強(qiáng)力矯直機(jī)控制模式分析及應(yīng)用

在全國(guó)中厚板行業(yè)嚴(yán)重供大于求和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的局面下，只有生產(chǎn)高強(qiáng)度的品種板和高附加值的品種鋼才能更好的占領(lǐng)市場(chǎng)，取得更大的效益。強(qiáng)力矯直機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用是適應(yīng)中厚板廠生產(chǎn)形勢(shì)，加大品種板生產(chǎn)的有利條件。

1、矯直機(jī)技術(shù)特性及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 技術(shù)特性

矯直工藝原理就是通過輥間的可逆彎曲將產(chǎn)品拉伸，其目的就是將鋼板拉伸，使所有纖維達(dá)到相同長(zhǎng)度。主要功能是：①去除入口鋼板的形狀缺陷。形狀缺陷如邊浪、中浪和1/4瓢曲等有可能通過矯直機(jī)去除。②使鋼板內(nèi)的殘余應(yīng)力降到最低，以便能保持鋼板平直度。

下圖1說明彎曲鋼板時(shí)，鋼板厚度內(nèi)應(yīng)力的演變；上表面被拉伸，下表面被壓縮。

圖1 鋼板矯直特性

1.2 熱矯直機(jī)輔助設(shè)備包括：

① 帶有雙PLC,具有一級(jí)和二級(jí)模型控制的自動(dòng)化控制系統(tǒng)；②高壓液壓裝置；③中壓液壓裝置 ；④用于支撐輥的油汽潤(rùn)滑系統(tǒng) ；⑤供小齒輪箱和齒輪減速機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)；⑥干油系統(tǒng) ；⑦供矯直輥,壓力框架冷卻,液壓裝置和油潤(rùn)滑系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)；⑧用于除鱗的吹掃系統(tǒng)。

2、矯直機(jī)的控制方式及工作原理

2.1 控制過程描述

鋼板從ACC控軋控冷區(qū)域出來，由輥道傳送（入口輥道），溫度范圍450oC－950oC。此時(shí)進(jìn)行矯直機(jī)前的輥道控制權(quán)限令牌（TOKEN）的交接，矯直機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行矯直區(qū)域的輥道控制。鋼板傳輸?shù)匠C直機(jī)的入口時(shí)，由鋼板位置檢測(cè)器（CMD）進(jìn)行檢測(cè)，此時(shí)讓鋼板停下，等待控制系統(tǒng)的指令然后才能進(jìn)行鋼板的咬入矯直工序。

（1）控制指令的自動(dòng)模式

自動(dòng)模式是利用Level 2計(jì)算預(yù)設(shè)置定并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送到Level 1自動(dòng)打開輥縫，按設(shè)定的矯直力進(jìn)行鋼板的矯直。這些預(yù)設(shè)置是根據(jù)精軋機(jī)系統(tǒng)的 Level 2將鋼板的鋼種、溫度、ID號(hào)、及ACC處理后的狀態(tài)經(jīng)TCP/IP通訊至矯直機(jī)Level 2，矯直機(jī)的Level 2根據(jù)矯直模型進(jìn)行預(yù)計(jì)算，并將計(jì)算的數(shù)值傳送至矯直機(jī)的Level 1系統(tǒng)，進(jìn)行輥縫設(shè)備及矯直力的控制，鋼板信息及控制信息均在HMI上顯示。這些預(yù)計(jì)算的設(shè)置包括：

① HGC液壓缸位置（入口和出口輥縫并傾斜傳動(dòng)側(cè)和非傳動(dòng)側(cè)）
② 入口/出口輥位置
③ 工作輥彎輥缸位置
④ 咬入、拋出和矯直速度

（2）控制指令的人工干預(yù)模式。

當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)Level 2的數(shù)據(jù)傳輸不準(zhǔn)確時(shí)，可以人工進(jìn)行矯直機(jī)狀態(tài)的設(shè)置。將輥縫手動(dòng)打開到合適的位置，彎輥擺到有效的位置等。咬入、拋出速度按系統(tǒng)設(shè)定的安全值進(jìn)行。

無論何種模式定位后，由操作人員在操作臺(tái)上按下“START”開始按鈕，鋼板開始運(yùn)動(dòng)，按預(yù)設(shè)置的速度執(zhí)行咬入矯直機(jī)、進(jìn)行矯直、最后拋出的操作。

本張鋼板矯直完成后，矯直機(jī)出口處的位置檢測(cè)器（CMD）檢測(cè)到鋼板尾部時(shí)，鋼板停下。操作人員可以選擇結(jié)束矯直（正常情況），也可以根據(jù)鋼板的板形情況要求多道次矯直。如果結(jié)束矯直，矯直機(jī)后的運(yùn)輸輥道與冷床操作進(jìn)行控制權(quán)限的交接，由冷床操作人員控制輥道并將鋼板送到冷床區(qū)。

2.2 電機(jī)傳動(dòng)控制

矯直機(jī)咬入鋼板后，由主傳動(dòng)系統(tǒng)加速到矯直速度，11根工作輥由兩臺(tái)主電機(jī)進(jìn)行分組控制。

當(dāng)鋼板的尾部在第一組控制分組的工作輥內(nèi)時(shí)，1#電機(jī)的力矩極限根據(jù)尾部在第一組輥內(nèi)的位置進(jìn)度減小，防止接軸過力矩，矯直速度由1#電機(jī)控制。2#電機(jī)保持速度控制，力矩被控制在正常的范圍內(nèi)。當(dāng)鋼板尾部到第一組輥的第三根輥?zhàn)酉旅鏁r(shí)，2#電機(jī)的加速度以一定的等變率減小。計(jì)算該等變率，在尾部走出第一組工作輥時(shí)取消加速度。這時(shí)，2#電機(jī)的力矩極限被提高到最大電機(jī)力矩，這樣鋼板速度由第二個(gè)電機(jī)按S-RAMP速度曲線進(jìn)行控制。

當(dāng)鋼板尾部在第二組控制分組的工作輥內(nèi)時(shí)，尾部走出第一組控制分組的工作輥時(shí)，第二個(gè)電機(jī)傳動(dòng)是速度控制。第二個(gè)傳動(dòng)的力矩極限逐漸從最大傳動(dòng)力矩減小到最后接軸的最大力矩。要按照尾部在第二組輥內(nèi)的進(jìn)度減小。

當(dāng)尾部走出矯直機(jī)時(shí)，力矩極限等于最后接軸的最大力矩。出口處的CMD6檢測(cè)到鋼板尾部時(shí)，速度主控器用S-RAMP降低矯直機(jī)輥的速度基準(zhǔn)，入口/出口輥道速度降為0。當(dāng)鋼板停止時(shí)，道次宣告結(jié)束。

2.3 液壓HGC輥縫控制原理

首先要對(duì)液壓缸的位置傳感器進(jìn)行進(jìn)零點(diǎn)校準(zhǔn)，自動(dòng)回零。然后將HGC系統(tǒng)設(shè)置到CLOSELOOP（閉環(huán)）控制狀態(tài)，設(shè)置輥縫的控制程序運(yùn)行于Level1 PLC S7-400上。該 PLC 通過以太網(wǎng)TCP-IP與Level2計(jì)算機(jī)相連接,矯直機(jī)Level1接收到預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)之后，控制相應(yīng)的伺服閥進(jìn)行動(dòng)作，達(dá)到設(shè)定的輥縫位置。

操作工也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行手動(dòng)的輥縫設(shè)定，在HMI上人工輸入輥縫值，HGC系統(tǒng)可接收指令自動(dòng)擺到相應(yīng)位置；也可以使用操作桿進(jìn)行HGC系統(tǒng)的位置操作。

2.4 彎輥控制原理

彎輥系統(tǒng)用于補(bǔ)償矯直過程中自然觀察到的矯直輥和箱體偏差。彎輥系統(tǒng)可在矯直過程中使矯直輥保持平行。

上矯直輥和支承輥箱體安裝在一個(gè)可收縮開式框架上。該框架被分成兩部分，由活動(dòng)接頭連接?？蚣茼敳康钠难b置可將這兩部分分離，使矯直輥彎曲。內(nèi)部裝有位置傳感器的液壓缸啟動(dòng)該偏心裝置。兩個(gè)壓力傳感器給出液壓缸壓力反饋。用一個(gè)伺服比例閥驅(qū)動(dòng)彎輥缸，可控制其位置和過載保護(hù)。

分開兩部分框架的偏心運(yùn)動(dòng)是不可逆的。彎輥缸只能在矯直機(jī)無負(fù)載時(shí)改變位置，所以在負(fù)載條件下不允許彎輥運(yùn)動(dòng)。

2.5 矯直機(jī)的標(biāo)定

該功能用于校準(zhǔn)矯直機(jī)，使上箱體與下箱體平行。這一基準(zhǔn)位置被儲(chǔ)存起來并用于上箱體的準(zhǔn)確位置。操作人員在每次箱體更換后執(zhí)行標(biāo)定程序。

首先將厚度為60mm的標(biāo)定板放在矯直機(jī)輥系內(nèi)，矯直機(jī)輥系完全打開。在HMI畫面中執(zhí)行矯直機(jī)的自動(dòng)標(biāo)定程序。在HMI畫面上輸入上下工作輥及支撐輥的輥徑值，按下“標(biāo)定”按鈕，四個(gè)HGC缸自動(dòng)壓下，檢測(cè)到標(biāo)定板厚度，并保持四個(gè)HGC處于相同校準(zhǔn)壓力時(shí)，記錄其位置，確定為校準(zhǔn)位，標(biāo)定程序完成后，輥縫自動(dòng)打開到80mm，操作人員將標(biāo)定板開出，標(biāo)定完成。

2.6 自動(dòng)控制系統(tǒng)一級(jí)和二級(jí)的功能實(shí)現(xiàn)

（1）Level 1 的主要功能設(shè)計(jì)

為操作人員用HMI顯示從生產(chǎn)線熱矯直機(jī)上下游的情況，但以矯直機(jī)主體區(qū)域?yàn)橹?。顯示矯直機(jī)的有關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)，詳細(xì)顯示工藝路線和物料跟蹤情況。

操作人員可看到工藝預(yù)設(shè)置和設(shè)定點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行人工設(shè)定和修改參數(shù)。主要包括輥道控制、主機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、HGC系統(tǒng)、彎輥系統(tǒng)、液壓站系統(tǒng)、換輥系統(tǒng)、油汽系統(tǒng)、故障報(bào)警系統(tǒng)等多個(gè)操作畫面，允許操作人員啟動(dòng)/停止機(jī)器，顯示傳動(dòng)狀態(tài)（OFF/READY/ON關(guān)/待機(jī)/開）。

矯直機(jī)的使用方式有三種，全自動(dòng)(投入二級(jí)L2)，半自動(dòng)(輥道自動(dòng)控制、手動(dòng)擺輥縫)，手動(dòng)。

用戶模式兩種：操作模式OPERATOR（用于正常生產(chǎn)狀態(tài)），維護(hù)模式MAINTANCE（用于檢修或換輥狀態(tài)）

輥道令牌權(quán)限控制（TOKEN）：與上游的精軋機(jī)控制系統(tǒng)及下游的冷床控制系統(tǒng)的輥道進(jìn)行權(quán)限的交接，利用幾個(gè)主要的鋼板位置檢測(cè)器CMD01矯直機(jī)區(qū)域入口，HMD10精軋機(jī)出口、ACC鋼板尾部信號(hào)來進(jìn)行輥道權(quán)限的控制與交接。矯直區(qū)的跟蹤從CMD1-CMD9，CMD1是開始跟蹤，CMD4鋼板咬入矯直機(jī)，CMD6鋼板拋出矯直機(jī)，可以按下按鈕（允許對(duì)冷床交接）對(duì)冷床進(jìn)行輥道交接，冷床操作完成后按下按鈕（冷床操作臺(tái)）將權(quán)限交回矯直機(jī)。

在設(shè)計(jì)中增加了鋼板的游動(dòng)功能，只是在操作模式下有效：鋼板在咬入之前和拋出之后，若沒有按下開始按鈕，或者沒有動(dòng)操作柄，30S后輥道處于游動(dòng)狀態(tài)，保護(hù)輥道不被太熱的鋼板烤壞。操作主畫面如圖2所示：

圖2 操作主畫面

（2）Level 2 的主要功能設(shè)計(jì)

用于本系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)都由局域網(wǎng)連接，該局域網(wǎng)由自己的IP地址且獨(dú)立于工廠網(wǎng)絡(luò)。而且在局域網(wǎng)和工廠網(wǎng)絡(luò)間由網(wǎng)關(guān)連接保證矯直機(jī)和廠內(nèi)其它部分的連接。二級(jí)組成：二級(jí)服務(wù)器運(yùn)行二級(jí)、鋼板跟蹤、預(yù)設(shè)值計(jì)算、數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存和通訊都由改服務(wù)器完成，它是二級(jí)的指揮中心；人機(jī)界面計(jì)算機(jī)：它負(fù)責(zé)人機(jī)界面的應(yīng)用，通過這里進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)際操作。二級(jí)應(yīng)用由C++和VAI環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，而HMI則應(yīng)用VISUAL BASIC。

實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

⑴ 鋼板跟蹤：接收精軋機(jī)二級(jí)的數(shù)據(jù)，主要包括鋼板的信息：鋼板的ID號(hào)，化學(xué)成份，鋼種，軋制溫度，當(dāng)前溫度，厚度，長(zhǎng)寬等。
⑵ 數(shù)據(jù)記錄和報(bào)告：根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行矯直數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，并存儲(chǔ)實(shí)際矯直數(shù)據(jù)以及設(shè)備狀態(tài)，出具矯直報(bào)告。
⑶ 操作人機(jī)接口（HMI）：能過人機(jī)接口界面，可以使操作工看到模型計(jì)算的數(shù)據(jù)是否符合實(shí)際的應(yīng)用，并可以進(jìn)行人工的干預(yù)和修改。
⑷ L1/L2網(wǎng)關(guān)：為了保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性，在同一級(jí)及精軋機(jī)二級(jí)的通訊過程中，設(shè)置了網(wǎng)關(guān)。Level 2網(wǎng)關(guān)服務(wù)器負(fù)責(zé)與精軋機(jī)Level 2或MES及ACC通訊。它接收來自精軋機(jī)Level 2或MES的生產(chǎn)計(jì)劃并將生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)上載到精軋機(jī)Level 2或MES系統(tǒng)。
⑸ 模型計(jì)算：主要根據(jù)精軋機(jī)的鋼板數(shù)據(jù)和信息，計(jì)算出矯直時(shí)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，如輥縫值、矯直速度，矯直壓力等。

3、小結(jié)

強(qiáng)力矯直機(jī)控制系統(tǒng)具有較先進(jìn)的控制思想，實(shí)現(xiàn)在一級(jí)PLC與二級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，并與上游及下游工序的PLC進(jìn)行功能的交接，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)合理的輥縫設(shè)置、扭矩計(jì)算及矯直力的合理運(yùn)用等。強(qiáng)力矯直機(jī)投用以來，充分發(fā)揮潛能有效的提高生產(chǎn)的安全系數(shù),加快了生產(chǎn)節(jié)奏,減少了故障時(shí)間，提升了換輥速度，增加了品種板的開發(fā)力度。目前中厚板廠利用該強(qiáng)力矯直機(jī)可生產(chǎn)JG670DB等高強(qiáng)度品種板30余種，實(shí)現(xiàn)了新的突破。