楊莉華

(四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，四川攀枝花617000)

0 引言

熱軋帶鋼具有良好的力學(xué)和表面質(zhì)量，廣泛地應(yīng)用于集裝箱、汽車、鐵路機(jī)車車廂、管道、鋼瓶等工業(yè)制作行業(yè)，也是冷軋板及其深加工產(chǎn)品的基材。熱軋帶鋼平整分卷機(jī)組液壓控制系統(tǒng)(HGC)是熱軋平整機(jī)機(jī)架控制的核心部分，它是在常溫下對(duì)熱軋后的帶鋼進(jìn)行平整提供動(dòng)力并進(jìn)行控制，從而達(dá)到消除帶鋼的屈服平臺(tái)，調(diào)質(zhì)帶鋼的力學(xué)性能，改善帶鋼的平直度，調(diào)整或控制成品帶鋼粗糙度的目的。某熱軋帶鋼廠液壓控制系統(tǒng)改造前，平整軋制組工藝參數(shù)的預(yù)設(shè)值主要是依靠簡單的圖表和現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行人工設(shè)置，經(jīng)常造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格的問題。

隨著科技的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步以及用戶要求的不斷提高，帶鋼平整機(jī)組生產(chǎn)方式逐漸趨于“模型化”、自動(dòng)化［1］的方向發(fā)展。原來落后的調(diào)節(jié)方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)要求。因此，為了提高熱軋平整分卷機(jī)組的自動(dòng)化生產(chǎn)水平和控制精度，提升產(chǎn)品質(zhì)量，減少人力資源成本，增加經(jīng)濟(jì)效益，該廠結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際，將原繼電器控制方式改為PLC 控制方式。整個(gè)液壓控制系統(tǒng)由泵站、蓄能器裝置、控制閥臺(tái)、壓下液壓缸、壓力傳感器、位置傳感器、壓力繼電器、連接管路、S7300PLC、WINCC 組態(tài)軟件等組成。該控制系統(tǒng)主要針對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際設(shè)計(jì)，采用了先進(jìn)的技術(shù)及裝備，較好地提高板材的板形和表面質(zhì)量，消除了板材橫折和浪形缺陷。

1 控制系統(tǒng)組成

某熱軋廠平整分卷機(jī)組壓下系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。液壓系統(tǒng)中主油泵裝置、主油路和循環(huán)裝置上安裝電子壓力開關(guān)以供檢測油液壓力，信息傳給PLC進(jìn)行運(yùn)算并發(fā)出控制信號(hào);在平整機(jī)下部的兩側(cè)(驅(qū)動(dòng)側(cè)和操作側(cè))安裝兩個(gè)帶自身安全保護(hù)的HGC 液壓缸，安裝壓力傳感器檢測兩側(cè)壓下缸的壓力，并通過電液伺服閥對(duì)HGC 液壓缸進(jìn)行開環(huán)/閉環(huán)控制;兩個(gè)HGC 液壓缸內(nèi)中心線上的位置傳感器，用于測量驅(qū)動(dòng)側(cè)、操作側(cè)壓下缸的位置;由位移傳感器對(duì)驅(qū)動(dòng)側(cè)、操作側(cè)壓下缸上極限位置進(jìn)行檢測。整個(gè)控制系統(tǒng)采用S7-300PLC 和Profile Bus 通訊協(xié)議以及WINCC 組態(tài)軟件來完成，具有良好的HMI 人機(jī)操作界面［2］。

圖1 平整分卷機(jī)組壓下系統(tǒng)控制框圖

2 液壓壓下控制系統(tǒng)

2.1 輥縫控制

平整分卷機(jī)組液壓壓下系統(tǒng)的控制指對(duì)支承輥壓下液壓缸的控制。平整機(jī)在穿帶、甩尾、停車及分卷作業(yè)時(shí)，為防止軋輥的碰撞，在設(shè)計(jì)液壓壓下系統(tǒng)時(shí)工作于輥縫控制方式。輥縫控制通過安裝在壓下液壓缸上的位置傳感器反饋位置信號(hào)，并將位置信號(hào)傳遞給PLC 運(yùn)算信息，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而提高控制精度。

2.1.1 液壓輥縫控制模式

平整機(jī)的液壓輥縫控制有兩種運(yùn)行模式，即:位置控制、軋制力控制。相應(yīng)地，液壓輥縫控制部分設(shè)置以下控制單元:位置控制單元、軋制力控制單元、傾斜控制單元、同步控制單元等［3］。輥縫打開時(shí)只能進(jìn)行位置控制，當(dāng)輥縫閉合時(shí)才能使用軋制力控制(軋制力應(yīng)大于或者等于最小軋制力)。不論在任何時(shí)候，位置控制和軋制力控制這兩種控制方式都應(yīng)能平穩(wěn)地進(jìn)行切換。所以要求控制系統(tǒng)在任何時(shí)間內(nèi)，未被使用的控制回路通過比較實(shí)際值/基準(zhǔn)值而得到的控制器輸出應(yīng)實(shí)時(shí)對(duì)在線控制回路的輸出信號(hào)進(jìn)行修正［4］。

輥縫計(jì)算:

式中:S—未考慮上修正的輥縫設(shè)定，mm;u1—機(jī)架剛度變形，mm;p'—低速軋制力，2.0 ×106N;K—機(jī)架剛度系數(shù)，默認(rèn)值為3.5 ×106N/mm;u2—機(jī)架位移，默認(rèn)值為2.5 mm;Kp—控制補(bǔ)償系數(shù)，根據(jù)帶鋼厚度分類CH 確定［5］。

2.1.2 位置控制

位置控制系統(tǒng)用于HGC 液壓缸的位置閉環(huán)控制，實(shí)際位置值由位于兩個(gè)HGC 液壓缸內(nèi)中心線上的位置傳感器測量，在驅(qū)動(dòng)側(cè)和操作側(cè)配備了單獨(dú)的位置控制系統(tǒng)和軋輥傾斜控制系統(tǒng)。

平整機(jī)作位置控制時(shí)，根據(jù)壓下缸位置偏差控制壓下缸伺服閥。在下列情況下使用位置控制:輥縫打開過程(軋制力F ＜0)時(shí);輥縫關(guān)閉過程，直至軋制力達(dá)到最小軋制力或預(yù)設(shè)定軋制力;穿帶過程時(shí);軋輥調(diào)零時(shí);采用位置控制模式。換輥或重卷方式時(shí)，必須選擇位置控制方式;平整方式且當(dāng)軋制力小于150 T 時(shí)，必須選擇位置控制方式，當(dāng)軋制力大于150 T 時(shí)采用壓力控制方式［6］。

2.1.3 軋制力控制

平整生產(chǎn)中通常采用軋制力控制模式。輥縫關(guān)閉過程，當(dāng)軋制力達(dá)到最小軋制力或達(dá)到預(yù)設(shè)定軋制力以后采用軋制力控制模式;軋輥調(diào)零時(shí)采用軋制力控制模式;軋制力控制模式將一直保持直至其他模式被選用。

軋制力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)總的軋制力控制系統(tǒng)，包括在驅(qū)動(dòng)側(cè)和操作側(cè)的單獨(dú)的軋制力控制系統(tǒng)，以及來自上一級(jí)軋輥傾斜控制系統(tǒng)的修正。軋制力控制以驅(qū)動(dòng)側(cè)和操作側(cè)的總軋制力作為控制目標(biāo)，取軋制力設(shè)定值和實(shí)際總軋制力形成閉環(huán)控制。單獨(dú)的軋制力控制器用于標(biāo)定過程和測試操作。軋制力控制只可能在輥縫閉合的狀態(tài)下使用，如果軋制力下降低到設(shè)定的最小值就自動(dòng)切換為位置控制［7］。

軋制壓力的計(jì)算:

式中:FOS—操作側(cè)軋制壓力。

式中:FDS—傳動(dòng)側(cè)軋制壓力。

式中:D—缸徑;d—活塞桿徑;G—上工作輥和上撐輥和支撐輥的總重量;FBG—工作輥彎輥力，正彎時(shí)為負(fù)，負(fù)彎時(shí)為正。

平整機(jī)在位置控制和輥縫控制方式時(shí)，壓力PS為檢測反饋信號(hào)。在恒軋制壓力控制方式時(shí)，PS既是檢測反饋信號(hào)，又是被控量［8］。

2.1.4 傾斜/同步控制

傾斜控制控制驅(qū)動(dòng)側(cè)和操作側(cè)的輥縫偏差，作為位置控制的補(bǔ)償使用;同步控制控制驅(qū)動(dòng)側(cè)和操作側(cè)的軋制力偏差，作為軋制力控制的補(bǔ)償使用。

傾斜/同步控制系統(tǒng)疊加在位置/軋制力控制系統(tǒng)中，確保兩個(gè)HGC 液壓缸處于調(diào)平位置，它能夠?qū)崿F(xiàn)上輥系調(diào)平于軋輥中心線，軋制力調(diào)整通過傾斜/同步控制系統(tǒng)直接作用于伺服閥的電流，而不是直接給出一個(gè)附加值，軋制時(shí)操作工手動(dòng)進(jìn)行傾斜調(diào)整［9］。

2.1.5 伺服閥特性補(bǔ)償

在壓下系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)過程中，隨著壓力實(shí)際值逐漸接近設(shè)定值，伺服閥兩端液壓油壓力差相應(yīng)減小，油流情況將發(fā)生變化，使伺服閥在控制系統(tǒng)中表現(xiàn)為一個(gè)非線性環(huán)節(jié)，并導(dǎo)致壓力伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢［10］。

改善的方法是在壓力實(shí)際值接近設(shè)定值時(shí)，根據(jù)當(dāng)前壓下缸的實(shí)際壓力，求得相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)。在目標(biāo)設(shè)定值的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)補(bǔ)償設(shè)定，使伺服閥在壓力接近時(shí)仍然保持足夠的開度，從而提高動(dòng)態(tài)特性。伺服閥特性補(bǔ)償環(huán)節(jié)在整個(gè)系統(tǒng)中表現(xiàn)為一個(gè)可變?cè)鲆姝h(huán)節(jié)。伺服閥特性補(bǔ)償曲線如圖2所示。

圖2 伺服閥特性補(bǔ)償曲線

2.2 液壓彎輥控制

在平整機(jī)上，工作輥和支承輥之間安裝有彎輥缸，正、負(fù)彎輥缸均采用比例調(diào)節(jié)閥控制其彎輥力的大小，每個(gè)比例閥都帶一個(gè)壓力傳感器，彎輥壓力傳感器信號(hào)接入自動(dòng)化系統(tǒng)，以形成正、負(fù)彎輥力的閉環(huán)控制。彎輥壓力控制采用閉環(huán)補(bǔ)償控制，以補(bǔ)償比例調(diào)壓閥的非線性。彎輥力控制可改善平整帶鋼板型以及補(bǔ)償由于軋制力變化而引起的有載輥縫變化。同時(shí)，在平整過程中，操作人員可手動(dòng)改變彎輥力的大小。液壓彎輥控制框圖如圖3所示［11］。

圖3 液壓彎輥控制框圖

彎輥設(shè)定值:包括預(yù)設(shè)定彎輥力和主操作臺(tái)手動(dòng)彎輥力調(diào)整兩部分。本研究根據(jù)操作模式等邏輯條件對(duì)設(shè)定值進(jìn)行選擇或綜合后所得到的基本設(shè)定值，經(jīng)限幅器、斜坡函數(shù)發(fā)生器作進(jìn)一步處理，得到彎輥控制器的實(shí)際設(shè)定值。設(shè)置限幅器的作用，是防止輸入過大或過小的彎輥力;而斜坡函數(shù)發(fā)生器則用于避免產(chǎn)生過大的沖擊。

彎輥控制器的實(shí)際設(shè)定值的確定原理圖如圖4所示。

圖4 彎輥控制器的實(shí)際設(shè)定值的確定原理圖

2.3 恒壓力控制

恒壓力控制亦稱恒軋制力控制，是平整機(jī)液壓壓下系統(tǒng)最重要控制方式之一。恒壓力控制設(shè)計(jì)為閉環(huán)控制，壓力反饋來自液壓壓下系統(tǒng)的壓力傳感器。本研究通過閉環(huán)控制，對(duì)液壓缸內(nèi)的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到控制的目的。目前熱軋平整機(jī)通常選擇恒壓力控制方式，其主要優(yōu)點(diǎn)是可消除軋輥偏心的影響，提高產(chǎn)品的平直度，并且對(duì)帶鋼的表面光潔度和帶鋼的機(jī)械性能也有一定的改善［12］。

2.3.1 壓下力閉環(huán)控制框圖

壓下力閉環(huán)控制框圖如圖5所示。

圖5 壓下力閉環(huán)控制框圖

2.3.2 壓下力閉環(huán)控制簡化框圖

壓下力閉環(huán)控制簡化框圖如圖6所示。

圖6 壓下力閉環(huán)控制簡化框圖

2.3.3 開環(huán)傳遞函數(shù)

開環(huán)傳遞函數(shù):

具體參數(shù)選擇此處略。

2.3.4 恒軋制壓力模型開發(fā)

在建模中不但要考慮軋輥的彈性變形，而且要考慮軋件的彈性變形，即在計(jì)算時(shí)不僅考慮軋輥彈性壓扁的塑性變形區(qū)長度，而且考慮軋件出入口彈性變形區(qū)長度，并計(jì)算與之對(duì)應(yīng)的塑性變形區(qū)單位壓力及彈性變形區(qū)單位壓力，從而，建立較為準(zhǔn)確的軋制壓力模型框圖如圖7所示。

圖7 軋制壓力計(jì)算框圖

總軋制壓力:

式中:Pn—塑性變形區(qū)軋制壓力，Pi—入口端彈性變形區(qū)軋制壓力，Po—出口端彈性變形區(qū)軋制壓力。

2.4 跟隨控制

熱軋平整機(jī)的輥縫控制方式與恒壓力控制方式是互相切換的，一些時(shí)候要采用輥縫控制(如穿帶)，但在另一些時(shí)候要采用恒壓力控制(如平整過程中)。跟隨控制的作用在于保證兩種控制方式之間的協(xié)調(diào)及無躍變平滑轉(zhuǎn)換。

在控制模式切換時(shí)，跟隨控制功能使激活使用的位置/軋制力控制以當(dāng)前實(shí)際位置/軋制力為初始設(shè)定，其輸出則被匹配到當(dāng)前的實(shí)際伺服閥開度。

2.5 調(diào)零控制

壓下系統(tǒng)的調(diào)零在每次換輥之后進(jìn)行，目的在于對(duì)壓下系統(tǒng)液壓缸的位置傳感器進(jìn)行重新定位。

調(diào)零過程中，首先壓下下輥使軋輥接觸并達(dá)到一定的壓力;然后用點(diǎn)動(dòng)速度啟動(dòng)主傳動(dòng)系統(tǒng)，并在軋輥穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)后使軋制壓力上升到調(diào)零壓力;達(dá)到調(diào)零壓力一定時(shí)間后，斷開傾斜及同步控制器;系統(tǒng)穩(wěn)定后，將液壓缸當(dāng)前位置設(shè)定為“0”;最后，液壓系統(tǒng)減壓，傳動(dòng)系統(tǒng)停止，液壓缸調(diào)零完成。

3 液壓控制系統(tǒng)改造PLC 邏輯控制設(shè)計(jì)

本研究對(duì)某熱軋帶鋼廠平整分卷機(jī)組液壓控制系統(tǒng)自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化過程控制，PLC 邏輯控制設(shè)計(jì)此處略。

4 采用PLC 控制后的實(shí)際效果分析

以常生產(chǎn)的兩種規(guī)格產(chǎn)品為例，本研究通過PLC自動(dòng)控制改造后帶材的出口張應(yīng)力、軋制壓力及輥間接觸壓力的橫向分布情況如圖8、圖9所示［13］。從圖中可以看出，控制系統(tǒng)改造后，帶材板形良好(帶材前張應(yīng)力橫向分布更加均勻)，帶材邊部位置單位軋制力得到相應(yīng)提高，減少了非平整邊缺陷。而且輥間接觸壓力橫向分布更加均勻，從而可起到均勻磨損、延長軋輥的使用壽命的作用。

圖8 改造前、后產(chǎn)品1 前張應(yīng)力、軋制壓力和輥間接觸壓力橫向分布

圖9 改造前、后產(chǎn)品2 前張應(yīng)力、軋制壓力和輥間接觸壓力橫向分布

5 結(jié)束語

本研究主要分析了基于壓下力控制模型的熱軋平整分卷機(jī)組液壓控制系統(tǒng)中壓下控制系統(tǒng)、液壓彎輥控制、恒壓力控制、跟隨控制、調(diào)零控制等5 個(gè)方面的功能。筆者將液壓控制系統(tǒng)中原有繼電器控制方式改造為PLC 邏輯控制后，提高了設(shè)備的自動(dòng)化水平，控制功能更加完善，滿足了熱軋平整分卷機(jī)組生產(chǎn)中快速準(zhǔn)確的要求。實(shí)踐表明，該液壓壓下控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PLC 過程控制后，具有技術(shù)性能穩(wěn)定可靠，控制功能完善、先進(jìn)。平整后的板材板形得到很好的控制，表面質(zhì)量得到了提高，板材的機(jī)械性能得到了改善，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用和技術(shù)推廣中有著十分重要的意義。

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