光亮退火線生產(chǎn)過程鋼卷卷徑精準(zhǔn)控制技術(shù)的研究與實現(xiàn)

摘

要：對光亮退火線開卷機(jī)靜態(tài)和動態(tài)卷徑的測量提出新方法：靜態(tài)卷徑通過測量不同規(guī)格的鋼卷，得到鋼卷卷徑和壓輥編碼器旋轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系，從而擬合出近似的非線性卷徑測量曲線；動態(tài)卷徑根據(jù)角速度、線速度、旋轉(zhuǎn)半徑的對應(yīng)關(guān)系，計算得出開卷機(jī)實時卷徑。針對加減速過程中的輥面打滑，采用動態(tài)糾正機(jī)制減小了偏差。該項技術(shù)很大程度上提升了初始轉(zhuǎn)矩給定值的精準(zhǔn)控制，運行過程中確保張力和速度精度滿足需求，提升了設(shè)備穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。關(guān)鍵詞：初始卷徑；卷徑計算；恒張力控制

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引言在光亮退火線生產(chǎn)過程中，開卷機(jī)張力控制是必不可少的。在張力控制系統(tǒng)中，無論張力力矩的給定還是動態(tài)補償力矩的計算都需要鋼卷的初始卷徑，該卷徑是張力控制中極為重要的參數(shù)。初始卷徑的精準(zhǔn)測量，可保證開卷機(jī)起步過程中彈跳輥的穩(wěn)定。隨著生產(chǎn)過程的進(jìn)行，在鋼卷即將到帶尾時，精準(zhǔn)的卷徑測量還可以對生產(chǎn)作業(yè)人員換卷工作起到提醒作用。傳統(tǒng)卷徑測量裝置多使用超聲波傳感器或激光測距儀，這些裝置安裝于與鋼卷平行的位置，靠傳感器實時檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)起步和生產(chǎn)過程中的控制。由于生產(chǎn)過程中機(jī)組自身的振動、鋼卷層間所墊紙掉落遮擋傳感器等諸多因素，傳統(tǒng)卷徑測量裝置容易出現(xiàn)傳感器測量誤差，從而影響張力控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。通過采用開卷機(jī)上方旋轉(zhuǎn)壓臂檢測初始卷徑、運行過程中線速度與開卷機(jī)角速度的方法計算過程卷徑，可有效避免上述問題，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備穩(wěn)定性。

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硬件實現(xiàn)硬件采用SIEMENS

CPU319-3DP[1]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。浮點數(shù)運算時間為0.04μs，數(shù)字量通道輸入/輸出范圍為0～65535個數(shù)，模擬量通道輸入/輸出范圍為0～4096個數(shù)，通信模式為Profibus現(xiàn)場總線，編碼器為TR絕對值編碼器。硬件組態(tài)如圖2所示，壓臂軸端安裝有絕對值編碼器，編碼器通過Profibus總線與PLC的DP口相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

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開卷機(jī)卷徑測量通過開卷機(jī)上的壓臂旋轉(zhuǎn)壓下測量鋼卷直徑。如圖3所示，在壓臂的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上安裝有編碼器，該編碼器旋轉(zhuǎn)過程中根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度的不同而給PLC控制系統(tǒng)傳輸相應(yīng)的數(shù)值，如圖4所示。編碼器有初始角度，初始角度對應(yīng)著鋼卷的最大卷徑（2000mm），此時角度為0°。由于精密帶鋼的套筒外徑尺寸為700mm，當(dāng)壓臂完全壓下時，如圖5所示，套筒直徑尺寸為最小值（700mm），此時編碼器的旋轉(zhuǎn)角度為62.3°。卷徑旋轉(zhuǎn)測量的結(jié)果是非線性的，不能按照一次函數(shù)去擬合，中間的卷徑通過差值的方法去計算勢必會帶來誤差，而卷徑的測量誤差會導(dǎo)致初始力矩給定錯誤，進(jìn)而導(dǎo)致張力波動，造成彈跳輥波動幅度過大，嚴(yán)重時會造成生產(chǎn)線開卷區(qū)域停車。通過選取多個不同卷徑規(guī)格的鋼卷進(jìn)行測量，將卷徑700～2000mm區(qū)域劃分成20等份，采用局部區(qū)域近似線性化的方法，整體區(qū)域擬合非線性曲線。例如，將700mm的鋼卷放到開卷機(jī)上測量，此時的編碼器旋轉(zhuǎn)角度為62.3°，再將720mm的鋼卷放到開卷機(jī)上測量，編碼器旋轉(zhuǎn)角度為60.5°，據(jù)此類推，對選取的測試鋼卷逐個進(jìn)行測量，得到實際卷徑與角度的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。用描點法擬合出近似的非線性曲線，如圖6所示。粉色區(qū)域為卷徑測量的微小區(qū)域，該區(qū)域近似為線性關(guān)系，則微小區(qū)域內(nèi)角度與卷徑的對應(yīng)關(guān)系為：式中：D為鋼卷卷徑（mm）；φ為編碼器旋轉(zhuǎn)角度（°）；φ2為與d2對應(yīng)的編碼器角度（°）；φ1為與d1對應(yīng)的編碼器角度（°）；d2為任取的兩個卷徑測量點的較大值（mm）；d1為任取的兩個卷徑測量點的較小值（mm）。將每一個等分角度賦值給程序中的固有變量，如圖7所示。

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開卷機(jī)動態(tài)卷徑計算該機(jī)組為恒張力控制系統(tǒng)[3]，全線各輥線速度相同，在生產(chǎn)線基速輥上安裝有編碼器測量轉(zhuǎn)速，通過該輥轉(zhuǎn)速與輥徑的換算，可得出帶材線速度，開卷機(jī)由于卷徑一直在發(fā)生變化，但線速度與基速輥保持一致，因此，采用速度比的方式可以計算出開卷機(jī)的卷徑：式中：v為帶材線速度（m/min）；nC為測速輥的轉(zhuǎn)速（r/min）；DC為基速輥的直徑，本文取0.28m；DP為開卷機(jī)實時卷徑（m）；np為開卷機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）；ip為開卷機(jī)的減速比。通過以上分析判斷及實際測試，采用如圖8所示的編程思路[4]：采集需要的轉(zhuǎn)速變量→編輯程序→程序調(diào)用該功能塊→運行。運行過程中卷徑測量通過程序內(nèi)部計算，將開卷機(jī)卷徑的誤差控制在3mm范圍以內(nèi)，提高了連續(xù)線退火機(jī)組開卷卷徑的精度，消除了因卷徑誤差問題而造成的產(chǎn)品缺陷。

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卷取機(jī)卷徑計算及容錯糾正機(jī)組采用卷取機(jī)的速度控制方式來保證全線張力恒定且可調(diào)。基速輥的直徑乘以轉(zhuǎn)速得到帶鋼的線速度，用該值除以卷取機(jī)的轉(zhuǎn)速，得到帶鋼的卷徑：式中：DT為卷取機(jī)卷徑（m）；nT為卷取機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）；iT為卷取機(jī)減速比。實際運行中，由于測速輥和卷取機(jī)之間還有一個彈跳輥，該輥隨卷取機(jī)的張力變化而發(fā)生上下波動，起到測量和穩(wěn)定張力的作用，彈跳輥的擺動會引起帶鋼在卷取前的伸長和縮短。式中：l為彈跳輥變化引起的帶鋼長度變化量；r為彈跳輥的臂長，取1.1m；Δk為彈跳輥擺臂變化率（rad）。對于測速輥折算后轉(zhuǎn)速的變化（Δn）情況：根據(jù)生產(chǎn)線鋼帶各處線速度相等，則卷取機(jī)的實際卷徑計算為：生產(chǎn)過程中，卷取機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，卷徑在原來的基礎(chǔ)上增加兩倍的平均帶鋼厚度[5]，通常情況下這種計算卷徑的方法是準(zhǔn)確的，但對于極薄帶鋼而言，在某些情況下會產(chǎn)生偏差，例如機(jī)組加速時，一旦測速輥兩端的帶鋼張力之差大于測速輥包角處的摩擦力，會發(fā)生打滑，這時算得的線速度就高于實際值，會造成卷徑計算的偏差，進(jìn)而直接影響卷取機(jī)的扭矩輸出。因此，必須對卷徑計算的偏差進(jìn)行限制，具體算法如下：（1）若當(dāng)前卷徑小于上一圈的卷徑，則輸出上一圈的卷徑值。（2）若當(dāng)前卷徑減去上一圈卷徑的差值大于當(dāng)前帶鋼厚度的兩倍，則用上一圈卷徑值加上帶鋼厚度的兩倍作為當(dāng)前的卷徑輸出值。式中：Di為當(dāng)前圈鋼卷卷徑（m）；Di-1為前一圈鋼卷卷徑（m）；H為帶鋼厚度。

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效果驗證隨機(jī)選取15個304不銹鋼卷進(jìn)行測試，并將開卷機(jī)壓輥測量的卷徑值與實際值進(jìn)行對比，精度可達(dá)99.7%，結(jié)果如表2所示。實際數(shù)據(jù)證明，通過運用多點擬合非線性卷徑測量曲線，能提高鋼卷初始卷徑的測量精度，減小偏差，很大程度上提升了初始轉(zhuǎn)矩給定值的準(zhǔn)確性，解決了起步過程中張力不穩(wěn)帶來的入口段彈跳輥上限位問題。開卷機(jī)運行過程中系統(tǒng)計算的卷徑值和實際卷徑值相符，沒有出現(xiàn)張力波動抽帶斷帶問題，運行平穩(wěn)。對于實際運行中鋼卷卷徑的計算進(jìn)行現(xiàn)場測試，結(jié)果如圖9所示。整個生產(chǎn)過程中卷徑未因輥面打滑而發(fā)生卷徑計算值突變，過程平穩(wěn)可