冷軋軋機(jī)壓下控制系統(tǒng)

肖旭

武鋼集團(tuán)公司武鋼股份有限公司冷軋薄板廠，湖北 武漢 430083

引言

武鋼二冷軋是武鋼轎車板基地，年產(chǎn)量230萬噸，其連軋機(jī)采用五機(jī)架六輥連軋機(jī)。壓下控制系統(tǒng)在軋機(jī)控制中的主要作用是通過控制輥縫與軋制力來控制帶鋼的厚度以及表面質(zhì)量，從而生產(chǎn)出高質(zhì)量的汽車面板。由于冷連軋機(jī)的每個(gè)單獨(dú)機(jī)架中的壓下控制系統(tǒng)幾乎相同，在本文中將以一個(gè)機(jī)架為例對(duì)冷軋軋機(jī)壓下控制系統(tǒng)的控制原理展開論敘。

1 壓下控制系統(tǒng)硬件組成

1.1 液壓部分

液壓部分示意圖如右圖：

如圖所示，在每個(gè)機(jī)架上方的傳動(dòng)側(cè)、操作側(cè)各裝有一個(gè)液壓缸，(直徑965mm,行程200mm)介質(zhì)油由高壓系統(tǒng)（280bar）提供。壓力油線聯(lián)接蓄能器，確保恒定的緩沖壓力，保證壓下系統(tǒng)穩(wěn)定響應(yīng)。傳、操兩側(cè)分別裝有兩個(gè)伺服閥，控制活塞腔的壓力和缸體運(yùn)行。裝在傳動(dòng)側(cè)的單向閥1控制傳動(dòng)側(cè)伺服閥S1操作側(cè)伺服閥S3的油口，為第一組。裝在操作側(cè)的單向閥2控制傳動(dòng)側(cè)伺服閥S2和操作側(cè)伺服閥S4的油口，為第二組。傳、操兩側(cè)分別裝有一個(gè)比例閥，控制輥縫快速打開。分別裝在傳、操兩側(cè)的卸荷閥，是在有故障或壓下切斷時(shí)，使活塞腔快速卸壓。桿側(cè)的蓄能器保證桿腔的壓力穩(wěn)定。裝在桿腔的比例閥，控制桿腔的壓力，正常時(shí)為50bar，保證缸的潤(rùn)滑和防止真空，換輥時(shí)為150bar，增加缸的回收速度，使軋輥迅速脫開。

1.2 壓下系統(tǒng)電氣部分硬件

壓下系統(tǒng)電氣部分使用西門子TDC（工藝驅(qū)動(dòng)控制機(jī)），每個(gè)機(jī)架的工藝控制是由一臺(tái)TDC（工藝驅(qū)動(dòng)控制機(jī)）完成。TDC的硬件配置圖如圖1。

其中三塊CPU551為處理器板:STM(機(jī)架管理)、 SDS（壓下系統(tǒng)）、RBS/RSS（彎輥/竄輥）。SM500：具有模擬量接口、數(shù)字量接口、計(jì)數(shù)器接口。壓下系統(tǒng)中的壓力值，伺服閥、比例閥的輸出均接在其模擬量接口上；壓下接通、關(guān)閉，卸荷閥的使能均接數(shù)字量接口。兩側(cè)的位置傳感器輸入接計(jì)數(shù)器接口。CP50M0通訊板，是Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線接口，壓下上極限輸入、單向閥的輸出，壓下缸實(shí)際位置、軋制力、位置偏斜，及相關(guān)顯示顯示均由此板通訊。CP5100：工業(yè)以太網(wǎng)通訊板，完成與S7交換數(shù)據(jù)，與WinCC通訊。CP52A0：GDM接口完成與TDC之間通訊。

圖1

2. 壓下軟件控制邏輯

2.1 壓下控制邏輯框圖（見圖2）

上圖中位置控制器、軋制力控制器、位置偏差控制器均是比例放大器，正常軋制時(shí)1#～4#機(jī)架使用位置控制器與位置偏差控制器，5#機(jī)架使用是軋制力模式，軋制力控制器激活，位置控制器關(guān)閉。

圖2

2.2 設(shè)定值

壓下設(shè)定值由二級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)給定，操作工可以人工干預(yù)，另外串輥系統(tǒng)有時(shí)對(duì)壓下位置設(shè)定值產(chǎn)生一定影響。在校壓下的過程中輥縫會(huì)被校零，這時(shí)串輥在中間位置。但是一旦生產(chǎn)中串輥由于中間輥形狀是保齡球狀，會(huì)使軋輥的等效輥徑發(fā)生變化，就會(huì)對(duì)壓下控制產(chǎn)生影響，這時(shí)要對(duì)壓下設(shè)定值進(jìn)行補(bǔ)償。下面的方程式就是輥縫補(bǔ)償值的計(jì)算方法：

上式中為輥縫的位置補(bǔ)償值;K為機(jī)械常量(0.2)； 為中間輥?zhàn)畲蟮刃л亸剑?100% CVC)；為中間輥?zhàn)钚〉刃л亸?-100% CVC)；為當(dāng)前串輥值與校壓下時(shí)的串輥值偏差；為最大串輥值；為最小串輥值。其中與為二級(jí)給定數(shù)據(jù)，與軋輥模型有關(guān)。

2.3 斜率發(fā)生器

斜率發(fā)生器的作用是防止設(shè)定值陡然變化對(duì)系統(tǒng)造成沖擊。

2.4 實(shí)際值的采集及處理

位置實(shí)際值由分別裝在傳、操兩側(cè)的SONY位置傳感器測(cè)量出，精確度為1um，并且由此計(jì)算出兩側(cè)位置實(shí)際值（平均值）及偏差值。

軋制力實(shí)際值由分別裝在傳、操兩側(cè)缸的活塞腔壓力傳感器測(cè)量壓力，乘以活塞面積，減去桿側(cè)壓力而計(jì)算出來的。1架和5架裝有軋制力壓頭直接測(cè)量軋制力，保證軋制力的精確。

2.5 控制器和控制模式選擇

壓下控制模式有四種：位置控制和位置偏差控制、軋制力控制和位置偏差控制、單側(cè)軋制控制（校正壓下時(shí)用）、非控制打開；軋制時(shí)通常使用前兩種。

軋制過程中壓下系統(tǒng)通常使用三種控制器：位置控制器、軋制力控制器、位置偏差控制器。

位置控制器、軋制力控制器、位置偏差控制器均是比例放大器，軋制時(shí)1#～4#機(jī)架選位置控制器與位置偏差控制器，5#機(jī)架軋制時(shí)用的是軋制力模式，選用軋制力控制器。

2.6 積分調(diào)節(jié)器

積分調(diào)節(jié)器的主要作用是配合比例控制器對(duì)伺服閥的零漂進(jìn)行補(bǔ)償，從而在保證系統(tǒng)快速響應(yīng)的同時(shí)提高伺服系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。理想狀態(tài)下系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后比例控制器輸出會(huì)變?yōu)?，但是實(shí)際上由于伺服閥存在零漂，會(huì)使比例控制器輸出值向一個(gè)方向（正或負(fù)）小幅來回震蕩，這時(shí)積分調(diào)節(jié)器將對(duì)這個(gè)震蕩誤差進(jìn)行積分放大，推動(dòng)積分調(diào)節(jié)器輸出逐漸增大直到等于零漂補(bǔ)償電流，這一過程中比例控制器輸出振蕩逐漸減小直到比例控制器輸出變?yōu)?，這樣系統(tǒng)就獲得了較高的靜態(tài)穩(wěn)定性。壓靠時(shí)積分時(shí)間為600秒，輥縫打開時(shí)由于系統(tǒng)要求靜態(tài)穩(wěn)定性較低將積分時(shí)間為60秒從而加快響應(yīng)速度。另外一旦伺服閥使用長(zhǎng)時(shí)間后其性能會(huì)下降其零漂電流也會(huì)改變，雖然積分調(diào)節(jié)器會(huì)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，但若伺服閥性能太差，超出調(diào)節(jié)極限范圍，這時(shí)調(diào)節(jié)器會(huì)報(bào)錯(cuò)建議更換伺服閥。

2.7 蝶形補(bǔ)償

由于伺服閥中油的流量，不僅受電流影響，還受到閥中壓差的影響。在打開和關(guān)閉輥縫時(shí)，缸的運(yùn)行速度是不一樣的。這對(duì)控制系統(tǒng)來說是屬非線性特性，所以需加以補(bǔ)償，改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，伺服閥的特征曲線如下：

為了獲得線性的運(yùn)行速度，補(bǔ)償值的大小要與伺服閥速度特征曲線相反，其曲線成蝶型如下圖所示。

具體補(bǔ)償公式如下：

輥縫關(guān)閉時(shí)：

輥縫打開時(shí)：

上式中C2為輥縫關(guān)閉時(shí)放大因數(shù)，C3為輥縫打開時(shí)放大因數(shù)；為軋制力的實(shí)際測(cè)量值，為彎輥力的總和（包括工作輥、中間輥彎輥力及支承輥平衡力）， 為對(duì)稱點(diǎn)軋制力，為最大軋制力（v=0）。

2.8 油壓縮補(bǔ)償：

由于輥徑大小有差別，導(dǎo)致壓下缸的行程范圍不一樣，具體來說：輥徑大，缸的行程范圍小，輥徑小，缸的行程范圍大；而壓下缸行程的不同導(dǎo)致壓下缸里油的剛度不一樣，行程大則油層軟，補(bǔ)償就大，行程小則油層軟，補(bǔ)償就小。因此壓下系統(tǒng)需預(yù)補(bǔ)償油壓縮后帶來的誤差，保證控制系統(tǒng)的精度。

補(bǔ)償因數(shù)K模型圖如下:

壓下缸位置S補(bǔ)償因素K

a) 50mm 1.0最大輥徑時(shí)達(dá)到

b) 192.5mm 1….最小輥徑時(shí)達(dá)到

2.9 伺服閥的選擇

機(jī)架每側(cè)都有兩個(gè)伺服閥，傳動(dòng)側(cè)S1和操作側(cè)S3為一組，傳動(dòng)側(cè)S2和操作側(cè)S4為第二組。生產(chǎn)時(shí)一組為主、一組為從，主閥的輸出是比例部分和積分部分之和，從閥的輸出則只有積分部分。也可以只選用一組伺服閥，另一組備用。HMI上有四種選擇方式，可方便選用。

3. 壓下系統(tǒng)校正

壓下系統(tǒng)會(huì)受一些因素影響如：換輥、TDC復(fù)位等以及各種故障（介質(zhì)系統(tǒng)、電源、傳感器故障等）。這些情況會(huì)造成壓下缸的實(shí)際位置和傳感器反饋值不符或壓下缸行程范圍或軋制特性變化，這就必須重新校正。

壓下校正根據(jù)外部情況有三種選擇：

3.1 無帶鋼校正（更換支承輥、斷帶或故障重啟后需要）

3.2 有帶鋼校正（更換工作輥或中間輥后需要）

3.3 有手動(dòng)干預(yù)的無帶鋼校正(調(diào)試時(shí)用)

壓下系統(tǒng)無帶鋼校正有25步，其中主要功能如下：

3.3.1 校正壓下缸的位置：

兩側(cè)壓下缸抬到最大位，桿腔壓力保持150bar，活塞腔壓力＜5bar，持續(xù)10秒壓下缸位置計(jì)數(shù)器清零。

3.3.2 校正輥縫和偏斜(有帶鋼校正時(shí)，校正輥縫需要計(jì)算材料厚度)：

對(duì)稱建立軋制力到10MN(同時(shí)進(jìn)行偏斜校正，實(shí)時(shí)記錄的偏斜值與上一次壓下標(biāo)準(zhǔn)校正存儲(chǔ)的測(cè)量值比較，偏差不超過0.03mm)，記錄標(biāo)準(zhǔn)零輥縫。

3.3.3 輥縫預(yù)補(bǔ)償：

軋制過程中由于軋輥發(fā)熱膨脹輥徑就會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致輥縫變小，在校正過程中系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算對(duì)軋輥的膨脹度的補(bǔ)償值，從而提高輥縫控制精度。

3.3.4 記錄支承輥的偏心支承輥旋轉(zhuǎn)2周同時(shí)記錄支承輥的偏心量，用于偏心補(bǔ)償。

3.3.5 記錄軋機(jī)特性

如上圖所示：軋機(jī)校正后得到兩個(gè)記錄點(diǎn)如下：

通過如下計(jì)算得到軋制模型CG

除此之外，壓下校正過程中還有去除設(shè)備凈重及彎輥力及檢查輥徑值等作用，而且壓下校正過程將機(jī)架相關(guān)所有部分都檢查了一遍，如：傳動(dòng)、換輥，乳化液，串輥，彎輥等，保證了軋機(jī)的安全運(yùn)行。

4. 結(jié)語

①本文對(duì)冷軋軋機(jī)壓下控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了介紹，為學(xué)習(xí)掌握軋機(jī)壓下系統(tǒng)提供參考。

②對(duì)壓下控制系統(tǒng)軟件的控制邏輯進(jìn)行了分析，為學(xué)習(xí)研究軋機(jī)壓下控制原理提供重要指導(dǎo)。

③對(duì)壓下校正的主要步驟及功能進(jìn)行了分析，這對(duì)軋機(jī)壓下系統(tǒng)的維護(hù)及故障判斷提供了幫助。

[1]西門子系統(tǒng)參考手冊(cè)WISCO PLTCM NO.2. 5.1.3.3.7

[2]西門子系統(tǒng)參考手冊(cè)WISCO PLTCM NO.2. 5.1.3.3.8

[3]西馬克功能說明書WISCO PLTCM NO.2. PA