酸洗生产线中闪光焊机控制系统研究

河北工业大学硕士学位论文酸洗生产线中闪光焊机控制系统研究姓名：梁丽中申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：孙鹤旭20081201河北工业大学硕士学位论文-I-酸洗生产线中闪光焊机控制系统研究摘要随着科学技术的发展，世界范围的工业化和城市化速度越来越快，这也带动了钢材消费的迅猛增长。因此，钢材生产的连续轧制技术备受各国关注，各大钢材生产企业争相发展引进先进生产技术。在冷轧酸洗车间，酸洗是冷轧生产线的第一道工序，酸洗板质量的好坏直接关系到后续深加工工艺的质量，酸洗工艺段控制及运行好坏直接关系到酸洗工艺是否合理、酸洗板质量的好坏和产品成本的高低。为了保证连续生产以达到较高产品质量和生产效率，在生产中广泛地将闪光对焊工艺应用在冷轧工艺的连续酸洗线（CPL）和全连续冷轧机（TCM）的入口段，它不仅可以满足对焊接质量的要求，而且能满足焊接的可靠性、稳定性和全自动操作的要求。目前国内钢铁厂商都是引进国外的闪光焊机，大大制约了企业创新发展的进程，因此，消化吸收闪光焊机的工作原理和控制系统，研制具有自主知识产权的新型闪光焊机，对企业的创新发展具有重要的意义。酸洗生产线是一个集冶金、机械、电气、化工、液压、材料、焊接、计算机控制等多个学科相互交融的复杂系统，而闪光焊机是这个复杂庞大系统的核心设备，它是集电压、电流、压力、温度、位移以及时间等众多变量于一身的综合系统。本文从消化吸收国外先进闪光焊机入手，分析了闪光焊接参数的选择，针对闪光焊接中的技术难点，详细分析了闪光焊机的主电路控制单元，液压控制系统和焊机速度送进系统。在文章的最后，还对闪光顶锻过程进行了控制优化，并进行了仿真研究。仿真结果表明：闪光阶段的控制优化方案能显著提高送进速度的跟踪特性；顶端阶段的控制优化方案具有更快的动态响应速度和更好的稳态性能，且超调小、控制精度高。关键词：酸洗生产线，闪光焊机，控制系统，自适应单神经元，模糊PID酸洗生产线中闪光焊机控制系统研究-II-ResearchonFlashButtWelderControlSysteminthePicklingLineABSTRACTWiththedevelopmentofscienceandtechnology,industrializationandurbanizationintheworldhavebecomemorequickly,andthisleadsmoresteelconsumption.Therefore,themethodsofendlessrolledsteelproductionhaveattractedmanycountries’attention,andeveryfactoryiseagertoimportadvancedproductiontechnology.Inthepicklingcold-rolledplant,picklingisthefirststep,sothequalityofpicklingboardsdecidesthequalityoffollow-processingsteps,andwhatismore,thecontrolandrunningofpicklinglinedirectlydecidethequalityandcostofpicklingboards.Inoredertoensurecontinuousproductionandachievehigherproductqualityandefficiency,peopleusuallyapplytheflashbuttweldingintheentrenceofcontinuouspicklingline(CPL)andtandemcold-rolledmill(TCM),whichcannotonlymeettherequestofweldingquality,butalsomeettherequestofreliability,stabilityandautomaticoperation.InChina,manyfactoriesimportforeignweldersandthisholdthestepsoftheirdevelopment.Therefore,itismuchmoreimportanttostudythewelders’workprincipleandcontrolsystemfortheirinnovationanddevelopment,andthenproducenewstyleonesbythemselves.PicklinglineisacomplexsystemwhichcombinesMetallurgy,Machinery,Electric,Chemistry,Hydraulic,Materials,Welding,andComputercontroltogether,yetthewelderisthemostimportantequipmentwhichincludesmanyvariablesjustlikeVoltage,Current,Pressure,Temperature,DisplacementandTime.Thispaperstartedbystudyingtheforeignadvancedflashwelder,analyzedthechoiceofFlashweldingparameters,andanalyzedthemaincircuitcontrolunit,thehydrauliccontrolsystemandthespeedcontrolsysteminaccordancewiththetechnicaldifficultiesduringwelding.Atlast,wemodifiedthecontrolmethodofflashingandupsetting,andthenresearchedthembysimulink.Andtheresultshowsthat:themodificationofflashingcansignificantlyimprovethetrackingperformance;themodificationofupsettingnotonlyhasashorterdynamicresponsetimeandbettersteadyperformance,butalsosmallovershootandhighcontrolprecision.KEYWORDS:PicklingLine,FlashButtWelder,ControlSystem,AdaptiveSingleNeuron,FuzzyPID河北工业大学硕士学位论文第一章绪论§1-1课题研究背景及课题的提出近年来，由于中国的工业化和城市化进程拉动了中国钢材消费的快速增长。我国的钢铁工业得到了快速的发展，国内钢厂的数量大大增加，国际国内钢材市场的竞争日益激烈。为了保证本身的利益，在竞争中保持优势，一些大型的钢铁公司竞相引进先进技术与工艺，特别是先进的钢材轧制工艺设备，争相提高生产效率，以提高产品的市场竞争力。宝钢、鞍钢、包钢等一批具有国际先进水平的冷轧、热轧薄板生产线相继投产[1]。在传统的钢材生产过程中，进入轧机的钢坯长度已经确定(一般4-12m)，轧制出的钢材的长度也相应确定，如果需要改变成品钢材的长度，则必须改变轧制钢坯的长度或截面积。目前，一些现代化企业轧制的钢坯长度已经达到20-25米，而增加钢坯的长度或者增加钢坯的横截面积对钢铁厂提出了更高的要求，比如：需要改进加热炉，改变轧机的数量和轧制速度等。除此之外，传统的轧制方法还有以下缺点[2][3]：(1)传统的钢材轧制过程中，为了保证钢材在连轧机中有充足的轧制时间，相邻钢坯之间必须留有一定的时间间隔，从而导致生产率较低。(2)钢坯间断性地进入轧机，每根钢坯的头部都会对轧机产生一定的冲击，频繁的冲击载荷导致设备寿命降低。(3)钢坯进入轧机前的温度较高(一般在1000℃以上)，轧制完成后，轧机上的水冷装置使轧机的温度明显降低，因此在轧机上将会产生一个较大范围的温度循环，容易造成设备疲劳。(4)轧制过程的不稳定常常引起轧制的波动，造成成品钢材的尺寸波动，降低成品的精确度甚至出现废品，成品率降低。(5)轧机上的温度循环影响到钢材温度变化，导致整个轧制成品的温度不一致，从而影响钢材性能的稳定性等等。上世纪60年代以前，传统生产钢材方法是一种间歇式的操作工艺，是以单块中间坯进行轧制的。先将钢水模铸成大型钢锭，经加热、轧制成坯，钢坯经冷却、清整后再加热，轧成用户所需断面的成品钢材。近40多年来经历了三次飞跃式发展：一是将模铸改为连铸，取消开坯机；二是由一般连铸改为近终形连铸，减少加热、轧制次数；连续轧制技术是钢铁加工流程的第三次飞跃，即钢材生产不再是单块的、间隙性的，而是连续进行轧制，然后根据用户需求剪切成所需长度或卷重。连续轧制技术就是向轧机提供“连续”的钢坯，以消除单根钢坯轧制的缺点，这种技术的特点是：从加热炉出来的钢坯的头部与进入第一架轧机的钢坯的尾部焊接成一条连续的钢坯；焊接处形成的焊瘤在进入轧机前的行程中用焊瘤清除器从钢坯表面除去；连续钢坯对各架冷轧机只有一次冲击，之后在轧机的稳定操作下轧制，在出口处把成品钢材切断成规定的长度，而不需要切头去尾的操作。相对于传统轧制方式，连续轧制的好处是[3][4]：(1)钢材全长以恒定速度进行轧制，生产率有较大提高；(2)因对钢材全长施加恒定张力，使钢材断面形状波动减少，钢材质量改善，这点对热轧扁平材-1-酸洗生产线中闪光焊机控制系统研究-2-生产特别重要；(3)由于成品长度不受限制，根据交货状态要求剪切，成品率显著提高；(4)由于轧材运行稳定性提高，对热轧板钢来说，有利于生产规格产品。(5)和单块轧制不同，钢品啮入次数减少，减小对轧辊冲击，有利于提高轧辊寿命。基于上述优点，前苏联、意大利达涅利公司和日本NKK公司都对连续轧制技术进行了分析研究。前苏联重型机器制造业中央科学研究院自1948年起着手制定连续轧制的新方法，并在工业上得到验证。意大利达涅利公司是世界上首家将连续焊接轧制技术（EWR）、小方坯自对中夹紧系统、自动化除毛刺系统和离线焊接机设定及维修系统进行了商业化应用的企业，已经为世界许多的国家提供了多套连续轧制设备，我国年产75万吨的唐山钢铁公司、涟源钢铁公司和新疆八一钢铁公司先后引进了连续轧制生产线。日本NKK公司对年产量40万吨的轧线采用连续轧制工艺前后，其生产经济技术指标也进行了统计分析，分析表明：采用连续轧制工以后，轧线的生产能力提高了10－15％。为使轧钢生产向更高的作业率、更好的产品质量、更宽的产品范围和更低的生产成本方向发展，中大型钢铁企业都致力于发展连续的生产模式。而实现连续轧制的技术关键：在前一块中间坯进行精扎的条件下，如何确保与后一块中间坯进行焊接及其所需的时间；并保证焊缝与母材的组织与强度接近。利用闪光焊接技术来保证板（带）材、棒材和管材的连续生产以达到较高产品质量和生产效率是目前国际冶金行业最先进的加工工艺之一。将闪光对焊工艺应用在冷轧工艺的连续酸洗线（CPL）和全连续冷轧机（TCM）的入口段，它不仅可满足对焊质量（焊缝断裂率低）的要求，而且能满足焊接的可靠性、稳定性和全自动操作的要求[5]。同时，闪光焊接是母材之间的焊接，保证了焊缝与母材的组织及程度接近，可以获得几乎与母材等性能的优质接头[6]。我国从国外引进的全自动薄板闪光焊接系统，在生产中能够得到高质量的焊缝，缩短焊接周期。通过Weldamatic系统的控制，优化了焊接过程中的电流，实现了整个生产范围的断焊率不到0.5%。对于结构钢，保证的断焊率为0.1%。这也说明了闪光焊接技术的先进性[7]。但由于设备昂贵，除了国有特大型企业，很难在众多中小型金属加工企业应用。因此，闪光焊接技术在我国钢铁行业有很好的市场前景。本课题从消化吸收国外