冷連軋用帶鋼自動開頭器的設計

錢廣闊，高 娟，謝 磊，王悅晗

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著我國鋼鐵技術的不斷發展，冷連軋生產線越來越普及。連軋生產線對生產工序的連續性節奏性要求越來越高。傳統的冷軋生產線開頭裝置大多采用人工操作的擺動伸縮鏟頭來進行開頭工序，這種裝置需要人工干預，無法實現自動化生產，節奏慢，開頭時間長，無法滿足連軋生產線快節奏、高速生產的要求。針對該情況開發設計了一種可以實現全自動開頭的開頭器裝置。

1 設備組成

開頭器裝置主要由固定底座、升降架、擺動架、夾鉗裝置、擺動鏟板、壓輥等組成，如圖1所示。

圖1 開頭器設備組成

固定底座為焊接結構，內部設置有升降液壓缸，可以實現升降架的升降。升降架為一焊接方箱結構，四周可以通過固定底座的導向板導向。擺動架鉸接于升降架上，可以通過擺動油缸的伸縮實現擺動架的擺動。在擺動架上設置有夾鉗裝置，夾鉗裝置由固定夾鉗和活動夾鉗組成，活動夾鉗可以通過夾緊油缸沿導桿運動，實現夾鉗的 夾緊打開動作。在夾鉗裝置前部設有一壓輥，壓輥前設有擺動刮板，擺動刮板可以繞壓輥軸線擺動。

2 工作過程

開頭器設置于開卷機之后，直頭機之前，可以通過開卷機和直頭機的配合動作實現鋼卷的開頭功能。在開頭器動作之前，鋼卷先由上卷小車運輸至開卷機，并上至開卷機卷筒上，將帶頭壓于第三象限區域，開卷機壓輥壓下，并解除捆扎帶，直頭機上夾送輥打開。

開頭器首先將升降架升起到指定位置，然后擺動架開始擺動，此時擺動刮板打開至上位，夾鉗裝置處于打開位。擺動架擺動直至壓輥壓在鋼卷上。擺動刮板落下，將刮板頭鏟在鋼外表面上。開卷機反轉將帶頭轉至第二象限，然后開卷機正轉，帶頭被刮板頭鏟開并進入打開的夾鉗內。夾鉗油缸動作將帶頭夾緊，然后夾緊帶頭的夾緊裝置隨擺動架擺回至初始位置，帶頭就被送入打開的直頭機夾送輥之間，直頭機上夾送輥落下，將帶頭夾住。開頭器夾鉗裝置打開，升降架落至最低位，開頭結束。

3 自動開卷時升降架高度計算

圖2為不同卷徑下開頭器的工作狀態，圖3為升降架上升距離L2計算簡圖。開頭器要實現自動開卷，應該對不同直徑的鋼卷都能夠實現。由圖2可知當鋼卷直徑不同時，開頭器升降架的升降高度是不一樣的，這樣就需要計算出對于不同卷徑的鋼卷開頭器的升降高度L。通過升降油缸上的位移傳感器檢測值和L值的對比確定升降架升降高度位置。

圖2 不同卷徑下開頭器的工作狀態

由圖2可知

L=L1+L2

式中，L1為升降架在最低位時，固定夾鉗上表面至直頭機夾送輥輥縫的距離，為固定值；L2為卷徑不同時，升降架的調整距離。L2為正值時上升，L2為負值下降。

圖3 升降架上升距離L2計算簡圖

由圖3可知

(1)

式中，R為鋼卷半徑；Lx為開卷機卷筒中心到開頭器中心線的距離；Ly為開卷機卷筒中心到擺動架鉸點之間的距離(開頭器升降架在最低位時)；L3為擺動架鉸點至壓輥中心的距離；θ為開頭時，開頭器壓輥中心與卷筒中心的夾角。

R值可以通過上卷小車卷徑測量測出。L1,Lx,Ly,L3，θ在開頭器結構確定后，各值都可以確定。根據上述公式可以解出L2值，從而計算出L值。

4 自動開頭的順序控制

4.1 控制流程

開頭器的順序控制流程圖如圖4所示。

圖4 順序控制流程圖

如圖4所示，首先確定是否具備自動開頭的前提條件，該前提條件包括：開頭器模式選擇“自動”模式，開卷機卷筒上有帶鋼，開卷機壓輥壓下，開卷機側支撐關閉，帶頭處于第三象限，直頭機夾送輥打開，開頭器升降架處于最下位，開頭器夾鉗處于打開位。如果具備上述條件，自動開頭開始執行，不具備條件程序結束，并在HMI上將不具備條件高亮顯示。

對于不同的卷徑，根據式(1)計算出L值，通過位移傳感器實測值和計算值的對比，將升降架升高至L值位置；擺動架上的擺動刮板升到上位，刮板上翹；擺動架擺下，壓輥會壓到鋼卷上，由于鋼卷直徑不確定，擺動壓輥的壓下的位置也不確定，無法布置接近開關，通過閥芯動作延時2 s，確定動作到位；擺動刮板擺下，刮板頭鏟在鋼卷外層上；開卷機反向轉動270°，帶頭會進入第二象限，再正轉帶頭進入打開的開頭器夾鉗內；夾鉗閉合，將帶頭夾緊；擺動架擺回，帶動夾緊帶頭的夾鉗一起擺回，將帶頭送入打開的直頭機夾送輥內；直頭機上夾送輥落下，夾送輥夾住帶頭；夾鉗打開，升降架落下至下限位，開頭完成。

4.2 控制系統過程

開頭器作為冷連軋開卷段設備，其自動控制是通過冷連軋的開卷段自動控制系統，各動作的檢測元器件(接近開關，位移傳感器等)，各動作的執行元件(電磁閥)來實現。

開卷段自動控制系統主要是由監控操作站HMI, PLC，遠程站及通訊網絡等組成。

HMI主要用于人機交互，采用工業控制計算機，可以實現生產過程中的監視，操作，報警，打印等功能，開頭器升降高度計算中卷徑的大小可以通過HMI進行輸入，自動控制中出現執行錯誤可以通過HMI進行報警，并停止。

PLC采用一臺高性能的Simatic S7-400 PLC，可以實現開頭器的順序控制及連鎖控制，采用Step7編程語言實現邏輯控制，系統硬件配置如下：S7-400主機架；CPU416-2DP模塊；電源模塊；信號模塊SM；以太網通訊模塊CP443-1；DP接口通信模塊。其中信號模塊中的數字輸入模塊SM421可以將接近開關發送的數字信號電平，轉換為S7-400的內部信號電平，通過編程語言的順序執行，生成新的內部信號電平，通過數字信號輸出模塊SM422，將內部信號電平轉換成可以使電磁閥動作的外部信號電平，從而控制各油缸的動作。

由于連軋開卷段距離電控室比較遠，各個設備的檢測及控制點又比較分散，因此采用Simatic ET200M系列遠程I/O站，通過Profibus-DP網絡與PLC相接，來保證信息的實時響應。

自動控制系統網絡采用EIC一體化結構，HMI與PLC之間采用基于TCP/IP協議的以太網進行通訊，使用交換機技術，通信速率能夠達到10/100 Mb/s。各檢測元件及執行元件接入ET200M遠程站，ET200M遠程站配置IM153用于接入Profibus-DP網絡，實現與PLC的通訊。DP網絡在100 m范圍內的通訊速度最快可以達到12 Mb/s。可以實現信號的實時響應。

5 應用效果

自動開頭器的使用加快了冷連軋生產線的生產節奏，可以有效的縮短開卷準備時間，提高產能，并減少開卷的人工配置，提高整線的自動化水平。由中國重型機械研究院股份公司總成套的1250 mm全連續冷軋機組采用該自動開頭器，設備自投產以來，運行良好，大大提高了生產節奏。

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