森吉米尔二十辊轧机的传动及控制系统

【摘要】对森吉米尔20辊轧机的结构、主传动及控制系统进行了介绍，并着重叙述了该类轧机的主传动由交流电机取代直流电机、自动厚度及板形控制的发展和今后趋势。

1、轧机概况

20辊轧机是由森吉米尔博士在1933年发明的。当时的轧机宽度为800mm,能轧制岀厚度为0.13mm的低碳带钢。目前世界上 35个国家里安装并运行着400多台森吉米尔轧机。世界上90%以上的不锈带钢是由森吉米尔轧机轧制的，同时大量的矽钢片、薄规格的有色金属、低碳钢也都是森吉米尔轧机轧制的。

最小的20辊轧机宽度仅100mm,可以轧制出仅几俱μm厚的超薄带。

较小的20辊轧机宽度一般为600mm, 通常可轧制岀0.025mm厚的精带。

中型20辊轧机的宽度一般为1000 – 1500mm,轧制速度一般为 400 ~ 600m/min, 较快的可达到800m/min。如果轧制的原料厚度为2.5 ~ 4.5mm,卷重在20t左右，则年产量可达5 ~ 8万t。

世界上最宽的20辊轧机的宽度为2m。

目前轧制速度最快的20辊轧机的速度已达1000m/min,当原料厚度3.5 ~ 6mm, 卷重为30t时，其年产不锈钢可达10万t。

综上所述，森吉米尔20辊轧机在金属加工领域中起着不可忽视的作用。

2、轧机的主要构成

20辊轧机的机组由以下几个主要部分构成。

(1)20辊轧机。由传动主电机、减速分配器、机架及辊系组成。辊系排列如图1 所示。

由图1可以看岀，轧机的工作辊是被动的，由上下四根处于第二中间辊位置上的传动辊来传动。支承辊编号从A至H,共8 根。每一根支承辊又分成几段。图1中B、 C及F、G辊为偏心辊，当该两辊中间的压下机构动作时，可对辊缝及所轧制的钢板板型进行控制。

(2)卷取机。位于轧机前后，共两台。

(3)开卷机。轧机开机前，原料钢卷由开卷机松卷，并将带钢头送入20辊轧机。

(4)卷纸机。中间退火酸洗的半成品钢卷中间需垫纸，冷轧完毕后的钢卷中间也需要垫纸，此时即由卷纸机卷取垫纸或将纸卷 开卷垫入钢卷中。

(5)测量仪。现代20辊轧机中多安装测厚仪及板型仪，以便进行控制。

(6)辅助系统。包括液压、润滑及冷却液循环系统。随着轧制速度的提高，轧机冷却液循环系统的作用也越来越重要。

3、轧机主传动

图2所示为20辊轧机的主传动为直流电机的传动系统图。

目前运行的20辊轧机的主传动，几乎全部是直流电机传动的，直流电机由6或12脉冲可控硅整流装置供电。为了减少转子的转动惯量，一般2至3台直流电机串联传动，以提高传动系统的动态特性及降低过渡过程中的能量损耗。

目前制造的可控硅整流装置全部是数字量控制的。所有的控制功能，从各种设定到触发脉冲，都由32位微处理器执行。

传动系统的性能决定于储存在组合存储模块中的控制程序。系统可以根据速度和转矩设定来运行。

系统工作时，设定、主令、状态及反馈信号全部都在传输速率为2兆位/s的同一高速母线上传输。

系统的静态偏差在10% ~ 100%速度范围内可达0.01%,在相同的速度范围内当转矩从0 ~ 100%阶跃时，其动态偏差小于 0.2%。

系统的控制由状态诊断系统监视，可监 视过程控制计算机、总线、存储检査及供电 系统。状态诊断设备也可用以检査运行状 态、故障记录、调试及维修。

直流主传动系统也存在某些不足之处。如多台电机串联运行，其安装和维修要求都较高，同时又要增加各台电机负荷均衡控制 系统；直流电机维护的工作量较大；多台主电机在主电室内运行时噪声很大。

随着交交变频装置供电的交流电机传动 系统的问世、完善，交流主电机传动系统已开始进入20辊轧机的传动领域。1991年，第一台用交交变频装置供电的交流电机传动的20辊轧机在德国克虏伯公司的迪林堡工厂运行。接着德国蒂森、芬兰奥托昆普及韩国浦项公司的20辊轧机也相继采用交交变频装置供电的交流电机传动。

釆用交流电机传动后，原来需要三台直流电机串联的传动仅需一台电机即可，单台交流电机的功率可达5000 – 6000kW,其中大部分釆用同步电动机。应用矢量法控制交流同步电机，其静态和动态特性的指标都和直流系统相仿。由于交流同步电机的维护较直流电机简单，因而这种系统的优越性已越来越为人们所认识。

釆用交流电机传动后，由于不必再用多台电机串联，因此也为卷取系统的改进创造了条件。德国克虏伯公司迪林堡工厂的20辊冷轧机，其卷取机的轴也就是卷取机传动电机的轴，卷取机的伸缩靠电动机轴内的液压系统来控制。

卷取系统采用这种结构后，由于省去了减速箱和连轴器，因而最大限度地消除了系统中的间隙，卷取系统的扭转刚度得以提高，卷取芯轴、带卷和电机的转动惯量分配达到最佳化。该传动装置结构紧凑、占地面积小。交流电机传动系统的这些优点最终为带钢的张力控制创造了良好的条件。

4、轧制控制系统

自动控制水平通常分成四级。一级为基础自动化，二级为过程自动化，三级为生产管理自动化，四级为经营管理自动化。

大部分20辊轧机达到二级自动化水平，部分轧机已达到三级甚或四级自动化水平。

常见的控制系统框图如图3所示。

基础自动化级主要是轧机的辅助传动控制、主传动控制、自动厚度控制（AGC）、 辅助系统控制及板形控制。基础自动化级在过程自动化级管理下工作，同时设有人机通讯系统，这三者通过系统总线相连。过程管理自动化级则通过以太 和生产管理自动化级相连。

过程管理自动化级中主要功能为：

1）指令管理，

2）物料跟踪，

3）轧辗管理,

4）数学模型，

5）数据收集，

6） 表编制。

基础自动化级中主要功能为：

1）辅助传动控制内容。

①卷纸机，

②校直机，

③板形测量辐，

④导向親，

⑤轧制程序。

2）主传动控制内容。

①速度设定，

②卷取机张力，

③开卷机，

④轧机主传动，

⑤重卷时带钢端部位置，

⑥带钢卷取长度测量，

⑦卷取重量计算，

⑧自动减速，

⑨断带保护。

3）自动厚度控制内容。

①轧制线预设定，

②压下位置，

③各种阀门控制，

④自动厚度控制，

⑤轧辕快速打开。

4）辅助系统控制内容。

①轧机运行顺序，

②液压回路逻辑，

③润滑回路逻辑，

④冷却系统逻辑，

⑤卷座升降位置，

⑥钢卷卷取外径及中心高度测量，

⑦钢卷宽度测量及带卷对中，

⑧凸度及轧辐位置。

5）板形控制内容。

①带钢应力测量，

②第一中间辗横移，

③凸度控制，

④自动板形控制。

5、自动厚度及板形控制

20辊轧机的自动厚度控制（AGC）系统 原理图如图4所示。

要使所轧带钢厚度保持良好的一致性，消除来料厚度的影响，最可靠的办法是在传统控制方式中增加前馈控制。根据测得的输入带钢的厚度变化，通过延时控制器，调节轧辊辊缝，以保证终轧带钢厚度保持常数。

传统的森吉米尔轧机的AGC控制系统中，产品厚度精度是靠反馈系统重复计算进行设定而达到的。在现代的AGC控制系统中，根据三角学原理和自动轧辊管理系统解决了辊系的几何计算，同时也解决了位置的设定。

现代轧机的AGC控制中，根据工作辊的实际尺寸，计算支撑辊偏心轮的设定位置，使工作辊处于零位。这一方法可靠、精 确，避免了人工调整时，因反向调整而造成事故。

应用AGC控制系统后，带钢的纵向公差得到了保证，但是带钢的板型并没有得到控制。因而在森吉米尔轧机中一般都设有板形控制系统。

从图4中可以看岀，轧机的输入及输出端安装了两根板形测量辊，板形测量辊沿轴向安装了众多的压力传感器，这些传感器的信号线沿测量辐轴向布置并从其中一端输出。带钢在轧制过程压在板形测量辊上，因而板形测量辊内的压力传感器的输岀信号随带钢板型的变化而变化。这些信号经板形控制系统综合处理后作用于液压阀，液压阀的动作对支撑辊的偏心轮进行微调，同时这些信号也控制第一中间辊的横移。这样带钢的板形得到了控制。

6、轧机控制系统的发展

20辊轧机的控制系统在实践中不断的发展着，按目前的控制系统水平，20辊轧机的产品精度已经非常高了，厚度误差仅为几μm。但是人们仍在不断地改进控制系统。 在这些改进中有的因机械的进步而得到发展，有的则是因为自动控制理论的突破而获发展，当然也有机、电、仪共同进步而得到 发展的。下面简述几点主要的发展。

6.1 、倾斜控制

森吉米尔轧机刚发明时，为了保持轧机的刚度，使产品的纵向和横向公差能得到控制它的机架是整体式的。但是整体式森吉米尔轧机的工作辐之间的距离较小，对于穿带及断带后的处理有许多不便。随着液压技术的发展，液压缸及液压系统使用的压力越来越高。人们利用液压技术，把轧机分成上下两体，上下两体用液压缸连接起来，只要液压缸的压力足够大，足以克服带钢轧制时的轧制力，而且同样可以保持轧机机架的高刚度。

由于这一机械上的改进，因而出现了倾斜控制。在生产过程中，有些原料沿宽度方向会出现单边较大的厚度偏差，此时板形测量仪测得的信号偏差显示同样的单边性。板形控制系统由此会发出轧机倾斜的指令，也就是使轧辗传动侧和非传动侧的开口度不一 样，这就是倾斜控制技术。这种控制方法，对原料钢卷的控制有着特殊的作用。

6.2、直接张力控制

带钢厚度控制中一个重要的因素是张力和轧制力的综合控制。传统的张力控制是采用间接的张力控制法，这种方法是把所需的张力根据带钢卷取时直径的大小换算至转 矩，然后根据转矩来控制传动电机的电流。 这种情况下，必须考虑加减速、摩擦和弯曲 转矩的计算，因此计算难免出现误差，最终使带钢张力发生误差，在带钢张力较小时这种影响更明显。

在直流传动系统中，为了减小电机的尺寸、降低投资额，一般在直流电机和卷取机 之间都使用减速机，而且直流电机往往几台 串联使用。由于有多台电机、联轴器、离合 器、齿轮箱，使系统的刚性变差，也就使系 统很难实现快速动态控制。

随着机械和电机的改进，卷取机和电机 可以组合在一起，系统的刚度大大提高。从张力辐测得的张力信号和张力设定信号比较 后直接送张力控制器进行控制。

这种直接张力控制系统加减速电流小，张力控制精度高，从而进一步降低了带钢的厚度偏差。

6.3 模糊控制的应用

自动控制理论发展的过程中，经历了几个阶段。应用经典控制理论来控制对象时， 必须找出描述系统的一个高阶微分方程，也就是需要一个数学模型。60年代初形成的 现代控制理论，需要找出描述系统的一个一阶微分方程组。不管怎么样，这两种理论都要有一个精确的数学模型，但在实践中往往很难找准这个数学模型。

60年代中期，模糊数学诞生，一种新的控制理论即模糊控制理论也相继诞生，经历了基本模糊控制、自组织模糊控制阶段后，目前已发展到智能模糊控制。

90年代初，在20辊轧机的张力控制系统中，首次采用模糊控制法。由于轧制过程中轧制和带钢的参数经常发生变化，因此带钢张力控制就必须在线匹配张力调节器和速度调节器。因为有些参数是非线性变化或者很难测定，所以不可能为所有的操作状态找 出一个共同适用的匹配公式。采用模糊控制后，就有可能在不必清楚地辨明数学关系的情况下，在可测得的参数的基础上对张力调 节器的调节进行软适配。釆用模糊控制法后，带钢厚度精度大大提高。

森吉米尔轧机自发明到现在的60年历史，在金属加工行业中得到了广泛的应用。控制系统随着产品质量精度要求不断提高也 得到迅速发展。

就目前的情况看，森吉米尔轧机今后发展的趋势将会是传动系统交流化，控制系统模糊化。