热轧薄板厂卷取夹送辊自动控制过程

控制工程
Control Engineering of China Sep .2008Vol.15,S 1
2008年9月第15卷增刊
文章编号:1671-7848(2008)S 1-0063-03
收稿日期:2008-03-31; 收修定稿日期:2008-05-26 作者简介:李小新(1977-),男,河北唐山人,助理工程师,主要从事热轧薄板卷取机工业自动化控制等方面的工作。

热轧薄板厂卷取夹送辊自动控制过程
李小新,李晓刚
(唐钢自动化(微尔电子)公司工程部
,河北唐山 063000)
摘 要:夹送辊辊缝增加或减少是通过安装在框架两侧的液压缸上升和下降来控制的。

液压缸控制包括位置控制和压力控制。

位置反馈值是通过安装在液压缸内部的位置传感器获得。

液压缸有杆侧和无杆侧的压力是通过安装的压力传感器测量的,实际压力根据测量值计算。

当带钢进入夹送辊前,上夹送辊为位置控制;带钢进入夹送辊时,上夹送辊由位置控制切换到压力控制;当带尾到达夹送辊时,上夹送辊由压力控制切换到位置控制;夹送辊的作用是将带钢的头部引向地下卷取的卷筒,保持夹送辊和卷取机间的张力。

卷取时,卷取机与夹送辊和精轧机形成了稳定的张力保证了卷取质量。

关 键 词:位置控制;压力控制;系统组态;GDM 中图分类号:TP 27 文献标识码:A
Pinch Roll Automatic Control Process of Hot Strip Mill Plant
LI Xiao -xin ,LI Xiao -gang
(Engineering Department,Tangs teel Automation (Will Electronic)Co Ltd,Tangs han 063000,China)
Abstract :The increase or decrease of pinch roll gap is controlled by the raise and d rop of hydraulic cylinders mounted on each side of the frame.The hydraulic cylinders control includes positi on control and pressure control.Position feedback is given via linear position transducers
mounted inside the hydraulic cylinders.The hydraulic pressure on the piston and rod sides of the hydraulic cylinders are measured by pressure transducers.The pressure is calculated from the measured hydraulic p ressures.Before the strip en ters into the pinch roll,the top roll con trol is the posi tion control.When the strip enters i nto the pinch roll,the top roll control is transferred from the position control to the pressure con -trol.When strip tail enters into the pinch roll,the top roll conrtol is transferred from the pressure con trol to the posi tion control.The function of pinch roll i s to guide the strip head to the mandrel of down coiler i n order to keep the tension between down coiler and pinch roll.During the coili ng ,the stable tention formed among down coiler ,finishing mill and the pi nch roll,and guaranteed the coiling quali ty.Key words :position control;pressure control;system configuration;global data memory
1 引 言
热轧薄板厂卷取夹送辊是热轧工艺及其他轧钢工艺中的主要设备之一。

该设备在整个系统中起着至关重要的作用,它能否正常运行直接影响着热轧薄板线的状况、产品质量和产量。

夹送辊的自动控制过程贯穿整个卷取过程,如果失败,将直接造成卷取堆钢,甚至造成设备损坏及人身伤亡。

因此,夹送辊的自动控制必须做到准确、及时、安全可靠。

在热轧薄板线中,卷取夹送辊首先进行位置控制以便咬入带钢头部,然后根据带钢张力进行压力控制以保证卷型。

2 位置和压力控制描述
夹送辊的每一个动作都是夹送辊上辊通过两个
伺服阀控制两个液压缸上下动作来完成的。

夹送辊的每一个动作都是闭环控制,位置控制是通过比较PR 液压缸开度的实际值和设定值来进行控制的。

将液压缸内置位置传感器实测的PR 开度值和PR 开度设定值比较,由PLC 计算二者的差值,将差值与增益相乘,将结果输出作为伺服阀开度命令值。

位置控制框图
,如图1所示。

图1 位置控制
压力控制是一种控制夹送辊夹紧力的控制方法,通过调节夹送辊的位置来改变上下辊之间的夹紧力。

监测夹紧力的实际值,把实际值和设定值进
行比较,得到两者的差值,将差值与增益相乘,将结果输出作为伺服阀开度命令值。

压力控制框图,如图2
所示。

图2 压力控制
在夹送辊液压缸的有杆侧和无杆侧分别装有液压压力传感器,用来监测液压缸有杆侧和无杆侧的压力,将测量得到的液压缸内的压力通过计算转换为上下夹送辊之间的夹紧力,计算中需要考虑上下辊间的辊缝、辊子的直径、下辊的偏移量、辊子重量等因素的影响。

夹送辊控制的准确性主要包括以下几点因素的影响:
¹液压缸位置和辊缝关系的计算。

º液压缸压力和夹送辊压力之间关系的计算。

»两个液压缸的同步性。

¼夹送辊辊缝的标定。

对于¹,º,采用精确的计算推导公式;对于»,由于液压缸和伺服阀特性差异,在调试阶段对其控制参数进行调整就可以达到要求;对于¼,通过精确的计算和自动控制来完成。

本文以唐钢新建1700线为例,简要介绍卷取夹送辊的自动控制过程和如何用PLC 实现控制和数据处理。

3 液压缸位置和辊缝关系的计算
夹送辊液压缸位置和辊缝关系的计算,如图3
所示。

图中,R 为PR 上辊半径,445~450mm;r 为PR 下辊半径,245~250mm;s 为辊缝设定值;x 为下辊偏移量,25mm;y 1数值由上辊、下辊辊径和下辊偏移量决定;y 2数值由上辊、下辊辊径和下辊偏移量决定;液压缸最大行程320mm 。

图3 液压缸位置和辊缝关系的计算
y 1的值由PR 上下辊径和下辊的偏移量决定:y 1+r =((R +r )2
-x 2
)
1P 2y 2+r =((R +r +s )2-x 2
)1P 2
y 1=((R +r )2
-x 2
)
1P 2
-r
y 2=((R +r +s )2-x 2
)
1P 2
-r
4 液压缸压力和PR 夹持力之间的关系计算
液压缸压力和PR 夹持力之间的关系计算,如
图4所示。

R 为上辊的半径,445~450mm;r 为下辊的半径,245~250mm;S R 为实际辊缝;P C 为液压缸压力;P R 为PR 夹持力;x 为下辊偏移量,25mm 。

图4 液压缸压力和PR 夹持力之间的关系计算
P C =P R #cos H =P R #(1-sin 2H )1P 2
sin H =x P (R +S R +r )因此:P C =P R (1-(
x R +S R +r
)2)
1P 2
(1)
通过式(1)将液压缸压力换算为PR 的夹持力,
相反也可以将实测的夹持力换算为液压缸压力。

液压缸的出力和液压压力间的关系:
P C =P h @A h -P r @A r +{W -K (液压缸行程实际值-L 1+L 2)}
式中,P h 为无杆侧液压压力,kgf P cm 2
;P r 为有杆侧液压压力,kgf P cm 2
;A h 为无杆侧活塞面积,为314.16cm 2
;A r 为有杆侧活塞面积,219112c m 2
;W 为上辊部件质量,13500kg;K 为消除间隙所需的弹性常数,11784KN P mm;L 1为弹簧开始工作时液压缸位,23616m m;L 2为弹簧预加负荷长度,50mm 。

5 夹送辊辊缝标定
标定的作用是使系统设定的辊缝值和实际辊缝值相一致。

在辊缝标定时,按设定的数值使上下辊之间产生夹紧力,并使操作侧和传动侧的压力相等(压力差=0)。

标定的操作过程,如图5所示。

图5 标定的换作过程
6 控制系统的组成
唐钢新建1700线的自动控制系统,采用了先
进的/基础自动化+二级过程控制计算机+二点一
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级生产管理计算机0的一体化结构,构成了一套功能完备的综合控制系统,如图6
所示。

图6 系统组态图
基础自动化系统采用电气-仪表一体化设计,主要由操作站、过程控制PLC 以及通信总线等组成。

操作站采用工业控制计算机,用于实现生产过程的监控、操作、报警、趋势记录、报表打印等。

采用西门子公司的WinCC 监控组态软件,进行操作站监控画面的组态编程。

过程PLC 采用SIMATIC TDC,用于生产过程的数据采集、回路控制、顺序控制以及连锁等。

通过编程器,采用CFC 语言程序,对PLC 进行系统逻辑控制编程。

TDC 之间采用GDM 进行数据通信。

采用工业以太网,通过交换机,进行数据通信。

整个基础自动化系统共设有14套PLC,粗轧区域3套,精轧区域8套,卷取区域3套(DC901,DC041,DC042),夹送辊的自动控制由图6中的DC041,DC042来完成(卷取区域有两套夹送辊第一套由DC041来完成,第二套由DC042来完成,两套程序几乎一样,现以第一套为例)。

7 自动控制程序
无论是夹送辊的位置控制,压力控制,还是辊缝的自动标定控制,每个过程都涉及到很多连锁信号,每个动作都有安全保护和异常情况急停措施,同时夹送辊的设定辊缝和设定压力,二级要根据不同的钢种、不同的规格进行处理并传给一级。

所以夹送辊的控制要做到准确性与实时性。

具体流程图,如图7
所示。

图7 加送辊自动控制流程图
8 结 语
本文研究了热轧薄板厂卷取夹送辊自动控制过程,从位置和压力控制、液压缸位置和辊缝关系的计算、液压缸压力和PR 夹持力之间的关系计算、夹送辊辊缝标定及自动控制程序等方面进行了阐述。

该控制系统结构简单、清晰,且采用分布式结构,便于工厂设计、安装和调试。

自从2005年12月31日卷第一卷钢开始,经过一个月精调,已经达到设计和控制要求。

参考文献:
[1] 刘,杨卫东,刘文仲.热轧生产自动化技术[M ].北京:冶金出
版社出版,2006.
[2] 孙一康.带钢热连轧的模型控制[M ].北京:冶金出版社出版,
2002.
(上接第15页)
4 结 语
针对小型恒压供水系统的PID 控制采用S7-200系列PLC 的PID 自整定功能,可简化PID 参数的整定,提高整定质量;系统相应的连锁,报警等要求可在CP U 中进行方便的编程。

并且S7-200系统成本低,硬件组成简单,其485通讯口集成了PPI,MPI 通讯协议,也可作自由口,编程实现MODB US 等其他通讯协议,可方便地作为子系统集成到其他控制系统中。

基于S7-200PLC 的PID 自整定作为一种概念清晰,实现方便,整定结果有相当的应用,
参考价值的PID 自整定方法,有一定推广应用价值。

参考文献:
[1] As trom K J,Hagglund T.PID controller:Theory,des ign and tuning(2nd
Edition)[M ].North Carolina:Ins trument of Socie ty of A merica,1995.[2] 罗伟平,张成文.基于PLC 的PID 控制恒压供水系统[J].控制
工程,2008,15(S 0):77-78.[3] Hang C C,Astrom K J,Wang Q G.Relay feedback auto -tuni ng of pro -cess controllers:A tutorial review[J].J ournal of Process Control,2002,12(1):143-162.
[4] Ziegler J G,Nichols N B.Optimum se ttings for automatic controllers
[C].Texas:Conference on Chemical Process Control,1942.
[5] Shinsky F G.过程控制系统应用设计与整定[M].北京:清华大
学出版社,2004.
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