棒材生产的自动控制(DOC)

11 棒材生产的自动控制
11.1 概述
承德建龙的棒材生产线，配置了高水平的自动化控制系统，它不同于传统的旧式轧机的生产方式，产品质量和轧机的生产能力比较高。

同时，自动化水平的提高，要求操作工的知识水平与之相适应。

特别是在投产一到两年的时间内，不同程度的存在着自动控制方面的问题，这主要表现在：一是对自动控制系统理解不透，二是自动化过程与生产工艺过程衔接不完善。

本章对棒材生产中的主要控制过程进行叙述，有助于提高轧钢及电气人员更好的掌握并使用好高水平的连轧生产线。

11.2 轧制过程自动化的基本概念
所谓轧制过程自动化是指在轧制过程中采用自动化装置和电子计算机，使各种轧制过程变量，如轧制速度、张力、工作介质的流量、压力、温度等保持在所要求的给定值上，并合理的协调全部生产过程以实现自动操作的一种现代轧制技术。

轧制过程自动化所要解决的问题是提高和稳定产品质量，提高轧机等设备的使用效率，以便达到最经济的进行生产和经营的目的。

此外还可在人力不能胜任的复杂过程中或者人不能靠近的场合中实现自动操作，尤其是可把人从繁重的体力劳动中解脱出来。

随着计算机自动控制技术的广泛应用及轧钢生产过程的不断发展，棒材生产过程自动化的必要性主要表现在以下几个方面：
(1) 轧制生产过程日趋连续化。

随着棒材连轧工艺的完善，所轧制的坯料尺寸及重量加大，要求剪切热倍尺上冷床也要实现连续性，从而包括其
他一些连续性生产过程在内，使得连轧棒材生产的加热、轧制及后部精整剪切、包装等生产过程全部实现了连续化。

人本身很难在较短的时间内完成各个连续性的生产环节，而计算机自动控制过程解决了这一难点，使连续化生产得以实现，从而大大提高了生产效率，提高了轧钢车间的机时产量，使得生产规模越来越大。

(2) 轧制速度不断提高。

轧制过程的连续化为轧制速度的提高创造了条件，机加工的精度的提高也为连续高速度生产创造了机械条件。

目前传统工艺棒材生产轧制速度达20m/s左右，高速棒材生产速度突破了40m/s，大大超过了老式轧机的轧制速度，这样对轧件在线跟踪控制提出了更高的要求，而计算机快速反应及高灵敏度的跟踪控制恰恰满足了这一点。

(3) 能够减少误轧次数。

在一般轧制情况下当出现误轧时，清楚废钢或检修维护设备要花费很多时间，造成经济损失。

由于计算机控制系统能够按照事先编制好的程序迅速的进行规范严密的工作，可以避免或显著减少误轧次数，即使出现了误轧，计算机诊断系统也可协助操作人员快速对误轧原因（包括工艺及设备故障）作出准确判断，及时解决存在问题。

这些控制系统将大大提高轧机的作业率。

(4) 可实现多品种范围内的尺寸变更。

由于市场所需，棒材生产必须适应小批量、多品种规格的需要，这样轧件尺寸、工艺参数等要经常性的进行变更。

就手动控制而言，需要花费相当长的时间才能给定其给定值，而计算机控制系统，可通过调换轧制程序来实现这一变动，大大缩短了更换品种所用时间，并且可满足多品种变化的需要。

(5) 能对钢坯加热温度进行均匀控制。

加热炉的燃烧计算机自动控制系
统可以使钢坯的通条温度、表面上下温度差在30℃以内。

这样可控制整根轧件的温度，从而为建立最佳连轧速度关系打下基础。

(6) 能显著提高轧件的尺寸精度。

在连轧小规格棒材时，采用计算机微张力控制系统以及活套无张力控制系统，可保证整根轧件尺寸的一致性，从而可以大大提高产品的尺寸精度。

11.3 自动控制系统
11.3.1自动控制系统的构成
自动控制系统主要是由三部分组成，即计算机系统、电气驱动系统和可靠性高的检测元件。

计算机系统是自动控制系统的大脑，是完成自动控制系统的指挥系统，它通过参数设定、现场采集到的数据及信号，以及计算和逻辑判断来指挥驱动系统，完成生产工艺的具体操作。

电气驱动系统主要完成执行计算机发出的各项指令，用来驱动设备执行机构如轧机，同时系统具有自动调节和自动保护功能。

电气驱动系统可分为模拟控制系统和数字控制系统。

按控制对象来分，它又可分成交流调速系统和直流调速系统两种，特别是直流调速系统至今仍广泛应用在轧钢系统中，因为它具有良好的起动和制动功能，宜于在范围内平滑调速，但是当今世界由于交流异步电机结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，交流调速越来越被广泛应用到各个领域。

检测元件是自动控制系统的“眼睛”，检测元件通过电或机械的方法在无人干预的情况下给出被测量的数值或信号。

在棒材生产中检测元件一般有热金属探测器、活套扫描器、光电开关、编码器、压力传感器等几种形
式。

热金属检测器是一种把高温放出的红外线用光学原理采集，并将它转变成电信号的装置。

它在轧制过程中探测轧件“有”或“无”，是一个开关量检测元件。

它一般用于探测跟踪从加热炉出口到冷床入口的轧件。

活套扫描器是一种用于探测活套量大小的探测器，它是利用光电扫描脉冲相位比较的原理来实现对活套量大小的检测。

活套扫描器具有上述探测模拟量信号功能外，还具有开关量的功能，即具有热金属探测器检测轧件“有”或“无”的功能。

活套扫描器安装在轧机活套区，它与计算机、轧机驱动系统构成活套无张力控制系统。

编码器是利用光栅与光电管来完成光电转换，从而检测连接设备的转数，实现设备的速度测定和位置测定。

在棒材生产中，编码器主要用于电机速度检测和飞剪剪刃位置的控制以及物料行走距离的控制。

对于一般不能发出红外线的冷金属，用光电开关来检测。

光电开关是靠物体对光的遮挡或反射，通过光电转换的方式来判断冷金属的“有”或“无”，它的检测信号是开关量，一般用来检测、跟踪加热炉及精整区的冷钢坯和冷轧件（倍尺、定尺）。

非接触式测温仪（高温计）是利用红钢产生的红外线辐射量的大小与温度成正比例这一热学原理来检测轧件温度。

它安装在轧机区、水冷段、及冷床入口，以实现对轧件温度控制轧制。

其它检测元件如限位开关、压力开关、流量开关、温度开关等也属于自动控制系统的检测元件，它们与计算机构成了对机电设备运行进行控制的控制系统。

11.3.2 自动调速系统的构成
自动调速是指给定量确认以后，控制对象按照一定的曲线或模式在一定的时间内达到与给定量相匹配的结果。

按照拖动电机的类型来分，自动调速系统有直流调速系统和交流调速系统两大类；按控制方式可分解成如图11-1所示的形式。

11.3.3 动态当量和静态速降
轧钢系统随着速度的升高，对系统的静态速降和动态当量要求也随之提高，因动态、静态参数对轧材质量影响较大，较高的动、静态参数能比较顺利的调整出合格的产品，可大大减少人为因素对产品质量的影响。

静态速降是指系统在满负荷运动时的速度差，对于轧钢系统一般不高于1%，如图11-2所示。

静态速降主要取决于系统控制参数，模拟系统一般比较高，大约在0.6%~1%之间，全数字系统可达到0.1%。

动态当量是控制系统的一个综合指标，它表示调节时间和动态速降所形
成的面积。

轧钢系统当量一般在0.25%以下，如图11-3所示。

一般动态当量的近似计算公式为：
η=½∆n×∆t
式中 η——动态当量；
∆n ——冲击速降；
∆t ——调节时间。

11.3.4 速度调节和速度变化
对于速度控制系统必须明确两个概念：一是速度变化，另一个是速度调节。

速度变化是指由于负载变化而引起的速度变化，如图10-4所示。

速度变化为：
∆n 1=n A2-n B2
速度调节是指在负载不变的情况下，通过改变机械特性而引起的速度变化，如图11-5所示。

速度调节量为：
∆n 2=n A2-n B2
11.4 棒材生产控制系统
11.4.1 计算机形式的选择
在选择计算机时，首先分析计算机要完成什么功能，在实现这些功能时，是否便于维护和维修。

如对于轧钢系统，它要求从上料、加热、轧制、打包到收集连续化作业，同时为了保证及时有效的操作和速度调节的响应，对计算机处理信号也有比较高的要求。

从目前的应用情况来看，控制系统可分为两种类型，一是离散系统，二是集中系统。

从发展的角度来看，越来越多的生产厂和制造商看好离散系统，因为它便于维修、调试和编程，它可以把多种功能分离控制，同时又可把分散控制的功能进行同时管理，并且大大提高了局部数据的处理速度。

图11-6是棒材厂常用的计算机控制系统示意图。

11.4.2 传动控制系统的选择
在实际生产过程中，传动控制系统常处于外来干扰的影响作用下，要使它稳定下来，须克服外来干扰的影响而进行自动控制。

判定一个控制系统的好坏，除了要看其静态误差之外，还要看它的动态品质，这是极为重要的，实际上传动控制系统就是解决这些问题。

轧钢系统在选择传动控制系统时，不但要考虑其静态误差和动态品质的好坏，同时还要考虑如何利用不同轧区间对速度影响的不同要求。

在选择粗轧、中轧机组控制系统时，考虑到粗、中轧轧制时间长、轧件断面大，在满足系统静态误差时，可放宽动态品质的要求。

由于可以把粗、中轧机组的传动系统选择为电枢不可逆、励磁可逆的控制系统，这样可降低备件量和维修量，同时满足生产要求。

在选择精轧机控制系统时，由于它控制时间短，要求响应快，否则将严重影响产品质量。

这不但对静态误差有较高要求，对动态品质要求也很高。

因此我们可以将其控制系统选择为电枢可逆系统，减少其制动时间。

同时在轧钢系统中，除对速度和电流控制有一定的要求外，它对张力控制、活套控制、级联控制要求也很高。

为了完善微张力控制和无张力控制，在选择传动控制系统时，即要考虑到模拟量的控制，又要照顾到开关量的控制；既要考虑到速度量的控制，又要完成位置量的控制。

由此我们可以将其控制系统选择为智能全数字传动系统。

11.4.3 电机的选择
直流电机具有良好的起、制动性能，易于在大范围内平滑调速。

交流电机结构简单，价格便宜，维护工作量小，因此在交流电机能满足生产的条
件下一般采用交流电机，仅在起制动和调速等方面不能满足要求时才考虑使用直流电机。

近年来随着电子技术的发展，交流调速装置的性能和成本已能和直流调速装置竞争，越来越多的直流调速领域被交流调速占领。

在选择电机时，除了满足技术要求外，以下几点也要特别引起注意，因为它仍然对投产后设备运行好坏有直接影响：
(1) 维护维修。

当设备选型之后，在选择电机时，能用交流电机就不能使用直流电机，以使维护维修方便。

(2) 成本费用。

交流调速用交流调速装置比直流调速用直流装置价格要贵，因为交流调速装置是按照电机的电压电流的峰值选择主器件，当三相电流中某一相电流处于峰值时，另两相的电流只有一半，器件得不到充分利用，但交流电机比直流电机便宜，可以补充变频装置，增加成本。

如果交流变频装置的成本接近于直流整流装置的成本，那么越来越多的领域就可以使用交流电机来取代直流电机。

实际上，现在建设的棒材厂，较多的选择了交流电机，特别是由外商承包的控制系统，因其交流变频装置价格合理，一般选用交流电机。

(3) 冷却方式的选择。

无论采用直流电机还是交流电机，在不同的工作环境下，应采用不同的通风方式。

在环境温度高、灰尘多的地方应采用水冷方式，其特点是冷却效果好，但投资大；在环境温度较低、灰尘少的地方多采用风冷，其特点是投资少、维修方便。

(4) 电机功率、电机转数与轧制速度及齿轮速比的选择。

一个好的连轧孔型设计、除了要考虑好与孔型设计本身有关的参数外，还要根据孔型设计来选定好有关主机列（机架、齿轮箱、主电机）的力能参数，这对于完
成好连轧工艺生产起着十分重要的作用。

尤其是主电机参数的选择，将直接影响连轧速度状态是否稳定。

对于新建轧钢车间，要根据生产品种及坯料尺寸情况，通过孔型设计的力能计算，对初始设定的轧机能力（尺寸）、道次及各道次的变形量进行计算，再对各道次咬入条件、机架的承载能力进行效核，然后制定出一套完整的连轧工艺参数，包括各道次轧件尺寸、面积、速度及轧制温度。

各道次的轧制速度及轧辊转数是根据孔型设计各道次的延伸系数所确定的，而轧制功率又是根据轧制速度、轧制力及轧制力矩的大小计算出的。

对于初始设定的主电机功率、电机基速、最大速度及齿轮箱速比，应根据轧制速度及轧制功率进行合理的确认和修改。

11.4.3.1 带弱磁控制调速系统的控制规律
为了扩大调速范围，以及充分利用电机容量，直流电机可以采取即调电枢电压又调磁场的混合调速方式。

为了充分利用电机的容量，通常是按照先升压后弱磁的原则进行工作的，即基准速度以下保持励磁为额定值不变(Φ=Φed=常数)，仅改变电枢电压U D进行调速，此方法称为向下调速；在基速以上，保持电枢电压为额定值，通过减弱励磁，即Φ下降，使转速在基速以上调节，此方法称为向上调速。

于是转速调节的范围被扩大了。

这种联合调速方式的示意图如图11-7所示。

调速过程中因为是恒磁通，电流额定值不变，即Іe=І= Іed=常数，则电磁转矩为：M=C mΦІd
电机输出功率为：P=E dІd-M n /975-K n
电机功率随着转速而变化，转速越低功率越小。

显然，电机的容量没
有得到充分利用，此种调速方法在低速时是不经济的。

因为变电压低速时，
基速以上保持电机电压恒定，减弱磁通调速时，若忽略电阻压降，则E≈U d≈U ed=C e nΦ。

Φ由式Φ=ΦedІa n ed/n可得。

式中Φ——弱磁后的磁通；
Φed——基速下的磁通，Φed =Φmax =常数；
n ed——电机基数转数；
n——弱磁后的电机转数。

M=C mΦІd
由以上公式可推得在基速以上电机转矩为：M=C mΦedІa n ed/n=KІa n ed/n 由上式可见，弱磁调速时，电机扭矩随着专数升高而下降。

另外电机功率P=E dІd= E dІed也保持恒定不变。

所以弱磁调速的规律是：磁通减弱，速度上升，扭矩下降，电机功率保持不变。

见图11-8。

11.4.3.2 电机负荷率的概念
在轧制过程中，轧件在相应的轧制力矩、轧制速度下所需的实际轧制功率与电机在相应转速下发挥的电机功率之比称为电机的负荷率。

通过负荷率的大小可以看出电机在轧制过程中任何一时刻承载能力的多少。

例如：
在最大轧辊辊径下轧制Ø20螺纹钢时第四架实际轧制功率为325kw，相应的电机转数为基速下742r/min，而电机的实际基速为850r/min，额定功率为522 kw，这样电机轧制负荷率为：U=325÷[(742÷850)×522]=71.3%。

11.4.3.3 有关参数的确定
根据上述两点对电机控制系统特性及负荷率的分析，有关参数的确定遵循了如下原则：
(1) 选定的电机要满足最大轧制功率，并留有一定的余地，用来满足轧件尺寸及温度的波动，同时为以后提高机时产量和低温轧制留有一定余量。

(2) 选定的电机品质范围为0~基速~最大转速，要求最大速度/基速不大于2。

(3) 初始给定轧机齿轮速比，对根据孔型设计计算出的主电机在最大轧辊辊径下的最小电机转数及在最小轧辊直径下的最大轧辊转数，要进行合理的综合分析确认，其原则为：根据电机的基速以下变电压变功率恒转矩调速特性，对于电机的最小工作转数应尽量提高，以防电机功率得不到充分发挥。

同时在使用大轧辊直径下轧制力及轧制功率比小轧辊辊径都有所提高，同时要求电机的最大负荷不超过100%。

根据电机在基速以上恒电压、恒功率变扭矩的调速特性，对于电机的最大工作辊径应留有一定的余量，一是考虑防止在高速度情况下由于弱磁过多、扭矩过小，转速不易控制，同时高速运转对机械设备也没好处；二是要考虑对以后的增加品种及提高产量留有一定余量，所以制定了电机实际最大工作转数不大于电机最大转数的92%。

即留有8%的速度余量的原则。

当电机工作转数不在以上所述的原则范围内时，应在首先确定好的速度
范围的基础上来修改初始轧机齿轮速比给定值，或是同一减速机上设置两档减速比，直到满意为止。

11.5 棒材生产主要自动控制过程
现代化的棒材生产车间，生产的全部过程都采用了自动控制，从而使全线生产达到了全自动状态。

在正常生产情况下，很少用人来干预。

根据生产环节的区别，控制过程又分为逻辑判断性控制及简单的顺序过程控制。

以下几种控制过程是连轧棒材生产自动控制过程中的主要内容。

11.5.1 自动出钢过程控制
在主控台设有手动/自动出钢方式选择，手动方式可以经过操作人员启动出钢按钮一根一根完成出钢，此操作方式一般用于试轧或事故状态。

自动方式通过操作人员启动自动出钢按钮，实现出钢自动控制，用于正常连续生产状态。

自动出钢过程的完成是通过加热炉步进梁上升、前进、下降将钢坯放到停止的出炉辊道道口，然后辊道运转将钢坯送上加热炉出口侧辊道，经除磷机再由辊道送入第一架轧机。

如图11-9所示，自动出钢是通过上一根钢坯尾部由炉门前的热金属探测器（HMD）检测到延时，启动步进梁上升、前进、下降等动作来完成的。

延时时间为：
T延时= T轧- T升- T进- T降- T1- T2- T间隙
式中T轧——上根钢坯尾部从除磷机前的HMD到第一架轧机所用的时间；
T升——步进梁升起所用时间；
T进——步进梁前进所用时间；
T降——步进梁下降所用时间；（T升+ T进+ T降=36秒）
T1——由炉内出钢辊道将钢坯送至炉门前HMD所用的时间，并且有：T1= L1 /υ1
υ1——炉外辊道的快速出钢速度；
T2——由炉门前HMD到第一架轧机咬入所用时间，并且有：T2= L2 /υ2
υ2——炉外辊道慢行运行速度；
T间隙——两根钢坯之间的出钢间隙。

除鳞机（除磷机预留）的打开/闭合控制过程是：生产一些优质钢，要对钢坯表面氧化铁皮进行高压水除磷，除磷机的打开闭合要与轧制节奏相配合，一般在除磷机前HMD检测到钢坯头部信号延时打开除磷机，当检测到钢坯尾部信号经延时闭合除磷机。

炉外辊道及夹送辊的速度控制及连锁条件是：在出钢过程中，炉外辊道与炉内出钢辊道速度相匹配实现快速出钢，通常速度为1.0m/s或1.5m/s。

当夹送辊前HMD探测到钢坯头部并经延时闭合夹送辊后，同时将夹送辊及炉外辊道速度从快速出钢速度降到慢速（0.4m/s）。

当钢坯咬入第一架轧机时，夹送辊及炉外辊道由慢速降至与第一轧机轧件进口轧制速度相等，同时夹送辊打开。

11.5.2
对于粗、中轧机的微张力控制来说，轧件断面越大，机架间距离越小，轧制速度越低，控制精度就越高。

但由于连轧过程中，随着轧件断面的减小，轧制速度也越来越快，这样一般在粗轧机组和中轧机组采用微张力控制，而在精轧机组采用活套无张力控制。

微张力控制系统一般多采用前滑值控制法或头部电流记忆控制法，大多棒材厂采用后者，我们也采用电流记忆控制法。

10.5.2.1 前滑值张力控制
A
控制过程的理论基础
为了保持速度的连轧关系，从轧制运动学的角度来看，前一机架的轧机出口速度必须等于后一架的入口速度，即V hi =V Hi+1
式中 V hi ——第i 机架轧件的出口速度；
V Hi+1——第i+1架轧件的入口速度。

当i 和i+1两机架间存在张力时，若为拉钢，则使V hi 升高、V Hi+1下降；若为堆钢则相反。

这两种情况都破坏了前一机架的轧机出口速度必须等于后一架的入口速度的稳定连轧关系。

如果直接用V hi 作为控制参量来保证V hi =V Hi+1的关系，它无法和轧辊转数（电机转数）建立直接的关系，而轧件相对于轧辊工作辊径处的线速度和轧辊转数存在这如下关系：
式中V——轧件相对工作辊径的线速度，m/s；
D——轧辊工作辊径，m；
n——轧辊每分钟转数，r/min；
所以必须引进前滑值的概念。

前滑值用S h表示：
当两机架之间无堆拉钢现象时，前滑值用S h0表示，并有：
式中V h0——无堆拉钢时的轧件出口速度。

当两机架之间存在堆拉钢现象时，前滑用S h表示。

为了控制两机架之间的连轧关系，控制系统在调速过程中必须使得S h接近于S h0，控制系统在调速过程中的前滑值信号则为：
B 控制过程
根据以上分析，两机架间存在着堆拉钢现象，使得轧件的出口速度发生了变化，从而使得前滑值S h偏离了自由无张力时的前滑值S h0，控制系统必须对轧件的出口速度进行跟踪检测，再转换成前滑值信号S h-S h0。

控制系统通过改变电机速度使得前滑值信号趋近于0但不等于0。

为了避免轧钢事故，必须设定一个S h-S h0值，使得轧制保持微张力。

S h-S h0的最小值一般可取为+3%。

控制过程如下：
(1) 记忆储存轧件刚好从前机架出来，还未进入下一机架时的前滑值S h0，S h0相对于在自由无张力时的前滑值。

(2) 当轧件进入下一机架后，通过测量轧件速度得到前滑值，同时计算前滑信号的S h-S h0的大小。

(3) S h-S h0值的大小被反馈到前一机架的速度控制系统，使得调整后的结果值的大小等于其设定值。

在调速过程中S h-S h0和设定值比较，当S h-S h0>设定值时，应调上游机架升速，减少拉钢；当S h-S h0<设定值时应调上游机架降速，减少堆钢。

当轧件进入下一机架后，调节系统开始启动，改变上游机架的速度，这样反复调节，使S h-S h0与设定值相近。

图11-10为前滑值控制框图。