高速線材軋機活套閉環控制系統的研究與應用

摘" 要：為提升線材產品的金屬性能和質量，減小現場操作人員的勞動強度，該文針對高速線材預精軋機和精軋機軋制速度較高，僅靠軋機傳動裝置內置的雙閉環調速系統無法保證2架軋機間的無張力軋制和不產生堆鋼、拉鋼事故的問題，在預精軋機和精軋機間設置活套閉環控制環節，活套調節環采用PID調節器，把離散化的思想引入到活套控制環節，使軋件保持恒定套量，實現2架軋機間實施無張力軋制，通過現場調試和現場運行實踐證明，該次高速線材軋機活套閉環控制系統設計和選型合理，增強產品的質量，能夠減少操作人員工作強度，有很好的經濟利益。

關鍵詞：高速線材軋機；活套控制；活套量；閉環控制；PID控制

中圖分類號：TP273" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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

活套閉環控制系統是高速線材軋機控制系統非常重要的組成部分，活套閉環控制系統能夠保證預精軋機的2架軋機之間、末架預精軋機和精軋機間完成無張力軋制的重要控制環節，其決定著線材產品的性能及質量。可以說活套閉環控制系統是整個軋機控制系統中相當重要的組成部分，關于活套閉環控制系統進行深入細致的研究十分必要。

1" 活套閉環控制系統的工作原理

利用活套掃描器測量現場活套實際高度同活套設定基準值進行比較，利用差值對軋機的速度進行控制，使軋機間活套量保持恒定，保持無張力軋制。

在線材的軋制過程中相鄰2架軋機間會出現大于2架軋機間距的軋件，通過對“多余”軋件的測量，實現對軋機速度控制即活套自動控制。為形成最好的活套形式，在實際生產時由起套輥對軋件進行引導，再通過設置在軋制中心線以外的活套熱金屬光電掃描器對活套高度實時測量，測量出軋件的活套高度值，控制器通過數學運算計算出活套量。軋機控制系統利用活套量進行程序運算，同時把活套調節器運算出的速度信號同設定的軋機速度信號進行對比，反饋至軋機速度調節器，速度調節器將模擬量信號轉換為數字量信號，再送給軋機調速裝置，使與軋件相關的軋機速度能夠自動地進行調整，以維持活套高度恒定即套量恒定。

2" 活套閉環控制系統的主要設備

線材生產時軋件進入預精軋機組后斷面較小，為避免軋件產生堆鋼、拉鋼情況，只對單架軋機的速度進行控制十分困難，所以需要在預精軋機（6架次）和精軋機（1架次）中臨近的2架軋機中間配置活套控制環節，通過速度級聯控制，使2架軋機間的軋件維持在恒定套量下進行軋制，達到無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，在生產時由起套輥對軋件進行引導，形成理想的活套；另一種是垂直于水平面的立式活套，在生產時由支撐器幫助起套并支撐。

用于檢測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節控制構成了活套的控制系統。

活套的控制系統包括用于檢測活套高度的熱金屬光電掃描器、邏輯控制部分及模擬量調節部分，活套掃描器是安裝于現場的元件，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中實現起套和落套動作，并對活套的順序控制和連鎖關系進行控制。活套的模擬量調節控制由PID調節器構成，在線材軋制過程中，受軋件溫度、軋件材質和咬鋼動態速降等外部條件影響軋機間速度匹配受到破壞，活套模擬量調節使用光電掃描器測量到的現場活套實際高度同活套設定高度的差值，實現調節軋機間的速度，實現2架軋機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節構成了軋機活套控制系統。

活套可分為水平活套和立活套，安裝于軋機間的鋼平臺上面，用于檢測活套高度，并將測量到的高度值變換成活套量，與活套量的設定值進行比較，利用差值調節軋機速度，讓軋件在軋制過程中形成理想圓弧，每一個活套的控制系統主要由3個部分組成：承擔矯正活套位置偏差的模擬量調節部分；承擔起套、收套等動作并完成邏輯連鎖關系和順序控制的邏輯控制部分；承擔現場活套實際高度檢測的活套掃描器。

本次以某高速線材生產線設備布置為依托，從用一步之中可以看出，活套系統設置在預精軋機和精軋機之間，分別為1至5號的立活套和6號側活套。

3" 活套閉環控制系統的設計

3.1" 活套量計算

活套量即形成活套的2架軋機間軋制的軋件實際長度與2架軋機實際距離之差。在計算機操作界面上，定義活套的高度為活套控制設定參數，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實現控制。將活套形狀想象為一個圓弧，如圖1所示。在實際應用中活套圓弧對應的弦長為2架軋機實際距離，是一個固定值，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；R為半徑；？漬為弓狀圓弧對應的圓心角（0lt;？漬lt;？仔）；L為弧長（ABC）。

當？漬=0時，軋件的弧長等于弦長即

由于k為常數，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

生產過程中被廣泛采用的比例（P）、積分（I）、微分（D）控制稱做PID控制規律，PID控制由比例調節、積分調節和微分調節組成。

軋機活套控制中選用離散PID控制器，在PLC控制系統中將原來連續的任務間斷為每隔一定時間執行一次，每個周期執行時均先對輸入信號進行采集。連續的PID控制是離散PID控制算法的基礎，將連續變量轉換為不連續的數字量，才能進行計算和控制，連續量離散化時相鄰量之間的信息將丟失，影像系統精度。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；TI為積分時間；Td為微分時間；e（t）為設定值和測量值的偏差，即e（t）=r（t）-y（t）。

PID控制器結構如圖2所示。

在PLC控制中采用的是數字控制器即離散PID控制器，需將微分方程由連續變化的模擬量變成不連續的數字量，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；KI為積分系數；KD為微分系數。

在PID控制的3種調節器，比例環節控制與誤差值成正比的輸出大小，系統響應的快慢受比例系數影響；積分調節能夠消除靜態誤差，讓被控量與設定值相同；微分調節可以預判偏差的變化趨勢，可以進行超前控制，改進系統的動態性能，不可以單獨使用，需與其他調節規律一起應用。

3.3" 活套閉環控制原理圖

活套調節系統是軋機控制系統的最重要組成部分，活套閉環控制系統原理圖如圖3所示。

圖3中：Hc為內存或鍵盤輸入的活套高度設定值；Hf為活套高度反饋值；LP為活套高度PID調節器；？駐n為活套高度調節量所對應的軋機轉速調節量；n為內存或鍵盤輸入的軋機轉速設定值；nf為軋機轉速反饋值；ST為軋機速度PID調節器；D/A為數/模轉換器； LT為電流積分調節器；Vf為軋機直流調速裝置；M為軋機電動機；16V、17H、18V為軋機編號；H為活套檢測器，用于檢測活套高度值；A/D為模/數轉換器。

4" 現場運行效果

完成編程后進行現場調試，調整活套PID控制器，直到取得理想的控制效果。活套閉環控制系統是恒定值調節系統，隨著活套高度變化，活套調節器輸出信號以改變本軋機及上游軋機的直流電機的旋轉速度，從而使現場活套高度等于活套設定值高度。通過圖4活套閉環控制系統響應曲線可知，生產過程中活套高度變化，響應曲線衰減率為80%，無靜差調節，輸出和給定值之間差值為0，過渡過程時間為5 s。

活套運行曲線如圖5所示，圖中t1為本架軋機咬鋼時間，t2為本架軋機咬鋼速度恢復時間，t3為上架軋機甩鋼時間。咬鋼時間用時0.1 s，活套閉環控制系統在t2開始運行，在t3時刻退出。

5" 結束語

軋機活套閉環控制系統在軋件通過相鄰2架軋機時，軋件形成活套引起活套高度變化，活套調節器通過活套高度變化來調整軋機電機轉速，從而使現場活套高度等于活套設定值高度，在活套高度大于設定高度時，需要降低上一架軋機速度，同時進行速度級聯調節。

通過現場調試和現場運行實踐證明，本次高速線材軋機活套閉環控制系統設計和選型合理，軋機轉速調節平穩，套量穩定，增加了線材生產的速度、增強了產品的質量，擁有很好的經濟效益。

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