棒線材軋線的物料跟蹤和速度級(jí)聯(lián)控制

劉 杉 楊 戈

（1：北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京 100029；2：北京金自天正智能控制股份有限公司 北京 100070）

1 前言

速度級(jí)聯(lián)控制是現(xiàn)代棒線材軋機(jī)控制系統(tǒng)的最重要組成部分。由于機(jī)架間距小、連續(xù)軋制和速度快，要求控制系統(tǒng)精度高、穩(wěn)定性好、調(diào)速快和自適應(yīng)功能強(qiáng)。精確的物料跟蹤是實(shí)現(xiàn)上述要求的物質(zhì)基礎(chǔ)，而微張力和活套控制是實(shí)現(xiàn)上述要求的必不可少的手段，它們是通過檢測(cè)單元，檢測(cè)出軋件的張力和活套的實(shí)際值與設(shè)定值比較，然后以其偏差值通過級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)控制上游機(jī)架的速度，達(dá)到調(diào)節(jié)張力和活套高度的目的。

2 物料跟蹤

物料跟蹤功能主要是提供當(dāng)前軋件頭、尾的準(zhǔn)確位置信息，它們是主、輔傳動(dòng)控制時(shí)序的要求，主軋線的速度級(jí)聯(lián)控制及其相關(guān)的微張力控制和自動(dòng)活套控制，以及軋線飛剪的自動(dòng)剪切控制，都是基于精確的物料跟蹤。

2.1 信號(hào)來(lái)源和可靠性處理

1）根據(jù)不同軋制區(qū)域，物料檢測(cè)信號(hào)來(lái)源有以下四種：

（1）熱金屬檢測(cè)器（HMD），是最常用的軋線物料檢測(cè)元件。

（2）活套掃描器，應(yīng)用于活套控制，同時(shí)給出物料檢測(cè)信號(hào)。

（3）咬鋼信號(hào)，來(lái)自交直流傳動(dòng)裝置，主要用于粗軋和中軋區(qū)。當(dāng)軋制力矩超過額定力矩的門檻值時(shí)，控制系統(tǒng)給出該信號(hào)。

（4）剪切信號(hào)，軋線飛剪剪刃閉合的瞬間給出該信號(hào)。

2）對(duì)以上物料檢測(cè)信號(hào)，必須進(jìn)行可靠性處理，再應(yīng)用于軋件跟蹤。具體做法是：所有物料檢測(cè)輸入信號(hào)只有在頭部許可或尾部許可時(shí)才給出真正地用于跟蹤的物料檢測(cè)信號(hào)，否則會(huì)給出假頭或假尾報(bào)警信號(hào)。頭部許可的條件是：信號(hào)消失的時(shí)間已超過相鄰軋件的最小間隔時(shí)間；尾部許可的條件是：相鄰的上游檢測(cè)信號(hào)已消失，并且消失的時(shí)間已超過相鄰軋件的最小間隔時(shí)間。

2.2 物料跟蹤的基本方法和基本原則

物料跟蹤的基本方法是計(jì)算軋件速度對(duì)時(shí)間的數(shù)字積分、熱金屬檢測(cè)器HMD、活套掃描器、咬鋼信號(hào)和飛剪的剪切信號(hào)經(jīng)上述討論的可靠性處理后用于啟動(dòng)和更新跟蹤。

物料跟蹤的基本原則：

1）物料檢測(cè)信號(hào)僅對(duì)軋機(jī)組態(tài)畫面上選定的工作機(jī)架有效。

2）每個(gè)工作機(jī)架都有自己?jiǎn)为?dú)的軋件頭尾跟蹤功能。

3）每個(gè)工作機(jī)架跟蹤功能產(chǎn)生一個(gè)咬鋼信號(hào)，表明軋件已進(jìn)入該機(jī)架，還產(chǎn)生三個(gè)報(bào)警信號(hào)A1、A2、A3，表明軋件頭和尾已經(jīng)到達(dá)距離該機(jī)架輥縫的報(bào)警位置。A1和A2信號(hào)用于自動(dòng)活套控制，A 3信號(hào)用于微張力控制。

4）跟蹤功能產(chǎn)生咬鋼信號(hào)后，要繼續(xù)跟蹤軋件直到該機(jī)架后面的物料檢測(cè)器，如果跟蹤功能預(yù)示軋件應(yīng)該到達(dá)該檢測(cè)器所在的位置，而該檢測(cè)器并未檢測(cè)到軋件，則產(chǎn)生堆鋼信號(hào)。一旦發(fā)生堆鋼，復(fù)位咬鋼信號(hào)和三個(gè)報(bào)警信號(hào)，結(jié)束跟蹤，同時(shí)啟動(dòng)上游的碎斷剪，碎斷剩余物料。

2.3 跟蹤過程

當(dāng)上游n-1機(jī)架的跟蹤功能指示物料頭部已經(jīng)到達(dá)輥縫時(shí)，啟動(dòng)n機(jī)架的頭部跟蹤。長(zhǎng)度積分器的初始值是n-1機(jī)架和n機(jī)架之間的距離LS S。物料頭部距n機(jī)架的距離為：

式中V—物料頭部速度，即n-1機(jī)架有效輥徑的線速度。

當(dāng)物料頭部到達(dá)兩機(jī)架間的檢測(cè)器時(shí)，控制系統(tǒng)使用該檢測(cè)器與n機(jī)架的距離Lms，來(lái)更新物料頭部與n機(jī)架輥縫的距離為；當(dāng)物料頭部距離n機(jī)架輥縫的距離小于報(bào)警預(yù)置長(zhǎng)度值LA1、LA2、LA3時(shí)，分別產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)A1、A2、A3當(dāng)物料頭部距離n機(jī)架輥縫的距離為0時(shí)，產(chǎn)生咬鋼信號(hào)；當(dāng)跟蹤功能表明物料頭部已經(jīng)到達(dá)n機(jī)架后面的物料檢測(cè)器一段時(shí)間后，n機(jī)架的頭部跟蹤結(jié)束。

當(dāng)上游n-1機(jī)架的跟蹤功能指示物料尾部已經(jīng)通過輥縫時(shí)，啟動(dòng)n機(jī)架的尾部跟蹤。長(zhǎng)度積分器的初始值是n-1機(jī)架和n機(jī)架之間的距離LS S。物料頭部距n機(jī)架的距離為：

式中V—物料尾部速度，即n機(jī)架的入口速度。

當(dāng)物料尾部到達(dá)兩機(jī)架間的檢測(cè)器時(shí)，控制系統(tǒng)使用該檢測(cè)器與n機(jī)架的距離Lms，來(lái)更新物料頭部與n機(jī)架輥縫的距離為；當(dāng)物料尾部距離n機(jī)架輥縫的距離小于報(bào)警預(yù)置長(zhǎng)度值LA1，LA2，LA3時(shí)，分別產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)A1、A2、A3；當(dāng)物料尾部距離n機(jī)架輥縫的距離為0時(shí)，復(fù)位咬鋼信號(hào)，當(dāng)物跟蹤功能表明物料尾部已經(jīng)到達(dá)n機(jī)架后的物料檢測(cè)器一段時(shí)間后，n機(jī)架的尾部跟蹤結(jié)束。

3 棒線材軋制過程的控制

3.1 粗、中軋的小張力控制

在粗、中軋機(jī)組中，由于軋件的斷面較大，不易形成活套，為了確保連軋關(guān)系和軋件應(yīng)有的斷面尺寸而采取了小張力控制系統(tǒng)。它是基于金屬秒流量相等的原則，根據(jù)軋輥輥徑計(jì)算軋機(jī)轉(zhuǎn)速。

式中Ab—鋼坯斷面積；

Af—成品斷面積；

υb—鋼坯軋制速度；

υf—成品軋制速度。

每架軋機(jī)的速度根據(jù)下式計(jì)算：

式中n—軋機(jī)的軋輥轉(zhuǎn)速；

D—軋輥的工作直徑。主控臺(tái)依據(jù)堆拉關(guān)系實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)速。它是通過系統(tǒng)采取電流比較法，即測(cè)量、存儲(chǔ)、并比較軋件進(jìn)入下一機(jī)架前、后的本機(jī)架電動(dòng)機(jī)的電流穩(wěn)態(tài)值的大小，通過修正本機(jī)架電動(dòng)機(jī)的速度來(lái)保證本機(jī)架電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩在進(jìn)入下一架軋機(jī)前后基本保持不變。但是，完全依據(jù)式（1）（2）來(lái)計(jì)算軋輥的轉(zhuǎn)速并不能實(shí)現(xiàn)理論上的各架軋機(jī)金屬秒流量相等，需要考慮軋制過程中的料坯尺寸波動(dòng)、軋件溫度的波動(dòng)及軋輥孔型的磨損及計(jì)算和調(diào)整的誤差等因素，對(duì)各機(jī)架的軋輥轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使軋制過程基本能實(shí)現(xiàn)金屬秒流量相等的關(guān)系，避免軋制過程中出現(xiàn)堆拉鋼現(xiàn)象。

高速線材的粗、中軋機(jī)實(shí)行小張力控制，張力的控制調(diào)節(jié)由主控臺(tái)進(jìn)行。每架軋機(jī)的軋制力矩可以通過對(duì)該架軋機(jī)電動(dòng)機(jī)的電樞電流的計(jì)算得到。當(dāng)本架軋機(jī)咬鋼，且料坯尚未進(jìn)入下一架時(shí)的力矩為該架軋機(jī)的軋制力矩，而下一架軋機(jī)咬鋼后計(jì)算出來(lái)的力矩則包含有張力力矩。兩個(gè)張力之差就是坯料上的計(jì)算張力力矩，控制系統(tǒng)需要根據(jù)這個(gè)力矩來(lái)修正軋機(jī)之間的速度關(guān)系。當(dāng)偏差為負(fù)值時(shí)，出現(xiàn)拉鋼，而為正值時(shí)則是堆鋼。料坯在兩架機(jī)架之間的張力被限制在0～4N／mm2以下，從而實(shí)現(xiàn)小張力控制。若相鄰兩架軋機(jī)的前一架提速，應(yīng)當(dāng)采用串級(jí)小量升速，邊升速邊觀察該機(jī)架軋件在寬度上是否有所變大，同時(shí)需要觀察此兩架軋機(jī)間軋件是否有微量立套產(chǎn)生。速度一直串升至該軋機(jī)軋出的軋件寬度符合要求為止。如軋件在寬度尺寸上的變化無(wú)規(guī)律性，則可能是軋件局部鋼溫不均勻所致，如是軋件尺寸沿長(zhǎng)度有周期性變化，則可能是前面軋制過程中，有的軋輥偏心轉(zhuǎn)動(dòng)或者孔型不圓而造成的來(lái)料大小不一，這時(shí)需要根據(jù)具體情況進(jìn)行處理。

3.2 預(yù)精軋的自動(dòng)活套控制

在中軋機(jī)組與預(yù)精軋機(jī)組之間，預(yù)精軋機(jī)組與精軋機(jī)組之間，以及預(yù)精軋的各機(jī)架之間，各設(shè)有立式活套。控制系統(tǒng)通過活套掃描儀檢測(cè)套量，將測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過級(jí)聯(lián)系統(tǒng)把修正信號(hào)送到相關(guān)機(jī)架，使其保持一定的套量，從而達(dá)到無(wú)張力軋制的目的。在這一過程中的起套，防止甩尾都是自動(dòng)以速度最佳方式進(jìn)行的。預(yù)精軋的活套控制可以分為4個(gè)階段：預(yù)活套的形成控制、活套的形成控制、活套控制和脫尾及脫尾封鎖階段。

預(yù)活套的形成控制是指一直控制坯料進(jìn)入下一架軋機(jī)的輥縫之前，為該機(jī)架提供一個(gè)起始速度的校正值，也就是在該機(jī)架形成一個(gè)稍低的速度，從而形成一個(gè)安全快速的活套。活套形成控制是指緊接著預(yù)活套的行程控制，從坯料頭部進(jìn)入軋機(jī)的輥縫開始，活套位置被限定在啟動(dòng)活套位置的初始定值上，料坯進(jìn)入活套入口位置時(shí)，這種限制使下游機(jī)架形成的速度校定值與“預(yù)活套形成的”控制速度校正值保持一致，當(dāng)速度達(dá)到或超過正常活套位置時(shí)，由于當(dāng)前活套的位置與設(shè)定的位置之差較小，所以速度校正值也較小。該機(jī)架上下游校正通道都接通，作相應(yīng)的調(diào)節(jié)保證活套形成。活套控制是指從活套形成控制完成到坯料尾部進(jìn)入上游輥縫到達(dá)中心線這一階段，上、下游校正及壓下系數(shù)通道同時(shí)起作用，使系統(tǒng)能夠保證恒定的套量，并保持中間各軋機(jī)之間的速度關(guān)系。

脫尾及脫尾封鎖階段是料坯尾部通過上下游輥縫的階段。在該階段壓下因子通道封鎖，基準(zhǔn)活套位置切換到底位。當(dāng)料坯尾部穿過軋機(jī)以后，通過對(duì)基準(zhǔn)速度分配的中斷控制可以防止對(duì)下一根坯料速度的干擾。

3.3 速度級(jí)聯(lián)與速度給定

軋機(jī)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)是通過綜合各種修正信號(hào)，如自動(dòng)活套控制、小張力控制、手動(dòng)機(jī)架間的控制信號(hào)等，給出粗、中軋及預(yù)精軋對(duì)應(yīng)各機(jī)架電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的給定值。級(jí)聯(lián)系統(tǒng)在兩根軋件間斷開。當(dāng)軋件到達(dá)機(jī)架前一定距離時(shí)，級(jí)聯(lián)系統(tǒng)接通，機(jī)架電機(jī)以一超前速度運(yùn)行，使沖擊速降的干擾最小。此超前速度的給定值系統(tǒng)按照當(dāng)前機(jī)架電機(jī)速度乘以一比例系數(shù)計(jì)算出來(lái)，軋件頭部咬入軋輥，超前速度消除。隨后，當(dāng)前壓下因子被存儲(chǔ)，軋件尾部離開機(jī)架，級(jí)聯(lián)系統(tǒng)斷開，而存儲(chǔ)的壓下因子被調(diào)出，為后續(xù)軋件提供最佳值。

3.4 生產(chǎn)過程中某一故障處理實(shí)例

在生產(chǎn)實(shí)際中主控臺(tái)發(fā)現(xiàn)，由于各機(jī)架的速度響應(yīng)時(shí)間不同，在級(jí)聯(lián)調(diào)速過程中經(jīng)常出現(xiàn)各機(jī)架速度調(diào)整不同步，從而導(dǎo)致張力過大或過小，發(fā)生頻繁堆鋼現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象，對(duì)在線的所有軋機(jī)的電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，使其響應(yīng)同步，并且對(duì)每一臺(tái)準(zhǔn)備投入的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)、調(diào)整，大大減少了故障率。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了棒線材軋線生產(chǎn)過程中的核心，物理跟蹤和速度級(jí)聯(lián)控制系統(tǒng)，并結(jié)合作者的工作經(jīng)歷分析了生產(chǎn)控制過程中的一些問題，及如何解決這些問題，并具體分析了某一生產(chǎn)故障實(shí)例，為主控臺(tái)操作者在生產(chǎn)過程中提供一些參考意見。

［1］杜顯峰，任麗春.高速線材生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)實(shí)踐［J］.現(xiàn)代冶金，2010（6）.

［2］王世明，石磊英等.窄帶鋼活套的自動(dòng)控制［J］.科技資訊，2011（24）.