軋機推床調試階段問題分析

鄭 健 李久慧

(鞍鋼集團工程技術有限公司 遼寧鞍山114021)

1 課題背景及意義

本課題來自于某新建中板廠粗軋機入口推床的調試階段所遇到的問題。在調試階段遇到情況如下:推床的推頭前進或后退時偶爾出現推頭突然開始劇烈的前后高頻振動。

中板軋機推床(側導板)是用來將軋件準確地導向至軋機中心線上進行軋制而設置在軋機前后的一種裝置。考慮到軋件的彎曲、滑動等因素，設定的側導板寬度要稍寬于鋼板寬度。推床調整精度的優劣對軋機的板形控制起重要作用。另一方面，此調試問題的分析涉及到了機械、液壓及電氣控制等多方面內容，雖然問題簡單，但對于日后無論從設計研發還是從現場調試方面來講都是有一定的參考和借鑒意義。

2 原理介紹

2.1 機械設備介紹

軋機推床采用液壓驅動齒輪齒條式。它主要由推板、推桿、齒輪箱體、齒輪和齒條、液壓缸等部件組成。液壓缸驅動推床箱體上齒條，上齒條通過齒輪軸實現一側推板的兩個推桿機械同步，兩側推板液壓同步。位于軋線兩側的推床通過中間的一根導向槽機械控制兩推板的同步對中運動，通過液壓缸內置的傳感器可以測出推床的開口度，同時還可以測出板坯的實際最大外廓寬度值。推床的對中和回程分別由兩個布置在輥道兩側的帶有內置式位移傳感器的液壓缸帶動齒輪、齒條、推桿來實現推床的開合。兩側推床推頭同步采用液壓同步的控制方式(見圖1)。

圖1 推床裝配圖

技術參數:

推床推板推力:400kN;推床開口度:1550 ～5400mm;推板移動速度:150 ～300mm/s(單側);推板長度:9000mm;推床開口度設定精度:±2mm;推床測寬精度:±1mm;推拉缸:4 ×φ160/φ120 ×2000mm;工作壓力:16MPa

2.2 液壓介紹

2.2.1 技術參數

油箱容積:V=12000L;系統流量:Q=1500L/min;系統壓力:P=18MPa;工作介質:ISOVG46;系統清潔度:NAS6 級

2.2.2 設備組成

油箱:1 臺;恒壓變量軸向柱塞泵:7 臺(6 用1 備);循環過濾泵裝置(螺桿泵):2 臺(1 用1 備);蓄能器裝置(4×63L);板式冷卻器、過濾器裝置、壓力繼電器、電磁溢流閥、單向閥、微型軟管、壓力表等。

控制單元:軋機前機后推床、導板升降缸、接軸卡緊缸、工作輥軸端擋板缸、支承輥軸端擋板缸、工作輥換輥橫移缸、工作輥換輥旋轉軌道缸、支承輥換輥車行走油馬達、上接軸平衡缸、下接軸平衡缸、除鱗箱液壓缸等。

圖2 推床LP 液壓閥組

2.2.3 伺服系統

由此液壓閥組原理圖和控制要求可知，推床的液壓控制系統為伺服控制。

電液伺服系統又稱電液控制系統，是以電氣信號輸入、以液壓信號為輸出構成的閉環控制系統。由于是電氣和液壓的結合，此系統可以充分發揮二者的優勢。電氣信號便于測量、轉換、放大、處理和校正;而液壓信號輸出功率大、速度快，且其執行機構具有慣量小等優點。所以二者相結合所組成的電液控制系統具有控制精度高、響應速度快、信號處理靈活、輸出功率大、結構緊湊、重量輕等優點。

液壓伺服系統是使系統的輸出量，如位移、速度或力等，能自動、快速而準確地跟隨輸入量的變化而變化，同時，輸出功率大幅度地放大。液壓伺服系統的工作原理方框圖如圖3。

圖3 伺服系統圖

伺服閥采用MOOG 公司的D663Z4305KP03JXNF6VSX2－A 型伺服比例控制閥。閥芯的行程范圍對應電流為4 至20mA。中位時電流為12mA。20mA 相當于閥口100%全開。

2.3 電控系統

2.3.1 電控硬件

可編程控制器S7－400 是具有中高檔性能的PLC，采用模塊化無風扇設計，適用于對可靠性要求極高的大型復雜的控制系統。

2.3.2 電控軟件

STEP7 編程軟件用于SIMATIC S7、M7、C7 和基于PC的WinAC，是供它們編程、監控和參數設置的標準工具。STEP7 具有以下功能:硬件配置和參數配置、通信組態、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。

控制策略(狹義地也稱控制算法)是機電一體化系統的控制器的核心。在系統設計中選用合適的控制策略是成功調試機械設備的重要保證。控制策略以自動控制理論為基礎，可劃分為傳統控制策略、現代控制策略和智能控制策略。

本系統采用PID(比例—積分—微分)控制。PID 算法蘊涵了動態控制過程中過去、現在和將來的主要信息，而且其配置幾乎最優。其中，比例(P)代表了當前的信息，起糾正偏差的作用，使過程反應迅速。積分(I)代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統靜態特性。微分(D)在信號變化時有超前控制作用，代表了將來的信息。在過程開始時強迫過程進行，過程結束時減小超調，克服振蕩，提高系統的穩定性，加快系統的過渡過程。

圖4 PID 控制器原理圖

圖5 閉環方框圖

閉環控制系統(closed-loop control system)的工作原理為反饋控制原理或偏差調節原理，這種控制系統通過負反饋控制，因而具有自動糾正偏差的能力，可獲得相當高的控制精度。但系統存在穩定性問題，而且高精度和穩定性的要求是矛盾的。電控制器(比例放大器，俗稱放大板)在開環控制系統中，用于驅動和控制電液比例控制元件的電—機械轉換;在閉環控制系統中除了上述作用外，還要承擔反饋檢測器的檢測放大和校正系統的控制性能。因此，電控制器的功能直接影響系統的控制性能，它的組成應與電—機械轉換器的型式相匹配，一般都具有控制信號的生成、信號的處理、前置放大、功率放大、測量放大、反饋校正、顫振信號發生及電源變換等基本組成單元。它包括電位器、斜坡發生器、階躍函數發生器、PID 調節器、反向器、功率放大器、顫振信號發生器，或用可編程序控制器等。由于比例電磁鐵可以在不同的電流下得到不同的力(或行程)，可以無級地改變壓力、流量，因此，電—機械轉換器是電液比例閥的關鍵元件。

3 調試階段

3.1 聯合調試前期

3.1.1 單體機械設備調試

安裝符合《軋機機械設備工程安裝驗收規范》GB50386－2006 中的相關規定。單體機械設備試運轉符合《機械設備安裝工程施工及驗收通用規范》GB50231－2009 中的相關規定。

3.1.2 單體液壓設備及管路調試

安裝及試運轉符合《軋機機械設備工程安裝驗收規范》GB50387－2006 中相關規定。

3.1.3 電氣設備調試

調試符合《電氣設備安裝工程施工及驗收規范》YBJ217 中相關規定。

3.2 聯合調試(出現問題階段)

推床的推頭在無負載運行前進或后退時偶爾出現推頭突然開始劇烈的前后高頻振動。在調試主機HMI 界面上，液壓缸內置位移傳感器的模型上出現了毛刺。顯示為如圖6 所示。

圖6 位移傳感器模型在HMI 界面圖

此工程粗、精軋機共計7 套推床設備，前面描述的情況只出現在粗軋機入口操作側，其它位置推床均無此情況發生。

3.3 處理問題

1)檢測液壓缸內置位移傳感器是否損壞;

2)檢測液壓缸內置位移傳感器電氣接線;

3)檢測LP 液壓系統液壓油清潔度;

4)管路上放氣閥打開，給管路放氣;

5)重新給液壓缸內置位移傳感器接一根電氣接線(明線)。

經過以上處理達到標準后，仍然有此現象發生。

根據以上排查后原因應該發生在放大器及電氣控制上。雖然此處的PLC 程序是與其它幾個推床的程序相同，但是由于伺服閥的制造精度及配套放大板的調試均有其自身的特性，因此針對于每個伺服閥都應該根據實際情況相應地調節參數。

在西門子STEP7 中程序中PID 控制器功能塊主要有FB41、FB42 和FB43，主要用到的是FB41“CONT_C”實現連續控制。所以檢查應該先從這段程序開始。

4 總結

無論對于單一的機械設備、液壓閥還是STEP7 程序及參數來說都可能是沒有問題或是正確的，但是當它們組合在一起，并進行調試時，不可而知的問題就會發生，有時甚至是很小、很微不足道的一個參數，就可能改變整個系統的功能。所以，從設計或是編程時，就要多考慮其它專業的問題。

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［2］成大先.機械設計手冊(第五版)［M］.北京:化學工業出版社，2008.

［3］劉杰，趙春雨，宋偉剛. 機電一體化技術基礎與產品設計［M］.北京:冶金工業出版社，2008.

［4］柳洪義，羅忠，王菲. 現代機械工程自動控制［M］. 北京:科學出版社，2008.

［5］宋錦春，蘇東海，張志偉.液壓與氣壓傳動［M］.北京:科學出版社，2008.