田 剛，王曉江

(1.洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院，河南，洛陽471039；2.江蘇常鋁鋁業(yè)股份有限公司，江蘇，常熟215532 )

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基于可變接觸弧長的新型鋁熱軋機(jī)清刷輥控制系統(tǒng)

田 剛1，王曉江2

(1.洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院，河南，洛陽471039；2.江蘇常鋁鋁業(yè)股份有限公司，江蘇，常熟215532 )

文章介紹了一種我院最新研發(fā)的鋁熱軋機(jī)清刷輥控制系統(tǒng)，并從系統(tǒng)組成、控制原理及人機(jī)交互界面等方面進(jìn)行了詳細(xì)說明?，F(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)需求。

弧長；位置閉環(huán)控制；清刷輥；伺服閥

由于鋁的熔點(diǎn)低，易于粘附，在300～600℃高溫下連續(xù)軋制時，鋁材在與軋輥接觸過程中出現(xiàn)連續(xù)塑性變形,其表面的氧化膜層及潤滑膜層不斷遭到破壞，極易與工作輥發(fā)生粘結(jié)，產(chǎn)生粘鋁，如不及時清除而引起粘鋁層脫落，將會造成嚴(yán)重的鋁材表面質(zhì)量缺陷。近年來，隨著易拉罐料和PS板等產(chǎn)品對表面質(zhì)量的要求越來越高，有效預(yù)防和及時清除工作輥粘鋁就顯得越來越重要。通常，除調(diào)整潤滑乳液濃度配比和軋輥磨削參數(shù)外，最常用的預(yù)防和清除工作輥粘鋁的方法就是調(diào)整清刷輥系統(tǒng)的控制參數(shù)。

1 系統(tǒng)組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)清刷輥系統(tǒng)由清刷輥和液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成，只有壓靠和退回兩種工作模式，因其結(jié)構(gòu)簡單、故障率低，在鋁熱軋機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。但是，由于調(diào)整清刷輥與工作輥壓靠力的壓緊彈簧只能離線設(shè)置，不能在線實(shí)時調(diào)整，當(dāng)軋制一些粘鋁嚴(yán)重或?qū)Ρ砻尜|(zhì)量要求較高的產(chǎn)品時，其清刷效果往往很難滿足生產(chǎn)和工藝要求。

為克服上述缺點(diǎn)，我院研發(fā)了一種全新的清刷輥控制系統(tǒng)，如圖1所示。新系統(tǒng)主要由液壓閥臺、液壓油缸、伺服閥、位置傳感器、壓力傳感器和尼龍清刷輥等部分組成。全套系統(tǒng)共配有4根尼龍清刷輥，分別安裝在軋機(jī)的出、入口和工作輥的上、下兩側(cè)，清刷輥之間獨(dú)立控制，互不干擾。每根清刷輥配有2個液壓油缸，分別裝在清刷輥的兩端；每個油缸內(nèi)部裝有1個位置傳感器，用來間接測量清刷輥的位置；每個油缸配有1個伺服閥和1個壓力傳感器，伺服閥用來控制油缸的伸出和縮回，壓力傳感器用來實(shí)時檢測清刷輥與軋輥的壓靠力，伺服閥和壓力傳感器均安裝在軋機(jī)附近的液壓閥臺上。

圖1 系統(tǒng)組成Fig1. System components

1.2 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)工作時，安裝在油缸內(nèi)部的位置傳感器將油缸位置實(shí)時反饋給PLC控制系統(tǒng)，系統(tǒng)計算出目標(biāo)位置和實(shí)際位置的偏差值并將其送給PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)；數(shù)字調(diào)節(jié)信號經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換成電信號后，經(jīng)系統(tǒng)輸出模塊輸出到伺服閥，伺服閥通過控制油缸的伸出和縮回使清刷輥的位置與設(shè)定的目標(biāo)位置始終相等，這就是清刷輥的位置閉環(huán)控制，通過位置閉環(huán)，操作人員可輕松實(shí)現(xiàn)對清刷輥接觸弧長的在線精確控制和實(shí)時調(diào)整。

2 軟件設(shè)計

在軟件程序設(shè)計上，采用基于西門子S7-400平臺CPU416加ET200M分布式子站，利用CFC連續(xù)功能圖的強(qiáng)大函數(shù)處理邏輯運(yùn)算功能，實(shí)現(xiàn)對清刷輥高速、精確位置閉環(huán)控制，系統(tǒng)控制流程如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，操作人員首先執(zhí)行系統(tǒng)復(fù)位操作，此時卸荷閥將由打開變成關(guān)閉，系統(tǒng)由開環(huán)切換到位置環(huán)，為克服油缸啟動摩擦力，目標(biāo)位置值由當(dāng)前值加10mm，驅(qū)動油缸伸出10mm。當(dāng)操作人員執(zhí)行壓緊操作后，目標(biāo)位置按一定速率遞增，伺服閥驅(qū)動油缸伸出從而推動清刷輥向工作輥靠攏，直到清刷輥實(shí)際位置值進(jìn)入設(shè)置的靠零有效區(qū)；同時檢測壓力大于設(shè)定靠零門檻壓力值時，清刷輥停止，目標(biāo)位置鎖定，然后卸荷閥打開，清刷輥退回到最大位，系統(tǒng)靠零完成。軋制時，操作人員根據(jù)工藝要求決定是否投入清刷作業(yè)，如不投入，則執(zhí)行松開操作，出、入口的清刷輥將始終停留在最大開口位；如需投入，則執(zhí)行壓緊操作， 系統(tǒng)接收到壓緊命令后，自動進(jìn)入連鎖自檢，當(dāng)乳液和清刷輥轉(zhuǎn)速同時滿足條件時，清刷輥?zhàn)詣訄?zhí)行壓靠操作。壓靠到位以后，操作人員可根據(jù)鋁材表面質(zhì)量，進(jìn)行單根清刷輥的同松、同壓、左傾及右傾操作，以獲得理想的輥面清刷效果。

通常，為防止掉落的鋁粉在鋁材表面造成二次壓入，清刷作業(yè)時，只允許投入出口側(cè)清刷輥進(jìn)行清刷作業(yè)。為避免頻繁換向操作增加操作人員負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)與軋制方向進(jìn)行了連鎖，即當(dāng)軋制換向時，系統(tǒng)會根據(jù)軋制方向自動投入出口側(cè)清刷輥進(jìn)行清刷作業(yè)，并自動打開入口側(cè)清刷輥。當(dāng)有特殊工藝要求時，出、入口清刷輥也可實(shí)現(xiàn)同時清刷作業(yè)，同時清刷作業(yè)時，出、入口清刷輥不受軋制方向連鎖影響。

3 操作畫面

操作畫面由主操作畫面(圖3)、參數(shù)設(shè)定畫面和診斷畫面組成。主操作畫面主要完成靠零、刷輥投入、水平調(diào)整及傾斜調(diào)整等操作；參數(shù)標(biāo)定畫面主要完成靠零門檻壓力、保護(hù)門檻壓力、靠零有效區(qū)及弧長調(diào)整限幅等相關(guān)參數(shù)的設(shè)定；診斷畫面詳細(xì)記錄了系統(tǒng)的故障診斷及報警信息，方便維護(hù)人員及時查明及處理故障，提高了系統(tǒng)可維護(hù)性。

圖2 控制流程圖Fig2. Control flow chart

圖3 主操作畫面Fig3. Main operating interface

4 現(xiàn)場應(yīng)用

本系統(tǒng)已在江蘇常鋁鋁業(yè)股份有限公司的1450熱軋機(jī)上得到應(yīng)用，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，相對于傳統(tǒng)清刷輥控制方式，清刷效果得到了較大提高。同時，仍有以下問題需要改進(jìn)提高：

(1)由于清刷輥使用環(huán)境十分惡劣，安裝在清刷輥油缸里的巴魯夫位置傳感器極易受到熱軋機(jī)乳液的腐蝕，影響傳感器使用壽命；

(2)由于位置傳感器安裝在清刷輥油缸里，每次換輥都要將位置傳感器與外部信號電纜脫開，在軋機(jī)乳液長期侵蝕下，位置傳感器接頭容易因腐蝕而造成信號虛接；

(3)與傳統(tǒng)清刷輥結(jié)構(gòu)相比較，新型清刷輥在機(jī)械結(jié)構(gòu)上少了回拉彈簧，在系統(tǒng)失壓情況下，上清刷輥在自身重力作用下會快速下落至上工作輥表面，由于清刷輥刷毛采用的是尼龍材質(zhì)，在某些特定情況下，清刷輥刷毛有燙傷風(fēng)險。

5 結(jié)論

該清刷輥控制系統(tǒng)改變了原來的固定壓力壓靠模式，通過高速位置閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了清刷輥接觸弧長精確控制和在線實(shí)時調(diào)整。實(shí)踐證明，該控制系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求，滿足了不同產(chǎn)品加工的工藝要求，適合在在鋁熱軋機(jī)上廣泛推廣，市場前景廣闊。

[1] 鮑伯祥，陸章杰，王世寧.西門子TDC編程及應(yīng)用指南[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

New Brush Roll Control System Based on Variable Arc Length for Aluminum Hot Rolling Mill

TIAN Gang1, WANG Xiaojiang2

(1.Luoyang Engineering and Research Institute for Nonferrous Metals Processing,Luoyang 471039, China; 2. Jiangsu ALCHA Aluminium Co., Ltd., Changshu 215532, China)

The paper presented a newly developed control system for brush roll of aluminum hot rolling mill of CNPT; it described components, control principles and HMI of the system; the system has been proven to be able to meet production requirement in practice.

arc length; position closed-loop control; brush roll; servovalve

2015-01-26

田剛(1982-)，男，工程師，主要從事有色金屬加工領(lǐng)域自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計及調(diào)試工作。

TG334.9

A

1671-6795(2015)04-0052-02