第10章-高速线材生产过程自动控制
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重点难点
重点：速度级联控制、微张力闭环控制、飞剪控制、活套位置的控制原理
难点：微张力控制
10高速线材生产过程自动控制
10.1高速线材轧机控制系统
某厂的轧线设备布置如图10-1所示。
图10-1某高速线材厂主轧线工艺平面布置图
H—水平辊轧机；V—立辊轧机
某厂高速线材生产线采用全连续轧制工艺，全线轧机28架，采用6-6-6-10形式，机组组成为6架粗轧机、6架中轧机、6架预精轧机、10架精轧机，呈平、立交替布置。1H-12H轧机采用微张力轧制，13H-18V采用活套轧制，精轧机组采用无扭无张力轧制。粗、中、预精轧每架轧机分别由一台交流电机单独驱动，精轧机组10架轧机则由一台5500KW同步电机驱动。精轧机组末架轧机设计最高速度为105 m/s，保证速度不得低于90m/s，产品规格Ø6.5~16mm，设计年产量50万吨。
内蒙古科技大学教案
材料与冶金学院李振亮
课程名称：《材料成型控制工程基础》（第10章，共11）编写时间：2010年9月1日
授课章节
10高速线材生产过程自动控制
10.1高速线材轧机控制系统10.2微张力控制系统10.3飞剪控制系统10.4活套控制系统
目的要求
本章围绕高速线材生产特点，重点介绍了轧机、微张力、飞剪、活套控制系统的组成、控制功能、控制原理等内容。学习本章，要了解高线生产工艺布置及各系统的硬件、软件组成特点，熟悉每一系统的控制功能，重点掌握相关的控制原理。
（10-7）
重点掌握
掌握
推导过程熟悉即可
了解
掌握
内蒙古科技大学教案
10.3飞剪控制系统
以我国某厂高速线材生产线GE90-30系列PLC的2#起停式飞剪来说明飞剪的控制原理。
10.3.1系统硬件结构
图10-5起停式飞剪GE90-30 PLC控制系统原理图
10.3.2飞剪动作执行过程
图10-7剪切动作执行过程示意图
为保证精轧出口速度的稳定,本系统的级联方向采取逆轧制方向即从精轧机开始向轧线上游级联。首先，由“级联速度设定”及“自动级联调节”综合作用产生各机架线速度设定值,再根据对应机架的工作辊径、减速机的速比等相关参数折算为电机轴转速,然后线性变换为速度设定信号,最后通过实时通信网络由PLC送给主传动速度调节系统。
飞剪定位时各区域示意图见图10-8所示。
图10-8飞剪定位区域示意图
A-减速区；B-停车区；C-反爬区；D-过反爬区
熟悉
熟悉
内蒙古科技大学教案
10.4活套控制系统
10.4.1设备配置
10.4.2活套控制方式
10.4.3活套控制过程
具体活套控制过程包括四个阶段：活套预形成、活套形成、活套控制以及甩尾。
全线共设7个活套，用于对轧件进行无扭、无张力轧制。12V-14V轧机之间设2个立活套，14V-15H轧机之间设1个侧活套（又称“水平套”），15H-18V轧机之间设3个立活套，18V-19#轧机之间在精轧机前设有1侧活套。
熟悉
熟悉
内蒙古科技大学教案
所谓“速度级联控制”，即在高速线材轧制过程中，为保持机架间的速度关系完全匹配、机架间轧件秒流量相等，对轧制过程中来自活套闭环控制的调节量、手动干预调节量，按逆轧制方向依次对前面的各机架速度进行增减，实现轧机速度的级联控制。当轧件在两机架间断开时，级联调节取消；轧件在两机架间连续轧制时，级联轧制重新建立。速度级联控制是连轧生产线电气控制思想的精华，它充分体现了钢材连轧生产的特点。
（1）活套预形成。当上一根钢坯的尾部从上游轧机吐出后，便进入该根钢坯的起套准备阶段，这个阶段一直持续到下游轧机咬钢时为止。
（2）起套。系统在突加额定负载时的动态速降约为5%，其恢复时间约为0.5~1.0s。
（3）自动控制。起套完成后，即进入活套控制阶段。此时系统按级联方向对所有机架进行实时速度修正。
熟悉
重点掌握
了解
（4）收套。当轧件的尾部接近上游机架时，即进入收套阶段。如果坯尾还没有从上游轧机中脱出，失去挑套辊支撑的活套会惯性地向下游涌去，撞在出口压套辊上，这种现象为“浪涌”；当坯尾从上游轧机脱出并进入活套台时，如果套位仍然比较高，坯尾会先后鞭打活套台上罩和底部，容易损伤机械设备，这种现象为“甩尾”。
10.4.4活套位置与套型控制
计算飞剪由A点先加速到B点、再匀速运行到O点所需的时间T3
T3= T1+T2（10-20）
最后计算飞剪启动延时时间T
T=[(L+L1)/V]－T3－K2（10-21）
式中,K2为考虑干扰时的修正常数。
定位速度V2由一速度常数乘以一个可变系数K3所得。
V2= K3×V3（10-22）
式中,V3为一常数,以此作为定位速度基准值。
式中，K1可由上位机设定。
（2）确定飞剪启动延时时间T
计算飞剪由A点加速到B点所需时间T1
T1= V1/a（10-18）
式中,a为飞剪加速度常数。
计算飞剪由B点匀速运行到O点所需的时间T2
T2= (S－S1)/V1（10-19）
式中,S—AO弧长,S=0.75×剪刃旋转周长；
S1—AB弧长,S1=0.5×a×T12。
10.2微张力控制系统
10.2.1基本原理
微张力控制就是使粗、中轧机组各机架之间的轧件在微小的张力范围内进行高速线材生产，一般采用“电流—速度”的间接微张力控制法。
其基本原理是:张力的变化是由线材的秒流量差引起的，调节轧机的速度就能改变秒流量，从而达到控制张力的目的。通过对相邻两工作机架中上游机架电机的转矩进行检测、记忆存储，形成表示钢坯内张力大小的实际值，与设定的张力给定值比较偏差，通过比例、积分控制校正上游机架的速度，协调两机架之间的关系，实现微张力控制。其控制关键是准确测量各轧机的轧制电流（即力矩)，系统通过检测相应机架的电枢转矩间接得到该值。当本机架的轧件咬钢而轧件尚未进入下架轧机时，控制系统计算出的力矩值便是本轧机的轧制力矩值。当下架轧机也咬钢时，重新计算得到新的力矩，两力矩之差是轧件上的张力力矩。若偏差值为正，表示机架间堆钢；若偏差值为负，表示机架间拉钢。系统就是根据偏差值的正负和大小，给出相应的速度修正来平衡轧机的速度，保证机架间的张力被限制在一定范围内，实现微张力控制。
掌握
了解
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10.3.3飞剪控制原理
（1）确定飞剪剪切线速度V1
以图10-7所示的飞剪过程为例，飞剪控制GE90-30 PLC系统通过以太网,把从轧线GE90-70PLC系统中获得飞剪前一架轧机的线速度V,将V乘以一个剪切超前量K1,便得到剪刃剪切线速度V1。
V1= K1×V（10-17）
本系统通过“级联速度设定”及“自动级联调节”相结合的方式为轧线各机架的速度提供速度设定。“级联速度设定”是指通过确定轧线基准速度（本系统采用精轧机出口速度）和各机架延伸率来确定各机架的设定速度；“自动级联调节”是指根据微张力调节器或活套调节器产生的速度修正信号,通过级联的方式对各机架的速度进行修正。
重点：速度级联控制、微张力闭环控制、飞剪控制、活套位置的控制原理
难点：微张力控制
10高速线材生产过程自动控制
10.1高速线材轧机控制系统
某厂的轧线设备布置如图10-1所示。
图10-1某高速线材厂主轧线工艺平面布置图
H—水平辊轧机；V—立辊轧机
某厂高速线材生产线采用全连续轧制工艺，全线轧机28架，采用6-6-6-10形式，机组组成为6架粗轧机、6架中轧机、6架预精轧机、10架精轧机，呈平、立交替布置。1H-12H轧机采用微张力轧制，13H-18V采用活套轧制，精轧机组采用无扭无张力轧制。粗、中、预精轧每架轧机分别由一台交流电机单独驱动，精轧机组10架轧机则由一台5500KW同步电机驱动。精轧机组末架轧机设计最高速度为105 m/s，保证速度不得低于90m/s，产品规格Ø6.5~16mm，设计年产量50万吨。
内蒙古科技大学教案
材料与冶金学院李振亮
课程名称：《材料成型控制工程基础》（第10章，共11）编写时间：2010年9月1日
授课章节
10高速线材生产过程自动控制
10.1高速线材轧机控制系统10.2微张力控制系统10.3飞剪控制系统10.4活套控制系统
目的要求
本章围绕高速线材生产特点，重点介绍了轧机、微张力、飞剪、活套控制系统的组成、控制功能、控制原理等内容。学习本章，要了解高线生产工艺布置及各系统的硬件、软件组成特点，熟悉每一系统的控制功能，重点掌握相关的控制原理。
（10-7）
重点掌握
掌握
推导过程熟悉即可
了解
掌握
内蒙古科技大学教案
10.3飞剪控制系统
以我国某厂高速线材生产线GE90-30系列PLC的2#起停式飞剪来说明飞剪的控制原理。
10.3.1系统硬件结构
图10-5起停式飞剪GE90-30 PLC控制系统原理图
10.3.2飞剪动作执行过程
图10-7剪切动作执行过程示意图
为保证精轧出口速度的稳定,本系统的级联方向采取逆轧制方向即从精轧机开始向轧线上游级联。首先，由“级联速度设定”及“自动级联调节”综合作用产生各机架线速度设定值,再根据对应机架的工作辊径、减速机的速比等相关参数折算为电机轴转速,然后线性变换为速度设定信号,最后通过实时通信网络由PLC送给主传动速度调节系统。
飞剪定位时各区域示意图见图10-8所示。
图10-8飞剪定位区域示意图
A-减速区；B-停车区；C-反爬区；D-过反爬区
熟悉
熟悉
内蒙古科技大学教案
10.4活套控制系统
10.4.1设备配置
10.4.2活套控制方式
10.4.3活套控制过程
具体活套控制过程包括四个阶段：活套预形成、活套形成、活套控制以及甩尾。
全线共设7个活套，用于对轧件进行无扭、无张力轧制。12V-14V轧机之间设2个立活套，14V-15H轧机之间设1个侧活套（又称“水平套”），15H-18V轧机之间设3个立活套，18V-19#轧机之间在精轧机前设有1侧活套。
熟悉
熟悉
内蒙古科技大学教案
所谓“速度级联控制”，即在高速线材轧制过程中，为保持机架间的速度关系完全匹配、机架间轧件秒流量相等，对轧制过程中来自活套闭环控制的调节量、手动干预调节量，按逆轧制方向依次对前面的各机架速度进行增减，实现轧机速度的级联控制。当轧件在两机架间断开时，级联调节取消；轧件在两机架间连续轧制时，级联轧制重新建立。速度级联控制是连轧生产线电气控制思想的精华，它充分体现了钢材连轧生产的特点。
（1）活套预形成。当上一根钢坯的尾部从上游轧机吐出后，便进入该根钢坯的起套准备阶段，这个阶段一直持续到下游轧机咬钢时为止。
（2）起套。系统在突加额定负载时的动态速降约为5%，其恢复时间约为0.5~1.0s。
（3）自动控制。起套完成后，即进入活套控制阶段。此时系统按级联方向对所有机架进行实时速度修正。
熟悉
重点掌握
了解
（4）收套。当轧件的尾部接近上游机架时，即进入收套阶段。如果坯尾还没有从上游轧机中脱出，失去挑套辊支撑的活套会惯性地向下游涌去，撞在出口压套辊上，这种现象为“浪涌”；当坯尾从上游轧机脱出并进入活套台时，如果套位仍然比较高，坯尾会先后鞭打活套台上罩和底部，容易损伤机械设备，这种现象为“甩尾”。
10.4.4活套位置与套型控制
计算飞剪由A点先加速到B点、再匀速运行到O点所需的时间T3
T3= T1+T2（10-20）
最后计算飞剪启动延时时间T
T=[(L+L1)/V]－T3－K2（10-21）
式中,K2为考虑干扰时的修正常数。
定位速度V2由一速度常数乘以一个可变系数K3所得。
V2= K3×V3（10-22）
式中,V3为一常数,以此作为定位速度基准值。
式中，K1可由上位机设定。
（2）确定飞剪启动延时时间T
计算飞剪由A点加速到B点所需时间T1
T1= V1/a（10-18）
式中,a为飞剪加速度常数。
计算飞剪由B点匀速运行到O点所需的时间T2
T2= (S－S1)/V1（10-19）
式中,S—AO弧长,S=0.75×剪刃旋转周长；
S1—AB弧长,S1=0.5×a×T12。
10.2微张力控制系统
10.2.1基本原理
微张力控制就是使粗、中轧机组各机架之间的轧件在微小的张力范围内进行高速线材生产，一般采用“电流—速度”的间接微张力控制法。
其基本原理是:张力的变化是由线材的秒流量差引起的，调节轧机的速度就能改变秒流量，从而达到控制张力的目的。通过对相邻两工作机架中上游机架电机的转矩进行检测、记忆存储，形成表示钢坯内张力大小的实际值，与设定的张力给定值比较偏差，通过比例、积分控制校正上游机架的速度，协调两机架之间的关系，实现微张力控制。其控制关键是准确测量各轧机的轧制电流（即力矩)，系统通过检测相应机架的电枢转矩间接得到该值。当本机架的轧件咬钢而轧件尚未进入下架轧机时，控制系统计算出的力矩值便是本轧机的轧制力矩值。当下架轧机也咬钢时，重新计算得到新的力矩，两力矩之差是轧件上的张力力矩。若偏差值为正，表示机架间堆钢；若偏差值为负，表示机架间拉钢。系统就是根据偏差值的正负和大小，给出相应的速度修正来平衡轧机的速度，保证机架间的张力被限制在一定范围内，实现微张力控制。
掌握
了解
了解
内蒙古科技大学教案
10.3.3飞剪控制原理
（1）确定飞剪剪切线速度V1
以图10-7所示的飞剪过程为例，飞剪控制GE90-30 PLC系统通过以太网,把从轧线GE90-70PLC系统中获得飞剪前一架轧机的线速度V,将V乘以一个剪切超前量K1,便得到剪刃剪切线速度V1。
V1= K1×V（10-17）
本系统通过“级联速度设定”及“自动级联调节”相结合的方式为轧线各机架的速度提供速度设定。“级联速度设定”是指通过确定轧线基准速度（本系统采用精轧机出口速度）和各机架延伸率来确定各机架的设定速度；“自动级联调节”是指根据微张力调节器或活套调节器产生的速度修正信号,通过级联的方式对各机架的速度进行修正。