鋁帶冷軋機(jī)自動(dòng)降速功能的實(shí)現(xiàn)與完善

劉萬(wàn)強(qiáng)

(華峰鋁業(yè)有限公司， 上海 201500)

國(guó)內(nèi)鋁加工生產(chǎn)的發(fā)展對(duì)電氣自動(dòng)化控制提出了更高要求，對(duì)帶材成品率的極限追求就是其中之一。為了滿足提高成品率這一要求，并降低由于人工操作產(chǎn)生的不確定、不安全等不可控因素，最先進(jìn)的軋機(jī)都新增了軋機(jī)帶尾自動(dòng)降速功能，通過(guò)確定準(zhǔn)確的減速時(shí)機(jī)，可以節(jié)約軋機(jī)的減速時(shí)間，減少帶材尾料的長(zhǎng)度，從而提高軋機(jī)的成品率。

多數(shù)設(shè)備生產(chǎn)廠家在自動(dòng)控制系統(tǒng)中都加入了自動(dòng)降速功能ASD(Auto Speed Down)，但在實(shí)際應(yīng)用中，生產(chǎn)人員卻反映自動(dòng)降速功能不好用，經(jīng)常出現(xiàn)早?；蜻t停現(xiàn)。通過(guò)總結(jié)目前使用的自動(dòng)降速程序，提出改進(jìn)措施。

1 自動(dòng)降速原理

帶質(zhì)量流控制的4輥不可逆冷軋機(jī)如圖1所示。軋機(jī)的簡(jiǎn)易軋制原理為，從開(kāi)卷機(jī)母卷送出帶材，通過(guò)工作輥的軋制，使得帶材達(dá)到目標(biāo)厚度后再在卷取機(jī)處收卷。如果軋機(jī)只有反饋功能，沒(méi)有質(zhì)量流控制功能則沒(méi)有入口和出口激光測(cè)速儀以及入口測(cè)厚儀。

從圖1中可以看出，開(kāi)卷機(jī)隨著軋機(jī)軋制，母卷卷徑將會(huì)不斷減小，不帶自動(dòng)降速功能的軋機(jī)必須由操作手通過(guò)目測(cè)開(kāi)卷機(jī)的母卷帶材卷徑，來(lái)估算是否可以開(kāi)始降速，并由操作手直接控制軋機(jī)降速按鈕進(jìn)行降速。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，由于人工估測(cè)不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致一系列問(wèn)題的產(chǎn)生。操作手操作軋機(jī)降速過(guò)早，會(huì)造成軋機(jī)提早降速，使得開(kāi)卷機(jī)母卷剩余帶材過(guò)多，直接導(dǎo)致產(chǎn)品成品率下降；操作手降速過(guò)晚，則會(huì)使軋機(jī)在速度還沒(méi)有完全為零時(shí)，開(kāi)卷機(jī)母卷帶材已經(jīng)全部送出，導(dǎo)致入口帶材失張，從而導(dǎo)致斷帶，在軋制速度較快、工作輥面溫度較高的情況下會(huì)直接造成軋機(jī)失火，存在極大的安全隱患。自動(dòng)降速功能對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下軋機(jī)生產(chǎn)控制是有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的。

軋機(jī)自動(dòng)降速原理是根據(jù)開(kāi)卷機(jī)卷材直徑進(jìn)行反推計(jì)算，計(jì)算出開(kāi)卷機(jī)剩余帶材長(zhǎng)度，并根據(jù)開(kāi)卷機(jī)實(shí)際速度、軋機(jī)減速的加速度以及停車(chē)后開(kāi)卷機(jī)剩余長(zhǎng)度綜合計(jì)算，確定軋機(jī)具體的降速點(diǎn)，并控制軋機(jī)在降速點(diǎn)開(kāi)始降速停車(chē)，以保證軋機(jī)準(zhǔn)確停車(chē)。開(kāi)卷機(jī)帶材長(zhǎng)度計(jì)算公式：

(1)

式中，l為開(kāi)卷機(jī)母卷剩余長(zhǎng)度；R為卷材半徑；r為套筒半徑；h入為開(kāi)卷(入口)鋁帶材厚度；k為系數(shù)(考慮到帶材纏繞在套筒時(shí)帶材之間會(huì)有間隙，一般k取值1.0～0.8，根據(jù)實(shí)際測(cè)算，現(xiàn)場(chǎng)k值取0.97)。

每臺(tái)軋機(jī)的套筒半徑是固定的，而且開(kāi)卷(入口)鋁帶材厚度也是已知的，所以，鋁卷剩余長(zhǎng)度l與鋁卷半徑有關(guān)。隨著軋制進(jìn)行，鋁卷半徑減少，則鋁卷剩余長(zhǎng)度減少，只需要確定鋁卷的卷徑即可計(jì)算出剩余長(zhǎng)度。開(kāi)卷機(jī)減速所需長(zhǎng)度計(jì)算公式：

(2)

式中，v初為開(kāi)卷機(jī)減速前的帶材速度；v終為開(kāi)卷機(jī)減速后的帶材速度；a開(kāi)為減速的加速度；l1為從減速前到減速后的位移。v終由于計(jì)算的是軋機(jī)停止時(shí)的終止速度，所以v終=0，l1是開(kāi)卷機(jī)經(jīng)過(guò)減速運(yùn)動(dòng)從勻速軋制開(kāi)始減速到軋機(jī)停止時(shí)鋁卷上鋁帶材需要的長(zhǎng)度。開(kāi)卷機(jī)減速所用加速度計(jì)算公式：

(3)

式中，a為冷軋機(jī)減速的加速度；h出為卷取(出口)鋁帶材厚度；δ為軋機(jī)前滑(δ值較小，計(jì)算時(shí)忽略)。

(4)

降速所需長(zhǎng)度計(jì)算公式：l=l1+l2

(5)

將式(1)和式(4)帶入式(5)可得：

(6)

式(5)(6)中，l2是一個(gè)固定值，是準(zhǔn)備剩余在開(kāi)卷機(jī)上的尾部廢料的長(zhǎng)度，一般根據(jù)生產(chǎn)需求來(lái)進(jìn)行設(shè)置。

由式(6)可以發(fā)現(xiàn)，h入為開(kāi)卷(入口)鋁帶材厚度；h出為卷取(出口)鋁帶材厚度；在軋制前已經(jīng)由生產(chǎn)人員設(shè)定好；a為冷軋機(jī)減速的加速度，已經(jīng)在程序中固定寫(xiě)好；r為套筒半徑，為每臺(tái)軋機(jī)的套筒半徑是固定值；k為系數(shù)，已經(jīng)提前預(yù)設(shè)好；l2是尾料剩余長(zhǎng)度；以上數(shù)據(jù)均為固定值，所以可以編制一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行調(diào)用，這個(gè)數(shù)據(jù)在后面還要著重說(shuō)明。綜上所述，需要確定的一個(gè)關(guān)鍵數(shù)值是開(kāi)卷帶材半徑R，如果能確定帶材卷徑，就能編制ASD程序完成自動(dòng)減速功能。

開(kāi)卷機(jī)速度與半徑計(jì)算公式：

(7)

開(kāi)卷機(jī)轉(zhuǎn)速與開(kāi)卷電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

(8)

(9)

式中，v為開(kāi)卷機(jī)帶材線速度，n1為開(kāi)卷機(jī)轉(zhuǎn)速,n2為開(kāi)卷電機(jī)轉(zhuǎn)速，G開(kāi)為開(kāi)卷減速機(jī)速比。

如果在入口偏導(dǎo)輥加裝編碼器，可以直接測(cè)量出入口偏導(dǎo)輥的線速度和轉(zhuǎn)速。因?yàn)殚_(kāi)卷機(jī)帶材線速度和入口偏導(dǎo)輥上帶材線速度一致，可以采用下面公式計(jì)算卷材半徑，開(kāi)卷機(jī)轉(zhuǎn)速和偏導(dǎo)輥轉(zhuǎn)速與半徑計(jì)算公式：

(10)

式中，r為入口偏導(dǎo)輥半徑，n3為入口偏導(dǎo)輥轉(zhuǎn)速。

從式(7)到式(10)可以看出，可以采用多種測(cè)速法計(jì)算出卷材半徑，這對(duì)我們實(shí)現(xiàn)自動(dòng)降速功能都是有幫助的。

2 開(kāi)卷卷徑確定的幾種方法及優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 直接測(cè)量法

直接測(cè)量法采用專(zhuān)用測(cè)量元件(如超聲波測(cè)距儀和激光測(cè)距儀)對(duì)開(kāi)卷卷材進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果即是開(kāi)卷帶材卷徑，這種方法在現(xiàn)有論文中已專(zhuān)門(mén)介紹，不再贅述，但是這種直接測(cè)量方法在實(shí)際使用中存在一定的問(wèn)題。

直接測(cè)量法采用超聲波和激光測(cè)距儀可以測(cè)量鋁卷的卷徑，但是對(duì)于鋁卷圓度不夠，或者開(kāi)卷機(jī)采用單錐頭(另外一側(cè)采用固定支撐臂支撐)，則測(cè)量的數(shù)值會(huì)有較大波動(dòng)，這樣在實(shí)際使用的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)減速點(diǎn)不準(zhǔn)確，造成早?；蛘哌t停的現(xiàn)象，故這種方法采用的極少，一般使用在沒(méi)有質(zhì)量流控制的雙錐頭鋁箔軋機(jī)中，且必須要保證鋁卷圓度。

2.2 間接測(cè)量計(jì)算法

間接測(cè)量計(jì)算法可以通過(guò)測(cè)量入口鋁帶材的速度(入口有激光測(cè)速儀)或者通過(guò)在入口偏導(dǎo)輥加裝編碼器測(cè)量入口偏導(dǎo)輥的轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算卷材卷徑，但這兩種方法也存在一些問(wèn)題。

入口偏導(dǎo)輥加裝編碼器在一些沒(méi)有質(zhì)量流控制的軋機(jī)應(yīng)用較多，包括有質(zhì)量流控制的軋機(jī)(如我公司MINO軋機(jī)在入口偏導(dǎo)輥加裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)和編碼器，通過(guò)式(10)來(lái)計(jì)算卷材卷徑的)；這種方法是建立在入口偏導(dǎo)輥不打滑的情況下，可以認(rèn)為鋁卷的線速度和偏導(dǎo)輥輥面線速度是一致的，但是如果偏導(dǎo)輥和鋁帶材之間出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，鋁卷卷徑計(jì)算就會(huì)出現(xiàn)偏差。根據(jù)打滑狀態(tài)不同，可以將打滑分為偏導(dǎo)輥線速度大于帶材線速度(入口偏導(dǎo)輥帶驅(qū)動(dòng)會(huì)出現(xiàn))和偏導(dǎo)輥線速度小于帶材線速度(偏導(dǎo)輥不帶驅(qū)動(dòng)，由材料帶動(dòng)，可能因?yàn)槿肟趶埩π?，偏?dǎo)輥?zhàn)陨磉^(guò)重，偏導(dǎo)輥表面粗糙度不夠等原因造成)。

當(dāng)偏導(dǎo)輥速度大于帶材線速度，則計(jì)算出的R大于實(shí)際鋁卷卷徑，這種很危險(xiǎn)，因?yàn)橛?jì)算的卷徑大，則實(shí)際剩余長(zhǎng)度少，會(huì)造成延遲減速，引發(fā)斷帶并有可能造成失火。當(dāng)偏導(dǎo)輥線速度小于帶材線速度，則計(jì)算出的R會(huì)小于實(shí)際鋁卷卷徑，這種會(huì)造成提早減速則尾料剩余過(guò)多，造成浪費(fèi)。因此，在使用偏導(dǎo)輥測(cè)速并進(jìn)行自動(dòng)減速控制中，尤其需要注意當(dāng)偏導(dǎo)輥帶驅(qū)動(dòng)一定要做好偏導(dǎo)輥的扭矩補(bǔ)償，還要保證偏導(dǎo)輥?zhàn)陨頊p輕重量，輥軸承的潤(rùn)滑和輥面的粗糙度也要保證。

采用激光測(cè)速儀測(cè)量帶材線速度計(jì)算卷材卷徑的方法是在某軋機(jī)上采用的方法，其主要優(yōu)點(diǎn)在于非接觸式測(cè)量的線速度很準(zhǔn)確，而且通過(guò)通訊可以直接從開(kāi)卷機(jī)驅(qū)動(dòng)器中直接讀取開(kāi)卷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此帶質(zhì)量流控制的軋機(jī)無(wú)需增加硬件只需通過(guò)上述公式編程即可完成自動(dòng)減速功能。

激光測(cè)速儀計(jì)算卷徑也有缺點(diǎn)，就是激光測(cè)速儀會(huì)因?yàn)殇X卷表面帶油，鋁卷版型不好造成激光測(cè)速儀測(cè)量偏差，可以采用監(jiān)控激光測(cè)速儀發(fā)送過(guò)來(lái)的QF(Quality factor)值來(lái)判斷激光測(cè)速儀測(cè)量值的準(zhǔn)確度。另外，激光測(cè)速儀價(jià)格很高，如果沒(méi)有質(zhì)量流控制系統(tǒng)，基本不會(huì)考慮安裝激光測(cè)速儀。

需要補(bǔ)充的是，激光測(cè)速儀的數(shù)據(jù)一般是從厚控計(jì)算機(jī)讀取的，而開(kāi)卷機(jī)轉(zhuǎn)速是從傳動(dòng)控制系統(tǒng)中讀取的，由于兩個(gè)數(shù)據(jù)在讀取的時(shí)候有一定的時(shí)間延時(shí)，會(huì)出現(xiàn)在降速過(guò)程中卷徑計(jì)算偏差的現(xiàn)象，但是因?yàn)橐呀?jīng)處于減速狀態(tài)，雖有一定的偏差，但不會(huì)影響到實(shí)際自動(dòng)減速效果。

3 控制程序的編制和完善

為了保證自動(dòng)減速功能程序的實(shí)用性和可移植性，要針對(duì)卷材直徑、卷材剩余長(zhǎng)度、減速段長(zhǎng)度、不同入口厚度料尾剩余長(zhǎng)度以及人機(jī)交互分別編程以完成自動(dòng)減速功能。以下分別分析在編程時(shí)所需要注意的問(wèn)題。

3.1 編制卷徑計(jì)算程序

當(dāng)采用激光測(cè)速儀進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用式(9)編程，通過(guò)從厚控系統(tǒng)中送過(guò)來(lái)的帶材瞬時(shí)速度和從傳動(dòng)讀取的開(kāi)卷電機(jī)轉(zhuǎn)速，已知減速機(jī)速比是固定值，可以編制卷徑計(jì)算程序，并形成獨(dú)立的程序塊，通過(guò)輸入帶材線速度和轉(zhuǎn)速，以及固定的速比數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)輸出開(kāi)卷卷材半徑。

當(dāng)采用入口偏導(dǎo)輥測(cè)速進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可采用式(10)編程，也可采用式(9)編程。如果采用式(9)編程，需要將入口偏導(dǎo)輥輥徑和入口偏導(dǎo)輥轉(zhuǎn)速計(jì)算得到入口帶材線速度即可，這樣比較方便使用相同的程序塊完成。

需要注意的是，在編制程序時(shí)要注意比較當(dāng)前值和程序上一次掃描周期中的卷徑值，因?yàn)檐垯C(jī)采用速度控制，速度會(huì)有小幅波動(dòng)，如果不做過(guò)濾，會(huì)造成卷徑有小范圍波動(dòng)，要保證卷徑計(jì)算中卷徑一直處于減少狀態(tài)。

3.2 編制卷材剩余長(zhǎng)度程序

將計(jì)算得到的卷徑，從厚控系統(tǒng)中送過(guò)來(lái)的帶材入口厚度作為輸入變量，根據(jù)式(1)進(jìn)行編程，其中k值和套筒直徑已知，通過(guò)計(jì)算，可以得到在當(dāng)前速度運(yùn)行狀態(tài)下開(kāi)卷卷材剩余長(zhǎng)度。

3.3 編制減速段長(zhǎng)度計(jì)算程序

根據(jù)入口實(shí)際測(cè)量的速度采用式(4)編程，通過(guò)從厚控系統(tǒng)中送過(guò)來(lái)的帶材入口目標(biāo)厚度和出口目標(biāo)厚度，以及從傳動(dòng)中確定的加速度和入口帶材線速度計(jì)算減速段帶材長(zhǎng)度。速度可以從上述編制卷徑計(jì)算程序中取得入口帶材線速度。

3.4 編制尾料剩余長(zhǎng)度和人機(jī)交互界面程序

可以根據(jù)不同厚度設(shè)定不同長(zhǎng)度的剩余尾料并進(jìn)行編程，通過(guò)人機(jī)交互界面可以修改，根據(jù)不同的入口厚度取得對(duì)應(yīng)的剩余尾料長(zhǎng)度。尾料剩余長(zhǎng)度作為單一數(shù)值參與最終計(jì)算。需要注意的是在做人機(jī)交互界面程序時(shí)，要將當(dāng)前帶材剩余長(zhǎng)度、不同厚度設(shè)定的剩余尾料等信息一并現(xiàn)實(shí)，并加入自動(dòng)減速功能選擇按鈕和減速提示等功能。

根據(jù)減速段帶材長(zhǎng)度，尾料剩余長(zhǎng)度和當(dāng)前卷材剩余長(zhǎng)度采用式(5)編程并做邏輯判斷，當(dāng)減速段帶材長(zhǎng)度與尾料剩余長(zhǎng)度之和與當(dāng)前卷材剩余長(zhǎng)度一致時(shí)，發(fā)出減速指令至傳動(dòng)和厚控系統(tǒng)，設(shè)備進(jìn)入自動(dòng)減速狀態(tài)直至設(shè)備停車(chē)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以往自動(dòng)減速功能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其主要問(wèn)題有兩點(diǎn)，一是開(kāi)卷卷徑無(wú)法精確確定，二是因?yàn)闆](méi)有加入尾料剩余長(zhǎng)度分厚度控制功能。首先開(kāi)卷卷徑的準(zhǔn)確度是自動(dòng)減速精準(zhǔn)性的保證，所以確保開(kāi)卷卷徑的準(zhǔn)確性是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)減速非常重要的環(huán)節(jié)。其次是隨著卷材厚度的減少，尾料剩余長(zhǎng)度也要不斷增加，如果僅是用固定數(shù)值來(lái)計(jì)算存在很大風(fēng)險(xiǎn)。厚度4mm和厚度0.4mm都剩余10m，如果套筒直徑為665mm，厚度4mm的卷材直徑可以達(dá)到701mm，而厚度0.4mm的卷材直徑則只有669mm，而且由于開(kāi)卷卷材內(nèi)圈是上一軋制道次中開(kāi)始升速前就纏繞在套筒上的，因此厚度基本都會(huì)偏厚，所以可以用尾料剩余長(zhǎng)度進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)摸索，厚度0.4mm尾料剩余長(zhǎng)度我們?cè)O(shè)置在100m，厚的0.3mm尾料長(zhǎng)度設(shè)定在130m，最終當(dāng)軋機(jī)減速停止后，尾料在套筒上僅剩厚度不到20mm，大大提高了產(chǎn)品成品率，而且自動(dòng)減速功能也從安全角度考慮，防止由于人為失誤造成料尾沒(méi)有停車(chē)而導(dǎo)致事故發(fā)生。

以鋁卷直徑2000mm計(jì)算，最終尾料剩余直徑每減少10mm，則成品率提高約0.8%。在未使用自動(dòng)減速功能以前，生產(chǎn)人員為保證安全，總是提前減速，使用自動(dòng)減速功能后，最少能夠減少20mm以上的剩余尾料，按此推算，產(chǎn)品成品率至少可以提高1.5%以上。