三辊连轧管机液压辊缝控制系统.pdf

总第 1 5 2期 2 0 1 4年 第6期 山西冶 金 S HANXI ME T AL L URG Y r 0 t a l 1 5 2 No．6，2 01 4 | 葛 饕 敷 凫 馘誉| 三辊连轧管机液压辊缝控制系统 郝 志红 太原重工股份有限公司技术中心， 山西太原0 3 0 0 2 4 摘要 介绍了韩国日进 中1 8 Ol n l n三辊连轧管机组采用的连轧管机辊缝控制 系统的设备结构、 电气控制 系统 以及 头尾 削尖功能的 实现。 关键词 连轧管机组辊缝控制 头尾削尖 中图分类号 T G3 3 3 ． 8 文献标识 码 A 文章编 号 1 6 7 2 1 1 5 2 2 0 1 4 0 6 0 0 5 9 0 3 韩国日进 1 8 0 m m三辊连轧管机组是一条由 太原重工自主设计及制造的连轧管机组， 它标志着我 国拥有 自 主知识产权的三辊连轧管机组开始进军国 际市场 。 该设备采用了目前最先进的液压辊缝控制系 统 H y d r a u l i c G a p C o n t r o l ， 简称 HG C 。HG C集成了 轧钢工艺、 机械、 液压、 电气等专业的最新研究成果， 满足了无缝钢管机组生产高精度无缝钢管需要。 连轧管机的液压辊缝控制在无缝钢管生产中十 分关键 ，它直接关系到钢管几何尺寸精度及切头切 尾长度 ， 从而影响钢管的成材率以及经济效益[ 。 1 辊缝控制系统的设备结构及主要功能 1 ．1 H G C设备结构 连轧管机组共有 5个主机架 ，每个机架的三个 轧辊成 1 2 0 。交叉布置，相邻机架间的轧辊交错 6 0 。。 连轧机架的每个轧辊由单独的液压小舱控制， 这样可以方便实现单个轧辊位置调整，其结构原理 如图 1 所示 。 1 ． 1 ． 1 机架主缸的驱动设备 伺服阀 每个机架上有 三个伺服 阀， 用来控制主 缸的位置。 伺服阀选用 M O O G的D 6 6 1 系列伺服阀， 具有控制精度高， 直线性好 ， 死区小， 灵敏度高， 动态 性能好以及响应速度快等优点，是电液调节系统的 核心和关键。 快开阀 每个机架上有三个单电磁铁两位两通 快开阀， 得电时液压缸快速打开。 锁紧阀每个机架上有三个单电磁铁两位四通 锁紧阀， 失电时液压缸锁紧。 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 1 1 作者简介 郝志红 1 9 8 2 一 ， 女， 硕士研究生， 主要从事电气技 术工作 ， 工程 师。E ma i l h a o z h i h o n g 6 6 6 1 6 3 ． c o rn l 一位移传感器； 2 平衡缸； 3 一主缸 ； 4 一轧辊 图 1 连轧 管机机架轧辊布置示意图 杆腔低压阀每个机架的三个主缸的杆腔由一 个双电磁铁两位四通 电磁阀控制 1 ． 1 ．2 机架平衡缸的驱动设备 平衡缸保压阀每个机架上有一个平衡缸保压 阀， 是一个单 电磁铁两位四通锁阀。 平衡缸调整阀平衡缸调整阀是一个双电磁铁 三位 四通换向阀。 每个机架上有三个平衡缸调整阀。 1 ． 1 - 3 机架液压小舱的检测元件 三个 主缸主腔压力传感器 4～2 0 mA ， 一个 主 缸杆腔压力传感器 4 2 0 m A ， 三个主缸位移传感 器， S S I 输出信号， 分辨率为0 ．0 0 1 m m。 1 ．2 H G C系统功能 1 轧辊的精确定位和调整 。 液压小舱要实现“ 全 山西冶金 E - ma i l s x y j b j b O1 2 6 ．C O B 第 3 7卷 缩回” 、 “ 插入位置” 、 “ 轧制位置”的准确定位以及在 线调整等功能。 2 过载保护功能。 能够实时监控轧制力的大小， 当轧制力大于报警阈值时， 会产生相应的报警信号 和保护动作。 3 头尾削尖功能。依照预先设定实现头尾削尖 可以降低壁厚偏差， 减少切头切尾损失， 提高成材率。 2 电气控制系统 2 ． 1 控制原理 轧制时，通过采集安装在液压小舱上的压力传 感器和位移传感器的信号，计算出实际的轧制压力 和辊缝值。 将实际的辊缝值与给定值相比较， 对其偏 差进行 P I D调节， 将控制信号输出到伺服阀， 伺服阀 驱动油缸从而实现对轧辊位置 的闭环控制。系统的 控制框图如图 2所示。 2 ．2 T D C控制系统 对于液压辊缝控制系统，其控制周期要求在 2 ～ 3 m s 以内， 使用常规的P L C不能满足液压辊缝控 制系统高速性 的要求。P L C中 P I D的功能最初是被 设计用来控制温度或者气压的 ，而不是用于压缩 比 极小的流体 的。 P I D的时间常数不能达到毫秒级。 所 以三辊连轧管机 H G C的电控部分采用 了 目前最先 进 的西 门子公司的 S I MA T I C T D C控制系统。 S I M A T I C T D C系统擅长解决处理复杂的控制、 通讯和驱动任务，在单一平台上拥有最大数量的处 理器 、 框架和最短的循环周期r 2 ] 。S I MA T I C T D C采 样周期最短为 0 ． 1 m s ， 高达 5种采样时间 ～ ， 中 央处理器使用 6 4位技术。 在韩 国 日进 ／ 1 8 0 mm 三辊 连 轧 管 机 组 中 ， S I M A T I C T D C 控制系统的硬件配置 5 块 C P U 5 5 1 ， 分 别控制 5 个机架； 8 块信号模版 S M 5 0 0 ， 用于连接现场 I ／ 0信号； 1 块通讯模板 C P 5 0 M1 ，用于 MP I 和 P r o fi b u s D P通讯； 2 块通讯模板 C P S 1 M1 ， 用于以太网通讯。 为 了能够实时监控轧制过程中的数据 ，还配置 了P D A数据采集系统， 在机架上装了高速数据采集 卡 ib a S M 1 2 8 V， 配合 I B A软件可以快速采集 T D C中 的数据， 采集周期可以达到 1 m s [ 。 2 ．3 系统通讯 1 人机界面 H MI 与 T DC的通讯是通过 以太 网 来实现的。 H M I 通过以太网下传轧制参数、 工具尺寸 和一些控制命令 ， 包括轧制位置、 头尾削尖长度和压 下量等参数。 人机界面上还显示着轧制的理论数据、 过程数据以及报警信息等。 2 连轧管机还配置了 2 个西门子 s 7 4 0 0 P L C ， T D C与用于限动电机及主传动的控制的 P L C之间 的数据交换使用 P R O F I B U S D P通讯方式。 3 T D C与 P D A数据采集系统采用光纤 的通讯 方式， 这样可以快速地采集轧制过程 中的数据 ， 便于 数据分析。 3 削尖轧制功能 3 ． 1 削尖轧制原理 连轧管机组在生产时，钢管会出现头尾壁厚增 厚的现象， 其原因主要有三个方面 一是经过连轧管 机时 ， 钢管的头端和尾端无张力作用 ； 二是连轧管机 在“ 咬钢” 和“ 抛钢” 阶段， 液压小舱由于压力的突变 产生冲击， 使辊缝突然增大； 三是在经过张力减径机 时， 由于张力作用使钢管头尾端增厚。 为了解决钢管在轧制过程 中产生的头 、尾端增 厚的问题， 提高成材率， 在轧制过程中采用了头尾削 尖的技术 。采用削尖轧制技术可在连轧管机上对钢 管的头 、 尾壁厚进行预先“ 轧薄” ， 即所谓“ 削尖” ， 从而使钢管在经过张力减径机时 ，能够适当抵消钢 管的头尾增厚， 而使钢管头 、 中、 尾获得相同的均匀 壁厚， 减少钢管的切头尾长度， 提高钢管成材率[ 3 ] 。 3 ． 2 实现方法 1 不改变 电机转速 ， 只改变液压缸的压下量 。 通 图 2 辊缝控制 系统闭环控 制框 图 2 0 1 4年第 6期 郝志红 三辊连轧管机液压辊缝控制系统 常这种方式进行头尾削尖时，压下液压缸的最大削 尖压下量不超过连轧后荒管壁厚的 5 ％。 2 改变电机转速 ， 同时改变压下液压 缸的压 下 量。 在此情况下， 压下液压缸的最大削尖压下量不超 过连轧后荒管壁厚的 2 0 ％， 采用这种方式时 ， 需要用 连轧管机数学模型对电机转速的变化进行计算[ 4 1 。 韩国日进项目采用的是第一种控制方式。需要 在 H M I 上选择是否采用“ 头尾削尖模式” ， 还要输入 头尾削尖的长度、压下量和每个机架的延伸率等工 艺参数 。 头部削尖采用钢管头端经过轧管机第 1 机架时 的咬钢信号作为起始信号，经过每个机架并在不同 的延 时后 ， 轧辊 由头部削尖位置变为中间轧制位置。 再经过一段时间延时，轧辊 由中间轧制位置变为尾 部削尖位置。 钢管头尾削尖的时间是通过根据每个机架头部 削尖的长度和各机架的钢管出口线速度计算 出来的 ， 考虑到系统有延迟， 还需要对削尖时间进行修正。 实践证明， 采用削尖轧制技术后， 极大地减少了钢 管切头、 切尾的长度， 尤其是头端壁厚得到极大改善。 4 伺服阀的控制 液压辊缝控制系统功能的实现，都需要以伺服 阀的精确控制为基础。伺服阀采用 P I D控制器进行 控制 。 对于一个各项技术指标都合格的伺服阀， 在没 有控制信号的情况下 ，会使液压缸出现缓慢移动或 漂移。如果漂移率较小 ， P I D控制器会 自动补偿漂 移。当漂移率过高时， 会影响执行机构的最大速度， 此时需要调整伺服阀的零点位置 、或者调节 P I D控 制器的偏置来补偿，但是这种方法无法克服速度限 制的缺陷。 对于 M O O G伺服阀， 其阀芯位移的反馈信号是 4 ～ 2 0 m A的信号， 需要接到 T D C控制器中或者经小 电阻接地。如果此信号悬空会产生干扰。 伺服 阀在液压辊缝控制系统 中非常重要 ，必须 定期进行检查 、 测试 。 5 结语 以 T D C控制器为核心的三辊连轧管机控制系 统能够很好 的实现连轧管机的各种控制功能 ，已经 在国内外多台设备中应用。但是 T D C系统价格昂 贵 ， 考虑在今后的设计中使用 同 T D C系统 C P U一致 的 F M 4 5 8 模块 ， 可以在满足控制要求的前提下降低 成本。 从实际生产 中可以看出，采用 了削尖轧制技术 后， 设备运行状态及钢管质量均稳定 ， 但钢管头端削 尖效果明显优于尾端，故需在今后的研究中继续完 善钢管的尾端削尖轧制技术。 参考文献 [ 1 ] 郝志红， 梁百勤． S I MA T I C T D C在三辊连轧管机辊缝控制中的 应用[ J ] ． 山西冶金， 2 0 1 2 4 6 1 6 2 ． [ 2 ] 鲍 伯祥 ， 陆章杰 ， 王世宁 ． 西 门子 T D C编程及 应用 指南 [ M] ．北 京 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ] 张琰 ， 夏洪斌 ， 陈江林 ． 削尖 轧制技术在 1 5 9 mm F QM连轧管 机上 的开发和能够用 [ J ] ．钢管 ， 2 0 1 0 ， 3 9 6 3 1 3 4 ． [ 4 ] 赵铁琳 ， 王爱国． 削尖轧制技术在国产连轧机上的应用[ J ] ． 钢 管 ， 2 0 1 3 ， 4 2 4 5 1 5 5 ． 编辑 白龙 Hy d r a u l i c Ro l l Ga p Co n t r o l S y s t e m o f Thr e e ． r o l l Co n t i nuo u s Tu be M i l l Ha o Zh i h o n g T e c h n o l o g y C e n t e r o f T a i y u a n He a v y I n d u s t r y C o ． ， L t d ． ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4 Ab s t r a c t Ko r e a Ni s s h i n1 8 0 mm t h r e e - roll r o l l i n g p i p e mi l l u s e s r o l l i n g t u b e mi l l r o l l g a p c o n t r o l s y s t e m， o f w h i c h t h e d e v i c e s t r u c t u r e ， e l e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e m a n d h e a d a n d t a i l s h a r p e n e d f u n c t i o n s a r e r e ali z e d ． Ke y wo r d s e o n t u n i o u s - r o l l i n g p i p e mil l ， r o l l g a p c o n t r o l ， h e a d a n d t a i l s h a r p e n e d