双机架平整机自动化控制系统

双机架平整机自动化控制系统
梁素芬;石宽;刘天惠;刘奇;王万新;康永生
【摘要】The utility and control model of the two-stand temper mill including control scheme and hardware configuration of the automation control system were introduced.The whole system adopted one-mill one-temper mill or single temper mill method.The control scheme of automatic system and instrument configuration stcheme were given. It also had a discussion about basis of elongation setting in normal conditions.The system had direct tension close loop control,indirect tension close loop control,feed-forward AGC and feed-backward AGC control schemes etc. The foundtions of elangation rate setting usually were given.The final production can fully meet the requirement of finished-production.%阐述了双机架平整机的用途,并对其控制模式进行了详尽介绍.双机架平整机控制分为一轧一平及单平整2种工作方式.给出自动化控制系统控制方案和仪表配置方案.该控制系统内包含直接张力闭环、间接张力闭环、前馈AGC、反馈AGC等具体控制方法.给出了通常情况下延伸率设定的依据.实践证明,采用本控制方式的双机架平整机可以很好地满足镀锡板带材成品的板形要求,达到了良好的控制目的.
【期刊名称】《电气传动》
【年(卷),期】2018(048)003
【总页数】4页(P51-54)
【关键词】双机架平整;延伸率;控制模式
【作者】梁素芬;石宽;刘天惠;刘奇;王万新;康永生
【作者单位】天津电气科学研究院有限公司,天津300180;天津电气科学研究院有
限公司,天津300180;天津电气科学研究院有限公司,天津300180;天津电气科学研
究院有限公司,天津300180;天津电气科学研究院有限公司,天津300180;太原钢铁(集团)有限公司,山西太原030003
【正文语种】中文
【中图分类】TM921
双机架平整机用于镀锡板平整，主要用于消除带钢的屈服平台和改善不良板形。

第1机架平整机具备轧制功能，其压下量通常为10%～40%，第2机架平整机主要
承担平整功能。

本文通过对双机架平整机用途和控制模式的介绍，给出自动化控制系统控制方案和仪表配置方案。

同时本文给出了通常情况下延伸率设定的依据。

1 双机架平整机仪表配置
双机架平整机仪表配置如图1所示。

通常仪表配置为：测厚仪3台，测张仪3台，测速仪3台，轧机压力检测采用压力传感器，位置检测采用液压缸内置磁尺，所
有传动电机带测速码盘。

图1 仪表配置图Fig.1 Instrument configuration diagram
2 控制功能
2.1 速度、张力基准
二机架作为机组速度基准，一机架通过调节速度控制机架间张力；入口S辊控制
轧机入口张力；出口S辊控制轧机出口张力。

这3处张力采用张力计的张力直接
闭环控制。

开卷和卷取机采用间接张力闭环控制。

控制系统原理如图2所示。

S辊张力采用张力闭环+速度闭环+负荷平衡控制方式。

图2 控制系统框图Fig.2 Control system block diagram
2.2 厚度控制AGC
带钢成品厚度控制由第1机架控制，由于进入平整机平整的带钢厚度公差小于5
μm，其厚度控制主要由快速反馈AGC（automatic gauge control）完成［1］。

反馈厚度控制系统如图3所示。

图3 反馈厚度控制系统框图Fig.3 Block diagram of feedback-AGC control system
利用入口测厚仪在来料有较大厚差时，可投入预控AGC。

一机架出口测厚仪用于
反馈AGC厚度控制。

秒流量AGC利用入口测厚仪和测速仪及出口测速仪计算出
出口厚度，跟踪厚度变化调节机架压下来控制出口厚差。

2.3 延伸率控制
通过第2机架前和机架后速度实际值，计算出带钢实际延伸率，实际延伸率和给
定延伸率的差PI调节用于调节第2机架的轧制力和机架间张力附加给定来实现延
伸率的闭环控制。

较大的延伸率需采用湿平整方式，大于2%的延伸率应考虑湿平整作业。

延伸率的计算公式为
式中：ε为实际延伸率；L1为入口带材长度；L2为出口带材长度。

延伸率的大小与来料板形有关系，来料的浪高决定平整时延伸率的大小，如图4
所示。

图4 板形与延伸率示意图Fig.4 Schematic diagram of plate shape and elongation
板形与延伸率关系式为
式中：h为带材来料浪高；L为带材单位长度。

控制系统会根据来料板形给出设定延伸率。

2.4 平整控制
二机架采用轧制力闭环控制，运行过程中第2机架通过轧制力闭环控制维持恒定轧制力。

二机架辊缝外环为轧制力闭环控制环节。

二机架同时具备通过调节传动侧和操作侧轧制力差即倾斜来控制板形。

2.5 液压辊缝控制
图5为液压APC控制框图，一机架和二机架轧机辊缝位置控制均采用这种控制方式。

图5 液压APC控制框图Fig.5 Hydraulic APC control block diagram
轧机液压缸控制HGC(Hydraulic gauge control)功能包括：1）液压缸位置闭环控制；2）二侧平行同步控制；3）自动调平压靠控制；4）倾斜控制；5）轧制力超限、辊缝超差、轧制力超差保护。

一机架的倾斜控制功能用于实现板形控制。

2.6 弯辊控制
弯辊用于控制带钢板形，平整机弯辊通常采用伺服阀或比例阀控制弯辊力［2］，控制系统如图6所示，正弯和负弯分别由各自的阀控制。

图6 弯辊控制系统框图Fig.6 Bending system diagram
2.7 开卷和卷取张力控制
对于间接张力闭环的卷取机，控制电机力矩就控制了带钢张力。

随着卷径增加，电机力矩也增加，这样可保证带钢张力不变［3］，计算式为
式中：M为电机力矩；i为速比；D为卷径。

对于1台卷取电机首先计算其额定张力Tmax：
式中：Me为电机额定转矩；Dmax为最大卷径；P为电机额定功率；ne为电机额定转速。

卷取机力矩M=T×D。

因此间接张力闭环控制系统需计算卷取卷径。

卷径计算依据为
式中：v为带钢线速度，采用偏转辊码盘测速；ω为卷取电机角速度。

系统需标定最大卷径Dmax和最小卷径Dmin。

卷径计算也可采用卷数和厚度累加方式计算，此时需加卷取轴圈数接近开关。

生产过程中要求维持带钢张力恒定，带钢张力的变化会引起出口厚度变化。

尤其在加、减速过程中，张力不稳会引起板形变差，造成不能顺利轧制。

引起张力变化的其他因素包括：摩擦力矩、动态力矩和弯曲力矩。

解决张力不稳的措施如下：1）摩擦补偿。

由于机械存在转动摩擦，摩擦力矩影响带钢张力。

机械摩擦曲线为随速度升高成线性变化。

摩擦补偿以存储曲线方式完成。

2）动态补偿。

由于卷取采用间接张力闭环控制，若要维持带钢张力恒定，在轧机加速减速和快停时需补偿机械转动惯量，使卷取机的加、减速力矩由补偿给出。

补偿力矩为
式中：b为带宽；Dcore为辊径；γ为带材比重。

由PLC给出动态转矩的方程式为
加速力矩为
空卷筒时的补偿力矩可测量得出，则
根据式（8）可求出Jf。

弯曲力矩的计算式为
式中：δ为屈服系数；b为带宽；h为带厚。

综上所述，总的补偿力矩M为
2.8 断带保护
断带检测由传动软件实现。

断带的定义是：在张力控制下，带钢因为边裂以及张力的突变发生断带。

发生断带后如不及时处理会产生缠辊现象，造成事故扩大。

在建张状态下，检测卷取速度变化和力矩变化。

实际力矩和设定力矩差值超过25%，同时卷取实际速度与上一周期采样速度值变化大于5%，当满足这2个条件时，可判断发生断带。

轧机入口、机架间和出口设有张力计，通过检测张力计的实际值亦可判断是否发生断带。

断带后，机组在5～8 s内停车，压下系统泄荷，快速打开，这样可以有效地保护轧辊辊系。

2.9 速度主令
速度主令主要有以下3类：
1）正常升速和降速。

二机架作为机组速度基准，入口开卷机、S辊、一架轧机、出口S辊和卷取机按照秒流量相等原则给出速度设定值，加速度设为0.4 m/s2。

升速和降速时保证厚度公差和张力稳定。

2）机组快停。

机组快停时，保证恒定张力和厚度公差。

快停停止后机组处于等待运行状态。

加速度设为0.8 m/s2。

3）机组急停。

机组急停后，轧机卸荷，传动系统封锁脉冲。

加速度为2 m/s2。

2.10 故障报警和保护
自动化系统通过网络采集传动设备、检测仪表和辅助设备工作状态，给出报警信息和急停信息，保护设备和人身安全。

故障报警及保护信息包括：
1）传动系统故障、电机温度超温；
2）液压系统故障；
3）润滑系统故障；
4）检测仪表故障；
5）设备连锁保护；
6）断带检测；
7）轧制力超限保护；
8）辊缝超差保护；
9）电机超负荷保护。

3 控制模式
3.1 双机平整延伸率闭环
双机平整延伸率控制框图如图7所示。

图7 平整延伸率控制框图Fig.7 Block diagram of temper-mill elongation control
双机平整延伸率工作模式控制方式为：前后S辊张力闭环控制；开卷、卷取间接张力闭环控制；一、二机架压力闭环控制；延伸率闭环调节2个机架的轧制力，延伸率由机架入口与出口长度计算得到。

3.2 一机架轧制，二机架平整
一机架轧制，二机架平整的控制框图如图8所示。

图8 轧制和平整控制框图Fig.8 Block diagram of rolling mill and temper mill control
此种工作模式控制方式为：前后S辊张力闭环控制；开卷、卷取间接张力闭环控制；一机架压力闭环控制，反馈AGC投入；延伸率闭环调节第2个机架的轧制力，延伸率由二机架入口与出口长度计算得到。

3.3 单机平整模式
单机平整工作模式控制方式为：前后S辊张力闭环控制；开卷、卷取间接张力闭
环控制；一机架或二机架投入轧制力闭环工作方式；延伸率闭环调节该机架的轧制力，延伸率由机架入口与出口长度计算得到。

4 自动化系统配置
自动化系统采用西门子S7-400系列PLC，1台CPU（416）+FM458完成逻辑
控制、辅助设备控制、机架的HGC及AGC控制、速度主令控制、上卷和卸卷控制。

自动化系统配置如图9所示。

图9 自动化系统配置图Fig.9 Automated system configuration diagram
5 结论
该双机架平整机自调试完成投入生产后，电控设备运行良好、故障率极低、运行稳定；加减速时速度、张力精度均在要求范围之内；实践证明，该系统完全能够达到产品质量和产量的要求，达到期的控制目的。

参考文献
【相关文献】
［1］（美）金兹伯格（Ginzburg V B）.高精度板带材轧制理论与实践［M］.北京：冶金工业出版社，2000.
［2］周国盈.带钢精整设备［M］.北京：机械工业出版社，1979.
［3］天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册［M］.第2版.北京：机械工业出版社，2005.。