高速線材軋機(jī)活套閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

摘" 要：為提升線材產(chǎn)品的金屬性能和質(zhì)量，減小現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，該文針對(duì)高速線材預(yù)精軋機(jī)和精軋機(jī)軋制速度較高，僅靠軋機(jī)傳動(dòng)裝置內(nèi)置的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)無(wú)法保證2架軋機(jī)間的無(wú)張力軋制和不產(chǎn)生堆鋼、拉鋼事故的問(wèn)題，在預(yù)精軋機(jī)和精軋機(jī)間設(shè)置活套閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，活套調(diào)節(jié)環(huán)采用PID調(diào)節(jié)器，把離散化的思想引入到活套控制環(huán)節(jié)，使軋件保持恒定套量，實(shí)現(xiàn)2架軋機(jī)間實(shí)施無(wú)張力軋制，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐證明，該次高速線材軋機(jī)活套閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選型合理，增強(qiáng)產(chǎn)品的質(zhì)量，能夠減少操作人員工作強(qiáng)度，有很好的經(jīng)濟(jì)利益。

關(guān)鍵詞：高速線材軋機(jī)；活套控制；活套量；閉環(huán)控制；PID控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）12-0106-04

Abstract： In order to improve the metal properties and quality of wire products and reduce the labor intensity of field operators， This paper aims at the high rolling speed of the high-speed wire rod pre-finishing mill and the finishing mill， the double closed-loop speed control system built in the rolling mill transmission device alone cannot guarantee the tension-free rolling between the two rolling mills and the occurrence of stacking and drawing accidents， between pre-finishing mill and finishing mill set loop closed-loop control link， PID regulator is used in looper control link. Introduce the idea of discretization into looper control link， so that the rolling pieces keep a constant loop quantity， and tension-free rolling is realized between the two mills. The design and selection of the loop loop control system of the high speed wire mill are reasonable， thereby can enhance the quality of the product， reduce the working intensity of operators， and have good economic benefits.

Keywords： high-speed wire rod mill; looper control; looper amount; closed-loop control; PID control

活套閉環(huán)控制系統(tǒng)是高速線材軋機(jī)控制系統(tǒng)非常重要的組成部分，活套閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠保證預(yù)精軋機(jī)的2架軋機(jī)之間、末架預(yù)精軋機(jī)和精軋機(jī)間完成無(wú)張力軋制的重要控制環(huán)節(jié)，其決定著線材產(chǎn)品的性能及質(zhì)量。可以說(shuō)活套閉環(huán)控制系統(tǒng)是整個(gè)軋機(jī)控制系統(tǒng)中相當(dāng)重要的組成部分，關(guān)于活套閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行深入細(xì)致的研究十分必要。

1" 活套閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理

利用活套掃描器測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)活套實(shí)際高度同活套設(shè)定基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，利用差值對(duì)軋機(jī)的速度進(jìn)行控制，使軋機(jī)間活套量保持恒定，保持無(wú)張力軋制。

在線材的軋制過(guò)程中相鄰2架軋機(jī)間會(huì)出現(xiàn)大于2架軋機(jī)間距的軋件，通過(guò)對(duì)“多余”軋件的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)軋機(jī)速度控制即活套自動(dòng)控制。為形成最好的活套形式，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)由起套輥對(duì)軋件進(jìn)行引導(dǎo)，再通過(guò)設(shè)置在軋制中心線以外的活套熱金屬光電掃描器對(duì)活套高度實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量出軋件的活套高度值，控制器通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算計(jì)算出活套量。軋機(jī)控制系統(tǒng)利用活套量進(jìn)行程序運(yùn)算，同時(shí)把活套調(diào)節(jié)器運(yùn)算出的速度信號(hào)同設(shè)定的軋機(jī)速度信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，反饋至軋機(jī)速度調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，再送給軋機(jī)調(diào)速裝置，使與軋件相關(guān)的軋機(jī)速度能夠自動(dòng)地進(jìn)行調(diào)整，以維持活套高度恒定即套量恒定。

2" 活套閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要設(shè)備

線材生產(chǎn)時(shí)軋件進(jìn)入預(yù)精軋機(jī)組后斷面較小，為避免軋件產(chǎn)生堆鋼、拉鋼情況，只對(duì)單架軋機(jī)的速度進(jìn)行控制十分困難，所以需要在預(yù)精軋機(jī)（6架次）和精軋機(jī)（1架次）中臨近的2架軋機(jī)中間配置活套控制環(huán)節(jié)，通過(guò)速度級(jí)聯(lián)控制，使2架軋機(jī)間的軋件維持在恒定套量下進(jìn)行軋制，達(dá)到無(wú)張力軋制或微張力軋制的條件。按布置形式不同，活套可分為2種：一種是平行于水平面的臥式活套，在生產(chǎn)時(shí)由起套輥對(duì)軋件進(jìn)行引導(dǎo)，形成理想的活套；另一種是垂直于水平面的立式活套，在生產(chǎn)時(shí)由支撐器幫助起套并支撐。

用于檢測(cè)活套高度的熱金屬光電掃描器、活套的邏輯控制及活套的模擬量調(diào)節(jié)控制構(gòu)成了活套的控制系統(tǒng)。

活套的控制系統(tǒng)包括用于檢測(cè)活套高度的熱金屬光電掃描器、邏輯控制部分及模擬量調(diào)節(jié)部分，活套掃描器是安裝于現(xiàn)場(chǎng)的元件，其精度和靈敏度直接作用到活套控制。活套的邏輯控制在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)起套和落套動(dòng)作，并對(duì)活套的順序控制和連鎖關(guān)系進(jìn)行控制。活套的模擬量調(diào)節(jié)控制由PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成，在線材軋制過(guò)程中，受軋件溫度、軋件材質(zhì)和咬鋼動(dòng)態(tài)速降等外部條件影響軋機(jī)間速度匹配受到破壞，活套模擬量調(diào)節(jié)使用光電掃描器測(cè)量到的現(xiàn)場(chǎng)活套實(shí)際高度同活套設(shè)定高度的差值，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)軋機(jī)間的速度，實(shí)現(xiàn)2架軋機(jī)之間的線材軋件維持恒定的微張力和活套量。軋線中所有的活套控制環(huán)節(jié)構(gòu)成了軋機(jī)活套控制系統(tǒng)。

活套可分為水平活套和立活套，安裝于軋機(jī)間的鋼平臺(tái)上面，用于檢測(cè)活套高度，并將測(cè)量到的高度值變換成活套量，與活套量的設(shè)定值進(jìn)行比較，利用差值調(diào)節(jié)軋機(jī)速度，讓軋件在軋制過(guò)程中形成理想圓弧，每一個(gè)活套的控制系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：承擔(dān)矯正活套位置偏差的模擬量調(diào)節(jié)部分；承擔(dān)起套、收套等動(dòng)作并完成邏輯連鎖關(guān)系和順序控制的邏輯控制部分；承擔(dān)現(xiàn)場(chǎng)活套實(shí)際高度檢測(cè)的活套掃描器。

本次以某高速線材生產(chǎn)線設(shè)備布置為依托，從用一步之中可以看出，活套系統(tǒng)設(shè)置在預(yù)精軋機(jī)和精軋機(jī)之間，分別為1至5號(hào)的立活套和6號(hào)側(cè)活套。

3" 活套閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1" 活套量計(jì)算

活套量即形成活套的2架軋機(jī)間軋制的軋件實(shí)際長(zhǎng)度與2架軋機(jī)實(shí)際距離之差。在計(jì)算機(jī)操作界面上，定義活套的高度為活套控制設(shè)定參數(shù)，起始值定為0.25 m，用以改善控制的精度，要把活套的高度值改變成活套量來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。將活套形狀想象為一個(gè)圓弧，如圖1所示。在實(shí)際應(yīng)用中活套圓弧對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)為2架軋機(jī)實(shí)際距離，是一個(gè)固定值，軋件形成的活套圓弧隨著活套高度的變化而變化，活套量是一個(gè)變化量。

由正弦定理得

+（R-h）2=R2，

=R。

由余弦定理得

，

式中：h為弦高；k為弦長(zhǎng)；R為半徑；？漬為弓狀圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角（0lt;？漬lt;？仔）；L為弧長(zhǎng)（ABC）。

當(dāng)？漬=0時(shí)，軋件的弧長(zhǎng)等于弦長(zhǎng)即

由于k為常數(shù)，所以？駐L與L成正比，帶入值可解出L與h2成正比，即

L=Ch2。

3.2" 活套控制算法

生產(chǎn)過(guò)程中被廣泛采用的比例（P）、積分（I）、微分（D）控制稱(chēng)做PID控制規(guī)律，PID控制由比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)組成。

軋機(jī)活套控制中選用離散PID控制器，在PLC控制系統(tǒng)中將原來(lái)連續(xù)的任務(wù)間斷為每隔一定時(shí)間執(zhí)行一次，每個(gè)周期執(zhí)行時(shí)均先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集。連續(xù)的PID控制是離散PID控制算法的基礎(chǔ)，將連續(xù)變量轉(zhuǎn)換為不連續(xù)的數(shù)字量，才能進(jìn)行計(jì)算和控制，連續(xù)量離散化時(shí)相鄰量之間的信息將丟失，影像系統(tǒng)精度。理想PID控制器的微分方程為

式中：U（t）為控制器輸出；Kc為比例放大系數(shù)；TI為積分時(shí)間；Td為微分時(shí)間；e（t）為設(shè)定值和測(cè)量值的偏差，即e（t）=r（t）-y（t）。

PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在PLC控制中采用的是數(shù)字控制器即離散PID控制器，需將微分方程由連續(xù)變化的模擬量變成不連續(xù)的數(shù)字量，即變成離散化的模擬量，則

則差分方程為

式中：Kp為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)。

在PID控制的3種調(diào)節(jié)器，比例環(huán)節(jié)控制與誤差值成正比的輸出大小，系統(tǒng)響應(yīng)的快慢受比例系數(shù)影響；積分調(diào)節(jié)能夠消除靜態(tài)誤差，讓被控量與設(shè)定值相同；微分調(diào)節(jié)可以預(yù)判偏差的變化趨勢(shì)，可以進(jìn)行超前控制，改進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，不可以單獨(dú)使用，需與其他調(diào)節(jié)規(guī)律一起應(yīng)用。

3.3" 活套閉環(huán)控制原理圖

活套調(diào)節(jié)系統(tǒng)是軋機(jī)控制系統(tǒng)的最重要組成部分，活套閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3中：Hc為內(nèi)存或鍵盤(pán)輸入的活套高度設(shè)定值；Hf為活套高度反饋值；LP為活套高度PID調(diào)節(jié)器；？駐n為活套高度調(diào)節(jié)量所對(duì)應(yīng)的軋機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量；n為內(nèi)存或鍵盤(pán)輸入的軋機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值；nf為軋機(jī)轉(zhuǎn)速反饋值；ST為軋機(jī)速度PID調(diào)節(jié)器；D/A為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器； LT為電流積分調(diào)節(jié)器；Vf為軋機(jī)直流調(diào)速裝置；M為軋機(jī)電動(dòng)機(jī)；16V、17H、18V為軋機(jī)編號(hào)；H為活套檢測(cè)器，用于檢測(cè)活套高度值；A/D為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。

4" 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果

完成編程后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，調(diào)整活套PID控制器，直到取得理想的控制效果。活套閉環(huán)控制系統(tǒng)是恒定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，隨著活套高度變化，活套調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)以改變本軋機(jī)及上游軋機(jī)的直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，從而使現(xiàn)場(chǎng)活套高度等于活套設(shè)定值高度。通過(guò)圖4活套閉環(huán)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線可知，生產(chǎn)過(guò)程中活套高度變化，響應(yīng)曲線衰減率為80%，無(wú)靜差調(diào)節(jié)，輸出和給定值之間差值為0，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間為5 s。

活套運(yùn)行曲線如圖5所示，圖中t1為本架軋機(jī)咬鋼時(shí)間，t2為本架軋機(jī)咬鋼速度恢復(fù)時(shí)間，t3為上架軋機(jī)甩鋼時(shí)間。咬鋼時(shí)間用時(shí)0.1 s，活套閉環(huán)控制系統(tǒng)在t2開(kāi)始運(yùn)行，在t3時(shí)刻退出。

5" 結(jié)束語(yǔ)

軋機(jī)活套閉環(huán)控制系統(tǒng)在軋件通過(guò)相鄰2架軋機(jī)時(shí)，軋件形成活套引起活套高度變化，活套調(diào)節(jié)器通過(guò)活套高度變化來(lái)調(diào)整軋機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使現(xiàn)場(chǎng)活套高度等于活套設(shè)定值高度，在活套高度大于設(shè)定高度時(shí)，需要降低上一架軋機(jī)速度，同時(shí)進(jìn)行速度級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐證明，本次高速線材軋機(jī)活套閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選型合理，軋機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平穩(wěn)，套量穩(wěn)定，增加了線材生產(chǎn)的速度、增強(qiáng)了產(chǎn)品的質(zhì)量，擁有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

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