1、材料成形過(guò)程自動(dòng)化,第1章 緒論,1.1 材料成形過(guò)程自動(dòng)化的重要性和必要性 1.2 本課程的核心內(nèi)容和特點(diǎn) 1.3 如何學(xué)好本課程 1.4 解決問(wèn)題示例 1.5 中厚板工程介紹,1.1 本課程的重要性和必要性,材料成型及控制工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)： 本專業(yè)主要研究各種材料成形的工藝方法、質(zhì)量控制以及材料成型的機(jī)械化和自動(dòng)化。是集材料制備與成形及過(guò)程自動(dòng)化為一體的綜合性學(xué)科。 本專業(yè)培養(yǎng)冶金及裝備制造業(yè)需要的材料成形科研、生產(chǎn)及管理方面的高級(jí)工程技術(shù)人員，通過(guò)基礎(chǔ)課及專業(yè)課的學(xué)習(xí)，掌握材料成形的基礎(chǔ)知識(shí)，具備新材料、新產(chǎn)品、新工藝開(kāi)發(fā)的能力,1.1 本課程的重要性和必要性,材料成型及控制工程專業(yè)所屬

2、學(xué)科： 0805 材料科學(xué)與工程 （一級(jí)學(xué)科） 080501 材料物理與化學(xué) 080502 材料學(xué) 080503 材料加工工程 （二級(jí)學(xué)科,1.1 本課程的重要性和必要性,1.1 本課程的重要性和必要性,材料成型及控制工程專業(yè)畢業(yè)生適應(yīng)范圍： 本專業(yè)的畢業(yè)生適合工業(yè)企業(yè)、科研和設(shè)計(jì)單位以及高等院校，從事與材料制備與成形有關(guān)的科研、教學(xué)、技術(shù)開(kāi)發(fā)、技術(shù)改造及經(jīng)營(yíng)管理等方面的工作。 此外，本專業(yè)非常注重培養(yǎng)學(xué)生多方面的綜合能力，尤其是適應(yīng)未來(lái)信息社會(huì)快速高效發(fā)展的能力，使畢業(yè)生掌握一定的新材料、新能源、信息科學(xué)與技術(shù)、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等諸多相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)，學(xué)生的就業(yè)面大大拓寬，符合未來(lái)社會(huì)對(duì)綜

3、合型人才的要求。 本專業(yè)畢業(yè)生遍及冶金、機(jī)械、汽車、航空航天、電子、信息、交通、建筑等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，社會(huì)需求量大,1.1 本課程的重要性和必要性,材料成型及控制工程專業(yè)主要課程： 數(shù)學(xué)、工程力學(xué)、材料成形力學(xué) 金屬學(xué)及熱處理、材料成形理論與工藝、控制軋制與控制冷卻 機(jī)械原理及零件、材料成形機(jī)械設(shè)備 電工與電子技術(shù)、微機(jī)原理與計(jì)算機(jī)應(yīng)用 材料成形過(guò)程控制及自動(dòng)控制理論等,1.1 金屬塑形加工學(xué)-軋制理論與工藝,大力開(kāi)發(fā)高精度軋制技術(shù)；（高精度化） 以物理冶金理論為基礎(chǔ)，加強(qiáng)控制軋制和控制冷卻研究和應(yīng)用，提高產(chǎn)品的冶金質(zhì)量，擴(kuò)大品種；（組織和性能） 大力推廣連鑄連軋工藝及短流程軋制技術(shù)；（新工

4、藝） 軋制過(guò)程連續(xù)化的新進(jìn)展-無(wú)頭軋制技術(shù)；（連續(xù)化） 采用柔性化的軋制技術(shù)；（自由化） 軋制過(guò)程的自動(dòng)控制和智能控制； 深加工,現(xiàn)代軋制工藝技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì),1.1 本學(xué)科（材料成型與控制工程）特點(diǎn),以材料加工力學(xué)、金屬學(xué)、摩擦學(xué)為理論基礎(chǔ)，軋制工藝學(xué)； 軋制過(guò)程賦予金屬一定的尺寸和形狀；精確化（高精度化）、高速化、連續(xù)化，與自動(dòng)化學(xué)科的結(jié)合； 軋制過(guò)程賦予金屬一定的組織和性能；控制軋制和控制冷卻；溫度（加熱冷卻）、變形、組織（演變）、性能；與材料學(xué)科的結(jié)合,1.1 本課程的重要性和必要性,本課程歷史沿革,1.1 本課程的重要性和必要性,工藝技術(shù)人員為什么要學(xué)習(xí)自動(dòng)化知識(shí)？ 材料成形過(guò)程

5、更加連續(xù)化、高速化、大型化、自動(dòng)化； 用戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求更高、更苛刻； 過(guò)程和控制、工藝和自動(dòng)化聯(lián)系越來(lái)越緊密； 強(qiáng)烈需要復(fù)合型人才掌握復(fù)合型知識(shí)和技術(shù),1.2 本課程的核心內(nèi)容和特點(diǎn),工藝：材料成形理論與工藝（型、棒線，板、帶，管），控制軋制與控制冷卻，金屬學(xué)與熱處理 設(shè)備：機(jī)械設(shè)備（軋機(jī)輥道等），動(dòng)力設(shè)備（電力拖動(dòng)和液壓傳動(dòng)），加熱和冷卻設(shè)備 自動(dòng)化：關(guān)鍵工藝參數(shù)和工藝過(guò)程的控制，以保證工藝路線的實(shí)現(xiàn),1.2 本課程的核心內(nèi)容和特點(diǎn),需要解決問(wèn)題：效益，品種，質(zhì)量，成本，產(chǎn)量 品種是有無(wú)的問(wèn)題 質(zhì)量是好壞的問(wèn)題 成本是盈虧的問(wèn)題 產(chǎn)量是快慢的問(wèn)題 效益是最終的問(wèn)題 工藝是龍頭，設(shè)備是基礎(chǔ)，

6、自動(dòng)化是保證,1.2 本課程的核心內(nèi)容和特點(diǎn),檢測(cè)技術(shù) 驅(qū)動(dòng)：液壓和電氣傳動(dòng)（位置/壓力） 關(guān)鍵工藝參數(shù)和工藝過(guò)程的控制,厚度、張力、溫度、寬度、板凸度和平直度（板形）、平面形狀、側(cè)彎、頭部翹曲,1.3 如何學(xué)好本課程,正確認(rèn)識(shí)，多學(xué)習(xí)專業(yè)相關(guān)知識(shí) 抓住核心，工藝-設(shè)備-自動(dòng)化相結(jié)合 聽(tīng)課和閱讀相結(jié)合，多看書和文獻(xiàn) 與教師密切配合，多思考多問(wèn),1.4 示例1-中厚板平面形狀控制,工藝問(wèn)題提出： 中厚板軋制過(guò)程通常采用固定尺寸的坯料生產(chǎn)不同寬度和不同厚度的鋼板，通常采用縱-橫-縱或橫-縱軋制方式，由于鋼板頭尾與中部在軋輥中的流動(dòng)不一致，成品形狀并不是矩形。 為提高成材率，減少切損，能否實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品近

7、矩形化,成材率損失組成,1.4 示例1-中厚板平面形狀控制,不同的展寬和延伸得到鋼板最終形狀不同，平面形狀控制是使最終產(chǎn)品矩形化，減小軋件的切頭尾和切邊損失，從而提高成材率的有效方法,基本思想：對(duì)軋制終了的鋼板平面形狀進(jìn)行定量預(yù)測(cè)，依據(jù)“體積不變?cè)怼睋Q算后，在成形階段和展寬階段最末道次上進(jìn)行厚度調(diào)整，改善最終的矩形度,1.4 示例1-中厚板平面形狀控制,1.4 示例1-中厚板平面形狀控制,實(shí)現(xiàn)以上功能的控制要點(diǎn)： 根據(jù)不同產(chǎn)品的展寬比和延伸比計(jì)算板坯的帶載壓下形狀（數(shù)學(xué)模型） 根據(jù)軋制速度校核軋機(jī)液壓缸帶載壓下速度是否滿足要求（設(shè)備條件，在1m/s軋制速度下，液壓壓下速度20mm/s,平面形

8、狀控制模型計(jì)算結(jié)果設(shè)定（與基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)通訊） 鋼板在輥縫中的微跟蹤精度，要求液壓缸壓下與抬起對(duì)稱；液壓缸位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性（基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)控制算法，設(shè)定與反饋跟隨情況,1.4 示例1-中厚板平面形狀控制,僅頭尾形狀控制一項(xiàng)可提高成材率1%以上，按中厚板廠年產(chǎn)120萬(wàn)噸計(jì)算，可直接帶來(lái)1.2萬(wàn)噸的效益,液壓缸油柱跟隨情況,1.4 示例2-鋼板頭部翹曲控制,問(wèn)題提出： 鋼板咬入時(shí)由于一些不穩(wěn)定因素的影響，常常發(fā)生頭部上翹或下扣的情況，上翹過(guò)大會(huì)損傷軋機(jī)、影響冷卻和矯直；下扣過(guò)大會(huì)損害輥道壽命，常見(jiàn)的影響因素包括： 鋼板上下表面溫度差異 下工作輥標(biāo)高與軋制中心線不一致 上下輥尺寸不一致 其它設(shè)

9、備因素等 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程要求鋼板頭部最佳狀態(tài)為微翹頭，如何做到,1.4 示例2-鋼板頭部翹曲控制,控制手段： 鋼板的頭部彎曲狀態(tài)可以通過(guò)咬鋼時(shí)對(duì)上下工作輥的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，即“雪橇軋制”，但首先要找到上下輥速差與頭部彎曲之間的關(guān)系,1.4 示例2-鋼板頭部翹曲控制,利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬： 初始條件： 入口厚度：10mm-150mm 壓下率：5%-30% 上下輥速差：1.0-1.2,模擬結(jié)果： 軋出1m處頭部高度,1.4 示例2-鋼板頭部翹曲控制,對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算的離散化結(jié)果進(jìn)行擬合處理，可采用多種方法，下圖為利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練 ，建立輸入與輸出之間的關(guān)系,H=20 mm H=40 mm,1.

10、4 示例2-鋼板頭部翹曲控制,通過(guò)對(duì)鋼板頭部彎曲的人工反饋和所需的設(shè)定值，在擬合的關(guān)系中找到所需的輥速差設(shè)定，輸出至主電機(jī)實(shí)現(xiàn)頭部彎曲的雪橇控制,1.4 示例2-鋼板頭部翹曲控制,實(shí)現(xiàn)以上功能的控制要點(diǎn)： 擬合得到上下輥速差與鋼板頭部彎曲之間關(guān)系（數(shù)學(xué)模型） 上下輥主電機(jī)否滿足雪橇控制要求（設(shè)備條件，電流不能超過(guò)限幅） 根據(jù)頭部彎曲反饋計(jì)算輥速差設(shè)定（通訊傳遞數(shù)據(jù)） 咬鋼時(shí)控制主電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)“雪橇”控制（基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),1.5 中厚板工程介紹-首鋼3340mm,時(shí)間：1998年，99年10月1221日，中修10日，恢復(fù)生產(chǎn) 項(xiàng)目：首鋼中板廠3340mm精軋機(jī)液壓AGC的改造項(xiàng)目 技術(shù)特點(diǎn)

11、：投資較少，多項(xiàng)專有技術(shù)，產(chǎn)品精度達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平 成果：2001年中國(guó)冶金科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)和2002年北京市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng),1.5 中厚板工程介紹-首鋼3500mm,時(shí)間：2000年，2001年，2002年10月10日2003年1月14日，98天 項(xiàng)目：首鋼3500mm中厚板四輥精軋機(jī)液壓AGC及控軋、控冷自動(dòng)化控制系統(tǒng) 國(guó)家十五攻關(guān)項(xiàng)目：首鋼3500mm中厚板軋機(jī)核心軋制技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備研制 背景： 當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)共有27套中厚板軋機(jī)，除酒泉鋼廠一套為全部引進(jìn)外，其余26套大多是6070年代的水平,裝備水平低：軋制力小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制軋制； 無(wú)軋后冷卻系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn) 控制冷卻； 自動(dòng)化程度低：不能實(shí)現(xiàn)

12、全過(guò)程控制； 產(chǎn)品質(zhì)量差：無(wú)論從產(chǎn)品的尺寸公差還是品種質(zhì)量，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要； 通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收、改造，已經(jīng)積累了相當(dāng)?shù)募夹g(shù)和經(jīng)驗(yàn),國(guó)家從行業(yè)的全局出發(fā)，從具備的條件和國(guó)家發(fā)展需要出發(fā)， 決定支持中厚板軋機(jī)核心軋制技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備研制的國(guó)產(chǎn)化,1.5 中厚板工程介紹-首鋼3500mm,首鋼3500裝備的中國(guó)之最,液壓缸：直徑1450mm 壓下速度29mm/s,牌坊單側(cè)重325噸 高度：13.320m,7000kW2 交流調(diào)速,軋制力：70400kN 軋機(jī)剛度：10700kN/mm,最完備的控制冷卻系統(tǒng),1.5 中厚板工程介紹-首鋼3500mm,2004年冶金科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

13、2005年國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng),1.5 中厚板工程介紹-唐鋼3500mm軋機(jī),1.5 中厚板工程介紹,南鋼中板技術(shù)改造工程2500四輥精軋機(jī)液壓AGC及控軋、控冷自動(dòng)化控制系統(tǒng)，2001 營(yíng)口中板廠技術(shù)改造工程四輥精軋機(jī)液壓AGC系統(tǒng)，2002 河北文豐3000mm中厚板精軋機(jī)液壓AGC和軋后冷卻控制系統(tǒng)，2004 河北普陽(yáng)鋼鐵有限公司3500mm中厚板軋鋼工程HAGC系統(tǒng) ，2006 邯鄲鋼鐵股份有限公司3500mm中厚板工程HAGC控制系統(tǒng)，2006 唐山中厚板材有限公司3500mm中厚板軋鋼生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)，2006 河北敬業(yè)集團(tuán)3000mm中厚板軋線自動(dòng)化控制系統(tǒng)，2007 福建三

14、鋼3000mm中板軋鋼工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)，2007 江陰長(zhǎng)達(dá)2800mm中板軋機(jī)HAGC控制系統(tǒng)，2007 重鋼集團(tuán)環(huán)保搬遷4100mm寬厚板工程AGC、AWC、過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)，2007 武鋼熱軋總廠中厚軋板分廠技術(shù)改造工程主軋線自動(dòng)化系統(tǒng)，2010 首秦4300mm中厚板軋機(jī)二級(jí)模型控制技術(shù)開(kāi)發(fā)，2012 福建三鋼3000mm中板平面形狀控制和自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2013 唐山中厚板雙機(jī)架AGC系統(tǒng)及平面形狀開(kāi)發(fā)，2015,1.5 中厚板工程介紹-控制系統(tǒng)分級(jí),計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使自動(dòng)化控制系統(tǒng)規(guī)模更大、應(yīng)用更廣； 包括控制自動(dòng)化和管理自動(dòng)化； 一般分為4級(jí)，目前尚無(wú)絕對(duì)的一定的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)行業(yè)不同、企業(yè)規(guī)模不同以及管理者的管理理念不同，系統(tǒng)分級(jí)并不統(tǒng)一,分級(jí)控制特點(diǎn),4 企業(yè)資源計(jì)劃（ERP） 3 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES） 2 過(guò)程控制級(jí)（PCS） 1 基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)（BA） 0 檢測(cè)驅(qū)動(dòng)級(jí),1.5 中厚板工程介紹-控制系統(tǒng)分級(jí),具體內(nèi)容,4 ERP全稱Enterprise Resources Planning，即企