單機架可逆軋機軋制線調(diào)整系統(tǒng)的自動控制

蔣曉亮，肖海健，張國棟

（中冶連鑄技術(shù)工程股份有限公司，湖北 武漢 430000）

單機架可逆軋機軋制線調(diào)整系統(tǒng)的自動控制

蔣曉亮1，肖海健2，張國棟3

（中冶連鑄技術(shù)工程股份有限公司，湖北 武漢 430000）

深圳華美板材廠單架冷軋機軋制線調(diào)整系統(tǒng)采用了階梯板和斜楔技術(shù)。通過應(yīng)用軋制線標(biāo)高調(diào)整系統(tǒng)的自動控制原理，建立一種軋制線標(biāo)高調(diào)整系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)自動控制功能。使用該系統(tǒng)后，節(jié)省了電動壓下電機及控制裝置，縮短了換輥時間，改善了帶鋼板形，提高了軋制精度。

冷軋；軋制線標(biāo)高調(diào)整；自動控制

冷軋機的AGC系統(tǒng)無論是液壓壓上還是壓下，為了保證厚度控制精度，要求在軋制過程中不進行調(diào)節(jié)的軋輥輥系始終保持在固定的軋制線高度上。軋制線標(biāo)高的調(diào)整方式主要有下述幾種：壓下螺絲、電動梯形板和斜楔、液壓梯形板和斜楔。壓下螺絲和電動梯形板和斜楔同屬于采用電機控制，由電機驅(qū)動的被控對象一般都要經(jīng)過齒輪減速傳動，因而都不可避免的有齒隙，使電機的轉(zhuǎn)角不能總是精確的與被控對象的實際位置相對應(yīng)。液壓梯形板和斜楔較電動方式節(jié)省了電動壓下電機及控制系統(tǒng)，縮短了換輥時間，改善了帶鋼板形，提高了軋制精度，降低了生產(chǎn)成本。實踐證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，故障率很低。

1 機械及液壓系統(tǒng)組成

就液壓壓上缸而言，階梯板加斜楔綜合型安裝在軋機牌坊窗口的頂部，上支撐輥軸承座的上面。通過斜楔和階梯板綜合調(diào)節(jié)，精確定位軋制線的標(biāo)高，保證換輥后，新舊輥系軋制線的高度保持不變。

1）安裝位置。該裝置在支撐輥的兩個軸承座上面，安裝在牌坊窗口的頂部。

2）技術(shù)參數(shù)。斜楔調(diào)整高度：32.5mm；階梯塊：30mm／每個階梯，共4個階梯；階梯塊調(diào)整高度：90mm；斜楔和階梯塊總調(diào)整高度：122.5 mm；楔塊液壓缸（帶位置傳感器）：○／160／○／110×650mm（ST）；階梯塊液壓缸（帶位置傳感器）：○／100／○／70×665mm（ST）。

階梯塊液壓缸動作由1個三位四通電磁閥控制，斜楔塊階梯塊液壓缸動作由1個三位四通閥控制，液壓系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 液壓系統(tǒng)圖Fig.1 Overview of hydraulic

2 軋制線調(diào)整數(shù)學(xué)模型

階梯板用于粗調(diào)高度，分別有4個固定階梯面，高度分別為85mm，115mm，145mm，175 mm，斜楔用于精調(diào)高度。由于設(shè)備制造及安裝的保證，當(dāng)液壓缸完全縮回時，階梯板、斜楔大頭離調(diào)整的中心位置距離為一定值。換輥時當(dāng)軋輥從牌坊抽出后且階梯板及斜楔均在退出位（傳動側(cè)后限位），由操作員在HMI上輸入支撐輥、中間輥、工作輥輥徑，模型自動計算軋制線標(biāo)高與上輥系輥徑和之差。根據(jù)差值大小調(diào)整階梯塊位置，同時調(diào)整斜楔塊位置使之于輥系輥徑和與軋制線標(biāo)高相符。階梯塊及斜楔原理圖見圖2。

圖2 原理圖Fig.2 Schematic diagram

圖2中，L為軋制線高度，L1，L2為機械固定尺寸，L3為斜楔調(diào)整高度為32.5mm，斜楔角度正切值為0.05，L為一定值，根據(jù)不同的輥徑對階梯塊和斜楔塊進行調(diào)整使之恒定。

通過上述公式求得L（調(diào)整距離），以該值為目標(biāo)值計算階梯板和斜楔的工作位置。

2.1 階梯板的調(diào)整

通過三位四通電磁閥控制階梯板的移動方向，本系統(tǒng)中，電磁鐵A得電階梯板向小頭方向移動，電磁鐵B得電階梯板向大頭方向移動。以操作側(cè)階梯板建立二維坐標(biāo)系。首先設(shè)第1級階梯接觸面中心點坐標(biāo)為（X，Y），將階梯板退到最后，此處第1階梯與Y軸確定坐標(biāo)的零點。由于存在間隙，第1階梯接觸面中心與上支撐輥軸承座接觸面中心距離L3為固定值，以后每階梯面中心距為一固定值155mm，其高度每級階梯相差均為30mm。階梯塊坐標(biāo)圖見圖3。

圖3 階梯塊坐標(biāo)圖Fig.3 Step coordinate diagram

可知階梯板高度H1的f1（x1）的數(shù)學(xué)模型為

將每級階梯板中心位置作為每級階梯板的目標(biāo)位置，通過L（調(diào)整距離）確定x1，使用向下取整符號INT-（）來表示，則上式可表達為

2.2 斜楔的調(diào)整

通過三位四通電磁閥控制斜楔的運動，電磁鐵A得電階梯板向小頭方向移動，電磁鐵B得電階梯板向大頭方向移動。以操作側(cè)斜楔建立二維坐標(biāo)系。根據(jù)機械制造保證要求，每次斜楔液壓油缸縮回到位均為一固定點，此時斜楔的厚度是固定值H，確定坐標(biāo)的零點。斜楔的接觸點坐標(biāo)為（X，Y）。斜楔坐標(biāo)圖見圖4。

圖4 斜楔坐標(biāo)圖Fig.4 Wedge coordinate diagram

由于斜楔用于精調(diào)高度H2的值應(yīng)為

其調(diào)節(jié)量的關(guān)系為移行與高度比為20∶1，可知斜楔高度H2的f2（x）的數(shù)學(xué)模型為

3 電氣控制系統(tǒng)及精度計算

軋制線調(diào)整電氣控制系統(tǒng)由西門子S7-400及ET200M系統(tǒng)組成。邏輯運算由S7-400系列CPU412-2DP完成，信號采集及命令輸出由ET200M系列輸入、輸出模塊及PROFIBUS總線完成。程序最大循環(huán)周期為200ms，輥徑等數(shù)據(jù)來自上級計算機HMI，采用PROFIBUS總線采集I／O的狀態(tài)數(shù)據(jù)及發(fā)出對電磁閥的控制命令，移行距離由線性位移傳感器測得。階梯板線性位移傳感器長度為1 100mm，精度為0.01 mm，斜楔線性位移傳感器長度為1 100mm，精度為0.01mm。程序控制流程圖見圖5。

圖5 流程圖Fig.5 Flow diagram

軋制線標(biāo)高調(diào)整的精度誤差受以下幾個因素影響：三位四通電磁閥開關(guān)的動作時間均為30 ms；根據(jù)液壓站的系統(tǒng)流量、系統(tǒng)壓力、階梯板油缸桿側(cè)面積及腔側(cè)面積、斜楔缸桿側(cè)面積及腔側(cè)面積，結(jié)合現(xiàn)場實際情況計算并測得階梯板運行速度為50mm／s，斜楔運行速度為20mm／s；控制系統(tǒng)掃描及計算時間約為20ms；階梯板線性位移傳感器精度0.01mm，斜楔線性位移傳感器精度為0.01mm。根據(jù)上述條件計算調(diào)整誤差可知ΔL（調(diào)整距離）為

為了提高軋制線標(biāo)高定位精度程序采用步進脈沖式控制，使用電脈沖信號控制電磁閥的動作轉(zhuǎn)變?yōu)樾毙ǖ奈灰啤Ｔ诜浅d的情況下，斜楔移動的速度取決于液壓油的流速，而流速與閥門的開度有直接的關(guān)系即閥門Cv值，其定義是：當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開，閥兩端的壓差ΔP為100kPa，流體重度為1N／cm3（即常溫水）時，每小時流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量數(shù)，以m3／h或t／h計?？梢婋m然采用切斷閥，但在閥門動作的30ms內(nèi)通過閥門的介質(zhì)流速是不一樣的，初期流速增加斜率較閥門中期慢。

本項目采用的CPU是西門子CPU412-2DP，其時間中斷功能最小可達10ms，通過時間中斷方式運行程序使程序運行時間可控，能大大提高軋制線標(biāo)高定位精度。CPU檢測到中斷源的中斷請求時，操作系統(tǒng)在執(zhí)行完當(dāng)前程序的當(dāng)前指令（即斷點處）后，立即響應(yīng)中斷。CPU暫停正在執(zhí)行的程序，調(diào)用中斷源對應(yīng)的中斷程序。執(zhí)行完中斷程序后，返回被中斷程序的斷點處繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。

根據(jù)上述條件軋制線標(biāo)高通過2個階段完成。在距離目標(biāo)點距離大于0.05mm時，通過調(diào)用程序塊OB1（順序執(zhí)行）控制閥門完全開啟。距離目標(biāo)點距離小于等于0.05mm，調(diào)用程序塊OB38（10ms中斷）發(fā)出5ms的1個電脈沖信號驅(qū)動電磁閥，根據(jù)閥門Cv值和開度的曲線及閥門動作時間計算得在該脈沖下實測油缸移動距離約為0.002mm，則軋制線標(biāo)高變化為0.02mm÷20＝0.001mm，經(jīng)過若干個脈沖后一旦實際值與目標(biāo)值之差大于等于0則定位完成。通過上述方法進行軋制線標(biāo)高調(diào)整定位，經(jīng)過多次檢驗定位精度達到約＋0.001mm，完全滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需要。

4 結(jié)論

深圳華美板材廠單架冷軋及軋制線調(diào)整系統(tǒng)中階梯板和斜楔自動控制技術(shù)的應(yīng)用為縮短換輥時間提供了保障，同時調(diào)節(jié)精度滿足了軋制要求。通過自動化控制技術(shù)，使調(diào)整過程變得更為簡單、快速、精確。該項目調(diào)試完畢1a多來運行一直比較穩(wěn)定。實踐證明，楔形的有關(guān)技術(shù)參數(shù)的理論計算與調(diào)試結(jié)束后的實測數(shù)據(jù)十分接近，減少了檢修時間，提高了生產(chǎn)效率。

［1］ 徐樂江.板帶冷軋機板形控制與機型選擇［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［2］ 趙家駿.冷軋帶鋼生產(chǎn)問答［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

［3］ 諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1995.

［4］ 人力資源和社會保障部教材辦公室.冷軋板帶鋼生產(chǎn)工藝［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2010.

［5］ 鄭申白，史東日，馬勁紅.軋制過程自動化技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

修改稿日期：2012-02-16

Automatic Control of Adjustment System on Rolling Line of Single Stand Cold Rolling Mill

JIANG Xiao-liang1，XIAO Hai-jian2，ZHANG Guo-dong3

（CCTECENGINEERINGCo.，Ltd.，Wuhan430000，Hubei，China）

Huamei cold roll mill adopts trapezoid plate and wedge roll technology control of adjustment system on rolling line of cold rolling mill.By applying the principle of positioning of rolling line automatic control system build a positioning of rolling line mathematical model.Therefore，electric screwdown machine and control device are saved，roll change time is shortened.Plate shape of strip steel is improved and rolling precision is increased.

cold mill；positioning of rolling line；automatic control

TP273

A

蔣曉亮（1981-），男，工程師，Email：happyjxl＠sina.com

2011-07-14