天鋼中厚板11輥全液壓矯直機控制系統的應用

白雪峰 馬金 張瑞 （天津鋼鐵有限公司中厚板廠 ，天津 300301)

天鋼中厚板11輥全液壓矯直機控制系統的應用

白雪峰 馬金 張瑞 （天津鋼鐵有限公司中厚板廠 ，天津 300301)

中厚板在生產的各個過程中會產生各種浪型缺陷，為了保證鋼板的平直度，天鋼在3 500 mm中厚板軋機加速冷卻裝置后設置了一臺熱矯直機，用于軋后及加速冷卻后鋼板的矯直。主要介紹了熱矯直機的控制方式和控制特性，并對其中重要的控制功能進行了詳述。通過對矯直機的控制，提高了鋼板的平直度，滿足了市場和用戶對鋼板的質量要求。

鋼板 矯直機 矯直 軋輥 輥縫 自動控制

1 前言

近幾年來,中厚板軋機剛度的加大,板形控制技術的進步,都有利于鋼板不平直度的改善，而層流冷卻技術的采用,也會帶來一些不利的影響。中厚板在生產過程中形狀缺陷主要是由鋼板在軋制過程中、快速冷卻過程中產生的彎曲、浪形、瓢曲等形狀缺陷,以上原因是很難避免的,因此在用戶自動化加工對鋼板平直度提出更加嚴格要求的情況下，需要加強對鋼板的矯直工作與細心操作。

天鋼中厚板廠矯直機為11輥全液壓強力矯直機，為一重設計研究院設計，最大矯直力可達到25 000 kN，控制系統采用意大利安薩爾多公司開發的AMS(Ansaldo Micro System)多功能微處理單元，模塊化設計，易于維護和擴展，是實時控制系統的基礎。該矯直機控制系統先進，達到了當今國際先進水平。它功能齊全、現場信號采集與響應速度快，矯直能力大、控制精度高、工作性能可靠，很好地實現了對矯直機的控制，并且矯出后的鋼板平直度滿足了市場和用戶對鋼板質量的需求。

2 矯直機設備組成

2.1 設備組成

矯直機配備11個軋輥(5上 6下)交錯排列，并且由2個交流電機通過齒輪箱傳動。上下交錯的軋輥可以把鋼板的短纖維應力延長，達到矯平鋼板的目的。矯直機由機架裝配、彎輥架、輥系、壓下裝置、傳動裝置、換輥裝置、機架輥等組成。結構簡圖見圖1。

2.2 技術數據

主傳動電機：(帶光電編碼器)AC350/700/700 kW 500/1000/1350 r/min 2臺

軋制板厚度：6 mm～50 mm;

軋制板寬(max)：3 300 mm;

軋制板長度(max)：40 000 mm;

矯直板材溫度： 450～900℃;

圖1 矯直機總視圖

矯直板材屈服極限：σs≤710 MPa;

最大矯直力：25 000 kN

矯直速度：0～0.75/2 m/s;

矯直輥節距：300 mm;

上輥系行程：-20,+320 mm;

上輥系沿軋線和輥身方向傾動量：±10 mm

前、后導輥的調整量： +10～-25 mm

主壓下速度：0-15 mm/s

工作輥規格：?285×3600 mm

工作輥數量：11根（上排5根、下排6根)

一臺主電機軸上的GD2（不含電機)：72.65 kgm2

最大矯直力矩：16 778 kgm

3 矯直機控制功能

3.1 矯直機控制系統的硬件配置

天鋼3 500 mm中厚板矯直機控制系統對現場的壓力檢測、機械設備和電氣設備進行邏輯管理，并對這些設備提供給定參數。收集反饋信息等事件都是由AMS進行控制的，AMS是由意大利ASIRobicon公司開發的多功能微處理單元，它的硬件設計主要基于以下幾點：（1) 多重處理能力;（2) 多任務處理能力;（3) 開放和標準總線;（4) 擴展能力，遵循技術趨勢擴展系統的運算能力;（5) 系統維護簡單;（6) 通信標準能適應診斷需要。AMS平臺包括一整套VME總線I/O板(數字量和模擬輸最入，輸出、高速計數器和編碼器)。ASI設備通過PROFIBUS與之有效成為一體，更增強了自動化系統性能，使通過設備進行遠程診斷成為了可能，其定位于快速過程的實時控制，采用市場普及的微處理器標準總線VME-bus，可多達8個CPU，這些CPU均為相同類型，只是第一個CPU裝備以太網接口，因此它被指定為操作員和服務站的接口功能、以及應用軟件的開發和監控單元。矯直機硬件簡易配置如圖2所示。

圖2 AMS6的硬件配置示意圖

系統主要由4塊MVME-5100CPU和3塊VMEPROFI-S卡,1塊ANSALDO MM98卡，以及VME總線組成。系統選用1個標準的VME總線機架，CPU卡、VME-PROFI卡、ANSALDO MM98卡均安裝在這一機架上，并為以后的擴展留有相應備用插槽。MVME-5100CPU卡采用標準MOTOROLA公司生產的POWER PC處理器，采用RISC技術，支持VME總線，主頻300 MHz，卡上帶有RJ45口用以ETHERNET通訊，采用靜態存儲技術。第1塊CPU安裝了一塊FLASH-CARD，應用程序和配置文件直接存儲在易保持的FLASH-CARD內[1];第2塊CPU用于傳動及矯直區域的順序邏輯控制，第3塊CPU用于矯直輥縫控制和快速換輥控制，第4塊CPU用于矯直機液壓站控制。VME-PROFI的從站板卡采用標準的支持VME總線PROFIBUS接口卡，用于連接矯直機傳動裝置及現場遠程控制站。ANSALDO MM98卡用于光纖的通訊模塊。然后在其余插槽中放置有信號采集處理模塊、通訊模塊等。為了便于程序的編制和控制，把主要控制功能分為以下幾部分：矯直輥縫控制（LGC);彎輥控制（LBC);換輥維修控制（LML);生產邏輯控制（LPL);矯直機區域速度控制（LVM)等。下面簡要介紹其中一些重要的控制功能。

3.2 鋼板在矯直機區域的順序邏輯控制功能

3.2.1 自動化系統在鋼板到達矯直機前高溫計時，讀取鋼板溫度并重新進行輥縫設定,輥縫設定為：輥縫=欲設定輥縫+間隙（約0.5 mm，可調)。

3.2.2 鋼板頭部到達熱板矯直機入口并被檢得后，鋼板減速到穿帶速度（0.5～1 m/s)。

3.2.3 當入口光電管檢測到鋼板頭部后，啟動鋼板頭部跟蹤，當鋼板頭部到達3#上輥和4#下輥之間時，主壓下缸通過增壓缸開始工作，此時輥縫值為預設定輥縫值。然后以出口輥作為樞軸傾斜上輥系。

3.2.4 一旦跟蹤系統檢測到鋼板頭部到達矯直機出口時，立即升速至矯直速度。

3.2.5 一旦跟蹤系統檢測到鋼板尾部到達矯直機出口后，矯直機立即恢復到穿帶速度，這時矯直機輸入輥道停止運行。

3.2.6 如果在矯直過程中板型不平需要進行反矯，操作工啟動可逆按鈕，矯直機將執行反方向矯直邏輯。這樣即可以對板坯進行3次矯直，更好地提高板型平整度。

3.3 輥縫位置調節控制

3.3.1 矯直機的輥縫位置調整

上軋輥高度的調節，它是通過控制4個主液壓缸的位置來實現輥縫調節的;彎輥架位置調節,通過控制彎輥缸使得各個上矯直輥彎曲受控，用于兩邊或中間由較大浪型的鋼板矯直;入口和出口導位輥位置高度調節，可控制矯直后鋼板頭部板型。這里主要介紹由4個主液壓缸控制來實現輥縫位置的調節。

3.3.2 矯直機的輥縫調節

通過對4個主壓下液壓缸的位置調整來控制上輥系到下輥系（下輥系不可調視為水平位)的距離，實現輥縫大小的調整。壓下液壓缸由伺服閥控制，可對輥縫進行設定，壓下液壓缸可同步動作，也可單獨動作，單獨動作時可實現上輥系沿鋼板長度及寬度方向的傾動。4個主壓下缸內安裝有線性位移傳感器，來控制上輥系的前后、左右傾動位置的反饋，并提供一個同步串行接口（SSI)，位置信號由SSI板采集，分辨率為5 μm，用來精確計算液壓缸的行程，所得數值與位置設定參數比較，通過位置調節器，調整伺服閥開口度來控制液壓缸，實現位置閉環控制。輥縫由位置傳感器檢測并在操作臺人機界面上顯示[2]。主液壓缸本體裝有壓力傳感器，可根據采集的壓力糾正位置參數。這樣使得輥縫的控制十分精確，可以精確到0.01 mm左右，并且當外部條件出現故障或壓力非常大過載時輥縫可以自動打開，這樣保證了設備及產品的安全。如圖3、圖4。

3.3.3 伺服閥增益的調整

輥縫的快速動作有助于提高矯直節奏，因此，為了輥縫響應時間不取決于負載壓力和位置變換的因素，有必要調整PID增益。實際上，由于伺服閥是用做三通裝置,油的流量將取決于供壓和液壓缸壓力之間的差值。液壓缸壓力包括裝載和卸載時的壓力。用于伺服閥流量的這個糾正增益[3]，采用公式如下：

圖3 位子閉環控制功能圖

圖4 位子調節器示意圖

PS=壓力源壓力(來自液壓PLC)PL=活塞側壓力

3.4 主液壓缸的油路控制

通過對液壓油路的控制可以實現輥縫的快速打開、緊急事故打開、高低壓矯直模式等。通過對電磁閥、高頻響應比例閥、先導閥的不同邏輯控制，來實現不同的給油路徑，得以實現上述功能。每個主液壓缸由一個增壓缸加壓,可以增加主缸本身的壓力，實現更大范圍的矯直力。操作模式有高低壓兩種。

3.4.1 低壓模式

增壓缸不包括來自伺服閥控制油的流量,液壓油通過增壓缸有桿腔直接送到主液壓缸中（增壓缸有桿腔與主缸無桿腔聯通)。

3.4.2 高壓模式

來自伺服閥油的流量,送到增壓液壓缸無桿兒腔。這個模式在矯直操作階段使用。經過這個操作，使主缸的活塞側產生的壓力值遠大于油路，通過增壓缸有桿腔使主缸產生的壓力，提升了矯直機的矯直力降低了鋼板的殘余內應力，確保了對高硬度鋼板的矯直。液壓油路[4]如圖5，矯直時輥縫液壓系統高壓模式

3.5 矯直機速度控制

圖5 高壓模式的油路示意圖

操作矯直機區的速度需要所有包括在該過程中的所有機械元件線速度的配合，包括矯直機機架輥和入口及出口輥道的同步運行，并且2臺主傳動電機必須速度同步工作。這樣矯直機區域的速度控制就分為運輸鋼板和矯直鋼板兩種方式。當鋼板從上一工序（層流冷卻)運輸到矯直機前時，矯直機入口輥道的速度取決層流輥道的速度給定。矯直過程時，速度分為咬鋼速度，矯直速度和拋鋼速度，這時區域速度取決于2臺主電機的速度給定。速度的給定可由操作工在HMI畫面上設定或由2級給出。速度給定通過邏輯運算再轉換成角速度，通過Profibus把數據發送給變頻器驅動電機?？刂迫鐖D6所示。

圖6

3.6 矯直機驅動的負載平衡

當鋼板進入矯直機矯直時，出口傳動以超前速度無載運行（5%可調)，使入口和出口段之間可建立低的張力，超速量取決于平直度等。根據鋼板在矯直機工作輥組中的位置，控制穿帶期間電機負荷的增加。在鋼板穿帶期間，電機負荷逐級增加，每一級與各個輥子的矯直力成比例。鋼板進入每一組的最初4根輥子時，電機電流限幅值應由1/4電機額定電流逐級遞增。鋼板穿帶并升速后，實時檢測并比較入口，出口主傳動的負荷值，入、出口傳動負荷值之比，RL=入口傳動負荷/出口傳動負荷。如果在矯直期間“RL”的絕對值超過1～1.1（可調)，則證明兩個安全聯軸節中的一個“已打開”，這時給出相應的報警。如圖7所示。

圖7 咬鋼過程電機力矩示意圖

4 結論

4.1 由于天鋼3 500 mm中厚板廠采用了AMS控制系統，很好地實現了對矯直機功能的控制，并且矯直機矯過的鋼板達到了市場和用戶對鋼板質量的要求。

4.2 天鋼3 500 mm中厚板矯直機比傳統矯直機的控制功能更齊全，輥縫控制更精確更高,上輥系可以左右擺動和前后傾動，可以較好地消除邊部邊浪，從入口到出口得到理想的鋼板矯直曲率，并且對薄規格和高強度的鋼板均可以得到理想的矯直效果。

4.3 響應更及時，平均矯一塊鋼板在20 s左右，保證了軋制節奏，增加了機時產量。

4.4 矯直力更大并且合理，以前原本需要矯3道次的高強度鋼板現在矯一道次就可以實現很好的平直度，并且使鋼板彈復后的殘余曲率變化范圍縮小，減少了鋼板在冷卻后再次產生形變的可能性。

4.4 經過幾年運行，該系統性能穩定，能夠滿足生產工藝的要求;自動化程度高，減少了維護人員和操作人員的勞動強度;故障率低，由于矯直機控制系統造成的非計劃停車時間為零，保證了機時產量。

[1]MVME-5100CPU USER-MANUAL.MOTOROLA.2004：13.

[2]徐燕.新開發的11輥中厚板矯直機[J].一重技術,1996(2):34.

[3]ASIRobicon industrialpower control system specification document.2002：08.

[4]苗建新.厚板廠冷矯直機的控制及優化[J].鋼鐵研究學報,2007,19（2)：51.

Application of Control System of Eleven Roll Full Hydraulic Leveler of TISCO Plate Rolling Mill

Bai Xuefeng,Ma Jin,Zhang Rui

The medium and heavy plate can present wave defect during every procedure in production.In order to ensure plate flatness,TISCO installed a hot leveler after accelerated cooling equipment at 3 500 mm Plate Rolling Mill to level the plate after rolling and ACC.The paper introduces the control method and characteristics of hot leveler and explains in detail the important control functions.After its flatness was improved by leveler control,the plate met the demand by market and the customer on quality.

plate,leveler,level,roll,roll gap,automatic control

（收稿 2011－07－13 責編 趙實鳴)

白雪峰，男，2004年畢業于鞍山科技大學自動化專業,現在天鋼3 500 mm中厚板電修作業區工作。