劉萬強

(華峰鋁業(yè)有限公司， 上海 201500)

國內(nèi)鋁加工生產(chǎn)的發(fā)展對電氣自動化控制提出了更高要求，對帶材成品率的極限追求就是其中之一。為了滿足提高成品率這一要求，并降低由于人工操作產(chǎn)生的不確定、不安全等不可控因素，最先進的軋機都新增了軋機帶尾自動降速功能，通過確定準確的減速時機，可以節(jié)約軋機的減速時間，減少帶材尾料的長度，從而提高軋機的成品率。

多數(shù)設(shè)備生產(chǎn)廠家在自動控制系統(tǒng)中都加入了自動降速功能ASD(Auto Speed Down)，但在實際應用中，生產(chǎn)人員卻反映自動降速功能不好用，經(jīng)常出現(xiàn)早?；蜻t停現(xiàn)。通過總結(jié)目前使用的自動降速程序，提出改進措施。

1 自動降速原理

帶質(zhì)量流控制的4輥不可逆冷軋機如圖1所示。軋機的簡易軋制原理為，從開卷機母卷送出帶材，通過工作輥的軋制，使得帶材達到目標厚度后再在卷取機處收卷。如果軋機只有反饋功能，沒有質(zhì)量流控制功能則沒有入口和出口激光測速儀以及入口測厚儀。

從圖1中可以看出，開卷機隨著軋機軋制，母卷卷徑將會不斷減小，不帶自動降速功能的軋機必須由操作手通過目測開卷機的母卷帶材卷徑，來估算是否可以開始降速，并由操作手直接控制軋機降速按鈕進行降速。在實際生產(chǎn)過程中我們發(fā)現(xiàn)，由于人工估測不準確，會導致一系列問題的產(chǎn)生。操作手操作軋機降速過早，會造成軋機提早降速，使得開卷機母卷剩余帶材過多，直接導致產(chǎn)品成品率下降；操作手降速過晚，則會使軋機在速度還沒有完全為零時，開卷機母卷帶材已經(jīng)全部送出，導致入口帶材失張，從而導致斷帶，在軋制速度較快、工作輥面溫度較高的情況下會直接造成軋機失火，存在極大的安全隱患。自動降速功能對于現(xiàn)場環(huán)境下軋機生產(chǎn)控制是有實際應用價值的。

軋機自動降速原理是根據(jù)開卷機卷材直徑進行反推計算，計算出開卷機剩余帶材長度，并根據(jù)開卷機實際速度、軋機減速的加速度以及停車后開卷機剩余長度綜合計算，確定軋機具體的降速點，并控制軋機在降速點開始降速停車，以保證軋機準確停車。開卷機帶材長度計算公式：

(1)

式中，l為開卷機母卷剩余長度；R為卷材半徑；r為套筒半徑；h入為開卷(入口)鋁帶材厚度；k為系數(shù)(考慮到帶材纏繞在套筒時帶材之間會有間隙，一般k取值1.0～0.8，根據(jù)實際測算，現(xiàn)場k值取0.97)。

每臺軋機的套筒半徑是固定的，而且開卷(入口)鋁帶材厚度也是已知的，所以，鋁卷剩余長度l與鋁卷半徑有關(guān)。隨著軋制進行，鋁卷半徑減少，則鋁卷剩余長度減少，只需要確定鋁卷的卷徑即可計算出剩余長度。開卷機減速所需長度計算公式：

(2)

式中，v初為開卷機減速前的帶材速度；v終為開卷機減速后的帶材速度；a開為減速的加速度；l1為從減速前到減速后的位移。v終由于計算的是軋機停止時的終止速度，所以v終=0，l1是開卷機經(jīng)過減速運動從勻速軋制開始減速到軋機停止時鋁卷上鋁帶材需要的長度。開卷機減速所用加速度計算公式：

(3)

式中，a為冷軋機減速的加速度；h出為卷取(出口)鋁帶材厚度；δ為軋機前滑(δ值較小，計算時忽略)。

(4)

降速所需長度計算公式：l=l1+l2

(5)

將式(1)和式(4)帶入式(5)可得：

(6)

式(5)(6)中，l2是一個固定值，是準備剩余在開卷機上的尾部廢料的長度，一般根據(jù)生產(chǎn)需求來進行設(shè)置。

由式(6)可以發(fā)現(xiàn)，h入為開卷(入口)鋁帶材厚度；h出為卷取(出口)鋁帶材厚度；在軋制前已經(jīng)由生產(chǎn)人員設(shè)定好；a為冷軋機減速的加速度，已經(jīng)在程序中固定寫好；r為套筒半徑，為每臺軋機的套筒半徑是固定值；k為系數(shù)，已經(jīng)提前預設(shè)好；l2是尾料剩余長度；以上數(shù)據(jù)均為固定值，所以可以編制一個數(shù)據(jù)庫進行調(diào)用，這個數(shù)據(jù)在后面還要著重說明。綜上所述，需要確定的一個關(guān)鍵數(shù)值是開卷帶材半徑R，如果能確定帶材卷徑，就能編制ASD程序完成自動減速功能。

開卷機速度與半徑計算公式：

(7)

開卷機轉(zhuǎn)速與開卷電機轉(zhuǎn)速計算公式：

(8)

(9)

式中，v為開卷機帶材線速度，n1為開卷機轉(zhuǎn)速,n2為開卷電機轉(zhuǎn)速，G開為開卷減速機速比。

如果在入口偏導輥加裝編碼器，可以直接測量出入口偏導輥的線速度和轉(zhuǎn)速。因為開卷機帶材線速度和入口偏導輥上帶材線速度一致，可以采用下面公式計算卷材半徑，開卷機轉(zhuǎn)速和偏導輥轉(zhuǎn)速與半徑計算公式：

(10)

式中，r為入口偏導輥半徑，n3為入口偏導輥轉(zhuǎn)速。

從式(7)到式(10)可以看出，可以采用多種測速法計算出卷材半徑，這對我們實現(xiàn)自動降速功能都是有幫助的。

2 開卷卷徑確定的幾種方法及優(yōu)缺點

2.1 直接測量法

直接測量法采用專用測量元件(如超聲波測距儀和激光測距儀)對開卷卷材進行測量，測量結(jié)果即是開卷帶材卷徑，這種方法在現(xiàn)有論文中已專門介紹，不再贅述，但是這種直接測量方法在實際使用中存在一定的問題。

直接測量法采用超聲波和激光測距儀可以測量鋁卷的卷徑，但是對于鋁卷圓度不夠，或者開卷機采用單錐頭(另外一側(cè)采用固定支撐臂支撐)，則測量的數(shù)值會有較大波動，這樣在實際使用的時候會出現(xiàn)自動減速點不準確，造成早?；蛘哌t停的現(xiàn)象，故這種方法采用的極少，一般使用在沒有質(zhì)量流控制的雙錐頭鋁箔軋機中，且必須要保證鋁卷圓度。

2.2 間接測量計算法

間接測量計算法可以通過測量入口鋁帶材的速度(入口有激光測速儀)或者通過在入口偏導輥加裝編碼器測量入口偏導輥的轉(zhuǎn)速來計算卷材卷徑，但這兩種方法也存在一些問題。

入口偏導輥加裝編碼器在一些沒有質(zhì)量流控制的軋機應用較多，包括有質(zhì)量流控制的軋機(如我公司MINO軋機在入口偏導輥加裝驅(qū)動電機和編碼器，通過式(10)來計算卷材卷徑的)；這種方法是建立在入口偏導輥不打滑的情況下，可以認為鋁卷的線速度和偏導輥輥面線速度是一致的，但是如果偏導輥和鋁帶材之間出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，鋁卷卷徑計算就會出現(xiàn)偏差。根據(jù)打滑狀態(tài)不同，可以將打滑分為偏導輥線速度大于帶材線速度(入口偏導輥帶驅(qū)動會出現(xiàn))和偏導輥線速度小于帶材線速度(偏導輥不帶驅(qū)動，由材料帶動，可能因為入口張力小，偏導輥自身過重，偏導輥表面粗糙度不夠等原因造成)。

當偏導輥速度大于帶材線速度，則計算出的R大于實際鋁卷卷徑，這種很危險，因為計算的卷徑大，則實際剩余長度少，會造成延遲減速，引發(fā)斷帶并有可能造成失火。當偏導輥線速度小于帶材線速度，則計算出的R會小于實際鋁卷卷徑，這種會造成提早減速則尾料剩余過多，造成浪費。因此，在使用偏導輥測速并進行自動減速控制中，尤其需要注意當偏導輥帶驅(qū)動一定要做好偏導輥的扭矩補償，還要保證偏導輥自身減輕重量，輥軸承的潤滑和輥面的粗糙度也要保證。

采用激光測速儀測量帶材線速度計算卷材卷徑的方法是在某軋機上采用的方法，其主要優(yōu)點在于非接觸式測量的線速度很準確，而且通過通訊可以直接從開卷機驅(qū)動器中直接讀取開卷電機的轉(zhuǎn)速，因此帶質(zhì)量流控制的軋機無需增加硬件只需通過上述公式編程即可完成自動減速功能。

激光測速儀計算卷徑也有缺點，就是激光測速儀會因為鋁卷表面帶油，鋁卷版型不好造成激光測速儀測量偏差，可以采用監(jiān)控激光測速儀發(fā)送過來的QF(Quality factor)值來判斷激光測速儀測量值的準確度。另外，激光測速儀價格很高，如果沒有質(zhì)量流控制系統(tǒng)，基本不會考慮安裝激光測速儀。

需要補充的是，激光測速儀的數(shù)據(jù)一般是從厚控計算機讀取的，而開卷機轉(zhuǎn)速是從傳動控制系統(tǒng)中讀取的，由于兩個數(shù)據(jù)在讀取的時候有一定的時間延時，會出現(xiàn)在降速過程中卷徑計算偏差的現(xiàn)象，但是因為已經(jīng)處于減速狀態(tài)，雖有一定的偏差，但不會影響到實際自動減速效果。

3 控制程序的編制和完善

為了保證自動減速功能程序的實用性和可移植性，要針對卷材直徑、卷材剩余長度、減速段長度、不同入口厚度料尾剩余長度以及人機交互分別編程以完成自動減速功能。以下分別分析在編程時所需要注意的問題。

3.1 編制卷徑計算程序

當采用激光測速儀進行計算時，采用式(9)編程，通過從厚控系統(tǒng)中送過來的帶材瞬時速度和從傳動讀取的開卷電機轉(zhuǎn)速，已知減速機速比是固定值，可以編制卷徑計算程序，并形成獨立的程序塊，通過輸入帶材線速度和轉(zhuǎn)速，以及固定的速比數(shù)據(jù)對應輸出開卷卷材半徑。

當采用入口偏導輥測速進行計算時，可采用式(10)編程，也可采用式(9)編程。如果采用式(9)編程，需要將入口偏導輥輥徑和入口偏導輥轉(zhuǎn)速計算得到入口帶材線速度即可，這樣比較方便使用相同的程序塊完成。

需要注意的是，在編制程序時要注意比較當前值和程序上一次掃描周期中的卷徑值，因為軋機采用速度控制，速度會有小幅波動，如果不做過濾，會造成卷徑有小范圍波動，要保證卷徑計算中卷徑一直處于減少狀態(tài)。

3.2 編制卷材剩余長度程序

將計算得到的卷徑，從厚控系統(tǒng)中送過來的帶材入口厚度作為輸入變量，根據(jù)式(1)進行編程，其中k值和套筒直徑已知，通過計算，可以得到在當前速度運行狀態(tài)下開卷卷材剩余長度。

3.3 編制減速段長度計算程序

根據(jù)入口實際測量的速度采用式(4)編程，通過從厚控系統(tǒng)中送過來的帶材入口目標厚度和出口目標厚度，以及從傳動中確定的加速度和入口帶材線速度計算減速段帶材長度。速度可以從上述編制卷徑計算程序中取得入口帶材線速度。

3.4 編制尾料剩余長度和人機交互界面程序

可以根據(jù)不同厚度設(shè)定不同長度的剩余尾料并進行編程，通過人機交互界面可以修改，根據(jù)不同的入口厚度取得對應的剩余尾料長度。尾料剩余長度作為單一數(shù)值參與最終計算。需要注意的是在做人機交互界面程序時，要將當前帶材剩余長度、不同厚度設(shè)定的剩余尾料等信息一并現(xiàn)實，并加入自動減速功能選擇按鈕和減速提示等功能。

根據(jù)減速段帶材長度，尾料剩余長度和當前卷材剩余長度采用式(5)編程并做邏輯判斷，當減速段帶材長度與尾料剩余長度之和與當前卷材剩余長度一致時，發(fā)出減速指令至傳動和厚控系統(tǒng)，設(shè)備進入自動減速狀態(tài)直至設(shè)備停車。

4 結(jié)束語

通過對以往自動減速功能進行分析，發(fā)現(xiàn)其主要問題有兩點，一是開卷卷徑無法精確確定，二是因為沒有加入尾料剩余長度分厚度控制功能。首先開卷卷徑的準確度是自動減速精準性的保證，所以確保開卷卷徑的準確性是實現(xiàn)自動減速非常重要的環(huán)節(jié)。其次是隨著卷材厚度的減少，尾料剩余長度也要不斷增加，如果僅是用固定數(shù)值來計算存在很大風險。厚度4mm和厚度0.4mm都剩余10m，如果套筒直徑為665mm，厚度4mm的卷材直徑可以達到701mm，而厚度0.4mm的卷材直徑則只有669mm，而且由于開卷卷材內(nèi)圈是上一軋制道次中開始升速前就纏繞在套筒上的，因此厚度基本都會偏厚，所以可以用尾料剩余長度進行補償。通過經(jīng)驗摸索，厚度0.4mm尾料剩余長度我們設(shè)置在100m，厚的0.3mm尾料長度設(shè)定在130m，最終當軋機減速停止后，尾料在套筒上僅剩厚度不到20mm，大大提高了產(chǎn)品成品率，而且自動減速功能也從安全角度考慮，防止由于人為失誤造成料尾沒有停車而導致事故發(fā)生。

以鋁卷直徑2000mm計算，最終尾料剩余直徑每減少10mm，則成品率提高約0.8%。在未使用自動減速功能以前，生產(chǎn)人員為保證安全，總是提前減速，使用自動減速功能后，最少能夠減少20mm以上的剩余尾料，按此推算，產(chǎn)品成品率至少可以提高1.5%以上。