光亮退火线生产过程钢卷卷径精准控制技术的研究与实现

引言

在光亮退火线生产过程中,开卷机张力控制是必不可少的。在张力控制系统中,无论张力力矩的给定还是动态补偿力矩的计算都需要钢卷的初始卷径,该卷径是张力控制中极为重要的参数。初始卷径的精准测量,可保证开卷机起步过程中弹跳银的稳定。随着生产过程的进行,在钢卷即将到带尾时,精准的卷径测量还可以对生产作业人员换卷工作起到提醒作用。传统卷径测量装置多使用超声波传感器或激光测距仪,这些装置安装于与钢卷平行的位置,靠传感器实时检测数据实现起步和生产过程中的控制。由于生产过程中机组自身的振动、钢卷层间所垫纸掉落遮挡传感器等诸多因素,传统卷径测量装置容易出现传感器测量误差,从而影响张力控制系统的稳定。通过采用开卷机上方旋转压臂检测初始卷径、运行过程中线速度与开卷机角速度的方法计算过程卷径,可有效避免上述问题,从而提升产品质量和设备稳定性。

1硬件实现

硬件采用SIEMENSCPU319-3DP,结构如图1所示。浮点数运算时间为0.04us,数字量通道输入/输出范围为0~65535个数,模拟量通道输入/输出范围为0~4096个数,通信模式为Profibus现场总线,编码器为TR绝对值编码器。

硬件组态如图2所示,压臂轴端安装有绝对值编码器,编码器通过Profibus总线与PLC的DP口相连进行数据传输。

2开卷机卷径测量

通过开卷机上的压臂旋转压下测量钢卷直径。如图3所示,在压臂的旋转结构上安装有编码器,该编码器旋转过程中根据旋转角度的不同而给PLC控制系统传输相应的数值,如图4所示。编码器有初始角度,初始角度对应着钢卷的最大卷径(2000mm),此时角度为09。由于精密带钢的套筒外径尺寸为700mm,当压臂完全压下时,如图5所示,套筒直径尺寸为最小值(700mm),此时编码器的旋转角度为62.39。卷径旋转测量的结果是非线性的,不能按照一次函数去拟合,中间的卷径通过差值的方法去计算势必会带来误差,而卷径的测量误差会导致初始力矩给定错误,进而导致张力波动,造成弹跳银波动幅度过大,严重时会造成生产线开卷区域停车。

通过选取多个不同卷径规格的钢卷进行测量[2],将卷径700~2000mm区域划分成20等份,采用局部区域近似线性化的方法,整体区域拟合非线性曲线。例如,将700mm的钢卷放到开卷机上测量,此时的编码器旋转角度为62139,再将720mm的钢卷放到开卷机上测量,编码器旋转角度为60159,据此类推,对选取的测试钢卷逐个进行测量,得到实际卷径与角度的对应关系,如表1所示。

用描点法拟合出近似的非线性曲线,如图6所示。加粗黑色区域为卷径测量的微小区域,该区域近似为线性关系,则微小区域内角度与卷径的对应关系为:

式中:D为钢卷卷径(mm):小为编码器旋转角度(9):小2为与d2对应的编码器角度(9):小=为与d=对应的编码器角度(9):d2为任取的两个卷径测量点的较大值(mm):d=为任取的两个卷径测量点的较小值(mm)。

将每一个等分角度赋值给程序中的固有变量,如图7所示。

3开卷机动态卷径计算

该机组为恒张力控制系统,全线各银线速度相同,在生产线基速银上安装有编码器测量转速,通过该银转速与银径的换算,可得出带材线速度,开卷机由于卷径一直在发生变化,但线速度与基速银保持一致,因此,采用速度比的方式可以计算出开卷机的卷径:

式中:2为带材线速度(m/min):nC为测速银的转速(r/min):DC为基速银的直径,本文取0.28m:DP为开卷机实时卷径(m):np为开卷机的转速(r/min):ip为开卷机的减速比。

通过以上分析判断及实际测试,采用如图8所示的编程思路[4]:采集需要的转速变量二编辑程序二程序调用该功能块二运行。运行过程中卷径测量通过程序内部计算,将开卷机卷径的误差控制在3mm范围以内,提高了连续线退火机组开卷卷径的精度,消除了因卷径误差问题而造成的产品缺陷。

4卷取机卷径计算及容错纠正

机组采用卷取机的速度控制方式来保证全线张力恒定且可调。基速银的直径乘以转速得到带钢的线速度,用该值除以卷取机的转速,得到带钢的卷径:

式中:DT为卷取机卷径(m):nT为卷取机的转速(r/min):iT为卷取机减速比。

实际运行中,由于测速银和卷取机之间还有一个弹跳银,该银随卷取机的张力变化而发生上下波动,起到测量和稳定张力的作用,弹跳银的摆动会引起带钢在卷取前的伸长和缩短。

式中:l为弹跳银变化引起的带钢长度变化量:r为弹跳银的臂长,取1.1m:Ak为弹跳银摆臂变化率(rad)。

对于测速银折算后转速的变化(An)情况:

根据生产线钢带各处线速度相等,则卷取机的实际卷径计算为:

生产过程中,卷取机每转一圈,卷径在原来的基础上增加两倍的平均带钢厚度[5],通常情况下这种计算卷径的方法是准确的,但对于极薄带钢而言,在某些情况下会产生偏差,例如机组加速时,一旦测速银两端的带钢张力之差大于测速银包角处的摩擦力,会发生打滑,这时算得的线速度就高于实际值,会造成卷径计算的偏差,进而直接影响卷取机的扭矩输出。因此,必须对卷径计算的偏差进行限制,具体算法如下:

(1)若当前卷径小于上一圈的卷径,则输出上一圈的卷径值。

(2)若当前卷径减去上一圈卷径的差值大于当前带钢厚度的两倍,则用上一圈卷径值加上带钢厚度的两倍作为当前的卷径输出值。

式中:Di为当前圈钢卷卷径(m):Di[l为前一圈钢卷卷径(m):H为带钢厚度。

5效果验证

随机选取l5个304不锈钢卷进行测试,并将开卷机压银测量的卷径值与实际值进行对比,精度可达99.7%,结果如表2所示。实际数据证明,通过运用多点拟合非线性卷径测量曲线,能提高钢卷初始卷径的测量精度,减小偏差,很大程度上提升了初始转矩给定值的准确性,解决了起步过程中张力不稳带来的入口段弹跳银上限位问题。开卷机运行过程中系统计算的卷径值和实际卷径值相符,没有出现张力波动抽带断带问题,运行平稳。

对于实际运行中钢卷卷径的计算进行现场测试,结果如图9所示。整个生产过程中卷径未因银面打滑而发生卷径计算值突变,过程平稳可靠。

6结论

该项技术解决了开卷机初始状态下卷径测量精度低和生产过程中因张力银打滑造成的卷径计算错误等问题,保证了光亮线运行过程中头部的张力稳定,同时提升了卷取机钢卷卷径的计算精度,从而保证了卷取部分钢卷的卷紧和卷齐。该技术同时也可应用于铜和铝等有色金属生产中,具有一定的独立创新之处。