高精度全液压压下矫直机控制系统.pdf

第 3 8卷 第 4期 2 0 1 4年 7月 冶 金自 动 化 Me t a l l u r g i c a l I n d us t r y Au t o ma t i o n Vo 1 ． 38 No． 4 J u 1 ．2 01 4 系统 与装 置 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． is s n ． 1 0 0 0 -7 0 5 9 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 1 2 高精度全液压压 下矫直机控 制系统 尹家凡 ， 陈伟 中冶赛迪电气技术有限公司 自动化部 ， 重庆 4 0 0 0 1 3 摘要 中冶赛迪电气技术有限公司成功开发了一套高精度全液压四重九辊矫直机系统。该系统基于 S i e me n s 7 - 4 0 0工艺板 F M 4 5 8和全数字调速装置 S i n a mi c s S 1 2 0， 通过主传动控制 、 矫直力控制 、 辊缝控制 、 弯辊补偿等 方法， 实现了对矫直机辊缝的精确调节。生产实践证明， 该 系统稳定性好， 控制精度高， 具有较高的动、 静态 品质和可 靠性 。 关键词 矫直机 ； 辊缝标定 ； 辊缝控制； 倾斜和摆动； 弯辊补偿 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 - 7 0 5 9 2 0 1 4 0 4 - 0 0 5 7 - 0 6 Hi g h- pr e c i s i o n f u l l hy dr a u l i c s c r e wi n g- do wn l e v e l e r c o nt r o l s y s t e m YI N J i a f a n， C HE N We i A u t o m a t i o n D e p a r t me n t ， C I S D I E l e c t r i c s T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 1 3 ， C h i n a Abs t r a c t CI S DI El e c t r i c s Te c h n o l o g y Co． ， Lt d ．d e v e l o ps a h i g h p r e c i s i o n f u l l - h y d r a u l i c s c r e wi ng d o wn l e v e l e r c o n t r o l s y s t e m．Ba s e d o n t h e S i e me n s 7- 40 0 t e c hn o l o g y mo d ul e FM45 8 a n d t h e f u l l d i g i t a l s p e e d c o n t r o l d e v i c e S i n a mi c s 1 2 0， t h i s s y s t e m a c h i e v e s a c c u r a t e g a p a d j u s t me n t t h r o u g h me t h o d s s u c h a s ma s t e r d r i v e c o n t r o l ， s t r a i g h t e n i n g f o r c e c o n t r o l ， g a p c o n t r o l ， b e n d i n g c o mp e n s a t i o n， e t c． Th e a c t ua l a p p l i c a t i o n s h o ws t h a t t h e c o n t r o l s y s t e m h a s g o o d i n t e g r a t e d p e rfo r ma nc e i n c l u d i n g g o o d s t a bi l i t y， hi g h p r e c i s i o n， h i g h d y na mi c a n d s t e a d y q ua l i t y a n d r e l i a bi l i t y ． Ke y wor ds l e v e l e r ； g a p c a l i b r a tio n； g a p c o nt r o l ； t i l ti ng a n d s wi v e l i n g； b e n d i n g c o mpe n s a t i o n O 引 言 目前 ， 国内热 轧板材 的矫直机 包括机 械设 备和控制 系统 基本 上 由外 商技术 总负责 ， 不仅 成本较高， 后期的维护也不方便。基于此， 中冶 赛迪电气技术有限公 司独立开发 、 自主集成 了第 3代 四重 九辊 矫直 机 系统 。作 为机 电一体 化 设备 ， 该矫直机 系统具有 全液压 伺服 压下 、 前后 倾斜、 左右摆动、 弯辊分组调节、 人出口边辊调节 以及快速换辊等功能和特点 ， 通过高精度全液压 压下控制 ， 实现对矫直机辊缝 的精确调节 。该 系 统 已于 2 0 1 3年成功投用到东北某钢厂 的热处理 生产线 ， 矫直 后板形平 直度 可达 到 2 ． 3 5 I ， 整体 装备和技术指标 达到世界同类机组先进水平 。 1 设备及 控 制系统 矫直机系统 由矫直机本 体 、 换辊装置和传 动 系统 3部分组成 。其 中矫 直机本体 由机架 、 上受 力架 、 上下矫直辊 、 全液压压下装置 、 平衡装 置和 弯辊装置等组成。全液压压下装置共 4套， 矫直 机人 口和出 口各 2套 ， 4个 主液压缸 内均带位 移 传感 器 和压 力传感 器 。 通 过液 压压下 装 置调 整 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 9 - 1 2 作者 简介 尹家凡 1 9 7 3 一 ， 男 ， 四川开江人 ， 高级工程师 ， 硕士 ， 主要从 事冷轧系统控制 和 电气传动方 面的工作 。 5 8 冶 金自 动化 第3 8 卷 上排矫直辊位置 ， 从而实现辊缝调整 ； 同时 ， 通过 4个主液压缸 的单独调整或 同步调整 ， 还可实现 上辊系的前后倾动或左右摆动。位移传感器检 测液压缸 的行程 ， 用于计算矫 直辊辊缝 ， 压 力传 感器用于矫 直力检测 和计算 以及 对设备进 行过 载保护。平衡装置的作用是平衡上框架、 弯辊盒 和上辊盒的自重。弯辊装置用于补偿矫直辊形 变、 改善板形 ， 提 高矫 直效果 。矫 直机 主要 技术 参数见表 1 。 表 1 矫直 机主要技术参 数 T a b l e 1 L e v e l e r ma i n t e c h n i q u e p a r a me t e r s 矫直机控制 系统采用 三级 网络结 构。传 动 级为零级 L O ， 主要包 括矫 直机主传动 、 入 出 口 机架辊传动和换辊装置传动等。传动电机采用 支流电动机， 为传动电动机供电和调速的装置采 用 S i e m e n s 最新一代全数字调速装置 S i n a m i c s S 1 2 0系列产 品。基础 自动化 级为一 级 L 1 ， 硬 件 平台由 1套 S i e me n s 7 - 4 0 0 P L C组成 ， 主要 由 1 块 C P U卡 4 1 6 - 2 D P 、 1 块工艺板 F M 4 5 8 1 D P 、 2 块 I ／ 0模板 E X M 4 3 8 ． 1 、 1块 P r o fi b u s ． D P网卡和 1 块 E t h e r n e t 网卡 等设 备组 成。C P U用于矫 直机 传动系统和介质系统等控制； F M 4 5 8和 E X M 4 3 8 模板用于矫直机辊缝控制、 弯辊控制、 标定辊缝 控 制和换辊控制等 ； P r o fi b u s ． D P网卡用于基 础 自 动化级与传 动级之 间的数据通 信 ； E t h e r n e t 网卡 用于操 作 员站 H MI与机 组 P L C之 间 的数 据 交 换。过程自动化系统为二级 L 2 ， 完成矫直机 相关设定值 包 括平均辊缝设 定 、 倾 斜辊缝设定 和摆动辊缝设定等 的计算。三级系统共同完成 主传动控制、 矫直力控制、 辊缝标定、 辊缝控制及 弯辊补偿 等功能 。矫直 机的工作 模式有 位置 闭 环控制 即辊缝控制 和矫直力闭环控制 2种 ， 辊 缝标定时先采用位置闭环控制模式， 然后采用矫 直力闭环控制模式 ； 正常矫直过程中仅采用位置 闭环控制 。 2主要控制功能 2 ． 1 主传动控制 矫直机主传 动为穿 带或矫 直时传 送板材 提 供动力 。在穿带过程 中， 随着上下辊系矫直辊逐 级咬入钢板 ， 矫 直机 主 电动 机 的负 荷会 逐级 增 加 ， 且 电动机负荷每级增量 与各矫直辊矫直力成 一 定 比例。故 可以根据带 头跟踪信 息确 定与带 钢接触的矫直辊数量 ， 按 比例 限制矫直机 主电动 机 的转矩。当全部工作辊 都与带钢接触 时 ， 矫直 机主 电动机 的转矩 限幅切换 到额定 转矩 。在矫 直过程 中， 通过矫直机与前后设备 的联动传送被 矫直 的板材 。 2 ． 2矫直力控制和辊缝标定 矫直力通过安 装在 主液压缸 主油路 上 的压 力传感器测量并计算得到 ， 每个 主液压缸 的矫 直 力 FP 1 A 1 ～P 2 A 2 1 式中， P ， P 分别为液压缸腔侧和杆侧油压， P a ； A ， A 分别 为液压 缸腔侧 和杆 侧横 截 面积 ， m 。 在计算每个主液压缸提供 的有效矫直力时 ， 还需 要考虑矫直机上框架 包括 平衡梁 、 弯辊盒 和上 辊盒 的 自重 。 矫直力控制主要用于辊缝标定 。标定 时 ， 先 将矫直机的上辊架打开到最大位 ， 然后在位置闭 环控制模式下向下快速压靠 ， 当上辊架与标定垫 板快要接触时切换为慢速压靠， 之后当矫直辊接 触标定垫板 且其 中 1个 液压缸矫 直力达 到预先 设定值 F l 时， 控制器将当前主液压缸切换到矫 直力闭环控制模式 ； 当4个主液压缸 的力均 达到 F l 后 ， 控制器将设定矫直力切换到 F 2 ； 当4个主 液压缸的矫 直力均达 到 F 2且稳定后 ， 获 取一段 时间 如 1 0 S 内的实际液压缸位置平均值 ， 该值 即为零辊缝位置； 之后上辊架打开到最大位， 标 6 0 冶 金自 动 化 第3 8 卷 f g1 8 e t g a s e tg t s e t g s t j g ⋯ et g t - se t g s - et 5 I g 3 一 B e t g a s e t g t 一 8 e t g e t g4 一 s e t ga s e t gt s e t g8 一 s e t 将 g 一 ， g ⋯ g ⋯ 以及 g 1 ⋯ ～g ⋯ 经过 斜坡处理后 ， 进行矫直机辊缝控制 ， 如图 2所示 。 图 2中包含 了单缸 闭环控制 、 倾斜控 制 、 摆动控 制 、 刚度补偿等 内容 ， 一 起构成 了矫直机 的辊缝 控制 。其 中倾 斜控制 和摆动控 制 的思路 和单 缸 闭环控制类似 ， 均采 用 P I 控制 器 ， 因此不再展 开 描述 。 2 ． 3 ． 1 单缸闭环控制 单缸 闭环控 制是指 主液压 缸单缸 采用 位置 闭环控制模式 ， 将前文计算 的单缸位置设定值与 其位置反馈值相 比较， 差值经位置 P I 控制器产 生一个输 出， 控制伺服阀驱动液压缸接近设定位 置； 当设定值与实际值 的差值很小时， 起动差值 积分 回路 ， 对伺服 阀进行补偿。 图 2矫直机辊 缝控 制框 图 Fi g． 2 Le v e l e r g a p c o n t r o l bl o c k d i a g r a m 本矫直机系统采用 MT S公司生产的高精度 线性 位 移 传 感 器 进 行 液 压 缸 位 置 测 量 ， 采 用 M O O G公司的高性能直动式伺服阀驱动液压缸。 单缸位置闭环控制精度可达到 0 ． 0 0 5 mm。 2 ． 3 ． 2 刚度补偿 在板材矫直过程中， 机架的弹性形变使得实 际辊缝大于矫直 的设 定辊缝 ， 为了保证辊缝的控 制精度 和矫 直质 量 ， 必须 进行 机 架 刚度 补偿 控 制 。 根据板材矫直理论， 板材的实际厚度 h与预 调辊缝值 S和机架弹跳值 △ s之间的关系可 用机 架弹跳方程描述 引 5△ss F 6 式 中， F为实际矫直力 ， k N； K 为机架 刚度 ， k N ／ m m。 机架刚度补偿 量可 以通过 L 2模 型计 算 ， 也 可直接由L l 进行计算， 本文采用在 L 1 计算刚度 第4期 尹家凡， 等 高精度全液压压下矫直机控制 系统 6 l 补偿量 的方式。设 当前矫直力 F经过时 间 △ t 后 变化量为 △F， 即矫直力变 为 F △ F， 则辊缝变 化量 7 式中 ， h 和 h ， 分别为经过时间 △ t 后和当前 的带 钢厚度 ， m m。 为了消除该辊缝变化量， 通过辊缝修正量 A x对辊缝进行相应 补偿 ， A x的大小与 弹跳 变形 量成正 比， 但方 向相反 ， 即 A b - A x一C 8 m 式中 ， c为补偿系数。 补偿后 的辊缝变化量 Ah AhA x AF C A K F _ 9 A h 通过限幅 和斜坡 处理 后作 为 刚度补偿 ， 直接参 与位 置闭环控制 。由式 9 可知 ， 补偿系 数影响到最终刚度补偿的效果， 因此， 通过改变 补偿 系数 C的大小可 以全 部或 部分补偿 机架弹 性形变引起 的辊缝 变化 。 2 ． 3 ． 3 4缸 同步控制 ． 矫直机的 4个 主液 压缸共 同作用 在平 衡梁 上， 由于液压系统泄漏、 执行元件非线性特性、 控 制元件间的性能差异 和负 载各组成 部分 的制造 误差等因素的影响 ， 当 2个或 2个 以上液压缸驱 动同一负载时， 必然存在位置同步精度不高的现 象 。不同步造成液压缸之 间存在相互 作用 ， 这种 相互作用使 系统的动态性 能变差 ， 严重 时可使 系 统失稳 ， 因此必须采取适 当的同步控制策 略来提 高 同步精度 ] 。 本文采用同等方式L4 进行 4缸同步控制， 压 下时 4个主液压缸先平行压下 ， 等到达设定辊缝 后再进行倾斜 和摆动 ， 即 4个主液压缸分别 进行 单缸位置闭环控制。具体过程是 首先将单缸辊 缝设定值 g 。 一。 ～ g 4 ⋯ 与刚度补偿值进行叠加 ， 作为最终的位置设定值 ， 然后与各 自的位置反馈 值 g 。 ⋯ ～ g ⋯。 相 比较 ， 其差值经过位置控制器 产生一个输 出， 最后叠加倾斜控制 和摆动控制 的 输出 ， 控制伺服 阀驱动液压缸接近设定位置。 由于采用单缸辊缝闭环控制能够保证各个 液压缸 的辊缝实 际值趋于各 自的给定值 ， 并可 以 通过调节控制器 参数来 提高 4个 主液压 缸 的同 步性 ， 故在正常矫直过程 中采用单缸辊缝闭环控 制叠加倾摆辊缝 闭环控制 的 4缸同步控制模式 。 2 ． 4 弯辊补偿 矫直机弯辊系统采用梁式 弯辊装 置 ， 通过设 在弯辊框架 内的短行程 油缸来控 制弯辊 伸 出的 行程， 从而调节钢板宽度方向上的辊缝值， 实现 辊缝横 向补偿 。弯辊 补偿 的主要作用 为 1 补 偿矫直设备受 两侧主液 压缸矫直 力作用 而在横 向上产 生扰 度 变形 ， 以保 持 辊缝 在 横 向上 的一 致； 2 通过横向中部过补偿使矫直辊中部凸形， 用来 消除钢带的双边 浪缺陷 ； 3 通过横 向边部 过补偿使矫直辊中部凹形， 用来消除钢带的中间 浪缺陷 ； 4 通过主压下 系统的左右摆 动结合横 向中部过补偿， 来消除钢带的单边浪缺陷。 在通常情况下， 弯辊的主要作用是第 1项， 机架扰度 变形程度跟 有效 矫直力 直接相关 。依 据机械参数、 有效矫直力、 支撑力、 弯辊力等实时 计算机架在带钢宽度方 向的扰度变形量 ， 将其 作 为弯辊补偿的基准设定值。 3 实 际应用 图 3为采 用 4缸 同步 控制策 略矫直 机 主液 压缸压下时辊缝实 际值 、 倾 斜辊缝 实 际值 、 摆 动 辊缝实际值 以及同步辊缝偏 差最 大值 同一时刻 任意两个辊缝实际值偏差绝对值的最大值 的变 化曲线。图中显示倾斜辊缝实际值 、 摆动辊缝实 际值以及同步辊缝偏差最大值分别约为0 ． 0 0 5 ， 0 ． 0 0 2 5和 0 ． 0 1 5 m m。由此可知 ， 采用 4缸同步 控制策略的矫直机， 不仅辊缝控制精度高， 而且 4 缸同步性能也很好 。 4 结束语 ， 针对 四重 九辊全 液压压 下矫直 机 4个 主液 压缸 系统 由于制 造误差 和液压元件 的个体 差异 导致同步性较差的现象， 本文提出了一种单缸辊