川威冷軋平整機自動控制系統淺析

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)

川威冷軋平整機自動控制系統淺析

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平整機組的自動控制系統,從系統網絡結構、硬件配置、傳動控制、基礎自動化控制及AEC控制等幾個方面對平整機自動控制系統進行了介紹,并且具體分析了AEC延伸率控制的原理,以及生產過程中出現的問題,對優化平整機的控制以及提高平整的產品質量有著積極的意義。

平整機;自動控制;AEC

1 引言

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

川威冷軋廠900A冷軋平整機是單機架四輥平整機,液壓推上,具有恒延伸率控制及干(濕)平整功能。設計要求是平整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 工藝流程及主要設備

2.1 工藝流程概述

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

2.2 主要設備構成

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

3 控制系統結構

平整機組的控制系統主要由基礎自動化控制系統、監控系統、傳動控制系統、AEC控制系統、CPC控制系統等幾部分組成,圖1為平整機系統結構。

3.1 基礎自動化控制

基礎自動化控制系統采用PLC控制,其選用SIEMENS公司的S7-300、S7-200及ET200產品。

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

圖1 平整機系統結構

S7-200和ET200作為從站系統,用來采集現場信號,它通過PROFIBUS-DP網與S7-300連接,將采集的信號送給主PLC,并將主PLC發出的信號作用于執行機構。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從站主要用于主機速度加減、卷取機、開卷機、S輥的張力加減的邏輯輸入以及其他邏輯輸入和報警顯示等;操作箱ET200從站用于支撐輥、壓下電機、上卷小車、入口導板、壓輥以及CPC等邏輯輸入;右操作箱ET200從站用于出口導板、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控制及報警。

3.2 監控系統

監控系統采用富士UG031系列可程式人機界面,它通Profibus-DP現場總線與S7-300連接,用來實現產生過程、工藝參數和設備狀態的實時監控和管理。

3.3 傳動控制系統

傳動設備選用意大利ANSALDO公司的SILCOPAC D系列全數字直流傳動設備,可控制直流電機作四象限可逆運行。具有多個可編程的數字量輸入、輸出口及模擬量輸入、輸出口,同時具備張力調節PID控制,卷徑模擬計算,磁場非線性補償,動態張力補償等功能,而且還具有多種故障檢測及相應處理,并可對故障輸出及顯示。

3.4 AEC控制系統

AEC控制系統采用計算機控制,以下是AEC控制系統的主要配置:

(1)臺灣研華工控機,作為中央控制器;

(2)BH5014光電隔離開關量輸入用于采集AEC控制系統的邏輯輸入信號;

(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板的電壓信號轉換為電流信號輸出給伺服閥;

(6)PCI1784計數板用來檢測S輥處編碼器從而計算實際的延伸率。

軟件使用BORLANDC++3.1和8088匯編開發,操作系統為DOS6.00以上版本。

3.5 CPC控制系統

CPC控制系統是個相對獨立的控制系統,采用的是EMG公司的產品。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)、高頻發光源及液壓裝置構成。

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的亮度,當執行自動尋邊功能后,檢測接收器自動尋找鋼帶邊部,當檢測接收器的光通量被鋼帶邊部遮住一半后認為尋邊完成,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,并驅動安裝在開卷機上的液壓缸來保證鋼帶在生產過程中一直處于中心位置。

4 基礎自動化及傳動控制系統的實現

4.1 基本邏輯控制

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

4.2 速度控制

系統只有主機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間,這樣可以保證速度變化時的平穩。開卷機、卷取機、入口S上下輥、出口S上下輥只有當在點動或是在穿帶過程中才采用速度控制模式,其點動的速度給定值直接在調速器中設定。

4.3 張力控制

系統采用的是間接張力控制方式,這種控制方式不用張力計,就可以獲得較為穩定的恒定張力,在實際軋制工作中,開卷機、卷取機、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行的。在切換到張力控制模式運行后,卷取機的速度給定為主機的反饋速度加上附加給定速度(最大速度的10%～20%左右),由于與主軋機之間通過帶鋼的鋼性連接,卷取機的實際速度不可能達到速度給定值,使卷取機的速度調節器輸出飽和,傳動系統轉入張力控制。

在正常軋制時,開卷機(反向軋制時為左卷取機)工作在發電制動狀態,它們的速度給定略低于機組其他設備,其速度調節器輸出也達到飽和值。開卷機的制動力矩像卷取機一樣,也可通過速度調節器的輸出限幅進行調節。

入口S上下輥、出口S上下輥的工作方式與開卷機和卷取機類似,由于他們的輥徑是恒定的,他們的輸出轉矩不像開卷機和卷取機一樣要根據卷徑的變化而變化。

在實際的張力控制中,在計算張力給定值時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鍵量,圖2為張力系統控制框圖。

圖2 張力系統控制框圖

4.4 卷徑計算

開卷機與卷取機上鋼卷的卷徑是通過其直流調速裝置自帶的卷徑計算功能完成的,根據線速度和角速度的關系,可計算出鋼卷卷徑:

式中:D—表示鋼卷卷徑;

W—表示開卷機或卷取機的角速度;

V—表示開卷處或卷取處的線速度。

5 AEC控制系統的實現

AEC系統的最終執行者是由安裝在傳動側和操作側的伺服閥通過控制兩個液壓缸的升降來實現,為了提高系統的響應速度,伺服閥及其閥塊直接安裝在缸體上,用于控制進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確的檢測活塞的移動位移,并且在油缸內裝有壓力傳感器可以用來計算軋制壓力。

AEC控制系統包括三種控制方式:自動位置控制(APC),自動壓力控制(AFC),自動延伸率控制(AEC)。可以通過選擇開關在不同的工作情況下進行不同的控制方式,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使用,位置控制很少使用,以下主要對自動延伸率控制進行具體分析。

5.1 延伸率控制

在生產過程中保證恒定的延伸率是自動延伸率控制的最終目標,延伸率控制的好壞直接影響著產品的質量。其主要有以下兩個參數,一個是帶鋼的張力,另一個是軋制力。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。

機組采用恒張力變軋制力控制方式,采用雙閉環控制,既壓力環作為內環,延伸率作為外環。根據設定的延伸率與實際延伸率的差量計算出壓力的校正值,實現對總軋制力的給定,來完成恒延伸率的控制,圖3為延伸率控制模型。

系統在對校正壓力計算處理和壓力調節量計算處理時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,使延伸率控制到設定值。為了保證兩側的油缸在運行過程中不會有較大的輥縫偏差,系統設有同步調整功,它可以使運行快的一側放慢速度,運行慢的一側加快速度,保證軋輥的平行度。設置的操作側壓抬功能,可以用來調整兩側油缸的上抬量,來調節板形,平衡兩側軋制壓力。

圖3 延伸率控制模型

5.2 延伸率的調節方法

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,應該采用不同的延伸率調節的方法,才能獲得更好的控制品質。

（2）在設置臨時通道時，一般設置在中央的分隔帶和硬路肩的位置，另外在二者之間還應設置周期性的通道位置，但變換的周期不能夠超過1個月，減輕對路面結構層的壓力。

表1 平整延伸率的調節方法

5.3 延伸率的計算方式

通過計數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,其在相同時間內,帶鋼的入口長度Lr,出口長度Lc,延伸率的計算公式為:

根據已知出口和入口S上輥的輥徑和每轉的脈沖數,可計算出t時間內入口、出口長度:

由(2)、(3)、(4)和Pr、Pc相等可得實際的延伸率計算值為:

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—當前入口處脈沖數;

Cqr—t時間時入口處脈沖數;

Dr—入口S上輥輥徑;

Pr—入口編碼器每轉的脈沖數;

Lc—出口鋼帶長度;

Cxc—當前出口處脈沖數;

Cqc—t時間時出口處脈沖數;

Dc—出口S上輥輥徑;

Pc—入口編碼器每轉的脈沖數。

5.4 壓力校正值計算

根據質量守恒定律得:

根據式(6)和延伸率計算得:

預設厚度差值與實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—預設延伸率;

μs—實際延伸率;

△F—壓力修正值;

Cm—材料鋼度;

△hs—實際厚度偏差值;

△hg—預設厚度偏差值;

△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。

5.5 影響延伸率的幾個因素

以下是影響我們公司平整機延伸率控制的主要幾個因素:

(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輥轉動的長度,從而影響延伸率的計算準確度。

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

(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,因為機械慣性的原因,會引起延伸率的波動。

6 結束語

本系統投產將近兩年多的時間,因種種原因,大多數時間基本上都沒有采用延伸率的控制方式生產,嚴重影響產品質量,最近我們對其主要的檢測裝置進行更換和對程序進行了相應的修改后,延伸率的控制方式基本上能達到現在生產及質量控制的需要。

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

[2] 金以慧.過程控制[M].北京:清華大學出版社,1987.

[3] 傅作寶.冷軋薄鋼板生產[M].北京:冶金工業出版社,2005.

[4] 楊志敏,那成選,余紅.攀鋼冷軋平整機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,主要從事電氣技術工作。