冷连轧机辊缝自动标定原理及应用

摘要：冷连轧机辊缝自动标定是液压辊缝控制中精度要求最高的环节之一，2007年鞍钢股份有限公司新建1 450 mm冷轧机采用德国Siemens公司TDC控制系统，实现了辊缝自动标定功能。作者从应用角度分析了轧机辊缝自动标定的分类与过程，阐述了轧机辊缝自动标定时，如何实现相对轧制力、辊缝位置、辊缝倾斜的零点标准，同时，对现场标定过程出现的典型故障进行分析并提出解决方法。实践证明通过辊缝自动标定，可以提高轧机HGC精度，保证成品带钢的厚度要求。

　　关键词：冷连轧;TDC自动控制;辊缝标定;轧制力控制

　　在轧机正常轧制带钢前，更换工作辊或支撑辊后使整个轧机的轧制线发生了改变，所以必须对轧机液压辊缝控制系统进行机架液压辊缝零点标定，通过标定可以获得轧制力、辊缝位置、辊缝倾斜的零点标准，只有获得以上3种变量的零点标准，轧机才能实现正常轧制时HGC系统的自动控制功能。可以说机架液压辊缝标定是轧机进行液压HGC不可或缺的前提，是实现冷连轧生产高精度成品的必要条件。本文立足于2007年鞍钢股份有限公司新建1 450 mm冷连轧机调试实践经验，针对其它生产线冷轧机辊缝自动标定过程进行完善与精简，从辊缝自动标定的技术原理出发，介绍1 450 mm冷连轧机标定过程，为生产顺行提供依据和保证。
 

　　1 辊缝标定理论基础

　　轧机机架液压辊缝标定是建立在轧机弹跳方程的基础上。

　　弹跳方程：h=S0+(P-P )/K (1)

　　式中，h为轧件出口厚度;S0为空载辊缝;P为轧制力;P0为影响辊缝的轧制力极限值;K为轧机刚度。

　　如图1所示，轧件塑性线斜率为，轧机弹性线斜率为K。当某种因素影响轧件塑性线由B变化到时，为保证轧机出口带钢厚度h不变，需调整轧机辊缝△S，使轧机弹性线由A变化到A’。厚度控制的基本原理是：无论轧制过程如何变化，总使轧机弹性线A与塑性线B相交于等厚轧制线C0轧制力在作用的过程中有一个从小到大的过程，对辊缝的影响会从大到小变化，在轧制力相对较小时，辊缝变化呈非线性，当轧制力达到P0时，辊缝变化开始呈线性趋势。而这种影响是通过轧制力作用在轧辊两端产生的，辊缝的非线性段计算方法如下：

　　SP=CP×(P—P0) (2)

　　式中，s 为轧制力对辊缝的影响值;C 为轧制力对辊缝影响的补偿系数，当P>P。时，进入线性段后则C 为0[3]。

　　通常在轧制前启动辊缝标定功能，将轧辊按初始压力P。压靠到一定程度，并将此时的辊缝.s。确定为轧机调整的零辊缝。通过辊缝标定将图1中曲线的非线性部分进行处理，把s 前面非线性段去除，实现在正常轧制时轧制力和辊缝之间的线性化。

　　2 辊缝标定测量系统与轧制线标定

　　2.1 辊缝标定测量系统

　　鞍钢1 450 mm冷连轧机辊缝标定测量系统主要包括：液压缸位置检测和轧制力检测系统。其中，液压缸位置检测元件主要采用日本Sony公司位置传感器，该位置传感器精度达到0.001 mm，可以精确检测辊缝标定时液压缸杆的具体位置。轧制力测量系统采用德国HYDAC公司的压力传感器，它利用液压缸油腔将液压油压力传递给压力传感器，测量到的压强与相应活塞面积相乘，得到实际轧制力，这种压力传感器工作稳定，其精度完全满足现场要求，被广泛应用在辊缝标定轧制力测量系统中[3]。

　　2.2 轧制线标定

　　轧制线标定是辊缝标定的前提。轧机正常生产时，应保持一个稳定不变的轧制线，使带钢始终处于同一水平高度进行轧制，但是更换机架轧辊以后则会影响轧制线的位置，因此需要重新调整轧制线到原定位置[5]。鞍钢1 450 mm冷连轧机轧制线标定时，按照轧机各个部件数据计算轧制线的调整高度，其计算和调整过程通过Siemens公司的PCS7系统中S7实现，轧制线标定原理如图2所示。

　　为了准确控制轧制线调整精度，轧制线调整装置采用梯形台和精调斜楔组合来调整轧制线高度。其中梯形台共有6级台阶，通常首阶高度为40 mm，其余台阶高度为30 mm;精调斜楔的移行距离与高度调整量之比为20：1。

　　轧制线高度

　　Hpassline=H一(DBR/2+DIR+DWR)+△H (3)

　　式中，H为支撑辊轴承中心线到轧制线距离;DBR为支撑辊直径;DIR为中间辊直径;DWR为工作辊直径;△H为辊径偏差。

　　梯形台水平调节量(粗调)

　　Swedge =(Hpassline-H1)H0× 130 (4)

　　式中，H1为首阶高度;H2为其余台阶高度;130 mm为台阶长度。

　　斜楔水平调节量(精调)

　　Swedge =(Hpassline-Hplate )/tanθ’ (5)

　　式中，Hplate为梯形台调整高度;tanθ’= 1/20为斜楔斜率。

　　轧制线调整的计算精度是辊缝标定能否成功的关键，通过轧制线的计算可以为轧机辊缝标定提供标尺和参照，从而保证轧机辊缝相对零点在同一水平线上。

　3 辊缝标定分析

　　3.1 辊缝标定分类

　　辊缝标定可分为无带标定和有带标定，无(有)带标定是在机架内没有(有)带钢的情况下进行的标定。这两种标定过程存在很大差别，无带标定是对“零点”的校正，即辊缝标定必须达到设定的基准位置;而有带标定继承了无带标定的轧制力和辊缝基准值，标定的最终目标是达到原来的辊缝位置[3]。通常在液压缸实际位置和位置计数器数值之间出现偏差时，必须进行无带标定;另外，如果更换支撑辊或位置计数器数据突然丢失(控制器复位、电源掉电或位置计数器失效导致)，也应该进行无带标定。在轧机有带钢存在并且更换工作辊或中间辊重新调整水平轧制线后，应该进行有带标定。由于有带标定相对比较简单且原理与无带标定相同，因此本文仅介绍无带标定。

　　3.2 无带标定过程

　　鞍钢1 450 mm冷连轧机无带标定执行顺序见图3，其中控制方式包括位置控制方式、轧制力控制方式、单轧制力控制方式和倾斜控制方式。启动标定功能之前，需要满足如下基本条件：轧机没有快停信号和维护方式信号、位置计数器无报错、HGC系统状态OK、乳液系统和传动系统状态OK。在无带标定过程中，需要对HGC、弯辊控制、窜辊控制、乳液喷射控制、传动控制等多方面因素进行检查校准，完成相对轧制力、辊缝位置、辊缝倾斜的零点标定，最终找到正常轧制时HGC的零点标准。自动标定过程是通过Siemens公司的TDC系统实现顺序控制，当标定条件满足时，可以在操作面板或HMI中启动自动标定过程，然后通过SFC软件实现基本顺序控制功能，步骤之间转换条件收集和中断报警功能由CFC软件实现。系统对每一步执行过程都设有超时监控功能，一旦超时顺控过程会立即终止且系统恢复到自动标定之前的状态。前一步完成后，下一步包括它的连锁条件就立即执行，只有步骤之间的转换条件全部满足后，才能完成自动标定的全部过程。当完成全部标定过程后，说明轧机状态正常，可以开始轧制，并将辊缝位置合到15 mm，为穿带生产准备条件。

 3.2.1 轧制力标定过程

　　标定过程轧制力变化曲线如图4所示。初始化自动标定参数过程中，将上次标定形成的相对轧制力修改为绝对轧制力，那就意味着已经考虑了辊重、轴承重和弯辊力等对轧制力的影响因素，完全依靠压力传感器检测轧制力数据。在轧制力和倾斜控制方式下，合辊缝到轧制力最小(1 MN)，保证此时上下工作辊恰好接触但却没有相互作用，同时检查此时辊缝位置与接触位置偏差是否在容限范围内(2 mm)，其中接触位置通过轧辊数据计算得出：

　　Hcontact= (DBR/2+DIR+DwR)一H’ (6)

　　式中，Hcontact为接触位置;H’为轧制线到下支撑辊中心线距离。

　　这时主要为了检查轧辊数据是否正确，并继续以单轧制力控制方式使轧辊两侧达到接触轧制力(1 MN)，保证轧辊两侧在上下辊系之间产生相互作用并造成一定程度的辊系变形。然后在位置和倾斜控制方式下将辊缝在当前位置的基础上打开5 mm，如图3中第7步所示，根据液压和辊系变形原理以及相关实验数据，一般认为在接触轧制力辊系变形的基础上辊缝打开5 mm，会使上下辊系之间恰好接触却没有相互作用，此时再将检测实际轧制力的固定载荷质量影响因素去掉，即对压力传感器系统做一次轧制力清零操作，就可以得到相对轧制力零点标准。

　　3.2.2 辊缝位置标定过程

　　标定过程中辊缝位置变化曲线如图5所示。首先，将液压缸全部缩回，完全打开辊缝，同步位置计数器完成从相对位置到绝对位置的转换过程，将液压缸绝对位置置为150 mm。如图6所示，液压缸的绝对位置s 是以液压缸上限位置为零点，液压缸释放到底位置为下限位置(150 mm)。根据工艺要求，零辊缝的选择采用两侧轧制力均达到5 MN时的辊缝位置，所以作为轧机液压缸的相对位置S =0是在标定轧制力F =10 MN时产生的。因为机架处于静止状态时合辊缝到较大的标定轧制力F =10 MN会损伤辊系，且机架处于动态过程会更接近轧机正常生产状态，所以实现标定轧制力F =10 MN应该在辊系正常喷射乳液润滑、轧机处于动态过程中完成。同时，考虑到在正常轧制带钢过程中会产生轧机弹性变形和轧件塑形变形，也只有在标定轧制力F =10 MN时产生的辊缝位置零点才会有效补偿以上两种变形带来的误差影响。

　　3.2.3 倾斜标定过程

　　在释放方式下将液压缸释放到底并同步位置计数器，由于传动侧和操作侧液压缸实际位置存在偏差，造成此时的倾斜值(传动侧与操作侧位置差)不为零，在同步位置计数器后会造成倾斜值清零，所以在同步之前必须记录此时实际倾斜值。如图3所示，当执行第4步时，选择位置和倾斜控制方式并将辊缝合到释放位置150 mm之上5 mm时，给调整倾斜值提供条件，同时对记录的实际倾斜值进行补偿，保证实际合辊缝时轧辊两侧完全处于水平状态。选择单轧制力控制方式且机架两侧同时合辊缝到接触轧制力时，将实际产生的倾斜值作为此时倾斜的设定值，同时打开辊缝5 mm，开始标定轧制力零点。最后，在进行到喷射乳液轧机动态过程时，选择单轧制力控制方式，合辊缝使两侧轧制力达到标定轧制力F =10 MN(单侧为5 MN)，将实际绝对倾斜值作为倾斜设定并存储数据，当两侧位置计数器同时清零后，导致倾斜数值清零，此时将绝对倾斜值转化为相对倾斜值，完成倾斜零点标定。

　　3.3 无带标定典型故障分析

　　经过这几年冷连轧机的生产和实践，我们对轧机辊缝标定有了更深入的了解，也获得了许多宝贵的经验，以下对无带标定的典型故障进行分析。在鞍钢1 450 mm冷连轧机的标定过程中，经常出现接触位置偏差超限和轧制力过负荷问题，导致标定失败。故障主要发生在标定顺序进行到轧制力控制，即在标定进行到第5步轧机未转传动前，如果这时辊缝位置与接触位置的偏差超过容限范围(2 mm)，轧机标定会自动过载停止;另一种是轧制力过负荷故障，它出现在轧机转传动过程中标定顺序进行到单轧制力控制方式，即标定进行到第14步时，这时一旦出现轧辊倾斜过大(大于2.5 ram)，将导致标定失败甚至会导致断辊事故。

　　经分析辊系数据与实际不符是经常导致轧机出现上述两种问题的原因之一。如果实际辊径小于输入辊径，按照轧制线标定结果会造成上下辊无法接触，标定无法达到预期的最小轧制力2 MN;反之，如果实际辊径大于输入辊径，将出现轧制力在静态情况下超过2 MN，导致标定异常中断。因此为避免过负荷现象发生，一方面需提高轧辊辊径测量精度，保证辊径数据准确性，避免由于辊径数据错误造成标定故障;另一方面需要在标定到第5步或第l4步时，充分关注此时轧制力与辊缝位置状态，一旦出现较大偏差立即人为中断标定过程，并重新校验轧辊辊径数据。

　　4 结束语

　　鞍钢1 450 mm冷连轧机自2007年投入生产以来，辊缝自动标定功能的应用大幅度提高了轧机控制精度，已经生产出厚度与板形都符合用户要求的高品质家电板。轧机液压辊缝标定是HGC的前提和保证，标定过程的每一步都有非常严格的转换条件，只有清楚轧机标定过程和细节才能准确判断标定中出现的问题。结论如下：

　　(1)建立在轧机弹跳方程基础上的液压辊缝无带标定是冷连轧机能否正常工作的前提，只有机架通过无带标定所有步骤，才能真正找到相对轧制力、辊缝位置和辊缝倾斜的零点标准。从而保证轧机的厚度控制精确执行。

　　(2)在无带标定时，除了以上分析的几项功能以外，还需对液压弯辊(包括工作辊和中间辊)、窜辊、轧机主传动系统、乳液系统进行检验，保证轧制时轧机控制功能正常执行。

　　(3)轧机无带标定和有带标定都是建立在轧制线位置正确的基础上，只有计算出不同轧辊数据所对应的轧制线位置，才能计算出上下工作辊的正确接触位置[3]。