1780熱連軋飛剪及精除鱗控制系統優化探討

張彥東

隨著時代的發展，自動化技術的應用范圍越來越廣闊，對于鋼鐵生產加工行業而言，及時進行系統設備的優化升級具有重要意義，利于提高鋼鐵元件的生產效率，也利于創造更多經濟效益，幫助到企業的發展。但為了確保系統設備優化升級的科學合理，在實際優化改造中，還應加強一些方法的研究，明確要點。本文以某鋼鐵有限公司的1780熱連軋生產線的優化為例，分析該生產線的優化路徑。相關內容如下。

1 飛剪控制原理分析

飛剪控制是重要的加工環節，對1780鋼鐵的生產加工質量具有直接影響。飛剪過程中，剪切的啟動時間為飛剪控制的關鍵點，為了更好地控制飛剪加工質量，則需要合理控制飛剪啟動時間，但如何精確地控制運行速度是優化工藝中的難點。深入分析可知，此加工過程中，關鍵檢測設備為熱金屬監測器，若能夠保障熱金屬檢測器的穩定性，則能夠有效控制飛剪的精度，進行實現系統的優化控制。因此，系統優化過程中，應注重熱金屬檢測器的精確化。

飛剪加工過程中，帶坯頭尾剪切長度是由操作人員設定，結合熱金屬檢測器實現檢測坯位置的檢測，相關檢測信號會傳入到PLC中，PLC根據信號以及尾部長度數據，啟動飛剪系統，完成對鋼鐵元件的生產加工。系統設備自動運行情況下，操作人員需要對以下參數進行科學合理地控制，包括鋼鐵元件頭部剪切長度（mm）、尾部剪切長度（mm）、速度超前率（0%～10%），速度滯后率（0%～10%）。

1.1 飛剪及除磷設備組成及系統配置

1780鋼鐵加工流程中，包括飛剪與除磷兩個部分，從系統設備組成情況來看，包括多種結構，其中剪前輥道是重要的引導設備；配備了測速單元，對加工流程進行判定；剪前導尺可以對剪切長度進行控制；還包括飛剪轉鼓、高壓水除鱗箱；以及前后夾送輥、除鱗箱輥道等。飛剪設備主要為轉鼓式結構，通過1臺2300kW的交流電機帶動，帶動方式為齒式聯軸器，該齒式聯軸器還與減速機相連。實質的連接，即減速機輸出端與聯軸器下轉鼓相連，上下轉鼓由同步齒輪連接，交流電機運行時，通過上下鼓式齒輪的有機運作，完成剪切，實際的剪切執行是借助剪刃實現。精軋除磷環節主要由兩片機架通過橫梁連接而成。兩橫梁的固定方式以螺栓為主，固定于機架上，機架內部包括前后夾送輥、前導輥、中間輥道、上下兩組集水管等。在優化設計中，除了設置了前后夾送輥等元件，還設置了上蓋、側面擋板等，使其與機架形成整體封閉的箱體，這可以防止水汽的外溢。

初始入口的設計階段，需要進行固定鋼材，借助夾送輥實現控制，控制系統由夾送輥、減速機、聯軸器、萬向接軸組成。入口的上方還包括液壓單元，系統運行時，液壓單元發揮作用，將鋼材運輸到指定位置，實現精扎，精軋階段有機結合精軋結構的應用。此外，考慮到緊急情況的處理，可以借助液壓缸將鋼材從軋機中拉出。

具體而言，夾送輥是主要的器具元件，該元件的運行以減速機、聯軸器、萬向接軸傳動，同時上輥無電機帶動，區域無電機帶動，是以鋼板帶動實現運行。出口夾送輥的主要作用，即結合夾送的方式將鋼材表面的水處理掉。

1.2 系統軟硬件配置

系統控制包括軟硬件兩個部分，硬件是重要的執行單元，軟件是重要的控制單元。硬件部分的配置：Sie-mensS7-400PLC（由主框架和遠程ET200M組成），PLC是重要的檢測、控制執行單元，該PLC內部為Ethernet card工業以太網通信模塊，基于該PLC的應用，實現了系統HMI與其他區域PLC的通信連接。從功能上來看，該PLC可以承擔以下功能，能夠針對飛剪進行控制，具體為點動控制；可以操作系統自動切頭、切尾；可以操作除磷箱自動噴水，包括控制前后夾送輥上升及下降；實現對各個運行單元運行速度的控制。

系統軟件采用西門子S7系列的PLC軟件系統，該軟件系統可以進行靈活的編程，可以結合實際需求進行編程、設計，具有功能強大的特點，基于該軟件系統設計，可以集成多種設備的應用。人機交互界面的設計中，有機結合Mi-crosoft Windows 2000的Simatic WinCC系統，可以實現度系統設備運行情況的查看，形成有效的監控。從軟件部分的設計來看，具有良好的開放性、靈活性，易于企業進行操控，也便于維護，同時還能夠針對故障問題進行及時報警，提升排除故障的效率。

1.3 系統工作方式

1.3.1 飛剪剪刃位置控制

系統設備運行過程中，飛剪過程分為不剪刃與剪刃兩個環節，當不執行剪刃操作時，切頭是處于水平位置，是一種相對靜止狀態，此時切尾刃處于垂直狀態。切刃與切尾刃呈現垂直交錯狀態。當帶鋼到達指定位置時，剪刃執行飛剪操作，此過程中切頭剪刃由等待位置旋轉至220°，然后再由220°啟動加速，加速至16.8°，進入到剪切區域，剪切至0°，實現對鋼材的剪切。飛剪過程中會持續到-20°的位置，然后形成制動，一直制動回調到130°，完成制動流程，再調回到270°進行等待，當接收到下一個命令時，飛剪剪刃會重復執行上述操作，往返實現持續的生產加工。

切尾系統在收到切尾指令時，剪刃開始運作，旋轉至240°的位置，然后執行切尾操作，從240°運行至16.8°，此過程以加速狀態完成，實現對鋼材的切尾。一般會運行至-20°的位置，到達該位置后開始制動，制動回調到130°位置，此時制動程序停止，剪刃回到等待位置。待收到下一個命令時，會重復以上流程。

1.3.2 飛剪工作方式

飛剪功能運行前，要滿足有關條件：首先要檢測到信號，同時各個傳感器應提供正確的位置、速度、溫度等信號，待有關信號滿足時，操作臺發出飛剪指令時，系統會自動執行飛剪工作。另外，還需要確保飛剪潤滑系統的正常。

（1）點動與手動方式。飛剪系統運行前，以上系統應全部滿足，進而確保飛剪質量。飛剪操作階段，借助操作臺，設計了兩種方式，一種為點動，一種為手動，點動為自動操作方式，點動操作執行時主要是結合預先輸入的程序。手動剪切，即結合需求，工作人員可以進行自行調節進行飛剪。具體開啟有關操作方式的方法是在操作控制平臺上進行選擇。具體控制中，應結合主操控臺選擇有關操控方式，操作方式選擇手動后，剪切運行完全依賴工作人員的操作，剪切過程的速率可以進行把控，進行實時對系統的現精確化控制。

（2）自動方式。飛剪自動控制方式即鋼材剪切過程的自動化運行，此過程中只需要工作人員在操作臺上打開相關按鈕即可。剪切自動化控制過程中，除了要滿足以上條件外，還需要滿足以下條件；就地操作箱與主操控臺的控制需要調至“主控”位；主操控臺“自動/停止/手動”功能要選擇在“自動”位置上；與此同時，在HMI上要調整至“全切”位置，包含在HMI上對飛剪參數的設定，如進行設計剪切長度、切尾延后率等。當以上操作完成后，PLC會自動自行操作，判斷鋼材的位置，按照預先設定的參數，進行鋼材的剪切，同時會經過計算分析，控制剪切速度，確保剪切工作的質量。自動剪切運行方式具有較高的自動化水準，其啟動、停止的執行全部有邏輯條件出發，例如，飛剪前，對帶鋼進行熱檢是重要一環，PLC將對熱檢信號的距離、速度進行計算、計算出最佳的啟動時間、剪切速度，當熱檢過程出現一些問題，不能夠滿足有關需求時，PLC會根據有關信號中斷系統運行，這樣可以保障飛剪操作的精確，滿足最初的設計要求。

1.3.3 軋件速度檢測

飛剪過程中，速度對剪切精度、剪切動作執行的順利與否具有重要影響，因此，要對飛剪過程的運行速度檢測，確保飛剪速度在科學合理的范圍內。飛剪軋件速度測定過程中主要包含以下幾點：

（1）測速輥頭部速度檢測，針對測速輥頭部速度檢測而言，主要依靠增量編碼器，其安裝于測速輥上。系統運行過程中，當帶鋼頭靠近時，測速輥會快速升起將帶鋼頂住，此過程中，借助增量編碼器，可以將速度運行信號發送到控制單元，由控制單元對剪切時間、速度進行控制，保障飛剪達到設定要求，達到測量的長度要求。測速輥直徑是固定的，為1000mm。

（2）帶鋼頭部速度測量。測量過程中，主要是結合兩個熱檢元件間的距離，結合帶鋼運行時間的明確，借助公式得到帶鋼頭部速度。

（3）帶鋼尾部速度測量。實際測量過程中，主要是結合在除磷箱后部的夾送輥，其是一種墮輥，系統運行時，帶鋼下行，夾送輥隨之運行，此過程中，借助對碼盤脈沖數的分析，形成對帶鋼尾部速度的測定。

（4）計算精軋機入口速度作為帶鋼尾部速度。計算過程中，根據金屬秒流量相等的原理，結合機架帶鋼出口速度、出口厚度、機架帶鋼入口厚度三個物理量，計算出軋機入口速度，將其作為帶鋼尾部速度。

1.4 注意事項

①系統架構的優化過程中，切邊剪切機構應能滿足對鋼板剪切功能的要求，同時要保證剪切機構與切邊機構的連鎖關系。②系統架構優化中，需要注意調整上剪刃沿鋼板方向的運行位置，促使切邊剪切鋼板與剪刃滑塊之間的水平作用力最小，這也可以促使鋼板滑塊與機架之間的摩擦力減小，提高剪切效率，有效預防一些故障、問題的發生。③剪切機構中曲柄之間的位置應合理，確保在一定范圍內，滿足剪切鋼材的需求。

2 除鱗機手動及自動工作方式

除磷機的運行控制中，包含自動與手動兩種工作方式。具體執行哪種除磷方式的操作，需要依靠工作人員的選擇。除磷水系統中包含入口出口除磷水和除磷箱預充水。夾送輥位置壓力控制主要包括夾送輥的零位標定、定位操作機壓力控制。當除磷水及夾送輥運行處于自動運行方式時，帶鋼會自動運行至前夾送輥，夾送輥自動壓下且會設定輥縫；然后帶鋼會被送到后夾送輥，由于自動運行，會壓下并設定輥縫，此過程中會自動打開除磷水。自動運行至F1咬鋼時，夾送輥的壓力環會投入，具體是以HMI上的設定壓力執行下壓動作；當熱金屬檢測器HMD303失鋼時，系統收到信號會取消夾送輥壓力。帶鋼離開前夾送輥時，后夾送輥會自動運行，打開到180mm。手動控制階段，將除磷水及夾送輥運行調整至手動運行，HMI上的相關水閥按鈕要全部通過手動操作實現控制。另外，為了確保系統的可靠運行，以及展開有關獨立檢查工作，除磷水閥的開閉也可以在自動運行情況進行手動控制，實現有效控制干預。

3 區域控制時序

飛剪及除鱗系統運行控制過程主要是運行速度、時序的控制，優先控制過程中，如何切實反映出帶鋼實際速度，然后科學合理的調整飛剪剪切速度是需要解決的問題。為了解決該問題，住宅飛剪剪切速度、區域輥道速度與帶鋼實際運行速度的有機融合，進而體現運行配合的良好，保障剪切精度、剪切動作的順利執行。

3.1 帶鋼速度檢測

時序控制中，帶鋼速度檢測應確保有效，能夠真實反映出帶鋼運行情況，而為了有效檢測出帶鋼運行速度，則需要采用合理的檢測方法。具體檢測中，采用多種方法測定，確保檢測效果可靠。①結合測速輥測量頭部速度，輥徑是固定的，其周長為1000mm。基于測速輥的增量編碼器進行測定。具體而言，當帶鋼頭接近時，測速輥上的編碼器會將速度信號反饋于飛剪控制系統，系統對飛剪時間進行計算，得到最佳控主數據，確保剪切符合要求。②熱檢測量帶鋼頭部速度，結合鋼鐵1780熱連軋生產線，在生產流程中安裝了3個金屬熱檢測器，將其分別安裝于生產線的初始端、中間環節、尾部環節，實現對鋼鐵的運行速度的測定。③尾部速度測量階段，主要是借助后送輥上輥的碼盤脈沖設備，對該設備進行分析，進而得到實際的數據變化特點，再通過計算分析，得到尾部帶鋼速度。④精軋機入口速度測定，借助金屬秒流量相等原理，有機結合F1機架鋼出口速度、出口厚度、F1機架帶鋼入口厚度，計算出F1機架入口速度，該速度即為帶鋼尾部速度。

通過對以上速度的綜合分析，系統實現帶鋼速度的合理檢測及驗證。

3.2 飛剪及精除鱗區域時序控制

帶鋼運行速度的精準控制是基礎環節，也是確保飛剪加工合理的保障，為了確保飛剪及精除磷的科學合理，則應對整體系統進行有機調整，使各個加工環節的銜接科學合理，達到設計要求，同時這也是加工生產是否合格的關鍵。對此，應飛剪及精除鱗區域控制時序進行有效調節控制。具體控制方式如下：

①初始準備，工作人員將飛剪及精除鱗運行方式調整到自動位置，此時，剪刃處于等待位置、傳動結構運行等待、輥道結合預先設定的速度運行。②輥道檢測單元收到帶鋼信號時，熱感元件發揮作用對鋼材進行探測，此時飛剪區域輥道以HMI設定的速度運行，同時粗軋中間輥道應與飛剪區域輥道速度同步。③當熱感元件收到金屬元件信號時，飛剪輥道速度以設定速度運行。④當輥道尾部的熱感元件收到帶鋼信號時，代表鋼材已經進入可加工操作范圍，此時根據該信號判定，剪切飛頭運行，輥道速度仍然維持設定速度運行。飛剪剪刃運行到減速點時，除磷系統開始運行，進行對鋼材的除磷，具體而言，除磷系統中的前送輥會延時自動壓下到HMI設定的輥縫，然后執行除磷操作，該階段的運行速度是以軋入口的速度運行。⑤當輥道尾部的熱檢測儀檢測出鋼信號的下沿時，飛剪切尾呈現被激活，該程序執行時，除磷箱前夾送輥延時自動抬起到HMI設定輥縫，飛剪剪刃冷卻水15s后自動關閉。之后，除鱗水系統會自動關閉，除鱗箱后夾送輥抬起，前夾送輥抬起至最大開度。此運行階段，飛剪區域的輥道跟隨精軋入口的速度運行。⑥當檢測單元失去鋼信信號時，系統會恢復到初始狀態，如除鱗箱夾送輥中的壓力自動取消，飛剪區域輥道以HMI設定的速度運行，步序器自動返回初始環節，等待下一環節的剪切。

4 結語

本文結合某企業鋼鐵1780熱連軋飛剪及精除鱗系統的優化進行了分析，該系統有機結合了全面控制的措施，實現了點動、手動、自動3種控制模式，主要是對帶鋼速度的測定，結合了4種檢測方法，包括測速輥測量頭部速度、熱檢測量帶鋼頭部速度、依靠脈沖設備尾部速度測量、借助金屬秒流量相等原理測量精軋機入口速度。在控制時序上采用了邏輯嚴密的順序控制的步序器。從控制效果來看，使得飛剪及精除磷系統運行穩定，除磷效果顯著，帶鋼頭尾質量合格，軋制節奏穩中有升。