強力矯直機控制模式分析及應用

在全國中厚板行業嚴重供大于求和市場競爭日益激烈的局面下，只有生產高強度的品種板和高附加值的品種鋼才能更好的占領市場，取得更大的效益。強力矯直機的開發和應用是適應中厚板廠生產形勢，加大品種板生產的有利條件。

1、矯直機技術特性及系統構成

1.1 技術特性

矯直工藝原理就是通過輥間的可逆彎曲將產品拉伸，其目的就是將鋼板拉伸，使所有纖維達到相同長度。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去除。②使鋼板內的殘余應力降到最低，以便能保持鋼板平直度。

下圖1說明彎曲鋼板時，鋼板厚度內應力的演變；上表面被拉伸，下表面被壓縮。

圖1 鋼板矯直特性

1.2 熱矯直機輔助設備包括：

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

2、矯直機的控制方式及工作原理

2.1 控制過程描述

鋼板從ACC控軋控冷區域出來，由輥道傳送（入口輥道），溫度范圍450oC－950oC。此時進行矯直機前的輥道控制權限令牌（TOKEN）的交接，矯直機控制系統進行矯直區域的輥道控制。鋼板傳輸到矯直機的入口時，由鋼板位置檢測器（CMD）進行檢測，此時讓鋼板停下，等待控制系統的指令然后才能進行鋼板的咬入矯直工序。

（1）控制指令的自動模式

自動模式是利用Level 2計算預設置定并將計算結果發送到Level 1自動打開輥縫，按設定的矯直力進行鋼板的矯直。這些預設置是根據精軋機系統的 Level 2將鋼板的鋼種、溫度、ID號、及ACC處理后的狀態經TCP/IP通訊至矯直機Level 2，矯直機的Level 2根據矯直模型進行預計算，并將計算的數值傳送至矯直機的Level 1系統，進行輥縫設備及矯直力的控制，鋼板信息及控制信息均在HMI上顯示。這些預計算的設置包括：

① HGC液壓缸位置（入口和出口輥縫并傾斜傳動側和非傳動側）
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模式。

當操作人員發現Level 2的數據傳輸不準確時，可以人工進行矯直機狀態的設置。將輥縫手動打開到合適的位置，彎輥擺到有效的位置等。咬入、拋出速度按系統設定的安全值進行。

無論何種模式定位后，由操作人員在操作臺上按下“START”開始按鈕，鋼板開始運動，按預設置的速度執行咬入矯直機、進行矯直、最后拋出的操作。

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

2.2 電機傳動控制

矯直機咬入鋼板后，由主傳動系統加速到矯直速度，11根工作輥由兩臺主電機進行分組控制。

當鋼板的尾部在第一組控制分組的工作輥內時，1#電機的力矩極限根據尾部在第一組輥內的位置進度減小，防止接軸過力矩，矯直速度由1#電機控制。2#電機保持速度控制，力矩被控制在正常的范圍內。當鋼板尾部到第一組輥的第三根輥子下面時，2#電機的加速度以一定的等變率減小。計算該等變率，在尾部走出第一組工作輥時取消加速度。這時，2#電機的力矩極限被提高到最大電機力矩，這樣鋼板速度由第二個電機按S-RAMP速度曲線進行控制。

當鋼板尾部在第二組控制分組的工作輥內時，尾部走出第一組控制分組的工作輥時，第二個電機傳動是速度控制。第二個傳動的力矩極限逐漸從最大傳動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的進度減小。

當尾部走出矯直機時，力矩極限等于最后接軸的最大力矩。出口處的CMD6檢測到鋼板尾部時，速度主控器用S-RAMP降低矯直機輥的速度基準，入口/出口輥道速度降為0。當鋼板停止時，道次宣告結束。

2.3 液壓HGC輥縫控制原理

首先要對液壓缸的位置傳感器進行進零點校準，自動回零。然后將HGC系統設置到CLOSELOOP（閉環）控制狀態，設置輥縫的控制程序運行于Level1 PLC S7-400上。該 PLC 通過以太網TCP-IP與Level2計算機相連接,矯直機Level1接收到預設數據之后，控制相應的伺服閥進行動作，達到設定的輥縫位置。

操作工也可根據實際情況進行手動的輥縫設定，在HMI上人工輸入輥縫值，HGC系統可接收指令自動擺到相應位置；也可以使用操作桿進行HGC系統的位置操作。

2.4 彎輥控制原理

彎輥系統用于補償矯直過程中自然觀察到的矯直輥和箱體偏差。彎輥系統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可收縮開式框架上。該框架被分成兩部分，由活動接頭連接。框架頂部的偏心裝置可將這兩部分分離，使矯直輥彎曲。內部裝有位置傳感器的液壓缸啟動該偏心裝置。兩個壓力傳感器給出液壓缸壓力反饋。用一個伺服比例閥驅動彎輥缸，可控制其位置和過載保護。

分開兩部分框架的偏心運動是不可逆的。彎輥缸只能在矯直機無負載時改變位置，所以在負載條件下不允許彎輥運動。

2.5 矯直機的標定

該功能用于校準矯直機，使上箱體與下箱體平行。這一基準位置被儲存起來并用于上箱體的準確位置。操作人員在每次箱體更換后執行標定程序。

首先將厚度為60mm的標定板放在矯直機輥系內，矯直機輥系完全打開。在HMI畫面中執行矯直機的自動標定程序。在HMI畫面上輸入上下工作輥及支撐輥的輥徑值，按下“標定”按鈕，四個HGC缸自動壓下，檢測到標定板厚度，并保持四個HGC處于相同校準壓力時，記錄其位置，確定為校準位，標定程序完成后，輥縫自動打開到80mm，操作人員將標定板開出，標定完成。

2.6 自動控制系統一級和二級的功能實現

（1）Level 1 的主要功能設計

為操作人員用HMI顯示從生產線熱矯直機上下游的情況，但以矯直機主體區域為主。顯示矯直機的有關數據和參數，詳細顯示工藝路線和物料跟蹤情況。

操作人員可看到工藝預設置和設定點，可以根據實際情況進行人工設定和修改參數。主要包括輥道控制、主機傳動系統、HGC系統、彎輥系統、液壓站系統、換輥系統、油汽系統、故障報警系統等多個操作畫面，允許操作人員啟動/停止機器，顯示傳動狀態（OFF/READY/ON關/待機/開）。

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

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

輥道令牌權限控制（TOKEN）：與上游的精軋機控制系統及下游的冷床控制系統的輥道進行權限的交接，利用幾個主要的鋼板位置檢測器CMD01矯直機區域入口，HMD10精軋機出口、ACC鋼板尾部信號來進行輥道權限的控制與交接。矯直區的跟蹤從CMD1-CMD9，CMD1是開始跟蹤，CMD4鋼板咬入矯直機，CMD6鋼板拋出矯直機，可以按下按鈕（允許對冷床交接）對冷床進行輥道交接，冷床操作完成后按下按鈕（冷床操作臺）將權限交回矯直機。

在設計中增加了鋼板的游動功能，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，或者沒有動操作柄，30S后輥道處于游動狀態，保護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 的主要功能設計

用于本系統的計算機都由局域網連接，該局域網由自己的IP地址且獨立于工廠網絡。而且在局域網和工廠網絡間由網關連接保證矯直機和廠內其它部分的連接。二級組成：二級服務器運行二級、鋼板跟蹤、預設值計算、數據庫儲存和通訊都由改服務器完成，它是二級的指揮中心；人機界面計算機：它負責人機界面的應用，通過這里進行系統實際操作。二級應用由C++和VAI環境下實現，而HMI則應用VISUAL BASIC。

實現的主要功能如下：

⑴ 鋼板跟蹤：接收精軋機二級的數據，主要包括鋼板的信息：鋼板的ID號，化學成份，鋼種，軋制溫度，當前溫度，厚度，長寬等。
⑵ 數據記錄和報告：根據接收的數據進行矯直數學模型的計算，并存儲實際矯直數據以及設備狀態，出具矯直報告。
⑶ 操作人機接口（HMI）：能過人機接口界面，可以使操作工看到模型計算的數據是否符合實際的應用，并可以進行人工的干預和修改。
⑷ L1/L2網關：為了保證網絡系統的安全性，在同一級及精軋機二級的通訊過程中，設置了網關。Level 2網關服務器負責與精軋機Level 2或MES及ACC通訊。它接收來自精軋機Level 2或MES的生產計劃并將生產實際數據上載到精軋機Level 2或MES系統。
⑸ 模型計算：主要根據精軋機的鋼板數據和信息，計算出矯直時的相應數據，如輥縫值、矯直速度，矯直壓力等。

3、小結

強力矯直機控制系統具有較先進的控制思想，實現在一級PLC與二級計算機網絡的結合，并與上游及下游工序的PLC進行功能的交接，實現了科學合理的輥縫設置、扭矩計算及矯直力的合理運用等。強力矯直機投用以來，充分發揮潛能有效的提高生產的安全系數,加快了生產節奏,減少了故障時間，提升了換輥速度，增加了品種板的開發力度。目前中厚板廠利用該強力矯直機可生產JG670DB等高強度品種板30余種，實現了新的突破。