9 5 0熱連軋卷取踏步控制系統改造與實現

張呈強，李 康

（1.泰山鋼鐵集團軋鋼廠，山東 萊蕪 271199；2.山東大學控制科學與工程學院，山東 濟南 250061）

0 引言

帶鋼的卷取作為整個熱連軋過程中最后一道工序，是由熱連軋卷取機完成的。熱連軋卷取機工作性能的好壞直接影響到成品帶鋼的質量和整個生產過程的順利進行。由于熱連軋生產過程中生產的帶鋼長達百米甚至更長，為了滿足收集、儲存和運輸的需要，需要用專門的卷取機將帶鋼繞成卷狀。如果帶鋼在卷取過程中剛性的通過卷筒和助卷輥之間的縫隙，帶鋼頭部造成的層差將引起助卷輥產生強烈剮性沖擊和振動，導致助卷輥及其傳動機構的損壞，振動和沖擊還會使助卷輥在帶鋼表面產生跳躍，使得助卷輥不能緊壓在卷筒上，造成帶鋼的卷形不良、表面缺陷、縮頸等問題，損害產品的質量，降低設備的使用壽命。為了解決上述問題，德國和日本開發了可避讓層差的助卷輥踏步控制技術［1］。踏步控制（Auto Jump Control）在中、寬帶鋼熱軋廠的卷取部分起著至關重要的作用，它的應用不僅有利于帶鋼頭部的卷取及卷形，而且大大減小了帶鋼對卷筒及助卷輥等設備的沖擊，有利于提高設備的使用壽命。泰山鋼鐵集團軋鋼廠自投產以來利用激光檢測器檢測帶鋼的位置，為踏步控制提供控制信號。激光檢測器主要檢測是否有帶鋼頭部進入或帶鋼甩尾［2］，利用激光檢測器檢測到的帶鋼頭部和尾部信號，進行帶鋼的頭部和尾部位置的準確跟蹤，以啟動卷筒的速度控制、助卷輥的速度控制、助卷輥的位置控制、助卷輥的壓力控制，以及自動踏步控制的踏步定時和壓力控制定時［3］。自動踏步控制系統控制精度要求高、控制功能切換頻繁、控制周期短，所以對踏步控制來說，激光檢測器檢測信號的準確性和可靠性直接決定了踏步控制的成敗。用激光檢測器來參與踏步控制，最大的優點就是靈敏度高、準確。但是它的缺陷同樣明顯：信號不穩定、可靠性差。因為激光作為一種光，在水汽環境中易發生折射、反射，從而直接導致檢測信號失準，同時在氣溫較低時鏡頭易結冰也會造成檢測不準。為了解決激光檢測器的信號的不穩定性問題，采用熱金屬檢測器代替激光檢測器，來獲得帶鋼的位置。

1 踏步控制系統的工作原理

踏步控制系統的控制功能主要包括帶鋼頭尾跟蹤、助卷輥位置控制、助卷輥壓力控制、帶鋼尾部控制、自動校準、卷筒漲縮控制等［4］。而助卷輥的開合由裝有位移和壓力傳感器的液壓缸控制，助卷輥輥縫的大小和助卷輥對鋼卷壓力的大小對帶鋼的卷取質量有很大的影響。熱連軋系統上的踏步控制方案如圖1。

圖1 踏步控制方案圖

采用壓力、位移雙閉環的電液伺服系統來控制助卷輥。通過壓力傳感器測得液壓缸兩腔的工作壓差，實現壓力閉環控制系統的壓力控制，由位置傳感測得位移信號可實現位置閉環系統的控制。將壓力和位置調節回路分別作為內環和外環，用限幅器將兩者連接起來，通過脈沖編碼器和計算機控制實現帶頭自動跟蹤和臺階的自動回避。

國內熱軋廠卷取踏步信號多是用激光檢測器檢測，通過激光檢測器檢測帶鋼頭部和尾部的位置。激光檢測器檢測工作原理見圖2。

圖2 激光檢測器工作原理圖

從圖2可知，當帶鋼到來時，帶鋼便擋住了激光發射器發出的激光信號，接收器采不到激光信號，輸出有鋼信號來啟動踏步控制。踏步控制的工作過程如下。

當激光檢測器檢測到帶鋼時，計算機根據檢測到的帶鋼速度和帶頭位置，給出指令信號控制液壓缸動作，通過液壓缸控制助卷輥排好輥縫，使得所有助卷輥調到預設定位置，為了帶鋼的順利卷取，首圈卷取時3個助卷輥的輥縫值應逐步減小。當帶頭通過1號助卷輥后，1號助卷輥轉為壓力控制壓緊鋼板，當帶頭通過2、3號助卷輥時，他們采取和1號助卷輥相同的動作。完成首圈后，當帶鋼頭部將要到達1號助卷輥時，計算機給出指令信號控制1號助卷輥抬起，為了避帶鋼頭部對助卷輥產生沖擊，將其輥縫值設置為板帶安全距離加上板帶厚度，當帶頭部通過1號助卷輥后，1號助卷輥立即轉為壓力閉環控制，協助卷筒順利卷取。完成首圈后，當帶頭將要到達2、3號助卷輥時，2、3號助卷輥采取和1號助卷輥同樣的動作，即帶頭到達某助卷輥之前，該助卷輥立即轉為位置控制，當帶頭通過該助卷輥之后，該助卷輥馬上轉為壓力控制。液壓壓下的壓力控制和位置控制是以液壓缸作為執行機構，在基于液壓控制器的控制下實現的。 位置和壓力控制方式的切換如圖3所示。重復以上動作直到卷取機張力的建立，卷取機張力建立以后3個助卷輥自動退回到設定的位置，卷筒漲徑，使帶鋼緊緊裹于其上，當帶鋼脫離末架軋機進入收卷狀態時，助卷輥按預置的位置合攏，壓住外層帶卷，避免帶卷外層松散［5］，良好的踏步控制系統能保證在帶鋼頭部不與助卷輥相撞的前提下，盡可能縮小助卷輥和帶鋼脫離的時間，使卷形不受影響［6］。

圖3 位置和壓力控制切換簡圖

2 技術分析及方案

對于踏步控制來說，控制的成功與否，很大程度上取決于帶鋼頭部跟蹤的準確性［7］，只有準確的獲得帶鋼頭部的位置，計算機才能發出準確的控制信號，控制各個助卷輥采取正確的動作，完成踏步控制。如果利用激光檢測器對帶鋼位置進行跟蹤為踏步控制提供控制信號，由于帶鋼卷取過程中周邊環境比較復雜，環境中的水汽等因素會造成激光的折射和反射，使激光偏離原有軌道，導致接收器接收不到激光信號，嚴重影響激光檢測器對帶鋼位置跟蹤的準確性，引起踏步提前等問題，使得踏步控制不僅起不到應有的效果，而且會適得其反，造成廢鋼、塔形等事故。同時由于冬季氣溫較低，鏡頭結冰同樣會造成激光檢測器信號檢測失真，導致無法使用踏步功能，嚴重影響了產品質量和設備壽命。國內熱軋廠卷取踏步信號大都是用激光檢測器檢測，同樣存在信號干擾問題。他們通過改善現場環境以及改變檢測位置來提高檢測信號的準確性、穩定性，雖然起到了一定的改善作用，但并不能從根本上解決信號干擾的問題，下面是一個激光檢測器使用情況統計表。

表1 2005年1－12月份激光檢測器使用情況統計表

從表1中可以看出，使用激光檢測器時，2005年全年信號誤讀次數達到了315次，產生了24支廢鋼，造成309 min熱停工，嚴重影響了產品質量。為了解決激光檢測器的信號不穩定性問題，本文采用熱金屬檢測器代替激光檢測器來為踏步控制提供檢測信號。由于現場環境的限制和工藝的要求，熱金屬檢測器儀器必須滿足以下幾個條件。

1）由于現場環境含有大量水汽，而現場環境不可能根本改變，所以熱金屬檢測器在有水氣干擾的情況下必須能正常工作。

2）為了使熱金屬檢測器能不受水汽的干擾，需對熱金屬檢測器進行一定的改造，改造后的檢測儀表必須保證檢測精度及可靠性，響應時間小于2 ms。

3）滿足現場安裝條件的要求。

4）帶鋼到達檢測位置且帶鋼溫度在300℃以上時，熱金屬檢測器通過檢測帶鋼的紅外輻射可以確定帶鋼的位置。

為了滿足以上要求我們選擇進口熱金屬檢測器測，安裝在原來檢測孔上方大約1 m左右，同時對熱金屬檢測器儀器做以下處理。

2.1 防水密封處理

由于ASC進口熱金屬檢測器不適合在潮濕的環境中使用，而現場水及水蒸氣較大，滲透性極強，熱金屬檢測器很容易進水，會導致檢測不準甚至燒毀儀表。因此我們將儀表外殼進行拆裝密封處理，選擇進口的防水膠對鏡頭、固定螺絲等外部縫隙進行密封。密封完畢干燥后進行24 h浸水試驗，保證鏡頭在浸水24 h后干燥無水。

2.2 進口熱金屬檢測器的安裝

首先制造安裝支架，制作的支架要牢固且可以調節角度。根據現場情況進行測量、繪圖、焊接。為了避免外部環境干擾檢測信號，設計合理的電纜走向。

2.3 防護

1）為了防止溫度過高損壞ASC進口熱金屬檢測器，用凈環水對ASC進口熱金屬檢測器進行冷卻，為了保證冷卻效果，要求回水溫度穩定小于25℃，為了便于維護在進水和出水管上各加一個調節閥門。

2）為了保證鏡頭的干凈，用干凈的N2吹掃鏡頭，為了保證吹掃的效果，要求吹掃鏡頭的N2氣壓不低于0.2 MPa，為便于調節氣壓大小在其管路上加一閥門。

2.4 調整、調試

1）安裝完畢后首先進行模擬調試，通電檢查，用手電筒模擬帶鋼進行試驗，檢測信號是否正常，同時檢測熱金屬檢測器反應時間是否滿足踏步控制的要求。

2）調節熱金屬檢測器的角度，使之垂直于檢測孔。有帶鋼通過時，對檢測信號進行監控，根據帶鋼的溫度調節熱金屬檢測器的靈敏度，正常后正式投入使用。

通過實際應用，證明改造的熱金屬檢測器不僅能夠在水汽環境中正常工作，而且檢測的靈敏度、反

應時間和檢測精度達到工藝的要求。

3 應用效果

采用熱金屬檢測器代替激光檢測器，通過對鋼的熱輻射的檢測獲得來鋼的位置，提高了檢測的準確性可靠性。從根本上解決了信號干擾問題，提高了設備的使用壽命，并且基本上做到了免維護，保證了生產的順利進行。自2006年1月改造后，除2007年8月因ASC熱金屬檢測器出現故障導致信號失準外，7年來從未出現過信號失準、波動現象，控制精度超出了目標值。因此從根本上解決了踏步信號失準、波動的現象，為熱軋帶鋼廠的優質高產穩產創造了條件。同時本項目的成功實施為其它同類熱連軋的卷取踏步控制改造和設計提供了很好的借鑒意義。

4 結語

用熱金屬檢測器代替激光檢測器為踏步控制提供控制信號，從根本上解決了信號干擾的問題，收到了預期的效果，并且基本上做到了免維護，大大減輕了工人的勞動強度，保證了帶鋼卷形質量，提高了產品外觀合格率，更好的滿足了用戶需求，創造了良好的經濟效益。

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