莱钢中型型钢轧机自动控制系统

莱钢中型型钢轧机自动控制系统仇曙川赵乐生李开勇王希涛赵红芹宋希光鹿峰唐桂芝陶玲摘要介绍了中型型钢轧机自动控制系统的组成，重点描述了先进的无张力控制功能。关键词中型型钢轧机无张力控制自动位置控制AutomaticcontrolsystemformediumsectionmillinLaiwuIronandSteelCoQiuShuchuanZhaoLeshengLiKaiyongWangXitaoZhaoHongqinSongXiguangLuFengTangGuizhiTaoLing(AutomationDept,LaiwuIronandSteelCoLaiwu271104)AbstractThecompositionofautomaticcontrolsystemformediumsectionmillisintroducedandtheadvancedfreetensioncontrolfunctionisdescribedindetail.Keywordsmediumsectionmill;freetensioncontrol;APC莱钢中型型钢厂是莱钢利用亚行贷款新建的一个具备90年代国际先进水平的现代化轧钢厂。该厂型钢生产线是全国第1条连铸→热送→热装→连轧短流程生产线，可生产以经济断面型钢——H型钢为主的多种规格的产品，主要机械设备由日本新日铁公司提供，电气和自动化设备由日本东芝公司提供。其轧线自动控制系统采用了多项先进技术，实现了高度自动化。1系统配置1.1控制网络轧线自动控制系统由2级计算机系统构成，即基础级(1级)和过程级(2级)。基础级主要由东芝公司提供的PLC系统——T3H构成。4套T3H(粗轧、精轧、精轧辅助1、精轧辅助2)通过东芝公司专用的TOSLINE通信模块和光缆构成轧线基础级控制网。这4套T3H、过程计算机以及加热炉区和精整区的多套T3H通过以太网通信模块和同轴电缆构成过程级控制网。系统配置见图1。图1轧机控制系统配置图1.2操作站该控制系统拥有粗轧和精轧2个操作站，它们均采用日本东芝公司的工控机FA3100作为监控计算机，操作系统为WindowsNT4.0，监控画面采用美国Intellution公司的FIXDMACS软件(6.15版)编制，包括工艺流程画面、数据管理画面、故障报警画面等。工艺流程画面实时显示轧线主要设备的准备及运转状态，包括粗轧机、精轧机组、各组辊道、切头锯等的运转状态；显示热金属探测器(HMD)、高温计、接近开关等检测元件的信号以及粗轧机、精轧机组电机速度给定值、实际值等重要参数。数据管理画面是为工程技术人员调整轧线重要工艺参数而设置的，如粗轧机每一道次的各种参数、精轧机组辊缝等。故障报警画面显示影响轧线连续生产的关键设备的故障，包括电源故障、电机故障、T3H故障、编码器故障等。2控制功能2.1无张力控制(FTC)在连轧过程中，为达到理想轧制，避免机架间堆钢或拉钢，就要实现各机架的“秒流量”相等。但在实际中，由于轧件温度、电源波动等多种因素的影响，轧制过程难以保持在理想状态。因此，在莱钢中型型钢轧机精轧机组中应用了无张力控制(FTC)，采用下游级联控制，并设有手动补偿按钮。精轧机组包括5台万能轧机(U型)和2台轧边机(E型)，依次为U1、U2、E1、U3、U4、E2、U5，控制流程(E1、E2未示出)如图2所示。图2精轧机组控制流程图FTC—无张力控制功能块；SSRH—单个机架速度给定；ASR—变频调速器FTC工作过程：若使用FTC，操作人员从监控画面中把相应的选择开关ON/OFF置为ON状态。当轧件由U1轧机进入U2轧机时，以U2轧机的负载继电器带载信号作为FTC1的启动信号，此时，FTC1开始对U2轧机的负载力矩采样。当采集10个数据后(取样间距100ms)，发出锁定信号，并把10个数据的平均值作为该轧机标准转矩利用Mn0及轧机在线实测轧制转矩Mn算出轧件张力转矩Mt=Mn0－Mn。利用下式算出Un轧机实时速度补偿值Δυn:(1)式中k为常数；Mt,ref为轧件张力转矩参考值；Tu,ref为由监控画面设定的目标张力；Aset为各机架出口侧轧件横截面积；DH,set为水平轧辊直径。把Δυn补偿给所有下游机架。当轧件由U2轧机进入U3轧机时，以U3轧机的负载继电器带载信号作为FTC1的停止信号，速度补偿保持当前值，同时，把该信号作为FTC2的启动信号。以此类推，FTC4作用时间长短，可根据轧件长度、轧制转矩变化情况调整。为了使可靠性更高，操作人员可利用手动补偿按钮进行人工补偿。手动补偿时，FTC中断并保持当时的速度补偿值输出。半年多的调试与运行证明，FTC在实现无张力轧制、提高产品质量方面发挥了重要作用。2.2自动位置控制(APC)APC功能在本系统中广泛使用，典型应用是控制粗轧机压下装置。粗轧机每一道次辊缝各异，因此采用APC功能，其压下装置可准确、快速地调节辊缝，以提高轧件质量、加快生产节奏。现以粗轧机压下装置为例，简述APC控制原理。设目标位置、当前位置分别为X0、X，以X0为坐标原点，则压下装置速度曲线如图3所示。图中L1、L2、L3和L4表示压下装置当前位置与目标位置间的偏差距离设定值；V0、V1、V2、V3和V4表示压下装置的不同运行速率。图3压下装置速度曲线Li、Vi(i=0，…，4)可在经验值的基础上根据实际情况调整，直到获得满意的位置逼近曲线。现给出我们应用的Li、Vi具体数值以供参考：L0=0.2mm(控制精度)，L1=2.5mm，L2=5mm，L3=15mm，L4=27mm；V0=3％V额定，V1=9％V额定，V2=25％V额定，V3=58％V额定，V4=100％V额定。2.3精轧机组辊缝调节与快速换辊技术精轧机组换辊采用机架更换方式，即在线轧钢的同时，离线可用第2套机架组装能轧制下一种产品的轧机。精轧机组辊缝调节分为在线和离线2种方式，主要是离线调节，每种方式均包括水平辊辊缝调节、立辊辊缝调节和水平顶辊轴向调节3类。其中水平辊辊缝调节装置采用了偏心套结构：水平辊辊缝调节电机驱动蜗轮蜗杆结构，蜗轮蜗杆结构带动偏心套旋转，从而实现水平辊辊缝的调整。高精度(216)绝对值编码器装于蜗杆上，编码器值与偏心套旋转角度存在一一对应关系，偏心套旋转角度θ正常范围是[－45°，45°]，在上下限存在机械与控制程序上的双重保护。水平辊辊缝计算公式如下：H辊缝=(L－Dru－2Hu)＋R(sinθt＋sinθb)＋Z(2)式中L为水平顶辊与底辊的中心距；Dru为水平辊辊环直径；Hu为垫片厚度；R为偏心套偏心半径(R=15mm)；Z为调零值(水平顶辊与底辊压靠时两者压缩量之和)；θt、θb分别为水平顶辊与底辊的偏心角度。因为Z=－[R(sinθt0＋sinθb0)＋(L－Dru－2Hu)](3)式中θt0、θb0分别为水平顶辊与底辊压靠时两者的偏心角度(每次压靠时，T3H自动记忆)。所以H辊缝=R(sinθt＋sinθb－sinθt0－sinθb0)(4)通过APC功能，精轧机组可迅速实现过程计算机设定的辊逢，精度高达0.05mm。轧机离线调整结束后，在半自动换辊方式下，利用7台换辊小车，可在10至20min内完成7台轧机联动更换。轧机在线后，工程技术人员可通过人机接口方便地实现7台轧机联动辊缝调节。2.4其它控制功能2.4.1道次管理粗轧机为二辊可逆式轧机，每一道次均需一批相应的工艺参数，如轧制速度、挤压与拉伸补偿系数、工作辊直径、辊缝、孔型、翻钢模式、前后推床位置、钢坯高度与宽度等。当需要轧制某一种产品时，通过监控画面上的“数据请求”按钮，可将过程计算机预先设定的该钢种的工艺参数，以道次分组，成批存于粗轧T3H缓冲寄存器中。道次变化以粗轧机负载继电器信号为依据，相应设备(如推床、翻钢钩、压下装置、粗轧电机、前后辊道等)根据本道次提供的数据动作。2.4.2自动翻钢粗轧机自动翻钢功能通过WS(工作侧)推床、DS(传动侧)推床以及附着于DS推床前的翻钢钩三者协调动作实现，推床与翻钢钩的位置由编码器精确检测。翻钢前，根据钢坯宽度、高度、位置，推床自动确定起始位置，使两侧推床间距为W＋H＋α(W为钢坯宽度，H为钢坯高度，α=50mm)，然后执行翻钢动作。翻钢又分3种情况：(1)H－W≤100mm；(2)H－W100mm且W≥200mm；(3)H－W100mm且W200mm。每种情况动作不同，与手动翻钢相比，自动翻钢一次成功率高，速度快。2.4.3轧件跟踪轧件跟踪技术以HMD或负载继电器信号作为触发条件，以扫描时间(或脉冲发生器所发脉冲个数)和辊道反馈速度(或每个脉冲对应的轧件运行距离)为依据，计算轧件位置或长度。2.4.4钢坯自动摆动钢坯进入加热炉出口辊道后，该辊道前方的HMD获得信号时，钢坯暂停，T3H判断是否满足前进条件。若5s内，条件满足，钢坯自动进入粗轧机进料辊道；否则，钢坯以0.2m/s的速度，以加热炉出口辊道前后2个HMD信号作为往返标志，在该辊道上来回摆动，直到操作人员确认条件满足后按下“摆动复位”按钮。因热钢坯与冷辊道长时间静止接触，将导致钢坯实际接触的小片区域冷却过快，形成所谓的“黑印”现象，不仅影响轧件质量，而且可能造成后面的HMD错误检测，钢坯自动摆动功能很好地克服了此问题。3结束语莱钢中型型钢轧机经过1年多的热试轧，已顺利完成了对4种型号5种规格主导产品的热考核，产品各项性能指标均达到设计要求。轧机控制系统符合工艺要求，操作简便，控制功能强大，全自动运行率超过95％。(编辑魏衡江)仇曙川男1970年生工程师主要从事工业自动化领域的研究和开发工作。作者单位：仇曙川(莱芜钢铁集团有限公司自动化部莱芜271104)赵乐生(莱芜钢铁集团有限公司自动化部莱芜271104)李开勇(莱芜钢铁集团有限公司自动化部莱芜271104)王希涛(莱芜钢铁集团有限公司自动化部莱芜271104)赵红芹(莱芜钢铁集团有限公司自动化部莱芜271104)宋希光(莱芜钢铁集团有限公司自动化部莱芜271104)鹿峰(莱芜钢铁集团有限公司自动化部莱芜271104)唐桂芝(莱芜钢铁集团有限公司自动化部莱芜271104)陶玲(莱芜钢铁集团有限公司自动化部莱芜271104