棒材和輕型材軋機(jī)微張力控制

[摘要]文章介紹了輕型材熱軋生產(chǎn)中的微張力控制的原理和實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)算法做了詳細(xì)的說(shuō)明。 [關(guān)鍵詞]輕型材 微張力 算法 0　前言 　　萊鋼輕型材熱軋生產(chǎn)線中，為了保證產(chǎn)品尺寸精度、提高產(chǎn)品質(zhì)量，避免由于各種原因產(chǎn)生堆鋼和拉鋼現(xiàn)象，在粗軋區(qū)（1#—8#軋機(jī)）的軋機(jī)間引入了微張力控制思想，這是保證軋機(jī)高通過(guò)率的一個(gè)關(guān)鍵自動(dòng)控制環(huán)節(jié)。由于軋制過(guò)程中的工藝參數(shù)很多，如變形量、軋制速度、軋制力矩、軋制溫度等，控制較為復(fù)雜。實(shí)際生產(chǎn)工藝要求也決定了與其他帶鋼生產(chǎn)中的張力控制相比較有其自身的特色。 1　微張力控制系統(tǒng)的組成 　　萊鋼輕型材生產(chǎn)線的軋機(jī)設(shè)備采用意大利DANINELI公司產(chǎn)品，電控設(shè)備由瑞典ABB公司提供，采用集散控制策略，操作站使用HP-UNIX操作系統(tǒng)，通訊協(xié)議使用IEEE802.3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，軋機(jī)一側(cè)設(shè)置操作箱，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程/本地操作和換型使用。整個(gè)軋制系統(tǒng)集輥縫控制、厚度控制、軋制過(guò)程管理、數(shù)據(jù)顯示及操作控制、故障診斷及遠(yuǎn)程診斷于一體，由上到下分為操作站設(shè)定、過(guò)程站控制、傳動(dòng)執(zhí)行3部分。 　　操作站設(shè)定級(jí)完成與張力自動(dòng)控制有關(guān)的上層設(shè)定及其系統(tǒng)監(jiān)控功能。主要是張力控制中軋機(jī)組態(tài)的選擇,即通過(guò)畫面設(shè)定哪幾架軋機(jī)之間被選作微張力控制,哪幾架軋機(jī)之間被選作自動(dòng)活套控制。包括：HMD信號(hào)檢測(cè)；物料跟蹤；速度設(shè)定；標(biāo)準(zhǔn)模式下的速度校正因子設(shè)定；非標(biāo)準(zhǔn)模式下的過(guò)速校正因子保護(hù)；軋件入口速度跟蹤；軋件出口速度跟蹤。 　　過(guò)程控制站為ABB的MasterPiece 200/1,它主要完成與微張力控制和自動(dòng)活套控制有關(guān)的物料跟蹤、邏輯時(shí)序互鎖、傳動(dòng)執(zhí)行級(jí)的速度級(jí)聯(lián)、速度給定及微張力控制算法等功能。 傳動(dòng)執(zhí)行級(jí)主要完成微張力控制部分軋機(jī)的傳動(dòng),在系統(tǒng)中由ＤＣＶ700全數(shù)字直流調(diào)速裝置完成。控制系統(tǒng)由MP200/1過(guò)程站和AS520操作員站組成。過(guò)程站由CPU機(jī)架帶I/O機(jī)架組成，CPU機(jī)架上安裝了CPU模板DSPC172、內(nèi)存模板DSMB176以及32通道的DI/DO模板，通過(guò)通訊模板DSCS140連接到MasterBus300總線上，與加熱爐、精整等其它過(guò)程站進(jìn)行通訊，I/O機(jī)架由總線擴(kuò)展模塊DSBC172實(shí)現(xiàn)總線擴(kuò)展。 　　系統(tǒng)控制程序使用AMPL(ABB MasterPiece Language)編制，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。工業(yè)控制程序往往功能繁，多該語(yǔ)言根據(jù)工業(yè)控制要求，將編程元素設(shè)計(jì)成一個(gè)個(gè)圖形功能塊，稱為PC元素。PC元素內(nèi)有三種結(jié)構(gòu)類元素PCPGM、CONTRM和FUNCM，PCPGM是程序結(jié)構(gòu)的最高層，旨在完成一個(gè)完整的控制功能，一個(gè)PCPGM下允許一個(gè)或幾個(gè)CONTRM，而一個(gè)CONTRM下又可包含一個(gè)或幾個(gè)FUNCM，從而使整個(gè)程序結(jié)構(gòu)呈階梯狀，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。在CPU內(nèi)還有一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，它的作用是永久存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和在程序間傳遞數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的元素稱為DB元素，這些元素包括過(guò)程站所使用的的I/O模板和信號(hào)及程序中產(chǎn)生的其它數(shù)據(jù)信息。 2　微張力控制原理 （1）原理介紹 　　微張力控制實(shí)質(zhì)上是通過(guò)對(duì)相臨兩工作機(jī)架中上游機(jī)架的電機(jī)轉(zhuǎn)距進(jìn)行檢測(cè)，加以記憶存儲(chǔ)，形成表示鋼坯內(nèi)張力大小的實(shí)際值，與設(shè)定的張力給定值的偏差，通過(guò)比例、積分控制校正上游機(jī)架的速度，協(xié)調(diào)兩機(jī)架之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)微張力控制。其控制關(guān)鍵是準(zhǔn)確測(cè)量各軋機(jī)的軋制力矩。系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)對(duì)應(yīng)機(jī)架的電樞轉(zhuǎn)距間接得到該值。當(dāng)本機(jī)架的軋機(jī)咬鋼而軋件尚未進(jìn)入下架軋機(jī)時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算出的力矩值便是本軋機(jī)的軋制力距值。當(dāng)下架軋機(jī)也咬鋼時(shí)，重新計(jì)算得到新的力矩，兩力矩之差是軋件上的張力力矩。若偏差值為正，表示機(jī)架間堆鋼；若偏差值為負(fù)，表示機(jī)架間拉鋼。系統(tǒng)就是根據(jù)該偏差值的正負(fù)和大小，給出相應(yīng)的速度修正來(lái)平衡軋機(jī)的速度，保證機(jī)架間的軋件張力被限制在一定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)微張力控制。 　　由于微張力控制將兩相臨機(jī)架通過(guò)軋件聯(lián)系起來(lái)，使其存在偶合關(guān)系，系統(tǒng)不具備魯棒性，為此，引如速度校正因子進(jìn)行解耦。當(dāng)微張力控制開(kāi)始時(shí)，速度校正因子進(jìn)行自我補(bǔ)償調(diào)節(jié)，通過(guò)不斷的自動(dòng)修正，消除初始偏差，在兩軋機(jī)間形成均勻協(xié)調(diào)的速度。微張力原理圖如下圖： （2）控制過(guò)程 　　軋機(jī)轉(zhuǎn)距的變化是一個(gè)非線性增大量，濾波元素接受上游機(jī)架的波形轉(zhuǎn)距參數(shù)后，乘以轉(zhuǎn)距常數(shù)得到張力級(jí)聯(lián)參數(shù)并存儲(chǔ)本機(jī)架張力值。將張力進(jìn)行比較后得到一個(gè)張力偏差，該張力偏差值分別進(jìn)行比例和積分運(yùn)算，積分運(yùn)算值作為速度校正因子參與速度級(jí)聯(lián)控制，得到上游機(jī)架的速度。 　　軋機(jī)速度設(shè)定主要由兩部分組成：一部分是決定軋鋼生產(chǎn)速度主信號(hào)，由最末機(jī)架出口速度為基準(zhǔn)向上游分配，即每過(guò)一個(gè)輥縫，除以一個(gè)速度校正因子；另一部分是疊加在主基準(zhǔn)上的速度修正量，即比例校正。這樣在主級(jí)聯(lián)速度給定的基礎(chǔ)上通過(guò)速度修正調(diào)整上游機(jī)架的速度給定，協(xié)調(diào)上、下游機(jī)架間的速度關(guān)系，使鋼坯在微張力控制下正常軋制。 　　由此可見(jiàn)，微張力控制實(shí)質(zhì)上是在上游軋機(jī)主傳動(dòng)控制上增加張力外環(huán)，由微張力給定值與檢測(cè)值形成的偏差，與比例增益相乘形成微張力控制的比例速度校正量；偏差值與增益常數(shù)形成速度校正因子，傳遞給控制環(huán)節(jié)形成自整定的速度校正，調(diào)節(jié)上游機(jī)架的速度，實(shí)現(xiàn)微張力控制。 3　算法描述 （1）軋機(jī)力距測(cè)算：正在咬鋼的軋機(jī)讀出電機(jī)轉(zhuǎn)距NLDTRQ,則有： 第N架軋機(jī)微張力級(jí)聯(lián)值=第（N-1）架軋機(jī)微張力級(jí)聯(lián)值；否則，對(duì)于已不再咬鋼的上游機(jī)架張力級(jí)聯(lián)值為： 第N架軋機(jī)微張力級(jí)聯(lián)值=NLDTRQ*(齒輪箱齒比)*2。0*10*6E/（軋輥直徑*軋輥受力面積）； （2）力矩存儲(chǔ)：第N架軋機(jī)的張力偏差計(jì)算： 第N架軋機(jī)微張力實(shí)際值=第N架軋機(jī)微張力級(jí)聯(lián)值-第(N-1)架軋機(jī)張力存儲(chǔ)值； （3）微張力控制：兩機(jī)架間有鋼時(shí)，引入速度校正因子R進(jìn)行上游機(jī)架速度校正： 第N架軋機(jī)速度校正因子=第N架軋機(jī)積分增益*第N架軋機(jī)張力修正值； 上游機(jī)架速度校正： 第N架軋機(jī)校正速度=第N架軋機(jī)比例增益*第N架軋機(jī)張力修正值； 4　實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題 　　在鋼坯即將進(jìn)入下架軋機(jī)之前和剛進(jìn)入下架軋機(jī)不久，本架軋機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化代表兩架之間有推、拉關(guān)系存在。實(shí)際上，一架軋機(jī)轉(zhuǎn)矩在鋼坯進(jìn)入下架軋機(jī)之前和之后的相關(guān)性僅在較短時(shí)間內(nèi)很高。所以，使自由軋制轉(zhuǎn)矩和實(shí)際軋制轉(zhuǎn)矩的取樣時(shí)間盡量靠近，同時(shí)掌握實(shí)際軋制轉(zhuǎn)矩的取樣和微張力調(diào)節(jié)過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，以保證使轉(zhuǎn)矩信號(hào)在高相關(guān)性時(shí)把微張力控制完成。否則，轉(zhuǎn)矩中將包括一些非張力形成的干擾信號(hào)，造成誤判斷和誤調(diào)節(jié)。 　　另外，由于每臺(tái)軋機(jī)的各種信號(hào)由調(diào)速裝置經(jīng)高速通訊網(wǎng)絡(luò)傳給PLC，由調(diào)速裝置送來(lái)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)需濾除由速度控制所產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)。濾波時(shí)間常數(shù)應(yīng)根據(jù)軋機(jī)的線速度和軋機(jī)之間距離計(jì)算確定。雖然濾波時(shí)間常數(shù)越大或PLC控制程序中濾波平均次數(shù)越多所得到的轉(zhuǎn)矩信號(hào)越平穩(wěn)，但得到的轉(zhuǎn)矩信號(hào)的延遲也越大。并且，若濾波平均次數(shù)過(guò)多，還會(huì)較大地降低程序的運(yùn)行速度，影響微張力控制效果。反之，同樣得不到好的微張力控制效果。所以，微張力的調(diào)整和使用要求是很高的。 　　在實(shí)際應(yīng)用中，造成影響粗軋區(qū)微張力控制的因素是多樣的。主要有：機(jī)架前、后的光電管位置偏移、或者光電管損壞、靈敏度降低等原因造成輥道上軋件定位跟蹤的偏差或錯(cuò)誤；電機(jī)過(guò)流導(dǎo)致的無(wú)法軋制；后繼工藝堆鋼、拉鋼…..另外，操作人員的熟練程度也是影響正常軋制的因素之一。 5　結(jié)束語(yǔ) 　　該控制系統(tǒng)不僅達(dá)到了通用人機(jī)界面的功能，而且針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和操作人員的具體要求做了特殊技術(shù)處理，可以幫助工作人員更有效地監(jiān)視和控制軋制自動(dòng)化系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的改善起到了良好的效果。 　　目前，該輕型材生產(chǎn)線是國(guó)內(nèi)引進(jìn)的同類項(xiàng)目中自動(dòng)化程度最高、應(yīng)用效果做好的生產(chǎn)線，投產(chǎn)的第一年就達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。設(shè)備作業(yè)率可達(dá)87%，年產(chǎn)量由設(shè)計(jì)能力45萬(wàn)噸/年上升到了75萬(wàn)噸/年。 　　維護(hù)期間，我們?cè)谏钊敕治鲅芯靠刂瞥绦虻幕A(chǔ)之上，根據(jù)生產(chǎn)要求，對(duì)控制程序進(jìn)行了大量修改，從控制程序角度改進(jìn)和完善了功能。另外，適應(yīng)鋼材出口的需要，對(duì)增加的新設(shè)備也納入自動(dòng)化控制。事實(shí)證明，對(duì)于引進(jìn)的項(xiàng)目，只有吃透控制程序，真正了解其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方法，才能維護(hù)好這套系統(tǒng)，使之最大限度地發(fā)揮作用。 參考文獻(xiàn)： [1]自動(dòng)控制原理，劉自厚編，冶金工業(yè)出版社。 [2]ABB編程參考手冊(cè)。 [3]中小型材剪切優(yōu)化分析和設(shè)計(jì)，孫漢峰，冶金自動(dòng)化，1997（6）。