热轧带钢卷取控制系统探讨

1 引言

　莱钢1500mm热轧带钢生产线是莱钢“十五”技改工程新上的一条生产线，该条生产线全部由国内设计生产制造，其工艺布置方案为：2座步进梁式加热炉—单机架带立辊轧机（配置全液压awc)的四辊可逆粗轧机（配置电动压下apc+液压agc)—热卷箱—6机架四辊精轧机组（f1-f6配置全液压压下hapc+hagc、窜辊、弯辊，f1-f6采用cvc机型，机架间低惯量活套)—层流冷却—2台地下卷取机（配置助卷辊液压踏步控制)。可生产厚度1.2mm—20mm，宽度700mm—1350mm的热轧带钢，年设计生产能力200万吨。

2 卷取工艺

　　卷取区主要设备有热输出辊道、层流冷却设备、卷取前侧导板、夹送辊、助卷辊、卷取机、卸卷小车、运输链等，设备布置如图1所示。

图1 卷取区示意图

　　当带钢出最后一架轧机经层流冷却辊道进入入口侧导板并开始卷取时，入口侧导板通过位置、压力传感器对带钢进行控制，然后进入夹送辊。带钢在夹送辊的作用下，向下弯曲并沿挡板和斜溜板进入助卷辊和卷取机芯轴设定的缝隙，通过1#、2#、3#助卷辊与弧形导板，使其卷绕在卷取机芯轴上。卷绕3～4圈后，卷筒建立稳定张力，侧导板进给使其靠上带钢，助卷辊此时变成小电流控制，并与带钢同步。助卷辊逐一打开，斜溜板打开，卸卷小车进入卷筒下方并且卸卷小车升降台上升到距给定带卷外径下200mm处。助卷辊全部打开后，卷筒与最后一架轧机建立张力。带钢尾部即将离开f6时，助卷辊电机自动转为速度控制，当卷取即将完了时，卸卷车升降台接触钢卷，其卸卷小车托辊与卷筒等速旋转直至卷取完了，钢卷带头转到带卷下方。卷取结束后，卸卷车上托辊制动并且压住带钢尾部，然后卷筒反转收缩，侧导板、夹送辊开启，挡板关闭，卷取机外支撑打开，卸卷小车将钢卷取下并送至钢卷提升车，由此再送至带回转台的回转小车，该小车将钢卷水平翻转90°送到链式运输机上运出带卷。

3 卷取控制系统

　　卷取区由2套s7－400系列plc和2套tdc系统组成。一套s7400用于卷取公共控制，带10个et200m远程站；另一套s7400用于卷取出口控制；2套tdc系统带8套et200m远程站，主要实现液压ajc等功能。系统配置图如图2所示。

图2 卷取控制系统配置图

3.1 卷取机的踏步控制(ajc)功能

　　自动踏步控制是现代带钢热连轧机的一个新的控制功能，其目的是尽可能减小在卷取时由于带头和助卷辊相撞而在带钢上产生的压痕。

　　自动踏步控制的基本原理是：自动跟踪计算带钢位置并给电气控制发送信号。每个助卷辊都装有位置和压力控制器，在带钢卷取过程开始后，每当带钢头部转到距离任一助卷辊很近的位置时，该助卷辊都迅速抬起，和带钢脱离接触；而当带钢头部通过助卷辊后，该助卷辊则迅速回靠以压紧卷筒上的带钢，并按压力控制方式运行。该过程将持续到卷取若干圈后全部助卷辊打开为止。良好的踏步控制系统应在保证带钢头部不与助卷辊相撞的前提下，尽可能缩小助卷辊和带钢脱离的时间，使卷形不受影响。三个助卷辊跳跃时，总有两个助卷辊处于压力控制，以防止钢卷松散。为了安全起见，助卷辊的跳跃量略大于带钢厚度。

　　ajc控制系统如图3所示，包括带钢头尾跟踪、助卷辊位置控制和压力控制。

图3 ajc控制系统示意图

　　3.2 卷取张力控制

　　卷取机有两种工作状态：速度控制状态和张力控制状态[1]。在点动和穿带期间，它们工作在速度控制状态，穿带时，当卷取张力建立后，它们工作在张力工作状态。

　　从速度控制状态切换到张力控制状态是在切换逻辑控制下自动进行的。在切换到张力控制状态运行后，尽管卷取机的速度给定略高于精轧机组速度基准给定值。由于精轧机组和卷取机之间通过带钢的刚性连接，卷取机的实际速度不可能达到速度给定值，卷取机的速度调节器的输出饱和，传动系统转入张力控制。由于速度调节器的输出达到限幅值，张力给定值由张力矩、摩擦力矩、弯曲力矩、加减速力矩的计算等的结果决定。

　　(1)卷径计算。卷取机上钢卷的卷径通过脉冲发生器的计数值计算出来。计算方法是在卷取机卷筒上定义一个旋转角度αh，测量与该角度相对应的带钢长度，即可计算出钢卷的卷径。

钢卷卷径按下列公式计算： d=2l/αh
αh：在卷取机卷筒上的旋转角度(以弧度表示)
d：钢卷卷径
l：与αh相对应的带钢长度
张力力矩的计算：带钢张力矩的计算公式如下：mz=f*d/2i
mz：张力矩；f：张力设定值；i：传动比
弯曲力矩的计算：带钢弯曲力矩的计算按下列公式求得：
mb=δy*l* h/4
mb：弯曲力矩；h：带钢厚度；δy：屈服系数；l：带钢宽度

　　(2)加速力矩的计算。卷取机电机的加速力矩由折算到电机轴上的转动惯量和带钢线加速度等参数计算出来[2]。转动愤量包括固定部分和与钢卷规格有关的可变部分。固定部分由卷取机传动机构、卷筒等部分的转动惯量组成。可变部分由钢卷直径、带宽、钢的比重等参数决定。由线速度变化和卷径变化决定的加速力矩计算公式如下：

mα=dv/dt［k1*1/d+l(k2*d3- k3*1/d)］
其中：k1表示固定部分的转动惯量系数；
k2、k3表示取决于卷径变化的变化部分的转动惯量系数；
l表示带钢宽度；
d表示钢卷卷径；
dv/dt表示加速度。

3.3 卷取机前侧导板控制

　　热轧钢卷的卷形是生产过程中的一项重要的质量指标。卷取机前侧导板的作用就是使带钢在卷上卷取机之前不跑偏，在卷取过程中对中，保证良好的卷形。采用液压伺服系统对侧导板进行位置和压力控制。控制系统具有动态响应快、控制精度高的特点，在带钢的卷取过程中能实时地控制侧导板的开口度和压靠力，使带钢稳定在轧制中心线上。控制系统具有两种控制方式：位置控制和压力控制。可以自动切换，也可以根据生产设备情况、轧制品种等实际需要进行选择。在带钢进入卷取机以前为位置控制，侧导板的开口度设定要比带钢的宽度大，这样可以使带钢顺利地进入夹送辊。一旦带钢头部卷入夹送辊后，可以是位置控制或压力控制。

　　3.4 自动卸卷控制

　　带钢卷取过程中，运卷小车前进至卷取机下方，并进行一次上升，当卷取完成并尾部定位后，小车第二次上升，卷筒停止运转后，卸卷车托住带卷，卷筒缩径，运转小车将带卷运至钢卷升降机上，再由升降机将带卷移送到运输链上。整个控制过程可以手动/自动进行操作，手动时，操作工控制小车的前进和上升等动作，并将这些信号传送到plc中，由plc控制卷取机的动作，保证卸卷的正常进行。自动时，直接由plc根据工艺控制要求进行卸卷控制。

4 结束语

　　系统采用了先进的控制算法，系统运行稳定，故障率低，创造了巨大经济效益，是一套很好的控制系统。