淺談軋機(jī)板形控制系統(tǒng)的組成及控制原理

郭明明

（南山鋁業(yè)板帶事業(yè)部，山東 龍口 265706）

鋁箔的板形精度不僅決定著產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，而且對(duì)整個(gè)軋制過程和后續(xù)加工能否順利進(jìn)行有著直接影響。因此，板形控制技術(shù)在整個(gè)軋制過程中具有十分重要的作用。本文介紹一種在鋁箔軋機(jī)上采用的自動(dòng)化程度很高的板形自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)元件綜述

OPTIROLL i2板形測(cè)量和控制系統(tǒng)包括許多元件，這些元件配置在一起，以保證生成最理想的無噪音信號(hào)，并進(jìn)行傳遞。

壓電石英元件將徑向力轉(zhuǎn)換為比例電荷。這些元件分組連接在稱為平行開關(guān)盒的箱內(nèi)。并聯(lián)傳感器（一個(gè)測(cè)量通道）的重疊形成電荷放大器的輸入信號(hào)。

電荷放大器將傳感器生成的電荷轉(zhuǎn)換為電壓。旋轉(zhuǎn)變送器（PCM變送器）將這些電荷放大器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為（PCM編碼的）數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)通過電纜從旋轉(zhuǎn)變送器傳遞給安裝在控制柜內(nèi)的PCM解碼器插架。

該解碼器插架稱為PCM插架，對(duì)板形輥傳感器信號(hào)進(jìn)行解碼，并寫入存儲(chǔ)器（內(nèi)存）內(nèi)，通過M1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以訪問這些信息。

圖1 板形輥結(jié)構(gòu)

1.1 測(cè)量機(jī)構(gòu)—板形輥

阿亨巴赫箔軋機(jī)是利用力壓電傳感器來測(cè)量帶材的壓力分布情況。壓電傳感器產(chǎn)生的電荷與傳感器表面上施加的力成比例。這種類型的傳感器具有極高的分辨率，并具有信號(hào)范圍廣、噪音水平低的特點(diǎn)。

這些傳感器安裝在軋輥表面的下方，其布置方式可以保證直接進(jìn)行分力測(cè)量。傳感器的測(cè)量范圍為35[kN]，適用于實(shí)心型測(cè)量輥。軋輥上傳感器分布不是均勻的，在中心區(qū)傳感器的分布間距是52毫米，兩端間距為26毫米。這樣設(shè)計(jì)可以保證鋁箔兩端上鋁箔平直度控制的最佳性能。

在軋制過程中，板形輥與鋁箔同步運(yùn)行。在圓周上以一定的角度與鋁箔接觸。與鋁箔接觸的傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的壓力。

Fti=每個(gè)測(cè)量區(qū)鋁箔張力

Fri=每個(gè)傳感器的徑向力

HExit=鋁箔出口厚度

圖2 傳感器受力模型

鋁箔兩邊張力Fti會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的壓力Fri即傳感器的徑向壓力。那壓電傳感器上會(huì)產(chǎn)生電荷脈沖。每個(gè)脈沖的強(qiáng)度取決于軋制鋁箔在鋁箔橫截面上的長(zhǎng)度分布情況,鋁箔精確位置對(duì)覆蓋少的傳感器影響很大，以至于只有傳感器覆蓋面積超過額定50%，系統(tǒng)才可以使用測(cè)量。

板形輥共60個(gè)壓力壓電傳感器，鋁箔上壓力分布的傳感器不僅沿著鋁箔寬度按一定的間隔有規(guī)律地分布，而且在軋輥圓周上以不同的角度位置分布。在軋輥旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)傳感器在鋁箔下面移動(dòng)時(shí)，一旦鋁箔接觸到這個(gè)傳感器就會(huì)產(chǎn)生脈沖形狀的電荷。

產(chǎn)生脈沖如下圖3所示：

圖3 脈沖

利用這種作用可以將固定數(shù)量的力傳感器綜合成一個(gè)電氣單元，稱為“通道”。每個(gè)通道可以連接多達(dá)8個(gè)傳感器。每個(gè)通道都連接著一個(gè)隨軋輥一起旋轉(zhuǎn)的電荷放大器。電荷放大器有三個(gè)靈敏度范圍，這個(gè)可由系統(tǒng)自動(dòng)選擇。電荷放大器的混合電路設(shè)計(jì)允許進(jìn)行迅速?gòu)?fù)位。為了避免測(cè)量漂移，在每旋轉(zhuǎn)一圈之后，當(dāng)軋輥經(jīng)過0°位置時(shí)，SFC自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位電荷放大器。這樣，就沒有必要使用普通的擴(kuò)大放大器通道進(jìn)行監(jiān)視。

隨后利用PCM（脈沖編碼調(diào)制）調(diào)節(jié)器，將這些模擬信號(hào)編成脈沖碼。通過稱為旋轉(zhuǎn)變送器的光學(xué)傳送鏈，可將數(shù)字信號(hào)從旋轉(zhuǎn)部件傳送到固定裝置上。安裝在旋轉(zhuǎn)變送器上的增量式角編碼器可以將傳感器信號(hào)分配成確定的角位置。測(cè)量值處理程序根據(jù)單個(gè)傳感器的幾何布置對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行分類。

1.2 信號(hào)處理結(jié)構(gòu)—SIKO模塊

電荷放大器將壓電傳感器生成的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓。旋轉(zhuǎn)變送器（PCM變送器）將這些電荷放大器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為（PCM編碼的）數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)通過電纜從旋轉(zhuǎn)變送器傳遞給安裝在控制柜內(nèi)的PCM解碼器插架（PCM已經(jīng)停產(chǎn)，現(xiàn)在基本都采用集成的SIKO模塊代替IOP模塊及PCM插架）。下圖是SIKO模塊實(shí)物圖。

該解碼器為SIKO模塊，對(duì)板形輥傳感器信號(hào)進(jìn)行解碼，并寫入存儲(chǔ)器（內(nèi)存）內(nèi)，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以訪問這些信息。系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口板與可視化PC相連（VISPC）,它的主要任務(wù)是在操作臺(tái)上處理可視化系VISUALISATION，通過VIS電腦，操作手可以實(shí)時(shí)的查看軋機(jī)的工作狀態(tài)。

1.3 M1 PLC系統(tǒng)

M1是以Intel Pentium III （因特奔騰III ）處理器和相應(yīng)的輸入/輸出板、接口板為基礎(chǔ)的高級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（M1系統(tǒng)是G. Bachmann Electronic GmbH（電子公司）的產(chǎn)品）。為了計(jì)算在帶材橫截面上的張力分布情況，對(duì)儲(chǔ)存的測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)是M1系統(tǒng)執(zhí)行的任務(wù)。M1系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口板與可視化PC相連（VIS PC）?？梢暬疨C（VIS PC）的主要任務(wù)是在操作臺(tái)上處理可視化系統(tǒng)。

M1 PLC主要硬件包括：電源模塊，CPU模塊，輸入/輸出模塊，通訊接口模塊等。

1.4 軋制油冷卻分布系統(tǒng)

基礎(chǔ)潤(rùn)滑獨(dú)立于板形測(cè)量和冷卻控制器，維持最小油量?；A(chǔ)冷卻和控制板形的冷卻動(dòng)作是重疊的?；A(chǔ)潤(rùn)滑等級(jí)可以由操作人員在工作輥噴射用的預(yù)設(shè)定屏幕上進(jìn)行設(shè)定。在預(yù)設(shè)定后的任何時(shí)候，操作人員都可以在可視化屏幕上修改該值。根據(jù)所選的基礎(chǔ)潤(rùn)滑等級(jí)，可以確定打開一排、兩排或三排及以上噴嘴噴射。基礎(chǔ)冷卻可以保持軋制所必需的油膜。但是在帶材邊部和帶材外側(cè)是沒有基礎(chǔ)冷卻的。

圖4 SIKO模塊實(shí)物圖

圖5 系統(tǒng)綜合一覽圖

圖6 M1系統(tǒng)

1.5 預(yù)熱時(shí)的基礎(chǔ)潤(rùn)滑

在軋機(jī)預(yù)熱過程中，操作人員可以為設(shè)備選擇基礎(chǔ)冷卻最佳等級(jí)，包括手動(dòng)打開噴嘴。在軋制過程中還可以進(jìn)行同樣的上述操作。如果需要，用戶可以選擇一個(gè)調(diào)試期間執(zhí)行的固定冷卻方案（冷卻形式）。

1.6 支撐輥基礎(chǔ)潤(rùn)滑

支撐輥也可以使用基礎(chǔ)潤(rùn)滑。但是它沒有保持油膜的任務(wù)。這種方式的基礎(chǔ)潤(rùn)滑等級(jí)可以在操作屏幕上進(jìn)行選擇

2 板形控制原理

板形的控制主要靠SFC和SCA（伺服控制系統(tǒng)）系統(tǒng)，SCA主要是數(shù)據(jù)處理、各種執(zhí)行器控制、厚度控制等，這里就不一一贅述。

SFC系統(tǒng)中在軋機(jī)預(yù)設(shè)置階段，操作人員輸入希望得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線。SFC會(huì)通過計(jì)算為每個(gè)傳感器分配一個(gè)基準(zhǔn)數(shù)值。實(shí)際測(cè)量值與基準(zhǔn)值會(huì)產(chǎn)生偏差。對(duì)于某一道次，觀察來料板形情況是否能夠達(dá)到基準(zhǔn)板形則屬于用戶的知識(shí)和能力范圍。

圖7 軋制油冷卻分布系統(tǒng)控制柜

圖8 噴嘴梁

圖9 正彎與負(fù)彎

圖10 VC輥

2.1 對(duì)稱性板形控制

2.1.1 彎輥系統(tǒng)

彎輥分為正彎與負(fù)彎，正彎是輥中心位置靠向鋁箔，負(fù)彎正好相反。

彎輥的主要作用點(diǎn)在鋁箔邊部，鋁箔越寬，則彎輥控制的效果越好。

2.1.2 VC系統(tǒng)

上支撐輥是空心輥，中間充滿高壓油，通過油壓的調(diào)節(jié)使輥中間凸起，以抵消邊部軋制力分布較大的缺陷。這種輥也叫VC輥，VC輥在鋁箔中心部控制的效果很明顯，尤其加速過程中在板形質(zhì)量方面表現(xiàn)出明顯的改進(jìn)。VC系統(tǒng)主要在高精度的箔軋機(jī)上應(yīng)用。

2.2 非對(duì)稱性板形控制

2.2.1 傾斜

由于傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)的輥縫有差異，為了使輥縫平直，兩邊的軋制力自然不同，不同軋制力下，工作輥會(huì)產(chǎn)生一定的傾斜，尤其來料板形不好的情況下，彎輥調(diào)節(jié)很重要。在力控制模式下，最大傾斜差通常為500[kN]，程序設(shè)定當(dāng)力差超過150[kN]時(shí)，軋機(jī)就會(huì)報(bào)警停機(jī)。這一般是伺服閥造成驅(qū)動(dòng)側(cè)和操作側(cè)壓力分配不均，只需更換伺服閥即可。傾斜狀態(tài)如下圖11所示：

圖11

這里須特別注意卷材對(duì)中情況。如果卷材向一邊移動(dòng)，計(jì)算機(jī)不可能監(jiān)測(cè)到。SFC假定鋁箔邊部正處于軋機(jī)中心線的對(duì)稱位置。如果鋁箔被移動(dòng)了，沒有對(duì)中，那在一側(cè)邊部的傳感器從鋁箔接收到的力可能就會(huì)少些。SFC就會(huì)在操作屏幕上會(huì)顯示該區(qū)域邊部松弛。另一方面，在鋁箔的另一側(cè)可能顯示為比實(shí)際情況會(huì)更緊一些，因?yàn)閭鞲衅鹘邮盏降牧Ρ认Ｍ玫降牧Υ罅艘恍?。彎輥和VC的作用也將受到影響。板形測(cè)量就不準(zhǔn)確了。對(duì)中對(duì)軋制過程中板形控制，串層控制很重要。

2.2.2 分段冷卻控制

冷卻噴嘴，其作用是冷卻潤(rùn)滑工作輥，使支承輥工作輥輥面形成油膜，避免鋁箔產(chǎn)生表面質(zhì)量問題。冷卻后的鋁箔區(qū)內(nèi)的張應(yīng)力相對(duì)于臨近區(qū)的張應(yīng)力會(huì)有所增加。這樣，冷卻噴嘴對(duì)那些采用彎輥、VC或傾斜控制都不能改善的板形誤差是有用的。冷卻噴嘴操作手可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)自己控制，局部板形不良具有不錯(cuò)的效果。板形冷卻控制隨工作輥冷卻噴射一起進(jìn)行，因?yàn)檐堉朴途嚯x鋁箔較遠(yuǎn)，噴淋也需要時(shí)間進(jìn)行控制，所以不能快速的糾正板形誤差。

3 結(jié)束語(yǔ)

OPTIROLL i2（板形輥）控制系統(tǒng)是軋機(jī)的重要控制系統(tǒng)，對(duì)軋機(jī)生產(chǎn)過程中的鋁箔板形控制起到至關(guān)重要的作用，該硬件系統(tǒng)安全可靠，能夠很好的保證設(shè)備正常生產(chǎn)運(yùn)行，具有較長(zhǎng)的使用壽命。從數(shù)據(jù)測(cè)量采集——數(shù)據(jù)傳送——數(shù)據(jù)處理——控制輸出。它其實(shí)就是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制過程，在自動(dòng)軋制狀態(tài)下，板形出現(xiàn)偏差，反饋給SFC系統(tǒng)，它通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正偏差，通過不斷的循環(huán)，使板形維持在一個(gè)動(dòng)態(tài)的，穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)然，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的操作手，人為的干預(yù)還是很有必要的。