单机架可逆轧机轧制线调整系统的自动控制

摘要：某厂单架冷轧机轧制线调整系统采用了阶梯板和斜楔技术。通过应用轧制线标高调整系统的自动控制原理，建立一种轧制线标高调整系统的数学模型实现自动控制功能。使用该系统后，节省了电动压下电机及控制装置，缩短了换辊时间，改善了带钢板形，提高了轧制精度。

冷轧机的 ＡＧＣ 系统无论是液压压上还是压下，为了保证厚度控制精度，要求在轧制过程中不进行调节的轧辊辊系始终保持在固定的轧制线高度上。轧制线标高的调整方式主要有下述几种：压下螺丝、电动梯形板和斜楔、液压梯形板和斜楔。压下螺丝和电动梯形板和斜楔同属于采用电机控制，由电机驱动的被控对象一般都要经过齿轮减速传动，因而都不可避免的有齿隙，使电机的转角不能总是精确的与被控对象的实际位置相对应。液压梯形板和斜楔较电动方式节省了电动压下电机及控制系统，缩短了换辊时间，改善了带钢板形，提高了轧制精度，降低了生产成本。实践证明，该系统运行稳定，故障率很低。

１、机械及液压系统组成

就液压压上缸而言，阶梯板加斜楔综合型安装在轧机牌坊窗口的顶部，上支撑辊轴承座的上面。通过斜楔和阶梯板综合调节，精确定位轧制线的标高，保证换辊后，新旧辊系轧制线的高度保持不变。

１）安装位置。该装置在支撑辊的两个轴承座上面，安装在牌坊窗口的顶部。

２）技术参数。斜楔调整高度：３２．５ｍｍ；阶梯块：３０ｍｍ／每个阶梯，共４个阶梯；阶梯块调整高度：９０ｍｍ；斜楔和阶梯块总调整高度：１２２．５ｍｍ；楔块液压缸（带位置传感器）：φ１６０／φ１１０×６５０ｍｍ（ＳＴ）；阶梯块液压缸（带位置传感器）：φ１００／φ７０×６６５ｍｍ（ＳＴ）。

阶梯块液压缸动作由１个三位四通电磁阀控制，斜楔块阶梯块液压缸动作由１个三位四通阀控制，液压系统图见图１。

２、轧制线调整数学模型

阶梯板用于粗调高度，分别有４个固定阶梯面，高度分别为８５ ｍｍ，１１５ ｍｍ，１４５ ｍｍ，１７５ｍｍ，斜楔用于精调高度。由于设备制造及安装的保证，当液压缸完全缩回时，阶梯板、斜楔大头离调整的中心位置距离为一定值。换辊时当轧辊从牌坊抽出后且阶梯板及斜楔均在退出位（传动侧后限位），由操作员在 ＨＭＩ上输入支撑辊、中间辊、工作辊辊径，模型自动计算轧制线标高与上辊系辊径和之差。根据差值大小调整阶梯块位置，同时调整斜楔块位置使之于辊系辊径和与轧制线标高相符。阶梯块及斜楔原理图见图２。

图２中，Ｌ为轧制线高度，Ｌ１，Ｌ２ 为机械固定尺寸，Ｌ３ 为斜楔调整高度为３２．５ｍｍ，斜楔角度正切值为０．０５，Ｌ为一定值，根据不同的辊径对阶梯块和斜楔块进行调整使之恒定。

Ｌ＝Ｄ１（支撑辊）／２＋Ｄ２（中间辊）＋Ｄ３（工作辊）＋ Ｌ１＋ Ｌ２＋Ｌ（调整距离）

Ｌ（调整距离）＝Ｌ－［Ｄ１（支撑辊）／２＋Ｄ２（中间辊）＋Ｄ３（工作辊）＋Ｌ１＋ Ｌ２］

通过上述公式求得Ｌ（调整距离），以该值为目标值计算阶梯板和斜楔的工作位置。

２．１ 阶梯板的调整

通过三位四通电磁阀控制阶梯板的移动方向，本系统中，电磁铁 Ａ 得电阶梯板向小头方向移动，电磁铁Ｂ 得电阶梯板向大头方向移动。以操作侧阶梯板建立二维坐标系。首先设第１级阶梯接触面中心点坐标为（Ｘ，Ｙ），将阶梯板退到最后，此处第１阶梯与Ｙ轴确定坐标的零点。由于存在间隙，第１ 阶梯接触面中心与上支撑辊轴承座接触面中心距离Ｌ３ 为固定值，以后每阶梯面中心距为一固定值１５５ｍｍ，其高度每级阶梯相差均为３０ｍｍ。阶梯块坐标图见图３。

可知阶梯板高度 Ｈ１ 的ｆ１（ｘ１）的数学模型为

将每级阶梯板中心位置作为每级阶梯板的目标位置，通过（调整距离）确定 ｘ１，使 用向下取整符号ＩＮＴ－（）来表示，则上式可表达为

２.２ 斜楔的调整

通过三位四通电磁阀控制斜楔的运动，电磁铁 Ａ 得电阶梯板向小头方向移动，电磁铁 Ｂ 得电阶梯板向大头方向移动。以操作侧斜楔建立二维坐标系。根据机械制造保证要求，每次斜楔液压油缸缩回到位均为一固定点，此时斜楔的厚度是固定值 Ｈ ，确定坐标的零点。斜楔的接触点坐标为（Ｘ，Ｙ）。斜楔坐标图见图４。

由于斜楔用于精调高度 Ｈ２ 的值应为

Ｈ２＝Ｌ（调整距离）－Ｈ１

其调节量的关系为移行与高度比为２０∶１，可知斜楔高度 Ｈ２ 的ｆ２（ｘ）的数学模型为

ｆ３（ｘ２）＝０．０５×ｘ２＋Ｈ

通过Ｌ（调整距离）及阶梯板高度 Ｈ１ 确定ｘ２：

ｆ４（Ｌ（调整距离））＝２０×（Ｌ（调整距离）－Ｈ１－Ｈ）

３、电气控制系统及精度计算

轧制线调整电气控制系统由西门子 Ｓ７－４００及 ＥＴ２００Ｍ 系统组成。逻辑运算由 Ｓ７－４００ 系列 ＣＰＵ４１２－２ＤＰ 完 成，信 号 采 集 及 命 令 输 出 由 ＥＴ２００Ｍ 系列输入、输出模块及 ＰＲＯＦＩＢＵＳ 总线完成。程序最大循环周期为２００ｍｓ，辊径等数据来自上级计算机 ＨＭＩ，采用 ＰＲＯＦＩＢＵＳ 总线采集Ｉ／Ｏ 的状态数据及发出对电磁阀的控制命令，移行距离由线性位移传感器测得。阶梯板线性位移传感器长度为 １１００ ｍｍ，精度为 ０．０１ ｍｍ，斜楔线性位移传感器长度为１１００ｍｍ，精度为０．０１ｍｍ。程序控制流程图见图５。

轧制线标高调整的精度误差受以下几个因素影响：三位四通电磁阀开关的动作时间均为３０ ｍｓ；根据液压站的系统流量、系统压力、阶梯板油缸杆侧面积及腔侧面积、斜楔缸杆侧面积及腔侧面积，结合现场实际情况计算并测得阶梯板运行速度为５０ｍｍ／ｓ，斜楔运行速度为２０ｍｍ／ｓ；控制系统扫描及计算时间约为２０ｍｓ；阶梯板线性位移传感器精度０．０１ｍｍ，斜楔线性位移传感器精度为０．０１ｍｍ。根据上述条件计算调整误差可知 ΔＬ（调整距离）为

为了提高轧制线标高定位精度程序采用步进脉冲式控制，使用电脉冲信号控制电磁阀的动作转变为斜楔的位移。在非超载的情况下，斜楔移动的速度取决于液压油的流速，而流速与阀门的开度有直接的关系即阀门Ｃｖ值，其定义是：当调节阀全开，阀两端的压差ΔＰ 为１００ｋＰａ，流体重度为１Ｎ／ｃｍ３（即常温水）时，每小时流经调节阀的流量数，以 ｍ３／ｈ或ｔ／ｈ计。可见虽然采用切断阀，但在阀门动作的３０ｍｓ内通过阀门的介质流速是不一样的，初期流速增加斜率较阀门中期慢。

本项目采用的ＣＰＵ是西门子ＣＰＵ４１２－２ＤＰ，其时间中断功能最小可达１０ｍｓ，通过时间中断方式运行程序使程序运行时间可控，能大大提高轧制线标高定位精度。ＣＰＵ检测到中断源的中断请求时，操作系统在执行完当前程序的当前指令（即断点处）后，立即响应中断。ＣＰＵ暂停正在执行的程序，调用中断源对应的中断程序。执行完中断程序后，返回被中断程序的断点处继续执行原来的程序。

根据上述条件轧制线标高通过２个阶段完成。在距离目标点距离大于０．０５ｍｍ 时，通过调用程序块ＯＢ１（顺序执行）控制阀门完全开启。距离目标点距离小于等于０．０５ｍｍ，调用程序块 ＯＢ３８（１０ｍｓ中断）发出５ｍｓ的１ 个电脉冲信号驱动电磁阀，根据阀门 Ｃｖ值和开度的曲线及阀门动作时间计算得在该脉冲下实测油缸移动距离约为０．００２ｍｍ，则轧制线标高变化为０．０２ｍｍ÷２０＝０．００１ｍｍ，经过若干个脉冲后一旦实际值与目标值之差大于等于０则定位完成。通过上述方 法进行轧制线标高调整定位，经过多次检验定位精度达到约 ＋０．００１ ｍｍ，完全满足现场生产需要。

４、结论

某厂单架冷轧及轧制线调整系统中阶梯板和斜楔自动控制技术的应用为缩短换辊时间提供了保障，同时调节精度满足了轧制要求。通过自动化控制技术，使调整过程变得更为简单、快速、精确。该项目调试完毕１ａ多来运行一直比较稳定。实践证明，楔形的有关技术参数的理论计算与调试结束后的实测数据十分接近，减少了检修时间，提高了生产效率。