 9
3.1 层流冷却集管装置 9
3.1.1 层流冷却集管装置的功能 9
3.1.2 层流冷却集管装置的技术参数 9
3.1.3 层流冷却集管装置的开闭控制 11
3.1.4 层流冷却区域带钢微跟踪控制 14
3.1.5 层流冷却区域出口温度反馈控制 15
3.1.6 层流冷却区域精轧机抛钢后的冷却水前馈控制 20
3.1.7 层流冷却集管装置的操作 22
3.1.8 层流冷却集管装置的状态显示 24
3.2 层流冷却侧喷装置 25
3.2.1 层流冷却侧喷装置的功能 25
3.2.2 层流冷却侧喷装置的技术参数 25
3.2.3 层流冷却侧喷装置的开闭控制 25
3.2.4 层流冷却侧喷装置的操作 26
3.2.5 层流冷却侧喷装置的状态显示 26
3.3 层流冷却压缩空气吹扫装置 26
3.3.1 层流冷却压缩空气吹扫装置的功能 26
3.3.2 层流冷却压缩空气吹扫装置的技术参数 26
3.3.3 层流冷却压缩空气吹扫装置的开闭控制 27
3.3.4 层流冷却压缩空气吹扫装置的操作 27
3.3.5 层流冷却压缩空气吹扫装置的状态显示 27
3.4 层流冷却上集管倾翻装置 27
3.4.1 层流冷却上集管倾翻装置的功能 27
3.4.2 层流冷却上集管倾翻装置的技术参数 27
3.4.3 层流冷却上集管倾翻装置的控制 27
3.4.4 层流冷却上集管倾翻装置的操作 28
3.5 层流冷却边部遮蔽装置 28
3.5.1 层流冷却边部遮蔽装置的功能 28
3.5.2 层流冷却边部遮蔽装置的技术参数 29
3.5.3 层流冷却边部遮蔽装置的控制 29
3.5.4 层流冷却边部遮蔽装置的操作 29
3.5.5 层流冷却边部遮蔽装置的状态显示 29
3.6 热输入辊道冷却装置 29
3.6.1 热输入辊道冷却装置的功能 29
3.6.2 热输入辊道冷却装置的技术参数 29
3.6.3 热输入辊道冷却装置的开闭控制 30
3.6.4 热输入辊道冷却装置的操作 30
3.7 层流冷却区域仿真功能 30
3.8 层流冷却过程计算机控制 30
3.8.1 层流冷却过程计算机控制功能 30
3.8.2 层流冷却过程计算机控制设定参数 31
3.8.3 层流冷却过程计算机控制投入方法 31
3.8.4 层流冷却过程计算机控制的操作 31
3.8.5 层流冷却过程计算机控制的状态显示 31

1 层流冷却区概述
层流冷却设备安装在精轧机F7机架出口至1号地下卷取机之间，主要由层流冷却集管装置（包括层流冷却精冷上集管装置、层流冷却精冷下集管装置、层流冷却微冷上集管装置及层流冷却微冷下集管装置）、层流冷却侧喷装置、层流冷却压缩空气吹扫装置、层流冷却上集管倾翻装置、层流冷却边部遮蔽装置及热输入辊道冷却装置组成。
层流冷却基础自动化系统采用高性能可编程控制器，主要功能为执行过程计算机的设定结果，采用前馈及反馈等控制手段，协同过程控制系统，将卷取温度控制在设定的范围内，使带钢力学性能和金相组织达到预定的质量要求。
层流冷却基础自动化系统采用1面主PLC控制柜（控制柜编号为：CERPLC601）和4面远程I/O控制柜（控制柜编号为：CMFIO10~CMFIO13）。主PLC控制柜尺寸（宽×深×高）为1000×800×2200mm；所有远程I/O控制柜尺寸（宽×深×高）为1400×500×1800mm。主PLC控制柜布置在卷取电气室；远程I/O控制柜布置在层流冷却设备附近地下室。主PLC采用GE Fanuc PAC Systems RX7i大型可编程控制器系统。PAC Systems是GE Fanuc公司推出的高性能控制器，是GE90-70系列PLC的升级产品，速度是GE 90-70系列PLC的7～10倍。RX7i系列采用VME总线机架方式安装，CPU采用Intel PIII处理器，10M内存，集成2个10/100M自适应以太网卡。主机架采用新型17槽VME机架。
4个远程I/O站分别为层流冷却控制1#远程I/O站、层流冷却控制2#远程I/O站、层流冷却控制3#远程I/O站和层流冷却控制4#远程I/O站。远程I/O站选用VersaMax产品，通过PROFIBUS DP总线与主PLC交换数据。
层流冷却基础自动化系统与层流冷却过程控制系统、层流冷却HMI系统精轧区基础自动化系统及卷取区基础自动化系统之间采用内存映像网进行数据交换。
边部遮蔽装置采用机电一体化产品，通过PROFIBUS DP总线与层流冷却基础自动化系统交换数据。
在整个冷却区设置11台红外测温仪，具体布置为：在层流冷却装置入口处设1台红外测温仪，用于检测带钢终轧温度；在层流冷却第11组和第12组冷却装置之间设置2台红外测温仪，用于检测带钢中间冷却温度；在层流冷却装置出口处设4台红外测温仪，用于检测带钢冷后温度；在卷取机入口处设4台红外测温仪，由于检测带钢卷取温度。红外测温仪反馈信号为4~20mA的电流模拟信号。
层流冷却区域内红外测温仪选型及安装位置如表1.1所示。
表1.1 红外测温仪选型及安装位置
序号
量程
响应时间
输出信号
安装位置
生产厂家
1
300℃～1100℃
5ms
4~20mA
精轧末架出口
LAND
2
300℃～1100℃
5ms
4~20mA
层流冷却区域第11组和第12组冷却装置之间
3
300℃～1100℃
5ms
4~20mA
层流冷却区域第11组和第12组冷却装置之间
4
300℃～1100℃
5ms
4~20mA
层流冷却区域出口
5
300℃～1100℃
5ms
4~20mA
层流冷却区域出口
6
0℃～1000℃
100ms
4~20mA
层流冷却区域出口
7
0℃～1000℃
100ms
4~20mA
层流冷却区域出口
8
300℃～1100℃
5ms
4~20mA
卷取机入口
9
300℃～1100℃
5ms
4~20mA
卷取机入口
10
0℃～1000℃
100ms
4~20mA
卷取机入口
11
0℃～1000℃
100ms
4~20mA
卷取机入口
在整个冷却区设置6台电磁流量计，具体布置在精调第2组第1根上、下集管、精调第5组第1根上、下集管及微调第21组第8根上、下集管。电磁流量计反馈信号为4~20mA的电流模拟信号，用于流量监视和控冷过程控制。
层流冷却区域内电磁流量计选型及安装位置如表1.2所示。
表1.2 电磁流量计选型及安装位置
序号
电磁流量计型号
数量
量程
输出信号
安装位置
生产厂家
1
MF/E 301-16-2-1-2-0-0-ER-1-1
1

4~20mA
精调第2组第1根上集管

2
MF/E 301-16-2-1-2-0-0-ER-1-1
1

4~20mA
精调第2组第1根下集管
3
MF/E 301-16-2-1-2-0-0-ER-1-1
1

4~20mA
精调第5组第1根上集管
4
MF/E 301-16-2-1-2-0-0-ER-1-1
1

4~20mA
精调第5组第1根下集管
5
MF/E 301-16-2-1-2-0-0-ER-1-1
1

4~20mA
微调第21组第8根上集管
6
MF/E 301-16-2-1-2-0-0-ER-1-1
1

4~20mA
微调第21组第8根下集管
在高位水箱上安装液位液温测量仪，对高位水箱内的冷却水液位和水温进行实时测量。液温测量仪用于冷却模型参数的温度补偿。仪表给出4~20mA的模拟信号。
高位水箱液位及液温测量仪的参数如表1.3所示。
表1.3 高位水箱液位计及温度计选型及安装位置
序号
型号
数量
量程
输出信号
安装位置
生产厂家
1
QKFC-I-K1-280
1
0~100m
4~20mA
高位水箱

2
WS-100E
1
0~100℃
4~20mA
高位水箱

2 层流冷却系统设计工艺技术参数
冷却带钢厚度： 1.2～12.7mm
冷却带钢宽度： 700～1450mm
终轧温度： 870～900℃
卷取温度： 200～850℃
冷却水温度： 35℃
冷却段长度： 97920mm
冷却单元组数： 21组
冷却段数：上部：微调段： 16根集管
精调段： 94根集管
下部：微调段： 16根集管
精调段： 76根集管
每根上集管鹅颈管总数：精调： 86根
微调： 43根
鹅颈管水压： 0.574N/cm2
每根集管的总水量：精调： 71.2m3/h
微调： 35.6m3/h
上部总水量： 7577m3/h
每根下集管喷嘴数：精调： 35个
微调： 26个
每根下集管的喷水量：精调： 28.6m3/h
微调： 21.2m3/h
下喷水压： 0.0415bar
下部总水量： 7850m3/h
上喷和下喷总水量（不含输出辊道冷却）：约14500m3/h
侧喷嘴数量： 46个
侧喷压力： 12bar
每个喷嘴的侧喷水量： 8 m3/h
侧喷总水量： 384m3/h
气动压力： 4-6bar
倾翻液压缸数： 21个(位于轧线传动侧)

3 层流冷却区域设备组成与技术参数
层流冷却区域设备主要可以分为层流冷却集管装置（包括层流冷却精冷上集管装置、层流冷却精冷下集管装置、层流冷却微冷上集管装置及层流冷却微冷下集管装置）、层流冷却侧喷装置、层流冷却压缩空气吹扫装置、层流冷却上集管倾翻装置、层流冷却边部遮蔽装置及热输入辊道冷却装置六部分。
3.1 层流冷却集管装置
在精轧机F7机架出口与1号地下卷取机间的热输出辊道上下方，布置21组层流冷却集管，前19组为精冷段，后2组为微冷段。精冷段作为主冷区，微冷段为微调区和反馈控制区。出水方式为上集管上排布U型管，形成管层流。
3.1.1 层流冷却集管装置的功能
层流冷却集管装置功能是：带钢经过精轧机组轧制后，进入层流冷却区域；层流冷却基础自动化系统及过程控制系统通过实时控制层流冷却上下集管装置水量配比及水量分布，将热轧带钢冷却到工艺要求的卷取温度，使其力学性能和金相组织结构达到预定的质量要求。
3.1.2 层流冷却集管装置的技术参数
3.1.2.1 精冷段1~4组上部层流集管装置技术参数
每组冷却装置由6根Φ219×6mm层流集管组成。每根层流集管上面安装2排管径为Φ22×2mm的U型管，2排总计43×2=86个U型管。每根精冷上集管供水量为71.2 m3/h，每组上集管供水量为71.2×6＝427.2 m3/h，精冷段1~4组上集管的总供水量为427.2×4＝1708.8 m3/h。冷却水对带钢表面的冲击压力0.06MPa。
每根上集管为1个控制单元，用一个阀组来控制，每个阀组包括一个DN200的手动蝶阀和二个DN200的气动开闭阀。由24V直流电源来控制气动开闭阀的开关。总计共6×4＝24个DO控制点。
3.1.2.2 精冷段5~14组上部层流集管装置技术参数
每组冷却装置由4根Φ219×6mm层流集管组成。每根层流集管上面安装2排管径为Φ22×2mm的U型管，2排总计43×2=86个U型管。每根精冷上集管供水量为71.2 m3/h，每组上集管供水量为71.2×4＝284.8 m3/h，精冷段5~14组上集管的总供水量为284.8×10＝2848 m3/h。冷却水对带钢表面的冲击压力0.06MPa。
每根上集管为1个控制单元，用一个阀组来控制，每个阀组包括一个DN200的手动蝶阀和二个DN200的气动开闭阀。由24V直流电源来控制气动开闭阀的开关。总计共4×10＝40个DO控制点。
3.1.2.3 精冷段15~19组上部层流集管装置技术参数
每组冷却装置由6根Φ219×6mm层流集管组成。每根层流集管上面安装2排管径为Φ22×2mm的U型管，2排总计43×2=86个U型管。每根精冷上集管供水量为71.2 m3/h，每组上集管供水量为71.2×6＝427.2 m3/h，精冷段15~19组上集管的总供水量为427.2×5＝2137.5 m3/h。冷却水对带钢表面的冲击压力0.06MPa。
每根上集管为1个控制单元，用一个阀组来控制，每个阀组包括一个DN200的手动蝶阀和二个DN200的气动开闭阀。由24V直流电源来控制气动开闭阀的开关。总计共6×5＝30个DO控制点。
3.1.2.4 精冷段1~19组下部喷射集管装置技术参数
每组冷却装置由12根Φ140×8mm喷射集管组成。每根喷射集管上面安装1排管径为Φ17×3.2mm的喷嘴，总计35个喷嘴。每根精冷下集管供水量为28.6 m3/h，每组下集管供水量为28.6×12＝343.2 m3/h，精冷段1~19组下集管的总供水量为343.2×19＝6520.8 m3/h。冷却水对带钢表面的冲击压力0.04MPa。
每3根下集管为1个控制单元，用一个阀组来控制，每个阀组包括一个DN200的手动蝶阀和二个DN200的气动开闭阀。由24V直流电源来控制气动开闭阀的开关。总计共4×19＝76个DO控制点。
3.1.2.5 微冷段20~21组上部层流集管装置技术参数
每组冷却装置由8根Φ168×5mm层流集管组成。每根层流集管上面安装1排管径为Φ22×2mm的U型管，2排总计43个U型管。每根精冷上集管供水量为35.6 m3/h，每组上集管供水量为35.6×8＝284.8 m3/h，精冷段20~21组上集管的总供水量为284.8×2＝569.6 m3/h。冷却水对带钢表面的冲击压力0.06MPa。
每根上集管为1个控制单元，用一个阀组来控制，每个阀组包括一个DN150的手动蝶阀和二个DN150的气动开闭阀。由24V直流电源来控制气动开闭阀的开关。总计共8×2＝16个DO控制点。
3.1.2.6 精冷段20~21组下部喷射集管装置技术参数
每组冷却装置由16根Φ140×8mm喷射集管组成。每根喷射集管上面安装1排管径为Φ17×3.2mm的喷嘴，总计26个喷嘴。每根精冷下集管供水量为21.2 m3/h，每组下集管供水量为21.2×16＝339.2 m3/h，精冷段20~21组下集管的总供水量为339.2×2＝678.4 m3/h。冷却水对带钢表面的冲击压力0.04MPa。
每两根下集管为1个控制单元，用一个阀组来控制，每个阀组包括一个DN150的手动蝶阀和二个DN150的气动开闭阀。由24V直流电源来控制气动开闭阀的开关。总计共8×2＝16个DO控制点。
3.1.3 层流冷却集管装置的开闭控制
该功能为层流冷却基础自动化系统中最基本、最关键功能，即通过PLC的远程控制I/O对集管控制单元的快速气动开闭阀进行开闭控制。
层流冷却控制部分不设操作台，只在操作员操作终端上的HMI画面上通过鼠标或功能键进行操作。
层流冷却自动控制系统分为两种控制方式：自动控制方式和手动控制方式。
3.1.3.1 层流冷却集管装置的手动开闭控制
采用该方式工作时，完全由操作工启/停冷却设备的运行。通常在设备调试和测试时采用。
l 层流冷却集管装置手动开启控制启动条件
当符合以下所有条件时，层流冷却集管可以被手动开启：
ü HMI上选择层冷投入
ü 精轧区无急停
ü 卷取区无急停
ü HMI上选择手动
ü HMI上手动开阀确认
l 层流冷却集管装置集管选定条件
当符合以下所有条件时，层流冷却集管可以被选定：
ü HMI上该集管健康、无故障
ü HMI上该机关组未倾翻
ü HMI上该集管被选定
l 层流冷却集管装置手动开闭时的动作逻辑
为了防止对水系统产生冲击，当操作工在HMI上选择手动开阀确认后，层流冷却集管装置被选定的集管按照由前到后的顺序以固定时间间隔依次打开。
手动开启过程中，当启动条件不满足时，层流冷却集管装置被选定的集管按照由前到后的顺序以固定时间间隔依次关闭。
3.1.3.2 层流冷却集管装置的自动开闭控制
采用该方式工作时，喷水组态由过程控制系统或操作工在HMI上确定，集管的开闭由层流冷却基础自动化系统通过相关过程信号触发。在正常生产过程中必须采用自动控制方式。
l 自动控制方式下集管装置喷水组态的确定
自动控制方式下集管装置喷水组态的确定分为两种情况：
ü 全自动控制方式：集管装置喷水组态由过程机在带钢冷却过程进行自动设定
采用该方式工作时，层流冷却的初始设定（预设定）和前馈控制（动态设定）由过程控制计算机完成，基础自动化按照过程计算机所给出的喷水组态控制相应喷水阀门的开闭。在过程控制计算机和传感器正常工作的情况下，自动控制方式应为主要操作方式。
在此种工作方式下，由基础自动化PLC完成带钢的头尾跟踪、卷取温度反馈控制和精轧机抛钢后的前馈控制功能。
ü 半自动控制方式：过程机不运行，集管装置喷水组态由操作员在HMI上设定
当过程计算机不能投入时，可使用此控制方式。冷却制度和规程将由操作员在HMI输入。
在此种工作方式下，由基础自动化PLC完成带钢的头尾跟踪、卷取温度反馈控制和精轧机抛钢后的前馈控制功能。
l 层流冷却集管装置自动开闭控制启动条件
ü HMI上选择层冷投入
ü 精轧区无急停
ü 卷取区无急停
ü HMI上选择全自动或半自动
l 层流冷却集管装置集管选定条件
当符合以下所有条件时，层流冷却集管可以被选定：
ü HMI上该集管健康、无故障
ü HMI上该机关组未倾翻
ü HMI上该集管被选定
l 层流冷却集管装置自动开闭时的动作逻辑
ü 带钢头部移动过程中的冷却水顺序打开控制
通过层流冷却区域带钢头部微跟踪程序，确定出带钢头部（附加带钢热头控制长度）到达每组冷却集管的时刻，PLC根据气动薄膜阀开阀响应时间（现场调试时确定）提前以带钢运行的同步速度，按过程机的喷水组态或操作人员设定规程，由前到后顺序将对应的集管喷嘴（控制单元）依次打开。
ü 带钢尾部移动过程中的冷却水顺序关断控制
通过层流冷却区域带钢尾部微跟踪程序，确定出带钢尾部（附加带钢热尾控制长度）到达每组冷却集管的时刻，PLC以带钢运行的同步速度，由前到后的顺序将对应的集管喷嘴（控制单元）依次关闭。
3.1.4 层流冷却区域带钢微跟踪控制
层流冷却区域带钢微跟踪控制仅在全自动或半自动控制方式下投入。在手动控制方式下，层流冷却区域带钢微跟踪控制功能不投入。
层流冷却区域带钢微跟踪分为头部微跟踪、尾部微跟踪以及自动冷却方式下带钢样本微跟踪三个部分。头部和尾部微跟踪的主要目的是在带钢头部或尾部通过热输出辊道时，按顺序依次打开或关闭冷却水喷嘴，以减少控冷过程启动和停止时对水系统产生的冲击，并节省冷却水。带钢样本微跟踪的主要目的是触发层流冷却过程控制系统动态设定计算及自学习功能。
3.1.4.1 层流冷却区域带钢头部微跟踪
在带钢头部进入精轧机组F6或F7机架时，由咬钢信号触发带钢头部微跟踪程序。根据精轧机出口带钢的线速度（为末架速度乘以带钢的前滑系数）和经过的时间，来计算带钢头部在热输出辊道上的位置，并进而计算出带钢头部在冷却区的具体位置。
3.1.4.2 层流冷却区域带钢尾部微跟踪
在带钢尾部离开精轧机组F6或F7机架时，由抛钢信号触发带钢尾部微跟踪程序。根据卷取机卷筒或夹送辊的线速度和经过的时间，来计算带钢尾部在热输出辊道上的位置，并进而计算出带钢尾部在冷却区的具体位置。
3.1.4.3 层流冷却区域入口及出口带钢样本微跟踪
自动冷却方式下，在带钢头部经过层流冷却区域入口和出口测温仪时，由测温仪检得信号触发层流冷却区域入口及出口带钢样本微跟踪程序。样本长度由过程控制系统确定，并提前发送至基础自动化PLC。层流冷却区域入口每经过一个样本时，基础自动化系统通过通讯程序将带钢样本终轧温度平均值、终轧厚度平均值、终轧速度平均值以及入口样本数发送至过程控制系统，用于触发过程控制系统动态设定计算。层流冷却出口每经过一个样本时，基础自动化系统通过通讯程序将带钢样本卷取温度平均值、卷取速度平均值以及出口样本数发送至过程控制系统，用于触发过程控制系统自学习。
3.1.5 层流冷却区域出口温度反馈控制
l 层流冷却区域出口温度反馈控制功能投入时必须满足的条件
ü HMI上选择层冷投入
ü 精轧区无急停
ü 卷取区无急停
ü HMI上选择全自动或半自动
ü HMI上选择反馈控制功能投入
l 层流冷却区域出口温度反馈控制功能启动时刻
层流冷却出口高温计检得后2S（或2个跟踪样本）后，由控制逻辑启动。
l 层流冷却区域出口温度反馈控制功能终了时刻
带钢尾部通过层流冷却区，层流冷却出口高温计检失。
3.1.5.1 反馈控制数学模型及控制策略
根据带钢卷取温度的实测值与目标值的偏差，通过动态调节20和21组集管的冷却水量来消除温度偏差，提高带钢的卷取温度精度。
当20和21组集管全开仍不能满足要求时，如果前面的集管还有空的，就继续前移。(在实际编程中只考虑精冷段就已经基本满足要求)
控制信息初始化：实施反馈控制需要初始化控制信息。
必要冷却量的计算：必要冷却量是指带钢冷却过分或欠缺的集管排放水量，它表示带钢实际温度与目标卷取温度之间的温度偏差，当必要冷却量大于0时，说明目前带钢实际温度高于目标卷取温度，即带钢的冷却量不足，因此需增加向带钢喷水的集管数目；当必要冷却量小于0时，需减少向带钢喷水的集管数目。
每个精调集管所产生的温度降模型为：

层流冷却实测终冷温度偏差DTf与增减集管数N的关系计算如下：

式中：g：比重，kg/m3
Cp：比热，kJ/kg℃
HF：带钢厚度，mm
V：夹送辊线速度，m/s
QXF：每个精调集管热流密度，KJ/m2h
lu：每个精调集管长，m
DTf：层流冷却实测终冷温度偏差，℃
N：消除DT所需的集管组数。
以上模型相当于只采用P调节时的模型，实际上不能直接采用。当采用PID控制模型时，应作如下修改：
在使用PID控制策略时，将PID的放大倍数先设定为1，由此得到的PID控制算法的输出设为DTu；
将最终集管的增减量N的计算公式修改如下：

式中：a：层流冷却反馈控制调节因子，其取值范围为0<a<1；
VL：实测带钢线速度，m/s；
VMAX：带钢最高速度，m/s。
3.1.5.2 带Smith预估器控制器的反馈控制
控冷反馈系统是一个比较典型的大滞后系统，在PID控制的基础上，考虑采用Smith预估器控制器来对滞后系统进行补偿，以获得更好的控制结果。设控冷系统的结构如图3.1所示。

图3.1 带纯滞后对象的反馈系统
设被控对象的传递函数为：

系统的闭环传递函数为：

系统的特征方程：

系统传递函数分母中包含纯滞后环节e-ts，使系统的稳定性下降，如果t足够大的话，系统是不稳定的。且常规控制算法Gc(s)也很难使闭环系统达到预期的性能指标，故引入一个对象并联的补偿器Gt(s)，即Smith预估器，如图3.2所示，其目的是使补偿后的等效对象不包含纯滞后特性。

图3.2 带Smith预估器控制系统
经补偿后的传递函数为：

若要借助于补偿器完全补偿对象的纯滞后，则要求：

于是得补偿器传递函数的表达式为：

这样，引入补偿器后等效对象的传递函数就不含纯滞后环节e-ts部分。上式相应的框图入图3.3所示。

图3.3 Smith补偿回路

图3.4 Smith补偿回路的等效变换
图3.4中虚线框部分为带纯滞后补偿的调节器，其传递函数为：

式中G0(s)=Gc(s)Gp(s)，系统无滞后环节的开环传递函数。
大滞后补偿系统的方框图可简化成图3.5

图3.5 大滞后补偿系统简化方框图
系统闭环传递函数为：

这样在闭环系统的特征方程为：

特征方程中不包含。经纯滞后补偿后，消除了纯滞后部分对系统的影响，即的e-ts在闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性；由拉氏变换的位移定理可以证明，它仅仅将控制过程在时间坐标上推移了一个时间t ，其过渡过程的形状及其它所有质量指标均与对象特性为Gp(s)(不存在纯滞后部分)时完全相同。所以，对任何大滞后时间t，系统都是稳定的。因此，纯滞后特性已不影响系统。
设本系统的被控对象的数学模型为一阶惯性加纯滞后形式：

加上零阶保持器H0(s)的广义对象模型为

式中：T：采样周期；
τ：对象的纯滞后时间常数；
T1：惯性时间常数。
系统可最终近似简化为如图3.6所示。

图3.6 系统最终近似简化图
补偿器结构如图3.7所示。

图3.7 Smith预估器方框图
从U(s)到Q(s)的传递函数相当于原系统中的Gτ(s)，对Gτ(s)进行离散化处理，得：

式中：

（取整数）

可得Gτ(z)的差分方程：

上式可以通过计算机实现Smith预估算法。然后再对经过补偿后的系统进行PID控制。
3.1.6 层流冷却区域精轧机抛钢后的冷却水前馈控制
l 层流冷却区域出口温度反馈控制功能投入时必须满足的条件
ü HMI上选择层冷投入
ü 精轧区无急停
ü 卷取区无急停
ü HMI上选择全自动或半自动
ü HMI上选择前馈控制功能投入
l 层流冷却区域精轧机抛钢后的冷却水前馈控制功能启动时刻
精轧机末机架抛钢，由控制逻辑启动。
l 层流冷却区域精轧机抛钢后的冷却水前馈控制功能终了时刻
带钢尾部通过层流冷却区，层流冷却出口高温计检失。

3.1.6.1 前馈控制策略
当带钢尾部减速及精轧机抛钢时要发生速度变化，因此，要预测带钢尾部速度并对尾部速度变化时喷水组态的补偿量进行计算。
前馈控制以样本长度跟踪为控制周期，经过每一个样本长度输出一次前馈控制附加喷水组态，跟踪的样本长度由过程机给出。
带钢的运行速度由卷取机卷筒或夹送辊的线速度（现场调试时决定）给出，在每一个样本长度内，对速度采样n次（现场调试时决定），平均后作为带钢的当前运行速度。
在精轧机抛钢时，过程机给出此时的控制冷却喷水组态并保持不变，PLC将根据实测的带钢线速度，对带钢尾部进行前馈补偿控制。前馈补偿控制的输出结果是：在过程机输出喷水组态的基础上，对集管进行开关控制。
3.1.6.2 前馈控制模型
末机架抛钢后，带钢的运行速度由卷取机卷筒或夹送辊的线速度VMD给出，此时过程机的前馈控制输出的喷水组态保持不变，由于抛钢后带钢的速度为VMD，由带钢的速度变化所产生的层流冷却终冷温度预测偏差DT与增减集管组数N的关系计算如下：
设精轧机抛钢的瞬间，带钢的线速度为VOL，过程机输出的喷水组态集管的总长度为LOL，所产生的温度降为DTOL，则有下式：

设精轧机抛钢后，带钢的线速度变为VMD，此时输出的喷水组态集管的总长度为LOL+DLMD，所产生的温度降为DTMD，则有下式：

式中：g：比重，kg/m3
Cp：比热，kJ/kg℃
HF：带钢厚度，mm
VMD：精轧机抛钢后带钢的实测线速度，m/s
VOL：末机架抛钢瞬间带钢的锁定速度，m/s
QXF：集管热流密度，kJ/m2h
LOL：精轧机抛钢时喷水集管的总长度为LOL，m
DLMD：设精轧机抛钢后应输出的喷水长度的附加量长度，m
DTOL：精轧机抛钢时刻冷却集管喷水组态所产生的温度降，℃
DTMD：精轧机抛钢后冷却集管喷水组态所产生的温度降，℃
令上两式相等，则经过推导有下式：

在上式中，LOL与轧机抛钢时刻所输出的喷水集管数是对应的，作为一个实用的前馈补充控制，可采样如下的补偿算法：

上式中：NUOL：为精轧机抛钢时过程机输出的冷却精调上集管数；
NDOL：为精轧机抛钢时过程机输出的冷却精调下集管数；
DNUMD：为消除抛钢后带钢速度变化所需增加的微调上集管数；
DNDMD：为消除抛钢后带钢速度变化所需增加的微调下集管数；
a：前馈控制调节系数，通常0.6£ a £1，在现场调试时确定。
3.1.7 层流冷却集管装置的操作
层流冷却控制部分不设操作台，只在操作员操作终端上的HMI画面上通过鼠标或功能键进行操作。
l 层流冷却功能投入：在层流冷却主画面上设有“层冷投入”按钮，鼠标点击一下“层冷投入”按钮，按钮颜色变绿，代表层流冷却功能投入；再次点击一下“层冷投入”按钮，按钮颜色变灰，代表层流冷却功能投入解除。层流冷却功能未投入时，层流冷却集管装置不允许打开，侧喷阀不允许打开，压缩空气吹扫阀不允许打开，上集管倾翻功能不允许投入，边部遮蔽功能不允许投入，仿真功能不允许投入。
l 集管健康状态选择：通过层流冷却测试画面可以判定集管健康状态（健康或故障），不健康的集管在进行组态设定时不允许选定。在层流冷却测试画面上，每根集管对应一个“健康”按钮。操作工通过手动开启和关闭集管装置来确定选定的集管是否健康（可控）。当选定的集管可控时，操作工用鼠标点击测试画面上对应集管的“健康”按钮，使按钮变成绿色；当选定的集管不可控（常开或常闭）时，操作工用鼠标点击测试画面上对应集管的“健康”按钮，使按钮变成灰色。系统将记录每根集管的健康状态，过程控制系统进行组态设定时将跳过不健康的集管。
l 手动或半自动控制方式下集管选定：操作工可通过点击层流冷却主画面上的竖条状图形来选定需要打开的健康集管，组成手动或半自动控制方式下的冷却组态。不健康（或故障）的集管不允许选定。健康且未选定的集管所对应的竖条状图形为黄色；选定但未打开的集管所对应的竖条状图形为暗绿色；已打开的集管所对应的竖条状图形为亮绿色；不健康（或故障）的集管所对应的竖条状图形为红色。
l 控制模式选择：在层流冷却主画面上设有“手动”、“半自动”和“全自动”按钮。操作工通过点击不同的按钮进行控制模式的切换。
l 手动开阀确认：在层流冷却主画面上设有“手动确认”按钮。在满足手动开阀功能启动条件下，操作工点击一下该按钮，选定的集管依次打开，同时该按钮变成绿色；操作工再次点击一下该按钮，打开的集管依次关闭，同时该按钮变成灰色。
l 层流冷却区域出口温度反馈控制功能投入：在层流冷却主画面上设有“反馈投入”按钮，鼠标点击一下“反馈投入”按钮，按钮颜色变绿，代表层流冷却区域出口温度反馈控制功能投入；再次点击一下“反馈投入”按钮，按钮颜色变灰，代表层流冷却区域出口温度反馈控制功能投入解除。
l 层流冷却区域精轧机抛钢后的冷却水前馈控制功能投入：在层流冷却主画面上设有“前馈投入”按钮，鼠标点击一下“前馈投入”按钮，按钮颜色变绿，代表层流冷却区域精轧机抛钢后的冷却水前馈控制功能投入；再次点击一下“前馈投入”按钮，按钮颜色变灰，代表层流冷却区域精轧机抛钢后的冷却水前馈控制功能投入解除。
l 自动控制方式下手动干预功能投入：在层流冷却主画面上设有“手动干预增加”和“手动干预减少”按钮，用于对全自动控制方式下带钢冷却过程中的过程控制系统冷却组态进行干预。每点一次“手动干预增加”按钮，层流冷却基础自动化系统自动增开一根微调集管（上、下相对应）；每点一次“手动干预减少”按钮，层流冷却基础自动化系统自动减开一根微调集管（上、下相对应）。
3.1.8 层流冷却集管装置的状态显示
在HMI上可显示的层流冷却集管装置状态及实时数据包括：
l PDI数据：包括钢卷号、钢种代码、带钢宽度设定值、带钢厚度设定值、终轧温度目标值、卷取温度目标值、热头长度及热尾长度。
l 集管状态：通过竖条状图形的颜色显示集管的不同状态。健康且未选定的集管所对应的竖条状图形为黄色；选定但未打开的集管所对应的竖条状图形为暗绿色；已打开的集管所对应的竖条状图形为亮绿色；不健康（或故障）的集管所对应的竖条状图形为红色。
l 温度实时值：包括层流冷却入口带钢温度实时值、中间温度实时值、层流冷却出口带钢温度实时值、卷取温度实时值。
l 速度实时值：包括终轧速度实时值、卷取速度实时值。
l 终轧厚度实时值。
l 集管流量实时值。
l 高位水箱水位实时值。
l 高位水箱水温实时值。
l 集管装置总开阀数。
l 边部遮蔽位置实时值。
l 报警信息滚动显示。
l 温度、速度及流量历史趋势数据显示。
3.2 层流冷却侧喷装置
3.2.1 层流冷却侧喷装置的功能
每组集管前后均设置一个侧喷装置。侧喷的目的是为了提高每组上部层流集管的冷却效率，吹掉带钢上表面上集聚的高温水，置换新水，将带钢上表面的冷却水截挡在指定的区域内。
3.2.2 层流冷却侧喷装置的技术参数
在层流冷却区内设置了22组侧喷装置，即每组集管前后设一个侧喷装置，对带钢进行交错喷水，侧喷水压1.2MPa，每个侧喷装置流量为16m3/h，总水量384m3/h。每组侧喷装置由一个DN150二通电磁阀控制，总计共22个DO控制点。
3.2.3 层流冷却侧喷装置的开闭控制
层流冷却侧喷装置的开闭控制包括两种控制方式：手动/半自动控制方式和全自动控制方式。
3.2.3.1 手动/半自动控制方式下层流冷却侧喷装置的开闭控制
手动或半自动控制方式下，侧喷阀由基础自动化系统控制开启，控制方式如下：
l 只要有带钢在层流冷却辊道，则第一个和最后一个就处于ON状态。
l 基础自动化系统根据层流冷却上集管开阀情况确定其余侧喷阀开阀组态：当某组层流冷却上集管有阀开启时，该组后面的侧喷阀也自动开启。

3.2.3.2 全自动控制方式下层流冷却侧喷装置的开闭控制
全自动控制方式下，侧喷阀由过程计算机设定开闭组态，基础自动化系统执行过程计算机下发的组态。
3.2.4 层流冷却侧喷装置的操作
在层流冷却主画面上设有“手动”、“半自动”和“全自动”按钮。操作工通过点击不同的按钮进行层流冷却侧喷装置控制模式的切换。
3.2.5 层流冷却侧喷装置的状态显示
在层流冷却主画面上可以显示每个侧喷阀的开闭状态：当侧喷阀打开时，画面上显示为绿色；当侧喷阀关闭时，画面上显示为白色。
3.3