某钢厂热轧乎整机组液压弯辊自动控制系统的研究.pdf

2 0 1 3年 1 2月 第 4 1 卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I C S De c ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 2 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 3 ． 0 1 8 某钢厂热轧乎整机组液压弯辊 自动控制系统的研究 张超逸 ，冯贵斌 ，刘明 1 ．内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0 ； 2 ．包头钢铁 集团有限责任公 司 自动化部 ，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0 摘要 液压弯辊控制是确保板带板形的重要手段。以某钢厂热轧平整机组为例，详细介绍液压弯辊控制系统的原理和 控制方法、功能块 F M 4 5 8和 P L C 4 0 0在整个液压弯辊控制系统中的控制方法。 关键词液压弯辊 ；板形 ；自动控制系统 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 3 0 6 9 4 Re s e a r c h o n a Ho t Ro l l i ng Te mpe r M i l l Hy d r a ul i c Be nd i ng Ro l l Aut o ma t i c Co nt r o l S y s t e m ZHANG Ch a o y i ． FENG Gu i b i n ． L I U Mi n g 1 ． I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Ba o t o u I n ne r Mo n g o l i a 01 4 01 0， Ch i n a； 2 ． A u t o m a t i o n D i v i s i o n ，B a o t o u I r o nS t e e l G r o u p C o ． ， L t d ． ，B a o t o u I n n e r Mo n g o l i a 0 1 4 0 1 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c b e n d i n g r o l l c o n t r o l i s a n i mp o r t an t me a s e t o e n s u r e s t rip s h a p e ． T a k i n g a h o t r o l l i n g t e mp e r mi l l a s a n e x a mp l e ，t h e h y d r a u l i c b e n d i n g r o l l c o n t r o l s y s t e m p ri n c i p l e a n d c o n t r o l me t h o n d， f u n c t i o n mo d u l e s F M4 5 8 a n d P L C 4 0 0 c o n t r o l me t h o d t o t h e h y dra u l i c b e n d i n g r o l l c o n t r o l s y s t e m w e r e d e t a i l e d i n t r o d u c e d ． 、 Ke y wo r d s Hy dr a u l i c b e n d i n g r o l l ； S t ri p s h a p e ；Au t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m 热轧板带经过冷却水冷却后，其表面光泽度 、板 形等指标难以满足用户的要求 ，不利于直接进行机械 加工 ，特别随着近年来对板带质量要求越来越高，板 带一般都要进行平整。板带通过平整机上的液压正负 弯辊装置来减少或消除不良的板形 ，平整关键在于其 中的液压弯辊控制系统。在平整的过程中，正负液压 弯辊需要快速切换 ，这就要求整个液压控制系统和主 轧机调速系统具有很强的实时性，能够快速跟随板形 的的变化。为此某钢厂热轧平整机组液压弯辊控制系 统和 主轧 机 的调速 系统 硬件 选用 C P U 4 1 4 - 2 D P和 F M 4 5 8 1 D P功能模块 。 1 液压弯辊控制 系统 ， 1 ． 1 液压 弯辊 的分 类 液压弯辊力的作用主要可以分为两类 一种是弯 辊力与 A G C轧制力方向相同，使轧机的边部辊缝减 小，即负弯，如图 1 a 所示 ，有利于减少或消除 板带的边浪；另一种是弯辊力与 A G C轧制力方向相 反，使轧机边部辊缝增大，即正弯，如图 1 b 所 示，有利于减少或消除板带的中浪。 a 负 b 正 巧 图 1 液压弯辊原理图 1 ． 2 液 压 弯辊控 制 方 法 液压弯辊控制系统利用电液伺服阀并通过压力传 感负反馈来控制液压缸的油压 ，这种操作不仅简单可 靠，又能提高弯辊力的控制精度。目前液压弯辊控制 系统主要可分为两大类 手动调节和 自动调节系统。 该钢厂热轧平整机组液压弯辊控制系统控制框图如图 2所示 ，事先 由上 位 机根据 板形 计算 出最 佳弯 辊力 ， 轧制过程中，弯辊力的大小再根据轧制力波动反馈计 算出的轧制调节值实时来调整，也可以人为手动干预 增加或减少弯辊力 ，通过压力传感器来测量实际输出 的压力，将测得的实际压力信号作负反馈量形成闭环 控制 。 收稿 日期 2 0 1 21 2一o 2 作者简介张超逸 1 9 8 9 一 ，男 ，硕士研究生，研究方向为交流调速、 轧钢工业 自动化。Em a i l 7 3 7 4 2 9 4 0 1 q q ． c o m。 7 0 机床与液压 第 4 1卷 卜 菱 盏 霉 鬟 劣 A I D转换 压力传感器 图2 液压弯辊控制框图 图3为该钢厂热轧平整机组弯辊液压控制系统原 理图，弯辊液压控制系统是典型的电液伺服控制系 统，具有响应快 、功率大、精度高等特点。正负弯辊 和支承辊 平衡液 压缸 主要 由电液伺服 阀、电液溢流 阀 等来控制。整个系统主要由高压油泵和低压油泵来提 供液压油。为了安全和工作的平稳起见，在伺服阀前 都接有高压或低压储能罐 ，防止工作状态时出现油路 波动或突然中断 ，对整个液压伺服系统造成冲击。电 液溢流阀起到最大压力保护 ，防止设备过压。正弯由 电液伺服阀 1 和 2 4 MP a电液溢流阀控制 ，负弯由电 液伺服阀2和 2 4 M P a电液溢流阀控制 ，支承辊平衡 液压缸由电液伺服阀 4和 1 2 MP a电液溢流 阀控制。 电液伺服 阀 3和 2 ． 5 MP a电液溢流 阀为正负弯辊液压 缸和支承辊液压缸活塞杆腔提供 2 ． 5 M P a 的背压。 图 3 正负弯辊液压控制系统原理图 1 ． 3 液压弯辊伺服 阀板集成 电控器 电液伺服阀的控制是整个液压弯辊控制系统的核 心，其作用是将小功率的电信号转换成大功率的液压 输出，经过液压执行机构来完成弯辊的 自动化控制。 图4为液压弯辊伺服阀板集成电控器电路控制框图， 液压弯辊伺服阀板集成电路由微分放大器的两个管脚 D和 E来控制，斜坡发生器根据设定值的阶跃 0～ 1 0 V或 l O～ 0 V使磁铁电流延时减少或增加，通过 电位器 可以调节 电磁铁电流增加所需要的时间， 通过 可以调节减少时间，通过对 电位器 R 和 尺 第 2 3期 张超逸 等某钢厂热轧平整机组液压弯辊 自动控制系统的研究 7 1 的调节 ，可以防止液压伺服阀瞬间打开或瞬间关闭对 益。电位器 R 用来设定偏置 电流并且不改变此设定 设备造成的冲击。当输入设定值为最大值时 ，斜坡发 值。如有必要 ，可设定阀座的设定值压力特性曲线的 生时间可取的最大值 5 S ，若设定值减少 斜坡发生 零点。利用开关放大器来形成控制比例电磁铁所需的 时间也相随减少。利用特性 曲线发生器来调节设定 功率级 ，它用 3 0 0 H z的脉冲频率进行脉宽调制。通 值，使伺服阀电磁铁电流特性曲线达到要求值，这样 过测量点 M P 1 和 M P 2可检测电磁铁电流，测量 电阻 可以补偿液压方面的非线性因素，得到线性的设定值 上 0 ． 3 5 2 V的电压减少量相 当于电磁铁电流发生 了 压力特性曲线。电流控制器可以使伺服阀电磁铁电流 1 ． 6 A变化。通过对上述控制阀参数的设定 ，可 以优 不受线圈电阻的影响。通过电位器 R ，可改变伺服 化伺服阀的性能，从而使电液伺服阀与液压弯辊控制 阀的设定值电流特性曲线和设定值压力特性曲线的增 系统更加匹配。 设定 值 O ～1 0V 0 基 准 电压 供 电 电压 2 2 3 3V 图4 液压弯辊伺服阀板集成电控器电路框图 2 液压弯辊 自动控制系统硬件图 图 5为该钢厂热轧平整机组液压弯辊 自动控制系 统的硬件配置框图。要实现对液压弯辊控制系统准确 控制和液压弯辊力的准确测量 ，就要求整个液压弯辊 控制系统有很强的实时性 ，能够根据板形的变化快速 响应 ，为此该钢厂热轧平整机组液压弯辊控制系统选 用功能块 F M 4 5 8 1 D P和 C P U 4 1 4 2 D P 。 I ， o⋯ I M 4 6 1 L E 总线 计算机 同轴 电缆 l cPu4 l 4 ． 2 DP I F M 4 5 8 I E x M 4 4 8 E X M 4 3 8 1 I ， 0 ⋯ C P 4 4 3 ． 1 I M 4 6 0 ． 1 I l S L B l l l I 码 盘 I I 量 f 反 向 顶 l l 正 反 顶 l 弯 伺 服 I l 弯 压 力 l 传 感 器 I l 传 感 器 I l P S 4 0 7 2 0 A _ 口 l M PI _ 口 I 暑 l 监 控 画 面 兽 ； l l l l 号 l l l 直 流 母 线 l l j I I I l C B P 2 l S L B l l C B P 2 I S L B I 主轧机 主轧机 E T 2 0 0 M 整流 整流 l 逆变器 逆变器 ． U 电 液 伺 服 阀 电 液 溢 流 阀 ～ ／ ～ ／， 图5 液压弯辊 自动控制系统硬件配置图 液压弯辊伺服控制系统主要包括控制部分和数据 采集处理两大部分。控制部分采用 C P U 4 1 4 - 2 D P作为 7 2 机床与液压 第 4 1卷 主站 ，与 监 控 软 件 H MI通 过 MP I连 接 ，并 利 用 F M 4 5 8 作为高速动态响应控制器。P L C 4 1 4 - 2 D P通过 P r o fi b u s 总线与 E T 2 0 0 M分布式 I ／ O连接，电液伺服 阀、溢流阀等现场数据通过 E T 2 0 0 M来采集并送到 P L C中，监控软件 H MI 实现整个液压弯辊控制系统 的监控 、数据 给定 和显示功能 。 F M 4 5 8集成 了 P总线 、L E总线 和 K总线 ，属于 D 7系列 ，具有非常快速的运算能力 ，可以用于闭环、 开环 运 算 和 位 置、速度 控 制 ，可 以 和扩 展 模 块 E X M 4 3 8 、E X M 4 4 8 一块使用 ，并通过 L E实现彼此间 互相通信。E X M 4 3 8为 I ／ O扩展模块，集成 了 x 1 、 X 2和X 3三个外围接 口，用来读取和输出有时间要求 的信号，如码盘信号 、液压伺服系统中正负顶弯伺服 传感和压力传感器器信号。E X M 4 4 8集成了 S L B通信 板 ，从 站 6 S E 7 0变频器 C U V C板扩展槽 上安装 S L B和 C B P两个通信板用于通信，其 中变频器上 S L B通信 板与通信扩展模块 E X M 4 4 8串联形成闭环回路 ，用来 建立变频器与 P L C间的通信。为 了保证工作辊 液 压弯辊传动控制的精度，可以采用 S i m o l i n k和 P r o fi b u s 总线相结合的控制方式 ，使用 P r o fi b u s 来发送速 度、转矩控制命令，光纤 S i m o l i n k用来传输 I G B T触 发和控制信号，这样可以近一步提高系统对负载的响 应时间和控制精度。 F M 4 5 8与 P L C A 1 4是两个 独立并 行 的 C P U，两 者 之间通过 P总线进行数据通信，其中 F M 4 5 8通过功 能块 C T R和 C T V来读写 C P U 4 1 4中的数据，C P U 4 1 4 则通 过 S F C 5 9和 S F C 5 8两 个 系统 功能 块 来 读 取 F M 4 5 8数据。通过 F M 4 5 8和 P L C 4 1 4共同作用 ，可以 实时根据板形精准快速地完成对弯辊控制系统中液压 和 电气传动 的控制 。 3 总结 伺服阀液压弯辊控制系统具有液压和电气双重优 点，功率大、惯性小、稳定性好 、信号处理方便快 速、精度高、便于远程控制、操作方便易于维护，是 该钢厂热轧平整机组最核心的部分，确保 了板带质 量，为该钢厂创造了巨大的经济效益。 参考文献 【 1 】 裴红平 ， 王京． 液压弯辊板形控制手段的实现[ J ] ． 电气 传动 ， 2 0 0 6 5 4 3 4 5 ． 【 2 】 张勇军． 基于 T D C控制和全变频调速的热轧卷取机电 控系统[ J ] ． 冶金 自动化 ， 2 0 0 8 1 3 0 3 4 ． 【 3 】 西门子矢量控制大全操作手册[ M] ． 【 4 】 卢长耿． 液压控制系统的分析与设计[ M] ． 北京 煤炭工 业 出版社 ， 1 9 9 1 ． 【 5 】 崔坚． 西门子工业网络通讯指南[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 5 ． 【 6 】 黄清华． 轧钢机械[ M] ． 北京 冶金工业出版社 ， 1 9 7 9 ． 【 7 】 美国 M O O G公司． 电液伺服阀． 上接第 5 6页 宽度、相同气体压力、不同脉冲频率下，切缝宽度都 随着脉冲频率增加而增加。 5 在功率一定、不同段频率条件下，切缝宽 度都随着脉冲宽度增加而减小，但减小的趋势有所不 同。 6 在功率一定、不 同脉冲宽度条件下，切缝 宽度都随着脉冲宽度增加而减小 ，但减小的趋势有所 不 同。 7 在功 率一定 及 电流一 定 的条 件 下 ，脉 冲宽 度增加的同时脉冲段频率减小，对切缝宽度的影响不 明显 。 8 在加工工艺参数完全相 同的条件下 ，被加 工材料的特性直接影响到切缝的宽度。材料的熔点和 沸点越高 ，切缝越小。材料的厚度增加 ，切缝宽度增 加。材料导热性增加 ，切缝宽度减小。 9 在加工工艺参数完全相同的条件下，采用 不同的气体压力 ，当气体压力增加时切缝宽度减小。 参考文献 【 1 】 关振中． 激光加工工艺手册[ M] ． 北京 中国计量 出版 社 ， 2 0 0 5 ． 【 2 】王家金， 激光加工技术 [ M] ． 北京 中国计量出版社， 1 9 9 2． 【 3 】张国 顺． 现代激光制造技术 [ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】李祥友， 曾晓雁 ， 刘勇， 等． 激光精密切割不锈钢薄板的 工艺研究[ J ] ． 中国激光， 2 0 0 1 ， 2 8 1 2 1 1 2 51 1 2 9 ． 【 5 】刘东华． 激光切割[ J ] ． 激光杂志， 1 9 9 2 4 2 0 7 2 1 3 ． 【 6 】李祥友， 曾晓燕 ， 黄维玲． 激光精密加工技术现状和展望 [ J ] ． 激光杂志， 2 0 0 5 ， 2 1 5 1 3 ． 【 7 】T H A WA R I G ， S U N D A R J K S a r i n ， S U N D A R A R J A N G ， e t a1． I n f l u e n c e o f P r o c e s s P a r a me t e r s d u rin g P u l s e d Nd YAG L a s e r C u t t i n g o f N i c k e l b a s e S u p e r A l l o y s [ J ] ． J o u r n al o f Ma t e ri a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 5 ， 1 7 0 1 ／ 2 2 2 9 2 3 9 ． 【 8 】 G H A N Y K A b d e l ， N E WI S H Y M ． C u t t i n g o f 1 ． 2 m m T h i c k Au s t e n i t i c S t a i n l e s s S t e e l S h e e t Us i n g P u l s e d a n d C W N d Y A G L a s e r [ J ] ． J o u rna l of Ma t e ri al s P r o c e s s i n g T e c h n i l o gy， 2 0 0 5 ， 1 6 8 3 4 3 8 4 4 7 ．