活套控制在高速線材中的應用研究

楊陽

摘 要：活套控制是現代軋鋼工藝中非常重要的環節，能夠提高軋鋼過程的穩定性和安全性，其目的就是保證穩定軋鋼過程中機架之間的張力控制，防止堆鋼、拉鋼問題的出現。文章以高速線材生產中活套控制為研究對象，通過對活套掃描器的測量原理分析，在實踐中形成了一套對活套掃描器的測量校正的方法，利用活套特點介紹實踐中起落套的各種情況，達到軋制中無張力控制的目的，并且介紹速度級聯參數R因子的計算方法，通過對速度修正值的級聯傳遞和R因子的調整以及在起套和收套時活套輥的動作時序實現活套的優化控制，提高了設備運行的穩定性和可靠性。

關鍵詞：活套掃描器；高速線材；活套控制；速度調節

引言

在現代軋鋼技術中，活套控制已被廣泛應用于連軋的自動控制之中，成為一項成熟的連軋機組自動速度調節的手段。活套控制是通過活套掃描器檢測兩相鄰機架間的過剩材料形成的弧型曲線軋件高度來間接測量活套的長度，通過比較設定的活套高度與實測活套高度，自動調整各機架的速度，使其測量值始終與設定值保持一致，從而達到兩相鄰機架間無張力軋制的目的。

1 活套掃描器的測量原理分析

1.1 測量原理

活套掃描器是以掃描方式工作的傳感器，它對溫度高于250℃的熱工件的紅外輻射敏感。活套掃描器用于檢測位于其視場范圍內的熱工件（鋼，銅，合金及玻璃等）的位置并輸出與工件在視場中的角度位置成正比的信號。活套掃描器通過一個旋轉的多面反射鏡裝置掃描傳感器的檢測視場，工件的紅外輻射被這些反射鏡反射到光電元件上。傳感器通過一個旋轉的帶反射鏡的裝置（轉鼓）掃描它的視場范圍。當傳感器的解析光束檢測到位于其掃描視場中的熱工件的前邊沿的紅外輻射時，此紅外輻射被轉鼓上的反射鏡反射到光電轉換元件上，經光電轉換后，得到一個“測量”脈沖序列。

另外，傳感器內部也產生一個與掃描視場起始端相對應的參考脈沖。參考脈沖與測量脈沖之間的時間間隔“t”和掃描視場起始端與熱工件前邊沿位置之間的角度“a”相對應。傳感器將時間“t”轉換為模擬電壓，此電壓與角度“a”成正比，而與掃描電機的轉速無。

1.2 活套控制的原理分析及活套參數的設定及調整方法

1.2.1 活套控制的基本原理

為便于論述，把兩相鄰機架通稱為（n-1）架和n架。當軋件頭部進入n架前，n架軋機速度有動態速降，同時起套輥快速動作，從而形成活套。此時活套掃描器連續地對套的位置進行掃描檢測，并通過n架軋機R因子和直接的速度級聯對（n-1）架自動進行逆向速度調整控制，始終使實際套高與設定值保持一致。在軋件尾部接近（n-1）架時，控制系統對（n-1）架進行降速，同時起套輥快速收回，從而減輕甩尾。其中R因子是連軋機秒流量相等的忠實表現，每個機架均有一個R因子，它是控制相鄰兩機架轉速比的重要參數。

Rn=■=■ （1）

式中：F■為（n-1）架的軋件斷面積；Fn為n架的軋件斷面積；V■為（n-1）架的軋機線速度；Vn為n架的軋機線速度。

1.2.2 活套的機械構造及參數分析

軋線上的活套分為立式活套和水平活套兩種，活套由臺架、氣缸、起套輥、支承輥輥及導輥組成，具體形狀及參數如圖1所示。

圖1

實踐證明當正常的活套控制曲線是一條標準的正弦曲線時，可以有效的保證活套的穩定性以及減少軋件與機械設備的磨損，如圖1所示，活套的最高點應位于活套長度方向的中心，即是安裝活套掃描器的位置，為了使形成的活套控制曲線是標準的正弦曲線，活套高度的設定就非常關鍵，套高設定過高或過低就會使活套曲線變為一條變形的活套曲線，如圖2所示的曲線。

當我們把套高設定過低，活套將變成一條三角形曲線如曲線（1），這是由于活套掃描器檢測的套高大于設定值，通過對n架軋的R因子的控制而使n-1架軋降速，從而使活套兩側機架之間產生了拉鋼軋制，實際套高與設定套高的差值越大，n-1架降速愈厲害，拉鋼軋制狀態愈嚴重，一旦形成三角形活套，則兩機架間嚴重處于拉鋼軋制狀態，成品斷面積就會波動。反之當套高設定值過高時活套的套形就會如曲線（2），同理由于n-1架軋機升速，造成大量軋件堆積在兩軋機間，活套套型不穩，波動嚴重，極易造成堆鋼，曲線（1）和曲線（2）均是由于不正確的套高設定而得到的。

在實際生產中，由于懼怕套高過高而產生堆鋼事故，所以普遍把套高設定值取小，這樣就產生拉鋼軋件而使軋件哈夫偏小，為了彌補這一缺陷，操作工片面的放大前道的輥縫，而當軋件脫尾或頭部進入軋機時軋件處于無張力狀態，這時由于前道斷面積的增大，使該道軋件的頭尾超差，若有若干架間的套高設定不正確，便會使成品出現頭尾耳子。

1.2.3 活套參數的設定及調整方法

實踐證明，在測得活套的機械位置后，設定合適的活套高度，能夠得到完美的活套控制，并保證良好的尺寸公差。

根據活套臺架的高度一般為500～800mm，為保證活套有足夠的調節空間，套高的最佳設定值在200～300mm之間時，活套能夠最有效及安全地進行控制，如果我們把套高設定在200～300mm間，而忽視了起套輥的高度時，同樣無法正常地進行活套控制，若起套輥抬起過高，則會使軋件在起套輥上形成突彎，從而對支承輥形成一個直坡，該直坡會在活套中產生過量的張力，其原理與套高設定不正確相同。

2 活套的控制

2.1 起套和收套控制

軋件頭部進入下游機架時，下游機架的速度由于動態速降會適當降低，軋件咬入該架后能在起套輥的作用下形成活套。下游機架的速度修正量與設定的起套高度Hs有關。通常，起套時不是一步就把活套升到正常活套高度Hn，而是先升到Hs，再調節到Hn上，Hs的設定要小于或等于Hn。

系統要精確地控制起套輥的動作，使其在軋件咬入下游機架時，恰好它已開始動作。動作過早，可能造成軋件咬不進下游機架而使起套失敗；反之，動作太遲，一旦軋件咬入了下游機架，起套輥的動作就相當困難了。因此需要系統準確地跟蹤軋件頭部位置和起套輥的動作時間。根據跟蹤軋件頭部位置距下游機架的距離和軋件的速度計算出頭部距下游機架的時間t，當t等于起套輥的動作時間時產生W1信號，W1信號作為PLC發出的起套輥動作命令如圖3所示。在起套階段，對下游機架的速度修正僅限于其本身，此時要封鎖該部分的級聯控制，否則會對其他機架產生干擾。

當軋件的尾部接近上游機架時，即進入了收套階段。為了安全收套并防止突然收套可能引起的“甩尾”，要先調節上游機架的速度來降低活套的高度到Ht位。Ht的值由人工設定，一般在100mm左右。同時，起套器回落到底部位置，用調節上游機架的速度來降低活套高度也是為了避免對其他機架產生干擾。收套完成后，控制返回到下一軋件的起套階段。

2.2 活套控制

起套完成后，即進入活套控制階段。此時，系統按正常的級聯方向，對所有與此軋件有關的機架進行實時的速度修正。活套控制是采用一個PI調節器進行的，系統按主級聯控制的方向把PI調節器的輸出疊加在上游機架的速度給定值上，這就相當于連續地修正上游機架的速度，以保證活套的高度與設定值一致，并通過主級聯控制相應地改變與此軋件有關的上游其他機架的速度。從級聯控制的角度看，活套的比例調節相當于當實際套高與設定套高絕對差值大于某一設定值時，直接調節上游機架的速度，活套的積分調節相當于通過不斷地修改下游機架的R因子來改變上游機架的速度。一旦活套高度與設定高度近似相等且不再波動，控制器就會將正確的R因子存儲并用于下一軋件的活套。

3 結束語

現代高速線材軋機，最主要的特點是機架間距小，連續軋制，速度快，要求控制精度高，穩定性好，調速快，反應靈敏，自適應功能強。活套控制系統是具有自適應功能的有效控制方式。在實際生產中，為避免或減少活套故障，必須在掌握其基本原理的前提下，適時控制各工藝環節，以促使現代高速線材軋機生產能力的充分發揮。

參考文獻

[1]MILLRD Guidelines Automatic Loop Control，ABB Automation Products，2009.

[2]Loop Scanner Delta scan file， DELTA Sensor （China），2010.