天钢中厚板11辊全液压矫直机控制系统的应用

白雪峰 马金 张瑞 （天津钢铁有限公司中厚板厂 ，天津 300301)

天钢中厚板11辊全液压矫直机控制系统的应用

白雪峰 马金 张瑞 （天津钢铁有限公司中厚板厂 ，天津 300301)

中厚板在生产的各个过程中会产生各种浪型缺陷，为了保证钢板的平直度，天钢在3 500 mm中厚板轧机加速冷却装置后设置了一台热矫直机，用于轧后及加速冷却后钢板的矫直。主要介绍了热矫直机的控制方式和控制特性，并对其中重要的控制功能进行了详述。通过对矫直机的控制，提高了钢板的平直度，满足了市场和用户对钢板的质量要求。

钢板 矫直机 矫直 轧辊 辊缝 自动控制

1 前言

近几年来,中厚板轧机刚度的加大,板形控制技术的进步,都有利于钢板不平直度的改善，而层流冷却技术的采用,也会带来一些不利的影响。中厚板在生产过程中形状缺陷主要是由钢板在轧制过程中、快速冷却过程中产生的弯曲、浪形、瓢曲等形状缺陷,以上原因是很难避免的,因此在用户自动化加工对钢板平直度提出更加严格要求的情况下，需要加强对钢板的矫直工作与细心操作。

天钢中厚板厂矫直机为11辊全液压强力矫直机，为一重设计研究院设计，最大矫直力可达到25 000 kN，控制系统采用意大利安萨尔多公司开发的AMS(Ansaldo Micro System)多功能微处理单元，模块化设计，易于维护和扩展，是实时控制系统的基础。该矫直机控制系统先进，达到了当今国际先进水平。它功能齐全、现场信号采集与响应速度快，矫直能力大、控制精度高、工作性能可靠，很好地实现了对矫直机的控制，并且矫出后的钢板平直度满足了市场和用户对钢板质量的需求。

2 矫直机设备组成

2.1 设备组成

矫直机配备11个轧辊(5上 6下)交错排列，并且由2个交流电机通过齿轮箱传动。上下交错的轧辊可以把钢板的短纤维应力延长，达到矫平钢板的目的。矫直机由机架装配、弯辊架、辊系、压下装置、传动装置、换辊装置、机架辊等组成。结构简图见图1。

2.2 技术数据

主传动电机：(带光电编码器)AC350/700/700 kW 500/1000/1350 r/min 2台

轧制板厚度：6 mm～50 mm;

轧制板宽(max)：3 300 mm;

轧制板长度(max)：40 000 mm;

矫直板材温度： 450～900℃;

图1 矫直机总视图

矫直板材屈服极限：σs≤710 MPa;

最大矫直力：25 000 kN

矫直速度：0～0.75/2 m/s;

矫直辊节距：300 mm;

上辊系行程：-20,+320 mm;

上辊系沿轧线和辊身方向倾动量：±10 mm

前、后导辊的调整量： +10～-25 mm

主压下速度：0-15 mm/s

工作辊规格：ø285×3600 mm

工作辊数量：11根（上排5根、下排6根)

一台主电机轴上的GD2（不含电机)：72.65 kgm2

最大矫直力矩：16 778 kgm

3 矫直机控制功能

3.1 矫直机控制系统的硬件配置

天钢3 500 mm中厚板矫直机控制系统对现场的压力检测、机械设备和电气设备进行逻辑管理，并对这些设备提供给定参数。收集反馈信息等事件都是由AMS进行控制的，AMS是由意大利ASIRobicon公司开发的多功能微处理单元，它的硬件设计主要基于以下几点：（1) 多重处理能力;（2) 多任务处理能力;（3) 开放和标准总线;（4) 扩展能力，遵循技术趋势扩展系统的运算能力;（5) 系统维护简单;（6) 通信标准能适应诊断需要。AMS平台包括一整套VME总线I/O板(数字量和模拟输最入，输出、高速计数器和编码器)。ASI设备通过PROFIBUS与之有效成为一体，更增强了自动化系统性能，使通过设备进行远程诊断成为了可能，其定位于快速过程的实时控制，采用市场普及的微处理器标准总线VME-bus，可多达8个CPU，这些CPU均为相同类型，只是第一个CPU装备以太网接口，因此它被指定为操作员和服务站的接口功能、以及应用软件的开发和监控单元。矫直机硬件简易配置如图2所示。

图2 AMS6的硬件配置示意图

系统主要由4块MVME-5100CPU和3块VMEPROFI-S卡,1块ANSALDO MM98卡，以及VME总线组成。系统选用1个标准的VME总线机架，CPU卡、VME-PROFI卡、ANSALDO MM98卡均安装在这一机架上，并为以后的扩展留有相应备用插槽。MVME-5100CPU卡采用标准MOTOROLA公司生产的POWER PC处理器，采用RISC技术，支持VME总线，主频300 MHz，卡上带有RJ45口用以ETHERNET通讯，采用静态存储技术。第1块CPU安装了一块FLASH-CARD，应用程序和配置文件直接存储在易保持的FLASH-CARD内[1];第2块CPU用于传动及矫直区域的顺序逻辑控制，第3块CPU用于矫直辊缝控制和快速换辊控制，第4块CPU用于矫直机液压站控制。VME-PROFI的从站板卡采用标准的支持VME总线PROFIBUS接口卡，用于连接矫直机传动装置及现场远程控制站。ANSALDO MM98卡用于光纤的通讯模块。然后在其余插槽中放置有信号采集处理模块、通讯模块等。为了便于程序的编制和控制，把主要控制功能分为以下几部分：矫直辊缝控制（LGC);弯辊控制（LBC);换辊维修控制（LML);生产逻辑控制（LPL);矫直机区域速度控制（LVM)等。下面简要介绍其中一些重要的控制功能。

3.2 钢板在矫直机区域的顺序逻辑控制功能

3.2.1 自动化系统在钢板到达矫直机前高温计时，读取钢板温度并重新进行辊缝设定,辊缝设定为：辊缝=欲设定辊缝+间隙（约0.5 mm，可调)。

3.2.2 钢板头部到达热板矫直机入口并被检得后，钢板减速到穿带速度（0.5～1 m/s)。

3.2.3 当入口光电管检测到钢板头部后，启动钢板头部跟踪，当钢板头部到达3#上辊和4#下辊之间时，主压下缸通过增压缸开始工作，此时辊缝值为预设定辊缝值。然后以出口辊作为枢轴倾斜上辊系。

3.2.4 一旦跟踪系统检测到钢板头部到达矫直机出口时，立即升速至矫直速度。

3.2.5 一旦跟踪系统检测到钢板尾部到达矫直机出口后，矫直机立即恢复到穿带速度，这时矫直机输入辊道停止运行。

3.2.6 如果在矫直过程中板型不平需要进行反矫，操作工启动可逆按钮，矫直机将执行反方向矫直逻辑。这样即可以对板坯进行3次矫直，更好地提高板型平整度。

3.3 辊缝位置调节控制

3.3.1 矫直机的辊缝位置调整

上轧辊高度的调节，它是通过控制4个主液压缸的位置来实现辊缝调节的;弯辊架位置调节,通过控制弯辊缸使得各个上矫直辊弯曲受控，用于两边或中间由较大浪型的钢板矫直;入口和出口导位辊位置高度调节，可控制矫直后钢板头部板型。这里主要介绍由4个主液压缸控制来实现辊缝位置的调节。

3.3.2 矫直机的辊缝调节

通过对4个主压下液压缸的位置调整来控制上辊系到下辊系（下辊系不可调视为水平位)的距离，实现辊缝大小的调整。压下液压缸由伺服阀控制，可对辊缝进行设定，压下液压缸可同步动作，也可单独动作，单独动作时可实现上辊系沿钢板长度及宽度方向的倾动。4个主压下缸内安装有线性位移传感器，来控制上辊系的前后、左右倾动位置的反馈，并提供一个同步串行接口（SSI)，位置信号由SSI板采集，分辨率为5 μm，用来精确计算液压缸的行程，所得数值与位置设定参数比较，通过位置调节器，调整伺服阀开口度来控制液压缸，实现位置闭环控制。辊缝由位置传感器检测并在操作台人机界面上显示[2]。主液压缸本体装有压力传感器，可根据采集的压力纠正位置参数。这样使得辊缝的控制十分精确，可以精确到0.01 mm左右，并且当外部条件出现故障或压力非常大过载时辊缝可以自动打开，这样保证了设备及产品的安全。如图3、图4。

3.3.3 伺服阀增益的调整

辊缝的快速动作有助于提高矫直节奏，因此，为了辊缝响应时间不取决于负载压力和位置变换的因素，有必要调整PID增益。实际上，由于伺服阀是用做三通装置,油的流量将取决于供压和液压缸压力之间的差值。液压缸压力包括装载和卸载时的压力。用于伺服阀流量的这个纠正增益[3]，采用公式如下：

图3 位子闭环控制功能图

图4 位子调节器示意图

PS=压力源压力(来自液压PLC)PL=活塞侧压力

3.4 主液压缸的油路控制

通过对液压油路的控制可以实现辊缝的快速打开、紧急事故打开、高低压矫直模式等。通过对电磁阀、高频响应比例阀、先导阀的不同逻辑控制，来实现不同的给油路径，得以实现上述功能。每个主液压缸由一个增压缸加压,可以增加主缸本身的压力，实现更大范围的矫直力。操作模式有高低压两种。

3.4.1 低压模式

增压缸不包括来自伺服阀控制油的流量,液压油通过增压缸有杆腔直接送到主液压缸中（增压缸有杆腔与主缸无杆腔联通)。

3.4.2 高压模式

来自伺服阀油的流量,送到增压液压缸无杆儿腔。这个模式在矫直操作阶段使用。经过这个操作，使主缸的活塞侧产生的压力值远大于油路，通过增压缸有杆腔使主缸产生的压力，提升了矫直机的矫直力降低了钢板的残余内应力，确保了对高硬度钢板的矫直。液压油路[4]如图5，矫直时辊缝液压系统高压模式

3.5 矫直机速度控制

图5 高压模式的油路示意图

操作矫直机区的速度需要所有包括在该过程中的所有机械元件线速度的配合，包括矫直机机架辊和入口及出口辊道的同步运行，并且2台主传动电机必须速度同步工作。这样矫直机区域的速度控制就分为运输钢板和矫直钢板两种方式。当钢板从上一工序（层流冷却)运输到矫直机前时，矫直机入口辊道的速度取决层流辊道的速度给定。矫直过程时，速度分为咬钢速度，矫直速度和抛钢速度，这时区域速度取决于2台主电机的速度给定。速度的给定可由操作工在HMI画面上设定或由2级给出。速度给定通过逻辑运算再转换成角速度，通过Profibus把数据发送给变频器驱动电机。控制如图6所示。

图6

3.6 矫直机驱动的负载平衡

当钢板进入矫直机矫直时，出口传动以超前速度无载运行（5%可调)，使入口和出口段之间可建立低的张力，超速量取决于平直度等。根据钢板在矫直机工作辊组中的位置，控制穿带期间电机负荷的增加。在钢板穿带期间，电机负荷逐级增加，每一级与各个辊子的矫直力成比例。钢板进入每一组的最初4根辊子时，电机电流限幅值应由1/4电机额定电流逐级递增。钢板穿带并升速后，实时检测并比较入口，出口主传动的负荷值，入、出口传动负荷值之比，RL=入口传动负荷/出口传动负荷。如果在矫直期间“RL”的绝对值超过1～1.1（可调)，则证明两个安全联轴节中的一个“已打开”，这时给出相应的报警。如图7所示。

图7 咬钢过程电机力矩示意图

4 结论

4.1 由于天钢3 500 mm中厚板厂采用了AMS控制系统，很好地实现了对矫直机功能的控制，并且矫直机矫过的钢板达到了市场和用户对钢板质量的要求。

4.2 天钢3 500 mm中厚板矫直机比传统矫直机的控制功能更齐全，辊缝控制更精确更高,上辊系可以左右摆动和前后倾动，可以较好地消除边部边浪，从入口到出口得到理想的钢板矫直曲率，并且对薄规格和高强度的钢板均可以得到理想的矫直效果。

4.3 响应更及时，平均矫一块钢板在20 s左右，保证了轧制节奏，增加了机时产量。

4.4 矫直力更大并且合理，以前原本需要矫3道次的高强度钢板现在矫一道次就可以实现很好的平直度，并且使钢板弹复后的残余曲率变化范围缩小，减少了钢板在冷却后再次产生形变的可能性。

4.4 经过几年运行，该系统性能稳定，能够满足生产工艺的要求;自动化程度高，减少了维护人员和操作人员的劳动强度;故障率低，由于矫直机控制系统造成的非计划停车时间为零，保证了机时产量。

[1]MVME-5100CPU USER-MANUAL.MOTOROLA.2004：13.

[2]徐燕.新开发的11辊中厚板矫直机[J].一重技术,1996(2):34.

[3]ASIRobicon industrialpower control system specification document.2002：08.

[4]苗建新.厚板厂冷矫直机的控制及优化[J].钢铁研究学报,2007,19（2)：51.

Application of Control System of Eleven Roll Full Hydraulic Leveler of TISCO Plate Rolling Mill

Bai Xuefeng,Ma Jin,Zhang Rui

The medium and heavy plate can present wave defect during every procedure in production.In order to ensure plate flatness,TISCO installed a hot leveler after accelerated cooling equipment at 3 500 mm Plate Rolling Mill to level the plate after rolling and ACC.The paper introduces the control method and characteristics of hot leveler and explains in detail the important control functions.After its flatness was improved by leveler control,the plate met the demand by market and the customer on quality.

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（收稿 2011－07－13 责编 赵实鸣)

白雪峰，男，2004年毕业于鞍山科技大学自动化专业,现在天钢3 500 mm中厚板电修作业区工作。