矫直机控制原理的分析与应用

［摘要］根据济钢4300mm 矫直机的使用情况，描述矫直机的矫直原理，主要分析液压HGC 系统、弯辊系统、传动系统的控制原理和功

能，自动化一级和二级之间的数据交换。［关键词］矫直机；自动化；一级系统；二级系统矫直机控制原理的分析与应用

韩妍妍

（济南钢铁股份有限公司，山东济南

250100）

随着中厚板市场压力的增大，钢板的表面和外观，成为各生产线最直观的竞争力。高质量的钢板应具备优良的性能，平直的板型，光洁的表面，高精度的尺寸。进而高性能的矫直机在中厚板的生产过程中起到了不可或缺的作用。

济钢4300产线，配备4台矫直机，预矫1台，在精轧机机后MULPIC 前，保证水冷之前钢板平直，防止钢板翘头翘尾或边浪造成的钢板冷却不均匀。热矫直1台，在MULPUC 出口冷床入口，矫直热态钢板。冷矫1台，在精整区，根据生产需要可设为离线和在线两种状态。热处理矫1台，矫直热处理后的钢板。

1矫直机的矫直原理

钢板轧制时，由于轧件温度不均匀，延伸偏差，冷却和输送等原因，不可避免地造成轧后钢板出现浪型或瓢曲。为了确保成品钢板平直符合产品标准规定，轧后钢板必须进行矫直。

轧件在矫直机中经过交错排列的矫直辊多次反复弯曲，使原有曲率的不均匀度逐渐减小，矫直工艺原理就是通过辊间的可逆弯曲将产品拉伸，确定拉伸程度的主要标准叫“塑性变形率”，定义被拉伸至屈服强度以上的相对钢板厚度。矫直工艺的目的就是将钢板拉伸，使所有纤维达到相同长度。

图１矫直过程应力分布情况

在矫直过程中钢板中间部分为弹性变形区，两侧为塑性变形区，设钢板厚度为T ，弹性变形区厚度为Te ，则热矫直钢板塑性变形比率为：

PR=塑性变形率=（T-Te ）/T=1-[2.σ0/（Rplate.T.E ）]热矫直工艺常用塑性变形率范围是60%~70%。矫直机设置要让矫直机第三辊塑性变形率最大，然后均匀减小，让残余应力在矫直机出口降到最低水平。

2矫直机的控制思想和实现过程

矫直机的自动化部分分为：一级系统（

L1）和二级系统（L2）。L2的作用是计算矫直的设定值，并下发给L1。L1执行设定值，并把矫直的实际值发给L2，形成闭环控制，优化矫直参数，达到更好的矫直效果。整个矫直过程的实现可分为四种模式：全自动模式，自动模式，半自动模式，手动模式。

2.1矫直机的一级控制系统

矫直机的L1由两套S7-400的PLC 构成，配置416-2的CPU ，ProfibusDP 和以太网通讯的模块，以及数字量和模拟量的输入输出模块。主要实现的功能：

1）传动控制。

2）辊缝、弯辊、入出口导辊的控制。

3）辅助功能的控制，包括：上框架平衡系统，接轴及辊系锁紧系统，上辊系锁定，换辊及冷却系统。

4）顺序控制，包括：矫直机的标定，设定值的预摆，道次的管理。5）安全功能。

6）监控及人机界面，消息和报警系统。2.1.1传动控制的主要功能

电机采用西门子S120装置控制，与PLC 之间以DP 通讯的方式传递数据。矫直机咬入钢板后，由咬入加速到矫直速度再减速到抛钢速度，9根工作辊由两台主电机进行分组控制。

当钢板的头部在第一组控制分组的工作辊内时，1#电机的力矩极限根据头部在第一组辊内的位置进度减小，防止接轴过力矩，矫直速度由1#电机控制。2#电机保持速度控制，力矩被控制在正常的范围内。当钢板头部到第一组辊的第三根辊子下面时，2#电机的加速度以一定的等变率减小。计算该等变率，在头部走出第一组工作辊时取消加速度。这时，2#电机的力矩极限被提高到最大电机力矩，这样钢板速度由第二个电机按S-RAMP 速度曲线进行控制。当钢板尾部在第二组控制分组的工作辊内时，尾部走出第一组控制分组的工作辊，2#电机是速度控制。第二个传动的力矩极限逐渐从最大传动力矩减小到最后接轴的最大力矩。要按照尾部在第二组辊内的进度减小。当尾部走出矫直机时，力矩极限等于最后接轴的最大力矩。出口处的CMD6检测到钢板尾部时，速度主控器用S-RAMP 降低矫直机辊的速度基准，入口/出口辊道速度降为0。

2.1.2HGC 液压辊缝控制

为了控制上框架的位置和矫直辊缝，矫直机采用4个辊缝控制液压缸。这种长行程的液压缸安装在矫直机上框架的四个角上，每一个液压缸通过一个伺服阀控制。PLC 中液压缸压力的反馈值两两比较，超限值后，HGC 自动开环泄压，辊缝抬到最大，起保护作用。液压缸的位置传感器定期进行零点校准，自动回零。然后将HGC 系统选择

CLOSELOOP （闭环）控制状态，设置辊缝的控制程序在PLC 中运行。PLC 通过以太网与L2通讯，L1接收到预设数据之后，控制相应的伺服阀进行动作，达到设定的辊缝位置。设定值也可以通过HMI 画面手动设置或者通过操作台上的主令控制。相应的位置检测值、矫直力检测值等传回L2，作为下一次计算的自适应值，保证更好的矫直效果。

2.1.3弯辊控制原理

弯辊系统用于补偿矫直过程中自然观察到的矫直辊和箱体偏差。弯辊系统可在矫直过程中使矫直辊保持平行。

弯辊结构是上矫直辊和支承辊箱体安装在一个可收缩开式框架上。该框架被分成两部分，由活动接头连接。框架顶部的偏心可将这两部分分离，使矫直辊弯曲。内部装有位置传感器的液压缸启动该偏心。2个压力传感器给出液压缸每个腔的压力反馈。一个伺服比例阀传动弯辊缸，可控制其位置和过载保护。改变弯辊位置只能在矫直机无负载时进行。负载下的运动不可逆。

2.1.4辊道速度与矫直机速度的同步

辊道的控制权是用“token ”形式传递的。“token ”通过轧机的LCO 系统分配，轧机有专门的TDC 系统负责全线的物料跟踪，LCO 系统根据跟踪的物料位置分配“token ”。当钢板到达矫直机时，上一工序的工作已完成，矫直机处于“ready ”状态，LCO （下转第105页）

（上接第103页）

把矫直机上下游的辊道控制权交给矫直机，所有辊道的速度与矫直速度保持一致。矫直完成后，辊道控制权交给下一个工序。

速度的控制基于准确的物料跟踪的基础上，如果物料跟踪出现错误，速度给定就会混乱。矫直机的物料跟踪是在轧线方向上跟踪钢钢板的头部和尾部，最多可同时跟踪2块钢板。跟踪的初始数据来自上一设备的跟踪数据。跟踪的位置是由速度反馈计算并有金属检测器做修正的，但是金属检测器只能在合适的范围内做修正，如果误差超出范围则无法自动修正。

2.2矫直机的二级控制系统

L2的主要功能包括：钢板跟踪、数据存储和发送报告、人机界面、与L1的接口、与轧机L2的接口、模型计算。L2主要与轧机的L2和矫直机L1通讯交换数据。

L2与轧机L2采用Corba通讯。轧机的L2传给L2模型计算需要的初始数据，称为PDI，主要包括钢板号、钢种、尺寸、温度、化学成分等。当轧机的L2发一块新钢板的数据给L2的时候，L2会进行一次预计算，当钢板出了上游设备以后，L2会根据实际检测值重新计算一次，所以轧机L2发给L2的数据是实时的，分别在以下情况下会触发：板坯出炉、精轧机轧制最后一道之前、检测到钢板厚度时、钢板出上游设备以后。矫直结束后，L2传给轧机L2矫直数据，称为PDO，包括：钢板号、矫直状态、矫直时间、矫直前后钢板的温度、矫直的道次数、矫直的塑性变形率。

L2与L1采用以太网通讯。L2中的在线模型根据PDI计算出入口和出口的辊缝、系统允许的最小辊缝、弯辊的位置、矫直速度、矫直压力、扭矩、入出口导辊的位置，传给L1系统，L1根据相应的设定值调整，在L2的计算过程中，操作人员科通过L1的HMI上调整“Level-lingIndex”和“Flatnessindex”调整矫直强度和边浪、中浪的补偿。调整后会触发L2的模型计算。矫直结束后L1将矫直数据传给L2，包括：矫直力、电机扭矩、弯辊位置、上辊系位置、入出口导辊的位置、矫直的速度、矫直前后的钢板温度。L2会利用这些矫直数据做模型自适应，调整相应钢种的矫直标准系数，从而保证更好的矫直效果。

3小结

现阶段热矫直机控制系统具有较先进的控制思想，能实现在一级PLC与二级计算模型的通讯，实现全自动矫直，减少人为操作带来的产品不稳定因素，加快了生产节奏。我厂的矫直机自投产以来，一直保持着全自动矫直的模式，系统运行稳定，能保证自动化系统与轧机系统和MULPIC系统良好的协调和通讯，进而保证了整条产线的自动化程度。通过长时间的生产经验和模型的自适应，较成熟的钢种可以实现一个道次矫平的效果。

3.4负荷的影响

据了解，由于该厂生产任务比较紧，该炉经常是满负荷运行，有时甚至超负荷运行，故日间的排污基本不进行，一般在晚上及早上各安排一次，长时间不排污，会造成锅水碱度累积性地升高，并且在高碱度下开始松动脱落的水垢片由于不排污而积聚在了锅内。

4整改措施

首先对锅内的水垢脱落水垢片，对锅内进行人工清理及化学清洗，并对水管进行逐根铣管，彻底清除水垢。其次要求更换钠离子交换器内的全部732#阳离子树脂。对于锅炉来说，水的品质在锅炉安全运行中起着主要作用。因此，在整改后，应按规程要求进行合理的操作。下面我提几点建议：

4.1控制好原水、给水、锅水的品质

选择合适的水源作原水用。目前，为响应省人大的政策，我市已提前行动，及时扩大了自来水的生产能力，把取水口直接通到了全市的每一个角落，造福了全市人民。我建议该厂利用自来水作为锅炉给水的水源。相比于地下水和河水来讲，一是自来水中悬浮物、胶体等杂质的含量较少，不再需要进行混凝、沉淀等预处理工作；二是自来水的硬度相对来说较低，一般在2~3mmol/l的范围之内，这样硬度的水在通过交换器时，只要交换器内树脂合格，就一定能够置换出硬度≤0.03mmol/l且PH≤7的水，符合我们国家标准的要求。

对于置换出的给水，我们并不是说一直能用。我们要求对给水的水质进行跟踪监测，一旦测出交换器出水口的水质硬度超过0.03mmol/l，就必需马上进行再生处理。这样才能始终保证给水水质。如果在正常操作情况下置换不出合格的水，则要检查一下离子交换器的状况是否正常；树脂是否完好，阀门是否渗漏；另外，再检查一下再生液的浓度是否恰当。

在保证给水水质的情况下，我们要求操作工对锅炉的锅水进行控制。对于这台锅炉来说，一般要求至少每八小时排污一次。对于它的锅水，国标规定其碱度（JD）应在6~24mmol/l的范围之内，其PH值应在10~12的范围之内。溶解固形物（RG）应≤3500mg/l。碱度和PH值不合格的话，容易引起锅炉内结垢现象。如何来控制呢？我们要求水处理人员时常对锅水进行取样化验，得出精确数据，以便操作工进行控制排污的量。如果碱度过高，就要求操作工进行加大排污的量；反之，则适当减少一些排污的量。如果给水PH值正常的话，锅水的PH 值也能通过排污的量来控制。如果溶解固形物的含量高了，那么就容易引进汽水共腾现象，会破坏蒸汽品质。在这种情况下，就要求操作工增加表面排污的量来降低RG的含量，以保证蒸汽品质。另外，还有一个指标也是比较重要的，那就是锅水的氯根（Cl-）含量。氯根过高会引起锅内腐蚀，所以一定要控制好氯根的含量。如果发现氯根较高，则要从两方面进行着手查：一是查给水的含氯量；二是查锅水的含氯量。如果给水的含氯量超过自来水的含氯量，那一定是在给水再生的时候出了问题：第一，树脂再生时，需把盐水冲洗干净，避免软水氯根含量过高而导致锅水氯根不合格；第二，检查一下各个阀门是否渗漏，注意有没有盐水直接进入软水箱。如果给水氯根正常，锅水氯根过高的话，则要求加大锅水排污，降低锅内氯根的含量，减少腐蚀。

4.2制定锅炉房管理制度，严格按照锅炉操作规程进行操作，并落实考核制度

合理调节好锅炉负荷，对锅炉的使用有较大的影响。在生产任务紧张的情况下，可以按排三班制生产，条件许可时可启用备用炉，而不是满、超负荷地使用同一台锅炉。

司炉工应认真填写锅炉水质运行情况表。对锅炉的给水、锅水的每项指标都记录下来。对锅炉运行时的压力、温度、排污情况及其它指标也一一记录下来，以便传阅控制。

5现状及预期效果

目前该厂进行了改水方案，在锅炉修业期间，厂方及时与自来水公司联系，投资三十多万元，专为锅炉接通了自来水，从根本上杜绝了事故的隐患。自落实了上述措施后，该厂的锅炉运行稳定，至目前为止未发生任何事故，获得了良好的经济效益。