厚板廠冷矯直機(jī)輥縫控制邏輯優(yōu)化和運(yùn)用

龐光耀,謝清新

(寶山鋼鐵股份有限公司寶鋼湛江鋼鐵有限公司,廣東 湛江 524072)

在寬厚板的軋制、冷卻、運(yùn)輸中會因?yàn)榉N種因素導(dǎo)致鋼板產(chǎn)生形變從而導(dǎo)致鋼板出現(xiàn)邊浪、扣頭、翹頭以及中間高突等板形缺陷。為了保證鋼板的平直度,在寬厚板的軋制、剪切后增加了矯直工藝,該工藝的核心設(shè)備就是冷矯直機(jī)。冷矯直機(jī)通過將鋼板先彎曲后拉直的方式消除鋼板內(nèi)部的殘余應(yīng)力使鋼板達(dá)到用戶對成品鋼板的平直度要求。

湛江鋼鐵厚板廠1#冷矯直機(jī)布置在厚板廠的精整區(qū)域內(nèi)。與同類型矯直機(jī)相比,該矯直機(jī)具有矯直范圍寬、屈服強(qiáng)度高、動(dòng)態(tài)矯直力大等特點(diǎn)。冷矯直機(jī)輥縫調(diào)整控制的現(xiàn)場電氣控制由TDC(Technology Drive control)控制系統(tǒng)完成,其機(jī)械控制則由液壓伺服控制系統(tǒng)完成。該冷矯直機(jī)在輥縫調(diào)整時(shí)常會出現(xiàn)主液壓缸動(dòng)作位置超偏差的情況,特別是在進(jìn)行厚板矯直穿帶模式下尤為明顯。通過優(yōu)化改進(jìn)冷矯直機(jī)輥縫調(diào)整控制來減少主液壓缸動(dòng)作位置超偏差,可確保矯直工藝的順利進(jìn)行。

1 冷矯直機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

湛江鋼鐵厚板廠1#冷矯直機(jī)是由西馬克設(shè)計(jì)制造的九輥式矯直機(jī),其矯直寬度范圍為1 300～4 100 mm,長度范圍為4 000～26 000 mm,厚度范圍為8～50 mm,屈服強(qiáng)度達(dá)到1 400 MPa,動(dòng)態(tài)最大矯直力達(dá)到42 000 kN。該矯直機(jī)具有矯直范圍寬、屈服強(qiáng)度高、動(dòng)態(tài)矯直力大等特點(diǎn),通過輥縫調(diào)整來調(diào)整液壓缸產(chǎn)生矯直力。

冷矯直機(jī)由上下輥系和兩個(gè)牌坊組成,上輥系由上橫梁、2個(gè)平衡液壓缸、4個(gè)主液壓缸、8個(gè)彎輥液壓缸、4個(gè)上矯直輥液壓缸及其斜楔機(jī)構(gòu)、4根矯直單輥及其支撐輥組成;下輥系由下橫梁、5個(gè)上矯直輥液壓缸及其斜楔機(jī)構(gòu)、5根上矯直輥及其支撐輥組成。具有左右傾動(dòng)、前后傾動(dòng)、5/9輥矯直以及彎輥補(bǔ)償?shù)裙δ?。圖1為冷矯直機(jī)部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的布置圖。

圖1 冷矯直機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)布置圖Fig.1 Cold plate leveler machinery arrangement diagram

圖2為矯直順序控制邏輯示意圖。

圖2 矯直順序控制邏輯示意圖Fig.2 Leveler sequence control logic schematic diagram

冷矯直機(jī)電氣控制由2級矯直模型控制、1級現(xiàn)場電氣控制及現(xiàn)場執(zhí)行反饋部分等三大部分組成。2級矯直模型控制由模型計(jì)算電腦獨(dú)立完成,1級現(xiàn)場電氣控制由TDC系統(tǒng)、ET200站、操作面板等組成,現(xiàn)場執(zhí)行反饋部分主要由電磁閥、伺服閥、電動(dòng)機(jī)、光柵、壓力傳感器、位移傳感器等組成。

冷矯直機(jī)電氣控制工作流程為:2級矯直模型控制根據(jù)1級現(xiàn)場電氣控制上傳的鋼板信息進(jìn)行計(jì)算獲得力矩設(shè)定、液壓缸位置設(shè)定等設(shè)定值,再將各個(gè)設(shè)定值下發(fā)給1級現(xiàn)場電氣控制;1級現(xiàn)場電氣控制根據(jù)設(shè)定值控制電磁閥和伺服閥移動(dòng)各個(gè)液壓缸位置;現(xiàn)場執(zhí)行反饋部分反饋伺服閥開口度、液壓缸壓力值及其位置值等反饋值;1級現(xiàn)場電氣控制根據(jù)反饋值與設(shè)定值對比判斷輥縫控制是否到位,若輥縫調(diào)整到位則讓鋼板進(jìn)入矯直機(jī)完成矯直工序[1]。

冷矯直機(jī)電氣控制的大部分工作由1級現(xiàn)場電氣控制完成,為此在控制系統(tǒng)中增加了冷矯直機(jī)矯直順序控制,其控制步驟如下:①所有的矯直前提條件必須滿足速度需求,液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)正常。②向傳動(dòng)系統(tǒng)下發(fā)速度需求,選擇矯直模式(自動(dòng)或半自動(dòng),穿帶或非穿帶)。③釋放速度,傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作搬運(yùn)鋼板。④釋放矯直機(jī),待1#光柵到檢測鋼板和輥縫控制調(diào)整到位。⑤穿帶調(diào)整,如果選擇了穿帶方式,矯直機(jī)輥縫控制將再次調(diào)整向鋼板移動(dòng)。⑥傳動(dòng)系統(tǒng)加速,鋼板矯直向前直至運(yùn)出矯直機(jī)。⑦生產(chǎn)人員判斷鋼板是否仍需矯直,若需要矯直則反向矯直,若不需要?jiǎng)t直接輸送鋼板到下一工序。⑧反向矯直功能,為下次矯直自動(dòng)反向調(diào)整矯直機(jī),自動(dòng)開始反向矯直鋼板,接步驟③進(jìn)行反向矯直。⑨輸送功能,自動(dòng)調(diào)整矯直機(jī)到輸送位置,開啟輸送請求,開啟矯直機(jī),關(guān)閉矯直機(jī)速度,再用傳動(dòng)系統(tǒng)速度主控輸送鋼板[2]。

冷矯直機(jī)矯直順序控制中最主要的就是輥縫調(diào)整控制,只有輥縫調(diào)整控制正常才能保證矯直順序控制的正常進(jìn)行。輥縫調(diào)整控制主要體現(xiàn)在矯直順序控制過程中的上述矯直順序控制邏輯示意圖(圖2)的第3步和第4步,其控制順序如下:①冷矯直機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給模型機(jī),請求矯直的輥縫設(shè)定位置。②模型機(jī)計(jì)算出模型下發(fā)矯直的輥縫設(shè)定位置給冷矯直機(jī)控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)控制液壓閥動(dòng)作。③冷矯直機(jī)將主液壓缸、彎輥缸、單輥液壓缸動(dòng)作到設(shè)定位置,其動(dòng)作主要通過液壓系統(tǒng)中的伺服閥控制實(shí)現(xiàn),而后控制系統(tǒng)進(jìn)行判斷液壓缸是否動(dòng)作到位,若動(dòng)作到位則發(fā)送準(zhǔn)備好信號給予矯直順序控制讓其執(zhí)行下一步。④若冷矯直機(jī)選擇穿帶模式,則在鋼板進(jìn)入矯直后主液壓缸將再次調(diào)整,控制系統(tǒng)再次進(jìn)行判斷液壓缸是否動(dòng)作到位,若動(dòng)作到位則發(fā)送準(zhǔn)備好信號給予矯直順序控制讓其執(zhí)行下一步。

冷矯直機(jī)輥縫調(diào)整控制主液壓缸伸縮,實(shí)現(xiàn)矯直機(jī)上輥盒的抬升和下降,達(dá)到控制輥縫目的。每個(gè)主液壓缸活塞桿上都裝有位移傳感器,用來檢測主液壓缸的實(shí)際伸縮量,并折算成實(shí)際上輥盒下壓和提升量,也即實(shí)際輥縫值。實(shí)際輥縫值與設(shè)定的輥縫值進(jìn)行比較,然后通過PI 控制器進(jìn)行調(diào)節(jié),獲得伺服閥開口度的值?？刂颇Ｐ蛯⑺欧y的開口度值換算成控制現(xiàn)場伺服閥開口度的電流,以達(dá)到通過控制液壓流量和方向,從而控制主缸伸縮[1]。其中斜坡發(fā)生器運(yùn)作模式為:接收模型下發(fā)位置設(shè)定值和設(shè)定斜率,根據(jù)位置設(shè)定值和設(shè)定斜率計(jì)算出位置設(shè)定值,設(shè)置控制模式為跟隨動(dòng)作模式時(shí)激活斜坡發(fā)生器正常發(fā)出位置設(shè)定值。圖3 為輥縫控制邏輯示意圖。

圖3 輥縫控制邏輯示意圖Fig.3 Gap control logic schematic diagram

厚板廠冷矯直機(jī)在矯直高強(qiáng)度厚鋼板時(shí)矯直模型會選擇穿帶模式進(jìn)行矯直。圖4為矯直穿帶模式示意圖。在使用穿帶模式進(jìn)行矯直時(shí),輥縫調(diào)整控制會控制輥縫比設(shè)定矯直位置高,然后將鋼板往矯直機(jī)搬運(yùn),待鋼板頭部搬運(yùn)至出口3#光柵位置時(shí)鋼板停止移動(dòng),輥縫調(diào)整控制再次動(dòng)作直至使輥縫至模型設(shè)定值,確認(rèn)實(shí)際位置到達(dá)設(shè)定位置后傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作將鋼板進(jìn)行矯直。與其他矯直模式相比穿帶模式需進(jìn)行輥縫調(diào)整控制次數(shù)多。

圖4 矯直穿帶模式示意圖Fig.4 Leveler threading mode schematic diagram

2 問題分析

湛江鋼鐵厚板廠1#冷矯直機(jī)在輥縫調(diào)整時(shí)常會出現(xiàn)主液壓缸動(dòng)作位置超偏差的情況,特別是在進(jìn)行厚板矯直穿帶模式下尤為明顯。輥縫調(diào)整控制主缸下壓過程中4個(gè)主液壓缸水平偏差超出設(shè)定范圍導(dǎo)致矯直順控中斷。輥縫調(diào)整控制液壓缸動(dòng)作過程中伺服閥速度設(shè)定值丟失導(dǎo)致液壓缸無法動(dòng)作,進(jìn)而導(dǎo)致超差報(bào)警打斷矯直順控。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查及現(xiàn)場PDA數(shù)據(jù)分析,得出以下幾方面原因:①冷矯直機(jī)的主液壓缸在行走時(shí)存在卡阻或液壓缸存在內(nèi)泄情況。②冷矯直機(jī)主液壓缸的液壓閥、伺服閥存在缺陷無法達(dá)到設(shè)定開口度,導(dǎo)致行走速度不一致。③冷矯直機(jī)主液壓缸的檢測元器件反饋存在缺陷導(dǎo)致主缸位置無法正常反饋。④冷矯直機(jī)輥縫調(diào)整控制在切換各種控制模式時(shí)控制邏輯存在缺陷,斜坡發(fā)生器未激活導(dǎo)致位置設(shè)定值無法正常發(fā)出,最終使得主液壓缸行走速度不一致,甚至主液壓缸不動(dòng)作。⑤冷矯直機(jī)矯直模型下發(fā)的主缸移動(dòng)設(shè)定斜率與伺服閥的控制沖突,導(dǎo)致控制冷矯直機(jī)輥縫調(diào)整的控制無法良好地控制液壓缸動(dòng)作,最終導(dǎo)致4個(gè)液壓缸之間偏差過大。⑥冷矯直機(jī)輥縫控制邏輯中位置設(shè)定值與傳感器反饋值比較塊的控制邏輯存在缺陷,產(chǎn)生液壓缸動(dòng)作到位的誤判斷,最終導(dǎo)致個(gè)別液壓缸無法動(dòng)作。

在現(xiàn)場進(jìn)行檢查及測試后,確定主要問題出現(xiàn)在④⑤⑥中。在冷矯直機(jī)輥縫調(diào)整控制在穿帶模式主液壓缸二次下壓時(shí),需保持4個(gè)主液壓缸水平下壓,若4個(gè)主液壓缸位置超出偏差設(shè)定值則會觸發(fā)主缸傾斜報(bào)警中斷矯直順控。同時(shí)為避免主液壓缸因傳感器反饋波動(dòng)導(dǎo)致誤動(dòng)作,冷矯直機(jī)輥縫調(diào)整控制還增加了傳感器反饋的過濾。若反饋的波動(dòng)值處于過濾設(shè)定范圍內(nèi),則會認(rèn)為動(dòng)作到位發(fā)送準(zhǔn)備好信號給予矯直順序控制讓其執(zhí)行下一步,不會再控制主液壓缸動(dòng)作。因此,兩個(gè)控制邏輯沖突會使得冷矯直機(jī)輥縫調(diào)整的控制在切換各種控制模式時(shí),停留在主缸動(dòng)作完成無需繼續(xù)動(dòng)作模式下,從而不會再控制主液壓缸動(dòng)作,導(dǎo)致主液壓缸位置偏差超出偏差設(shè)定值,觸發(fā)主缸傾斜報(bào)警中斷矯直順控。

圖5為主液壓缸動(dòng)作異常PDA記錄圖,記錄了主缸無法動(dòng)作的情況,設(shè)定值已正常輸出,伺服閥設(shè)定也已給出,但因控制模式停留在主缸動(dòng)作完成無需繼續(xù)動(dòng)作導(dǎo)致實(shí)際值未動(dòng)情況。

圖5 液壓缸動(dòng)作異常PDA記錄圖Fig.5 Hydraulic movement anomaly PDA Record chart

3 解決措施及效果

針對冷矯直機(jī)輥縫調(diào)整控制在穿帶模式主液壓缸二次下壓出現(xiàn)的問題,經(jīng)討論及測試,最終對矯直機(jī)輥縫調(diào)整控制邏輯進(jìn)行了以下改進(jìn):

(1) 對冷矯直機(jī)輥縫控制邏輯中斜率發(fā)生器控制模式切換進(jìn)行了優(yōu)化,即在穿帶模式下直接對控制模式進(jìn)行鎖定,讓斜坡發(fā)生器保持跟隨動(dòng)作模式,避免因冷矯直機(jī)輥縫調(diào)整控制的控制模式切換不正確,導(dǎo)致斜坡發(fā)生器未激活位置設(shè)定值無法正常發(fā)出,最終使得主液壓缸行走速度不一致,甚至主液壓缸不動(dòng)作的情況。

(2) 對冷矯直機(jī)輥縫控制邏輯中斜率發(fā)生器接收矯直模型下發(fā)設(shè)定斜率進(jìn)行優(yōu)化,即在特定條件下直接鎖定設(shè)定斜率,轉(zhuǎn)而讓輥縫控制邏輯中PI調(diào)節(jié)器自行調(diào)整,避免因兩個(gè)系統(tǒng)沖突導(dǎo)致液壓缸動(dòng)作的波動(dòng),最終導(dǎo)致4個(gè)液壓缸之間偏差過大的情況。

(3) 對冷矯直機(jī)輥縫控制邏輯中位置設(shè)定值與傳感器反饋值比較塊的控制邏輯進(jìn)行了優(yōu)化,即在穿帶模式下判斷動(dòng)作到位的偏差范圍進(jìn)行縮小,避免穿帶模式主液壓缸二次下壓時(shí)小幅度動(dòng)作因控制邏輯沖突產(chǎn)生液壓缸動(dòng)作到位的誤判斷,最終導(dǎo)致個(gè)別液壓缸無法動(dòng)作的情況。

經(jīng)過上述對冷矯直機(jī)輥縫調(diào)整控制的改進(jìn)后,輥縫調(diào)整控制主缸下壓過程中4個(gè)主液壓缸水平偏差一直保持在設(shè)定范圍內(nèi),未出現(xiàn)超出偏差范圍的情況。在輥縫調(diào)整控制液壓缸動(dòng)作過程中,伺服閥速度設(shè)定值一直保持正常設(shè)定未出現(xiàn)突然斷輸出情況。

圖6為改進(jìn)后主液壓缸動(dòng)作PDA記錄圖,記錄了主液壓缸正常動(dòng)作的情況,伺服閥設(shè)定給出后液壓缸立即動(dòng)作,反應(yīng)速度較好;設(shè)定值與實(shí)際值幾乎一致且跟隨性良好,說明液壓缸動(dòng)作順暢。

圖6 主液壓缸動(dòng)作PDA記錄圖Fig.6 Main hydraulic movement PDA record chart

4 結(jié)論

(1) 通過現(xiàn)場調(diào)查和對現(xiàn)場PDA數(shù)據(jù)的分析,經(jīng)過改進(jìn)的冷矯直機(jī)輥縫調(diào)整控制能在設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi),讓輥縫調(diào)整到設(shè)定位置且液壓缸動(dòng)作順暢,設(shè)定值與實(shí)際值曲線幾乎一致,跟隨性良好,4個(gè)液壓缸水平下壓的偏差也保持在正常范圍內(nèi)。

(2) 穿帶模式下主液壓缸也能正常動(dòng)作,且未再出現(xiàn)因液壓缸無法動(dòng)作而觸發(fā)主缸偏差報(bào)警情況,滿足了冷矯直機(jī)在矯直時(shí)對輥縫的要求,也保證了矯直工序的正常進(jìn)行。