邯钢2250热轧线摩根轴承润滑系统压力控制优化

摘要：本论文总结了对邯钢２２５０热轧生产线精轧摩根润滑系统压力控制方式进行改进和优化的技术经验。原来的控制方式对干扰系统压力波动的因素没有考虑补偿，并且摩根轴承润滑站变速泵对压力波动调整的能力不高。在轧钢过程中系统压力出现大幅度波动。通过改进控制方式，从根本上解决了轧钢过程中压力波动过大的问题，保证了生产稳定运行。

Abstract: This thesis summarized the experience on the pressure control methed improvement and optimization of FM Morgoil bearing lubricating system in the 2250 Hot Strip Mill rolling line,Hansteel company.In the previous condition,the system didn’t take the pressure disturbance factors compensation into consideration in control and the speed adjusting ablility of the pumps was not sufficient.The system pressure had very big fluctuation during rolling process. By improving the control pattern,the problem that the pressure fluctuation is too much during the rolling process was essentially solved,which satisfied the production requirement.

精轧摩根轴承润滑系统为摩根轴承提供润滑油，对摩根轴承进行润滑和冷却，同时起到提供油膜支撑的作用，这要求系统压力在轧制过程中保持稳定。但是在调试过程中，通过观察发现，在精轧机咬钢、提速、降速以及甩钢的过程中，系统压力出现了很大波动，这对于轴承的正常工作和保护是极其不利的，如果不加改进将不利于轴承正常工作和寿命，而且对于板型精细控制存在不利影响。我们对影响系统压力的因素和控制方式的分析，对整个系统的压力控制进行了优化和改进，增加了干扰因素前馈补偿，同时改进变频调速泵的控制方式，解决了轧制过程中系统压力波动过大的问题，保证了轧机摩根轴承的正常工作。

1.摩根轴承润滑系统原来控制方法及存在问题
摩根轴承润滑系统的压力是靠变速泵（变频马达）进行调整，正常情况下精轧摩根润滑系统四台泵用三备一，在压力较低的情况下第四台备用泵会自动启动，以增加压力调整能力。 在摩根润滑系统管路上，在冷却单元后面安装有一个压力传感器在系统工作过程中，通过压力传感器反馈的在线压力数值和设定压力数值的偏差，来按照一定的函数关系修订变速泵的输出转速，从而达到控制系统压力的目的。摩根压力控制是典型的压力反馈控制。
摩根轴承润滑系统的在启动变频调速泵分两个加速阶段，当用户点的压力达到设定压力时，压力控制启动。四台变频泵有一台是主调节泵（master pump），其他两台泵是从泵（slave pumps），主泵的选择是哪台泵先达到第二阶段设定转速即确立为主泵，主泵在摩根系统工作过程中对即时压力波动进行调整，转速输出随之变化，从泵则保持一定的转速恒速转动。当主泵的调整能力不足时，将会切换主泵。
摩根轴承润滑系统存在的问题就是：在生产过程中，由于轧制过程中存在很多冲击载荷因素，如咬钢、轧机提速、甩钢过程，以及AGC控制过程中的辊缝调整，由于摩根系统调速泵对这些冲击载荷响应速度较慢，而且这种单台泵进行调整力度不够，造成了轧制过程中压力波动较大，这对于摩根轴承的保护以及板型的精密控制都是不利因素，因此需要采取一定的措施解决该问题。

2.PI控制
PI控制（proportional and integral control）就是比例和积分环节控制，控制过程中主要有即时的比例调节以及追踪补偿的积分调节两个环节，控制过程如下图所示：

在PI控制过程中，比例环节就像一个杠杆，对控制偏差进行即时的调节，而积分环节具有对偏差进行追踪补偿的功能，当偏差是正的时候积分环节连续增加比例环节的调节量，当偏差为负时，积分环节连续减少比例环节的调节量。控制参数正是在比例环节的即时调整和积分环节的追踪补偿双重作用下达到控制目标值和系统的平衡。
PI控制是典型的反馈控制，主要包括比例环节和积分环节两个部分。这种控制在TMEIC的控制程序中应用广泛。对于摩根压力控制系统，此种控制方式的缺陷在于并没有把在轧钢过程中影响压力波动的主要因素作为前馈补偿给系统，而是单纯的采用反馈控制来进行调整，当系统响应速度较慢时，这种控制方式比较被动，抗击系统波动能力较差。
摩根润滑系统压力控制采用PI控制方式主要包括以下主要参数：
 系统设定压力P=4.0 bar
 系统反馈压力Pi
 检测压力偏差∆;P=P - Pi
 控制死区（dead band）DB=0.1 bar
 PI控制转速调整范围上限n1=400 r/min
 PI控制转速调整范围下限n2=-1150 r/min
 检测压力偏差总增益Ktotal =1
 积分增益KI
 比例增益KP
 PLC扫描时间参数T=0.05 s

另外，在PI 控制死区设定为DB=0.05，在程序中只有当压力偏差超过此数值时，压力偏差值才会允许传递给PI 控制单元进行压力调整。

3.压力控制的优化
通过ODG（on-line data gathering）软件对压力控制系统的分析，我们发现以前的控制系统存在两个缺陷：首先是没有把影响压力波动的因素补偿到控制系统中；其次，变速泵所采用的控制方式调速能力不够。
3.1补偿因素：轧制力和轧制速度
我们通过分析ODG曲线发现，压力波动最大值和最小值之间的差距超过了2 bar。最小达到2.7bar，最大升到4.7bar。如果轧制规格更加薄的板带时，压力波动会更大。因此这对于摩根轴承的保护和正常工作是非常不利的。
我们知道，在轧机咬钢和甩钢的过程中，轧制力会突然增加，从而引起摩根润滑油的流量的增加而引起系统压力的波动，基于这一因素，我们观察了在咬钢和甩钢过程中轧制力和压力波动曲线，证实了以上观点。对于轧制力所引起的压力补偿我们采用了最简单的固定数值补偿办法，对于F1-F7 根据轧制过程中对压力影响的不同程度分别取一个固定的数值补偿到变速泵的速度参考值中。经过反复尝试和修改，我们对精轧摩根润滑系统补偿了以下一组参数：

同理，当轧机速度增加或降低时，也会引起摩根轴承油流量的变化，从而影响系统压力。因为各个轧机的转速并不相同，我们把各个机架速度的平均值乘以一个合适的系数，补偿到摩根轴承润滑泵转速的输出参考值中去。经过实际尝试和修改，我们确定了补偿系数大小为K=26时效果良好。轧机轧制力和转速总的补偿参数K’为：

1） 摩根润滑变速泵控制方式的改变
从图2我们可以看出，在轧制过程中3台调速泵的工作方式为，一台主泵（master pump）和三台从泵（slave pump）,在轧制过程中压力波动时首先是主泵转速的实时变化来进行调整，而三台从泵输出转速恒定在1000r/min.当压力波动过大时，主泵调速能力达到极限（额定转速1800r/min）这个时候两台从泵输出转速阶越到1800r/min来增加主泵调速的起点。这种控制方式存在很大的缺陷，首先是调整能力不高，只是一台主泵在进行实时调整；其次，当从泵发生速度阶越时本身就成为了系统压力波动的因素，造成系统压力的大起大落。因此需要改变这种方式。

以前的控制方式中，PI控制的速度补偿值只是修改主泵的实时输出转速来进行调速，而其它从泵却是以恒定转速的方式进行工作，在主泵调速能力达到极限时，从泵在阶越到额定转速，提高主泵调速起点。我们经过分析后决定把这种控制方式改为：取消主泵和从泵的区分，让三台泵（当调速达到极限时，第四台泵自动启动）同时进行实时调整，把PI控制的实时反馈补偿以及干扰因素的补偿同时补偿给三台泵（或四台泵），这样一来就大大提高了润滑系统的压力调整能力和调整速度,提高了系统的响应速度。比例环节和干扰因素补偿关系为：当系统干扰因素补偿因素越全面和精确时，比例环节的调整幅度越小，系统就越稳定。另外，当系统压力调整需要第四台泵启动的时候，我们考虑了泵启动对系统压力的影响，通过修订泵的加速度来保证第四台泵启动和停止时对系统的影响。所以经过改良后的摩根轴承润滑系统压力控制从根本上消除了压力波动过大的问题，对保证摩根轴承正常工作和保护具有十分重要的现实意义。图5是改进后的摩根系统压力波动曲线图。在轧制过程中压力的波动范围小于0.11bar，大大满足了生产需要。

结束语：
摩根轴承在工业上应用广泛，其润滑油系统对轴承工作起着至关重要的作用。精轧摩根轴承系统工况复杂，冲击载荷较多，速度变化频繁，系统压力控制需要考虑的因素较多，因此在控制过程中应当采取相应的方法进行控制。本论文是在热轧线实际生产过程中进行完成的，客观总结了摩根润滑系统压力控制改进的技术经验，对其他相同或类似系统改造和优化具有很好的借鉴意义。