川威冷軋平整機(jī)自動控制系統(tǒng)淺析

雷海英,徐 平,王丹威

(四川省龍威金屬制品有限公司,四川成都 610100)

川威冷軋平整機(jī)自動控制系統(tǒng)淺析

雷海英,徐 平,王丹威

(四川省龍威金屬制品有限公司,四川成都 610100)

基于川威冷軋廠900A平整機(jī)組的自動控制系統(tǒng),從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件配置、傳動控制、基礎(chǔ)自動化控制及AEC控制等幾個(gè)方面對平整機(jī)自動控制系統(tǒng)進(jìn)行了介紹,并且具體分析了AEC延伸率控制的原理,以及生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題,對優(yōu)化平整機(jī)的控制以及提高平整的產(chǎn)品質(zhì)量有著積極的意義。

平整機(jī);自動控制;AEC

1 引言

在冷軋帶鋼的生產(chǎn)工序中,平整工序占有重要的地位。平整可以改善帶鋼退火后的機(jī)械性能,消除帶鋼屈服平臺,改善平直度以及使帶鋼表面達(dá)到一定的粗糙度。在平整過程中,可以改變平整的壓下率使帶鋼的力學(xué)性能在一定幅度內(nèi)變化,以適應(yīng)不同用途的要求。

川威冷軋廠900A冷軋平整機(jī)是單機(jī)架四輥平整機(jī),液壓推上,具有恒延伸率控制及干(濕)平整功能。設(shè)計(jì)要求是平整0.20～2.0 mm的冷軋帶鋼,其最大平整壓力5000 k N,最大平整速度8 m/s,開卷張力2.5～25 k N,入口張力輥張力1.8～18 k N,卷取張力3.5～35 k N,出口張力輥張力2.2～22.5 k N。

2 工藝流程及主要設(shè)備

2.1 工藝流程概述

將退火合格的帶鋼運(yùn)入平整車間,帶鋼在平整前先由翻鋼機(jī)將退火后的帶鋼翻成立卷,并進(jìn)行開卷及剪頭工作,將做好準(zhǔn)備工作的帶卷通過上卷裝置上到開卷機(jī)上,操作壓下電機(jī),將上支撐輥壓下到適當(dāng)位置,然后進(jìn)行輥逢撥零,穿帶,選擇平整方式,設(shè)定平整壓力及延伸率,按工藝要求進(jìn)行干(濕)平整,將平整好的帶鋼用過跨小車運(yùn)到下部工序車間。

2.2 主要設(shè)備構(gòu)成

平整機(jī)組的主要設(shè)備:CPC對中裝置、開卷機(jī)、入口上下S輥、主軋機(jī)、出口上下S輥、卷取機(jī)、助卷器、壓下電機(jī)、換輥裝置等設(shè)備。

3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

平整機(jī)組的控制系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、傳動控制系統(tǒng)、AEC控制系統(tǒng)、CPC控制系統(tǒng)等幾部分組成,圖1為平整機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3.1 基礎(chǔ)自動化控制

基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)采用PLC控制,其選用SIEMENS公司的S7-300、S7-200及ET200產(chǎn)品。

S7-300作為主控PLC,其主要任務(wù)是完成主機(jī)的加減速控制,卷取機(jī)、開卷機(jī)、S輥的張力、斷帶保護(hù)、故障連鎖等控制,以及合閘應(yīng)答、限位應(yīng)答、現(xiàn)場的邏輯輸出、報(bào)警等控制,并通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與傳動系統(tǒng)、ET200從站和S7-200通訊連接。

圖1 平整機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

S7-200和ET200作為從站系統(tǒng),用來采集現(xiàn)場信號,它通過PROFIBUS-DP網(wǎng)與S7-300連接,將采集的信號送給主PLC,并將主PLC發(fā)出的信號作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。按照工作的需要分為操作臺ET200從站,左操作箱ET200從站,右操作箱ET200從站,液壓控制ET200從站,油氣S7-200從站。操作臺ET200從站主要用于主機(jī)速度加減、卷取機(jī)、開卷機(jī)、S輥的張力加減的邏輯輸入以及其他邏輯輸入和報(bào)警顯示等;操作箱ET200從站用于支撐輥、壓下電機(jī)、上卷小車、入口導(dǎo)板、壓輥以及CPC等邏輯輸入;右操作箱ET200從站用于出口導(dǎo)板、壓輥、卸卷小車、助卷小車、彎輥等邏輯輸入;液壓控制ET200從站主要用于工藝潤滑、彎輥等邏輯輸入/輸出;油氣S7-200從站主要用于油氣站的相關(guān)控制及報(bào)警。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)采用富士UG031系列可程式人機(jī)界面,它通Profibus-DP現(xiàn)場總線與S7-300連接,用來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生過程、工藝參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

3.3 傳動控制系統(tǒng)

傳動設(shè)備選用意大利ANSALDO公司的SILCOPAC D系列全數(shù)字直流傳動設(shè)備,可控制直流電機(jī)作四象限可逆運(yùn)行。具有多個(gè)可編程的數(shù)字量輸入、輸出口及模擬量輸入、輸出口,同時(shí)具備張力調(diào)節(jié)PID控制,卷徑模擬計(jì)算,磁場非線性補(bǔ)償,動態(tài)張力補(bǔ)償?shù)裙δ?而且還具有多種故障檢測及相應(yīng)處理,并可對故障輸出及顯示。

3.4 AEC控制系統(tǒng)

AEC控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制,以下是AEC控制系統(tǒng)的主要配置:

(1)臺灣研華工控機(jī),作為中央控制器;

(2)BH5014光電隔離開關(guān)量輸入用于采集AEC控制系統(tǒng)的邏輯輸入信號;

(3)PC5505隔離型A/D板用于采集壓力傳感器、位移傳感器信號;

(4)PC55085隔離型D/A板用于控制輸出;

(5)功放板用于將D/A板的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號輸出給伺服閥;

(6)PCI1784計(jì)數(shù)板用來檢測S輥處編碼器從而計(jì)算實(shí)際的延伸率。

軟件使用BORLANDC++3.1和8088匯編開發(fā),操作系統(tǒng)為DOS6.00以上版本。

3.5 CPC控制系統(tǒng)

CPC控制系統(tǒng)是個(gè)相對獨(dú)立的控制系統(tǒng),采用的是EMG公司的產(chǎn)品。它主要由CPC控制器、光信號接收器(包括檢測接收器和參考接收器)、高頻發(fā)光源及液壓裝置構(gòu)成。

它的工作原理是,通過檢測接收器探測帶鋼邊部的最新位置,參考接收器檢測光點(diǎn)的亮度,當(dāng)執(zhí)行自動尋邊功能后,檢測接收器自動尋找鋼帶邊部,當(dāng)檢測接收器的光通量被鋼帶邊部遮住一半后認(rèn)為尋邊完成,只要檢測到鋼帶偏離中心的位置(即檢測接收器的光通量被鋼帶遮擋超過一半或是小于一半),反饋信號就將傳到CPC控制器,并通過CPC控制器來控制伺服閥的輸出,并驅(qū)動安裝在開卷機(jī)上的液壓缸來保證鋼帶在生產(chǎn)過程中一直處于中心位置。

4 基礎(chǔ)自動化及傳動控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 基本邏輯控制

完成上卷小車、CPC、開卷機(jī)、壓輥、壓下電機(jī)、入口S上下輥、主軋機(jī)、出口S上下輥、卷取機(jī)、助卷器、液壓站等設(shè)備的單體控制和全線控制。

4.2 速度控制

系統(tǒng)只有主機(jī)完全采用的是速度控制模式,其速度給定值不是以階躍的方式直接到給定輸出的,而是通過一定的斜坡時(shí)間,這樣可以保證速度變化時(shí)的平穩(wěn)。開卷機(jī)、卷取機(jī)、入口S上下輥、出口S上下輥只有當(dāng)在點(diǎn)動或是在穿帶過程中才采用速度控制模式,其點(diǎn)動的速度給定值直接在調(diào)速器中設(shè)定。

4.3 張力控制

系統(tǒng)采用的是間接張力控制方式,這種控制方式不用張力計(jì),就可以獲得較為穩(wěn)定的恒定張力,在實(shí)際軋制工作中,開卷機(jī)、卷取機(jī)、入口S上下輥、出口S上下輥都處在張力控制模式。

從速度控制模式切換到張力模式是在切換邏輯控制下自動進(jìn)行的。在切換到張力控制模式運(yùn)行后,卷取機(jī)的速度給定為主機(jī)的反饋速度加上附加給定速度(最大速度的10%～20%左右),由于與主軋機(jī)之間通過帶鋼的鋼性連接,卷取機(jī)的實(shí)際速度不可能達(dá)到速度給定值,使卷取機(jī)的速度調(diào)節(jié)器輸出飽和,傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)入張力控制。

在正常軋制時(shí),開卷機(jī)(反向軋制時(shí)為左卷取機(jī))工作在發(fā)電制動狀態(tài),它們的速度給定略低于機(jī)組其他設(shè)備,其速度調(diào)節(jié)器輸出也達(dá)到飽和值。開卷機(jī)的制動力矩像卷取機(jī)一樣,也可通過速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅進(jìn)行調(diào)節(jié)。

入口S上下輥、出口S上下輥的工作方式與開卷機(jī)和卷取機(jī)類似,由于他們的輥徑是恒定的,他們的輸出轉(zhuǎn)矩不像開卷機(jī)和卷取機(jī)一樣要根據(jù)卷徑的變化而變化。

在實(shí)際的張力控制中,在計(jì)算張力給定值時(shí)除了張力矩以外還有考慮摩擦力矩、慣性力矩等影響,這些都是保證恒張力控制的關(guān)鍵量,圖2為張力系統(tǒng)控制框圖。

圖2 張力系統(tǒng)控制框圖

4.4 卷徑計(jì)算

開卷機(jī)與卷取機(jī)上鋼卷的卷徑是通過其直流調(diào)速裝置自帶的卷徑計(jì)算功能完成的,根據(jù)線速度和角速度的關(guān)系,可計(jì)算出鋼卷卷徑:

式中:D—表示鋼卷卷徑;

W—表示開卷機(jī)或卷取機(jī)的角速度;

V—表示開卷處或卷取處的線速度。

5 AEC控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

AEC系統(tǒng)的最終執(zhí)行者是由安裝在傳動側(cè)和操作側(cè)的伺服閥通過控制兩個(gè)液壓缸的升降來實(shí)現(xiàn),為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,伺服閥及其閥塊直接安裝在缸體上,用于控制進(jìn)入液壓缸的油體流量。位移傳感器安裝在油缸的中心處便于準(zhǔn)確的檢測活塞的移動位移,并且在油缸內(nèi)裝有壓力傳感器可以用來計(jì)算軋制壓力。

AEC控制系統(tǒng)包括三種控制方式:自動位置控制(APC),自動壓力控制(AFC),自動延伸率控制(AEC)。可以通過選擇開關(guān)在不同的工作情況下進(jìn)行不同的控制方式,在一般的工作中都選用延伸率控制,壓力控制主要是在做壓靠撥零時(shí)使用,位置控制很少使用,以下主要對自動延伸率控制進(jìn)行具體分析。

5.1 延伸率控制

在生產(chǎn)過程中保證恒定的延伸率是自動延伸率控制的最終目標(biāo),延伸率控制的好壞直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。其主要有以下兩個(gè)參數(shù),一個(gè)是帶鋼的張力,另一個(gè)是軋制力。因此,目前主要采用三種控制方式,分別是恒張力變壓力控制方式,恒壓力變張力控制方式,變張力變壓力控制方式。

機(jī)組采用恒張力變軋制力控制方式,采用雙閉環(huán)控制,既壓力環(huán)作為內(nèi)環(huán),延伸率作為外環(huán)。根據(jù)設(shè)定的延伸率與實(shí)際延伸率的差量計(jì)算出壓力的校正值,實(shí)現(xiàn)對總軋制力的給定,來完成恒延伸率的控制,圖3為延伸率控制模型。

系統(tǒng)在對校正壓力計(jì)算處理和壓力調(diào)節(jié)量計(jì)算處理時(shí)都采用的是積分控制的方式,這種控制方式可以有效的消除殘差,使延伸率控制到設(shè)定值。為了保證兩側(cè)的油缸在運(yùn)行過程中不會有較大的輥縫偏差,系統(tǒng)設(shè)有同步調(diào)整功,它可以使運(yùn)行快的一側(cè)放慢速度,運(yùn)行慢的一側(cè)加快速度,保證軋輥的平行度。設(shè)置的操作側(cè)壓抬功能,可以用來調(diào)整兩側(cè)油缸的上抬量,來調(diào)節(jié)板形,平衡兩側(cè)軋制壓力。

圖3 延伸率控制模型

5.2 延伸率的調(diào)節(jié)方法

軋制力和張力對不同厚度帶鋼的延伸率控制會起到不同的效果,由表1可知,在不同工作方式和不同帶鋼厚度下,應(yīng)該采用不同的延伸率調(diào)節(jié)的方法,才能獲得更好的控制品質(zhì)。

（2）在設(shè)置臨時(shí)通道時(shí)，一般設(shè)置在中央的分隔帶和硬路肩的位置，另外在二者之間還應(yīng)設(shè)置周期性的通道位置，但變換的周期不能夠超過1個(gè)月，減輕對路面結(jié)構(gòu)層的壓力。

表1 平整延伸率的調(diào)節(jié)方法

5.3 延伸率的計(jì)算方式

通過計(jì)數(shù)板分別采集安裝在入口S上輥和出口S上輥編碼器輸出的脈沖,其在相同時(shí)間內(nèi),帶鋼的入口長度Lr,出口長度Lc,延伸率的計(jì)算公式為:

根據(jù)已知出口和入口S上輥的輥徑和每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù),可計(jì)算出t時(shí)間內(nèi)入口、出口長度:

由(2)、(3)、(4)和Pr、Pc相等可得實(shí)際的延伸率計(jì)算值為:

式中:μ—延伸率;

Lr—入口鋼帶長度;

△l—出口長度和入口長度偏差;

Cxr—當(dāng)前入口處脈沖數(shù);

Cqr—t時(shí)間時(shí)入口處脈沖數(shù);

Dr—入口S上輥輥徑;

Pr—入口編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù);

Lc—出口鋼帶長度;

Cxc—當(dāng)前出口處脈沖數(shù);

Cqc—t時(shí)間時(shí)出口處脈沖數(shù);

Dc—出口S上輥輥徑;

Pc—入口編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)。

5.4 壓力校正值計(jì)算

根據(jù)質(zhì)量守恒定律得:

根據(jù)式(6)和延伸率計(jì)算得:

預(yù)設(shè)厚度差值與實(shí)際厚度差值減少量的偏差為:

壓力校正值△F和厚度偏差差值之間的關(guān)系為:

由(8)、(9)、(10)四式可得

式中:hr—入口鋼帶厚度;

Lr—入口處鋼帶長度;

hc—出口鋼帶厚度;

Lc—出口處鋼帶長度;

μg—預(yù)設(shè)延伸率;

μs—實(shí)際延伸率;

△F—壓力修正值;

Cm—材料鋼度;

△hs—實(shí)際厚度偏差值;

△hg—預(yù)設(shè)厚度偏差值;

△h—厚度偏差值;

△△h—厚度偏差值差值;

△l—出口長度和入口長度偏差。

由(11)式可知,壓力校正值與材料的剛度、入口厚度和延伸率有關(guān)。

5.5 影響延伸率的幾個(gè)因素

以下是影響我們公司平整機(jī)延伸率控制的主要幾個(gè)因素:

(1)延伸率是通過安裝在入口、出口S輥上的脈沖編碼器來測量的,如果鋼帶與S輥打滑,那么帶鋼的長度就不等于S輥轉(zhuǎn)動的長度,從而影響延伸率的計(jì)算準(zhǔn)確度。

(2)根據(jù)計(jì)算延伸率的公式可知,入口、出口S上輥輥徑測量不準(zhǔn)確也會影響延伸率的計(jì)算準(zhǔn)確度。

(3)入口、出口S下輥與帶鋼打滑,造成入口和出口段張力波動,也會影響延伸率的波動。

(4)在加、減速過程中,因?yàn)闄C(jī)械慣性的原因,會引起延伸率的波動。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)投產(chǎn)將近兩年多的時(shí)間,因種種原因,大多數(shù)時(shí)間基本上都沒有采用延伸率的控制方式生產(chǎn),嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量,最近我們對其主要的檢測裝置進(jìn)行更換和對程序進(jìn)行了相應(yīng)的修改后,延伸率的控制方式基本上能達(dá)到現(xiàn)在生產(chǎn)及質(zhì)量控制的需要。

[1] 顧樹生、王建輝.自動控制原理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2001.

[2] 金以慧.過程控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,1987.

[3] 傅作寶.冷軋薄鋼板生產(chǎn)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005.

[4] 楊志敏,那成選,余紅.攀鋼冷軋平整機(jī)組輥縫自動控制及缺陷分析[J].四川冶金,2006(6).

Analysis of Automatic Control System of Chuanwei's Cold-Rolling Flattening Set

LEI Haiying,XV Ping,WANG Danwei

(Sichuan Longwei Metal Product Co.,Ltd.,Chengdu 610100,Sichuan)

Base on the automatic control system of the 900A flattening set of Chuanwei’s cold-rolling factory,the paper mainly introduces the net structure for control system,the hardware configuration,the basic automation control,the drive control and AEC control.Main analysis AEC controls theory and the trouble during the production process,which has active significance to optimize the control mode and promote product quality.

flattening set,the automation control,AEC

TG334.9

A

1001-5108(2017)02-0050-05

雷海英,助理工程師,主要從事電氣技術(shù)工作。