液压压下伺服控制系统在TZφ180三辊连轧管机中的应用.pdf

液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 1年 第 l 2期 液压压下伺服控制系统在 T Z 1 8 0 三辊连轧管机中的应用 孙福 赵铁琳 太原重工股份有限公司技术中心轧钢所 ， 山西太原0 3 0 0 2 4 摘要 首套 全国产的 T Z 1 8 0三辊连轧管机采用 了当今世界上先进的液压压下伺服控制系统 H C C S 。 经过一年多的生产运行 ， 证 明 该套系统稳定 可靠 。主要介绍该 系统结构 ， 阐释其液压系统 和电气系统构成 ， 并指出了它的主要功能 ， 给 出了现场使用效果。 关键词 液压压下 伺服控制 ； 三辊连轧管机 中图分类号T t t 3 3 3 ． 8 ， T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 1 2 0 0 2 8 0 3 Ap p l i c a t i o n o f Hy d r a u h c Ca p s u l e S e r v o Co n t r o l S y s t e m t o TZ 1 8 0 Thr e e r o l l Co n t i n u o u s Tu b e Ro i l i n g M i l l S ￡ ， Ⅳn0 o T ／ e f 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 H e a v y Ma c h i n e r y G r o u p C o ． ， L t d ． ，T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a A b s t r a c t H y d r a u l i c C a p s u l e S e r v o C o n t r o l S y s t e m HC C S i s a p p l i e d t o T Z 1 8 0 T h r e e r o l l C o n t i n u o u s T u b e R o l l i n g Mi l l ，w h i c h i s t h e fi mt d o me s t i c t h r e e - r o l l c o n t i n u o u s t u b e r o l l i n g mi l1．I t s s t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y h a s b e e n p r o v e d i n p r a c t i c e i n o v e r o n e y e a r u s i n g ． T h e ma i n c o n s t r u c t i o n o f t h e HC CS i s i n t r o d u c e d ， e s p e c i a l l y i n h y d r a u l i c s y s t e m a s we l l a s e l e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e m． An d t h e ma i n f u n c t i o n s o f HCC S a r e a l s o d i s c u s s e d ．Th e wh o l e p r o p e r t y p e r f o r ms w e l l i n r o l l i n g p r o c e s s ． Ke y W o r d s HCC S； s e r v o c o n t r o l s y s t e m ； t h r e e r o l l c o n t i n u o u s t u b e r o i l i n g mi l l 0 前 言 随着工业 的发展 ， 对钢管 的质量要求 日趋严格 ， 传 统机组无论是在生产效率还是产品质量上都面临着极 大的挑战。自2 0世纪 9 0年代以来， 少机架限动芯棒连 轧 管机组成为世界上新建无 缝钢管生产机组 主流机 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 5 3 0 作者 简介 孙福 1 9 8 0 一 ， 男 ， 山东 成武县人 ， 工程师 ， 主要从事冶 金机械 电液伺服系统研究 、 设计和调试工作 。 长度的方法精确度高 ， 又较定位块法快速简洁 ， 明显提 高了调整效率。在调整 中可在选定或说 明书上指的一 瓦上有意留下一个偏差值 ，待 四瓦支承固定后在预留 的两瓦上调 出这个等于间隙值的偏差量。此时主轴与 体孔仍保持了高度同心要求。 结论 经过 以上经心修 复后 ，轴 瓦间隙调整 在 0 ． 0 1 5 m m， 运转后主轴跳动在 0 ． 0 0 5 m m 以内 ， 温升不超 过 2 0 。 ， 完全满足了修复要求。 型。在前期主要以两辊连轧管机为主， 随着人们对两辊 连轧管工艺认识的加深和对生产实践的了解掌握 ， 发 现两辊连轧管机存在一个重大问题 ．即在轧制过程 中 因金属不均匀变形而产生的质量缺限， 随着孔型尺寸 、 径壁 比以及轧制材料 的合金 比的提高变得越来 越严 重 ， 部分高端产品的成材率甚至只有 5 O ％【 I J 。自2 0 0 3年 世界第一 台 P Q F三辊 连轧管机组在 天津顺利 投产 以 来 ，具备液压压下的的三辊连轧管机便逐渐受到世人 青睐。它在工艺的经济性和产品质量方面的优势， 尤其 参考 文 献 【 1 】 俞启荣． 机床液压传动【 M】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 2 】 郑国伟． 机修手册【 M】 ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 6 4 ． 【 3 】 卢 世 庆 ． 液 压 油 的 选 用 和 管 理 [ J 】 ． 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0 0 9 2 ． f 4 1 丛志鹏． M1 3 G1 4 3 2磨床砂轮架轴承维修与N[ J I ． 设备管 理 与维修 ． 2 0 0 9 9 ． 【 5 ] 汪菊英， 陈超 丽． 对传 统液压设备改造 的探讨[ J 】 ． 液压气动 与 密封 ． 2 0 0 8 6 ． Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ． 1 2 ． 2 0 1 l 是在钢管的壁厚精度和壁厚均匀度方面都优于两辊连 轧管机 ． 使得连轧管工艺装备又跃上 了一个新的高度 。 目前 “ 锥形穿孔 机 芯棒限动三辊连 轧管机 三辊 定 减 径机 工艺 自动控制系统” 被公认为是 当今世界上 最先进的无缝钢管热轧生产工艺 。 作为三辊连轧机组核心技术之一的液压压下伺服 控制系统 ， 是集液压 、 电气和控制技术紧密结合的先进 复杂控制系统。它对实现整个连轧工艺过程起着重要 作用 ， 其性能好坏直接决定着产品精度和生产率高低。 本文主要介绍首套全 国产的 T Z 1 8 0芯棒限动三辊连 轧管机液压压下伺服控制系统 。 1 液压压下伺服控制系统液压构成 T Z 1 8 0芯棒 限动三辊连轧管机共有 6个机架 1 架空减机架加 5架连轧机架 ， 每个机架 的三个轧辊成 1 2 0 。 交叉布置 ． 单个机架轧辊布置情况如 图 1 所示 图 示 为某一机架 布置情况 ，相 邻机架 间三个轧辊交 错 6 0 。 。连轧机架 的每个轧辊 由单独的伺服油缸控制 ． 这 样可以方便实现单个轧辊位置调整 。通过三个轧辊的 位置调整形成所需要的孔型。 每个伺服油缸采用位置闭环控制 。构成元件 主要 包含伺服油缸 、 伺服阀、 高精度位移传感器和压力传感 器 ， 其结构原理如图 2所示 ， 图 3给 出了它 的控制方 框图。位置闭环是液压压下伺服控制系统的内环 ． 是整 个控制 的基础和核心 ，它的性能决定着整个系统的性 能。两个压力传感器用来实现对轧制力的实时监测 ， 不 仅用来补偿机架的弹性变形 ，还能够在轧制力超限时 提供报警和实施快开 ， 从而保护设备。 此外整个控制系统还加入了许多与工艺相关 的控 制值 ， 用于补偿辊缝 的变化量 ， 以维持最佳孔型 。 提高 成材率。 1 一 平衡缸2 一 液压压下缸3 一 轧辊4 一 传动轴 图 1 机架轧辊 布置 图 图 2 连轧管机液压压下系统原理结构图 厂 亘 ] 孔 型 设 定 二 _ 二 卜 l 匿 垂 卜 垂 巫 至 H 一 轧 辊 位 置 ● ● 一 1 辊 补 偿 L 压 垂 堕 亘 亟 I 图 3液 压 压 F伺 服 控制 系统 方 框 图 2 液压压下伺服控制系统电气构成 液压压下伺服控制系统的电控部分采用了当前 比 较先进的 S I MA T I C T D C S I MA T I C T e c h n o l o g y a n d D r i v e C o n t r o 1 控制系统作为基础 自动化级。该系统是 一 种多处理器 的自动化系统 ．在大型过程控制工厂中 获得广泛应用 ， 其主要特点是 模块化的系统结构 。 硬 件扩展性好 ； 6 4位处理器 ，允许多处理器同步运行 ， 每 个机架最多可容纳 2 0个 C P U； 循环时间短 1 0 0 s ； 使 用 S t e p 7组态工具进行图形化组态 ， C F C和 S F C进行编 程 ， 方便快捷 ； 同时 C F C编程软件还提供了强大的编程 手段 ， 拥有功能多样的标准软件模块及运行库 ， 并可使 用 C语言创建功能块。 每个机架分配一台 C P U模板 ，用来控制液压伺服 缸的位置和轧制力。C P 5 0 M1 通讯模板实现 H MI 和 D P 通讯 ， C P 5 1 M1通讯模板用来做 以太网的远程通讯 ． 实 现数据 的远传 和接收。S M5 0 0模板用来连接分布式 I ／ O， 除 了具有 l 6点二进制输入／ 输 出以外 ， 还具有 8点 模拟量输入／ 输出及 4点积分型模拟量输人。利用这些 I ／ O点 ， 实现对以下液压压下系统参数的控制 快开阀 的开关控制 ， 位置传感器和压力传感器的模拟量输入 。 伺服阀控制量的模拟量输出及与之相关的反馈输入。 H MI控 制 界 面 采 用 Wi n C C系 统 编 制 ，通 过 C P 5 0 M1将 T D C液压压下系统参数实时传输至控制界 面 ， 同时也可以实现 HMI 控制量的上传。 在此控制界面 上 ， 可以实时监控液压缸 的位移 ， 轧制力的大小 ， 并能 够在轧制进行前执行相关 的诸如换辊位置调整 、零位 标定等设备手动或半 自动操作 。但在轧制过程 中， 为保 护设备安全， 所有这些操作被取消。整个轧制过程全部 实现 自动化。HMI 控制画面如图 4所示 。 29 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0l 1年 第 l 2期 图 4 HMI控 制 界 面 3 液压压下伺服控制系统主要功能及现 场使用 液压压下伺服系统是连轧管机 的核心设备之一 ， 也是现代化轧机的标志之一 ，对整个生产起着重要作 用 ， 主要体现在以下几个方面 1 辊缝的精确定位和调整。依靠伺服系统的快速 性和准确性 ， 不仅可以准确设定辊缝 ， 同时也使在线调 整辊缝成为可能。 2 过载保护功能。压下伺服控制系统不仅具备 良 好 的位置控制功能， 而且能够实时监控轧制力的大小 ， 实现过载保护。 3 依照预先设定实现头尾削尖轧制。通过降低壁 厚偏差 ， 减少切头切尾损失 ， 提高成材率。 4 轧辊芯棒磨损补偿。依照对芯棒和荒管的测量 结果 ， 在线补偿轧辊和芯棒 的磨损量 ， 减少换辊 时间 ， 提高生产率。 在实际生产过程中． T D C系统预先接受 L 2级工艺 管理系统给定 的各机架孔型设定值 即对应 的各个轧 辊辊缝值 ， 继而依靠 自身的闭环控制 ， 将轧辊准确调 整至所要求位置 ， 等待轧制开始。在轧制过程中还要通 过计算轧制力来补偿辊缝值的变化或实现轧机的过载 保护 ， 同时补偿轧辊和芯棒磨损。 现场调试和运行结果表明所设计液压压下伺服系 统性能稳定， 工作可靠 。图 5给出了其中某机架轧制力 图 5 轧制力曲线图 情况。从图中可以看出三辊轧制力分配均匀 ， 采用液压 压下的三辊连轧机 ，轧辊对 中性也较好 。在该套系统 中， 还加入了许多过程参数的报警记录。图 6给出了现 场报警记录的部分截 图， 依靠这些记录 ， 可以为现场故 障诊断和处理提供有益参考。 图 6报 警 记 录 截 图 4 结语 这套完全国产化的设备 ， 经过一年多的生产运行 ， 经受住 了实践的考验 ， 设备运行稳定可靠 。这标志着我 国在无缝钢管连轧设备制造上又上了一个新的 台阶 ， 打破 了国外的技术垄断。但我们也清楚 的认识到尽管 在设备硬件方面取得 了突破 但在工艺编制 、 工艺流程 优化等软件上还存在不足 ， 尚需下大力气去开发。 另外值的一提的是在这套液压伺服系统中，液压 部分除伺服阀外均采用 的是国产液压阀 ，现场使用结 果表 明现在 国产液压阀性能已经有 了较大提高．基本 能满足生产需要 ．但在压力阀的调压稳定性和可靠性 方面还有待改善 。毕竟提高国产液压元件性能 ， 推广使 用国产液压元件是每个液压人的使命和渴求。 参 考 文 献 【 l 】 孙 强 ， 高展展． P Q F三辊式连轧机组的技术开发及应用[ J 】 ． 天 津科技， 2 0 0 7 3 ． 【 2 】 严泽生． 现代 热连轧无缝 钢管生产【 M 】 ． 北京 冶 金工业 出版 社 ． 2 0 0 9 ． [ 3 ] 金如崧．P Q F的 1 7年[ J 】 ． 钢管， 2 0 0 9 1 ． 『 4 1 孙福， 刘 春旭， 张英婵． 基于 M a t l a b的虚 拟仿 真技 术在连轧管 机液压压下系统设计中的应用f J ] ． 液压气动与密封，2 0 0 9 5 ．