李 鑫

(寶鋼集團(tuán)八一鋼鐵股份有限公司，新疆830022)

高速線材軋機(jī)吐絲機(jī)的定位控制

李 鑫

(寶鋼集團(tuán)八一鋼鐵股份有限公司，新疆830022)

介紹了八鋼高速線材軋機(jī)吐絲機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)改變精軋機(jī)前飛剪剪切軋件頭部長(zhǎng)度和改變吐絲機(jī)速度，有效的實(shí)現(xiàn)了吐絲機(jī)頭部的定位。

高速線材軋機(jī)；吐絲機(jī)；定位控制

八鋼新建的高速線材軋機(jī)于2009年9月正式投產(chǎn)，軋機(jī)為單線式，它的機(jī)械設(shè)備大部分從美國(guó)摩根公司引進(jìn)，軋機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)從德國(guó)SIEMENS公司引進(jìn)。整個(gè)軋機(jī)由18個(gè)機(jī)架加1套精軋機(jī)、3個(gè)飛剪、1臺(tái)夾送輥和1臺(tái)吐絲機(jī)組成。吐絲機(jī)的吐絲管是由一種螺旋型結(jié)構(gòu)和螺線管組成。吐絲機(jī)工作時(shí)，螺絲管作高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)軋件從精軋機(jī)出來(lái)進(jìn)入吐絲機(jī)時(shí)，吐絲機(jī)的吐絲管作高速旋轉(zhuǎn)，軋件經(jīng)過(guò)吐絲機(jī)時(shí)變?yōu)榫哂幸欢ò霃降膱A形線材落到斯太爾摩輥道上。由于斯太爾摩輥道是由許多具有一定半徑的圓形輥?zhàn)硬⑴虐惭b而成，輥?zhàn)又g具有一定間隙，當(dāng)成品線材經(jīng)過(guò)吐絲機(jī)時(shí)，頭部很容易栽到斯太爾摩輥道的輥縫之間，造成第1段輥道卡線，使傳動(dòng)電機(jī)過(guò)流跳閘。為了避免這種情況的發(fā)生，必須對(duì)吐絲機(jī)進(jìn)行定位控制，使軋件頭部經(jīng)過(guò)吐絲機(jī)時(shí)，按給定位置從吐絲管出來(lái)。

1 吐絲機(jī)定位控制系統(tǒng)的硬件配置

我公司高速線材軋機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和傳動(dòng)控制系統(tǒng)全部由SIEMENS公司提供。整個(gè)主軋線由三套SIEMENS S7-400/300過(guò)程控制計(jì)算機(jī)組成，稱為PLC1、PLC2和PLC3，其中PLC1負(fù)責(zé)對(duì)軋線的主副傳動(dòng)、飛剪、吐絲機(jī)定位進(jìn)行控制。吐絲機(jī)定位控制部分示意圖如圖1所示。

RMC2—Master Piece 260/1過(guò)程控制計(jì)算機(jī)PT—脈沖變送器 M—傳動(dòng)電機(jī)MD1、MD2—熱金屬檢測(cè)器

1.1 傳動(dòng)控制單元

吐絲機(jī)是由一臺(tái)250 kW、轉(zhuǎn)速為1 500 r/min的直流電機(jī)傳動(dòng)，傳動(dòng)柜采用了SIEMENS公司的全數(shù)字式整流+逆變調(diào)速控制柜(型號(hào)6SE70)。它的速度給定可由傳動(dòng)柜本地給定，也可以由上位機(jī)WINCC6.2通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP進(jìn)行，根據(jù)吐絲機(jī)定位控制的要求，2%的突加給定，電機(jī)的上升時(shí)間小于300 ms。

1.2 脈沖變送器

脈沖變送器安裝在吐絲機(jī)傳動(dòng)電機(jī)的尾部，與電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)變送器旋轉(zhuǎn)時(shí)，由三個(gè)通道輸出方波脈沖：脈沖變送器A、B兩通道在電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)輸出1 024個(gè)方波脈沖，在相位上互差90°；C通道在電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)只輸出一個(gè)方波脈沖，稱為周脈沖。它的輸出除作為電動(dòng)機(jī)的速度反饋外，還將接在計(jì)數(shù)板6ES7 350-2的輸入端，進(jìn)行計(jì)算。

1.3 計(jì)數(shù)單元

在PLC1計(jì)算機(jī)框架里，安裝了一塊6ES7 350-2計(jì)數(shù)板，它有4個(gè)計(jì)數(shù)通道對(duì)輸入的方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了進(jìn)行吐絲機(jī)的定位控制，這里把脈沖變送器的輸出信號(hào)連接到6ES7 350-2計(jì)數(shù)板的C1通道和C2通道，通過(guò)對(duì)變送器的輸出脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)算機(jī)能計(jì)算出吐絲管旋轉(zhuǎn)到什么角度，從而控制軋件頭部出吐絲管的角度。

1.4 熱金屬檢測(cè)器

熱金屬檢測(cè)器主要用于檢測(cè)高溫軋件的位置。當(dāng)高溫軋件被熱金屬檢測(cè)器探測(cè)到時(shí)，輸出高電平信號(hào)；無(wú)軋件時(shí)，輸出低電平信號(hào)。

2 吐絲機(jī)頭部定位的控制方式

吐絲機(jī)頭部定位控制主要是確保軋件通過(guò)吐絲機(jī)時(shí)，軋件頭部能夠在給定位置出吐絲管。我們采用了兩種方式，一是通過(guò)改變精軋機(jī)前的飛剪剪切長(zhǎng)度；二是通過(guò)改變吐絲機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)吐絲機(jī)的頭部定位，使軋件頭部在給定位置的范圍內(nèi)從吐絲管出來(lái)。下面根據(jù)美國(guó)摩根公司對(duì)吐絲機(jī)頭部定位的技術(shù)要求：軋件頭部輸出位置(角度)=給定位置(角度)±60°，分析計(jì)算機(jī)控制的吐絲機(jī)定位控制系統(tǒng)。

2.1 由飛剪剪切長(zhǎng)度校正的吐絲機(jī)頭部定位控制

在分析飛剪剪切長(zhǎng)度校正的吐絲機(jī)頭部定位控制之前，簡(jiǎn)單介紹一下吐絲管口的旋轉(zhuǎn)軌跡與角度的計(jì)算方法。吐絲機(jī)作高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，吐絲機(jī)內(nèi)吐絲機(jī)管口的旋轉(zhuǎn)軌跡如圖2所示。

由圖2可看出，旋轉(zhuǎn)的正方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，它的?shí)際旋轉(zhuǎn)角度α的變化范圍為0°～360°。

圖2 吐絲機(jī)吐絲管口的旋轉(zhuǎn)軌跡Figure 2 Rotating trace of spinning nozzle of spinning machine

飛剪剪切長(zhǎng)度校正的頭部定位控制原理是通過(guò)增加精軋機(jī)前的飛剪起動(dòng)時(shí)間使軋件頭部延遲到達(dá)吐絲管口而達(dá)到控制吐絲機(jī)頭部定位的目的。控制的具體方法是：當(dāng)軋件頭部出吐絲管口時(shí)，計(jì)算機(jī)采樣實(shí)際的輸出位置角度值，通過(guò)與給定位置值相比較，計(jì)算出新的位置給定點(diǎn)。當(dāng)下一根線材達(dá)到飛剪前的熱金屬檢測(cè)器MD1時(shí)，計(jì)算機(jī)采樣此時(shí)吐絲管口的角度值，然后根據(jù)這個(gè)角度值和新的位置設(shè)定點(diǎn)值及吐絲管口的旋轉(zhuǎn)速度計(jì)算出飛剪校正的時(shí)間值，將這個(gè)值重新加入到速度給定上。

當(dāng)我們選用飛剪校正控制吐絲機(jī)頭部定位方式時(shí)，使用圖3的計(jì)算機(jī)程序框圖，框圖里程序各元素均用SIEMENS step7語(yǔ)言表示。

圖3 飛剪校正控制吐絲機(jī)頭部定位程序框圖Figure 3 Flow chart for spinning machine head positioning controlled by cropping shears

當(dāng)軋件到達(dá)夾送輥前熱金屬檢測(cè)器MD2時(shí)，計(jì)算機(jī)執(zhí)行圖3(a)程序，它的主要任務(wù)是采樣，將采樣時(shí)吐絲管口的實(shí)際角度值與給定位置相比較，求得位置誤差值OUTPOS-DEV。根據(jù)工藝對(duì)吐絲機(jī)定位誤差±60°的要求，通過(guò)±40°的限幅器，即對(duì)位置誤差值OUTPOS-DEV在±40°之內(nèi)的，只作小的校正，對(duì)大于±40°的位置誤差增大校正值。經(jīng)±40°限幅器輸出的位置誤差值DEVA與累加器輸出值DEVI相加，經(jīng)-180°→+180°重新計(jì)算單元計(jì)算得到反饋校正值FBCORR，它再與位置給定值POSREF相加，通過(guò)0°→360°重新計(jì)算單元計(jì)算，得到下一根鋼的位置設(shè)定點(diǎn)值PS-SETP。當(dāng)?shù)?根鋼到達(dá)飛剪前熱金屬檢測(cè)器MD1時(shí)，計(jì)算機(jī)執(zhí)行圖3(b)程序。計(jì)算機(jī)采樣吐絲管口的位置，得到此時(shí)吐絲管口的開(kāi)始角度STARTDEG-C2。將位置設(shè)定點(diǎn)值PS-SETP和STARTDEG-C2送入減法器，然后再送到0°→360°重新計(jì)算單元得到飛剪校正角度值STARTCORR。這個(gè)值再除以吐絲管旋轉(zhuǎn)速度SPEED，得到飛剪校正時(shí)間CORR-TIME值，將這個(gè)值與設(shè)定長(zhǎng)度飛剪剪切時(shí)間相加就得到飛剪的實(shí)際起動(dòng)時(shí)間。由圖3可見(jiàn)，位置設(shè)定值PS-SETP是隨著輸出位置誤差值變化并改變飛剪的起動(dòng)時(shí)間，使吐絲管的出口位置不斷地逼近給定位置。圖4示出在軋制速度105 m/s下，軋制?6.5 mm線材時(shí)，飛剪校正吐絲機(jī)定位控制頭部輸出位置，給定位置320°(即-40°)。從圖4可以看出，吐絲管的輸出位置即軋件頭部出吐絲管的實(shí)際位置滿足了工藝的要求。

圖4 飛剪校正吐絲機(jī)頭部輸出位置圖Figure 4 The diagram of spinning machine head output position revised by cropping shears

2.2 由改變吐絲機(jī)速度實(shí)現(xiàn)吐絲機(jī)頭部定位控制

實(shí)現(xiàn)吐絲機(jī)定位的另一種方法是軋件頭部經(jīng)過(guò)飛剪前熱金屬檢測(cè)器MD1和夾送輥前熱金屬檢測(cè)器MD2區(qū)間時(shí)，通過(guò)檢測(cè)設(shè)定點(diǎn)位置與軋件實(shí)際頭部位置誤差，經(jīng)積分器產(chǎn)生位置給定，在與軋件實(shí)際位置相比較產(chǎn)生速度給定值后送直流電機(jī)傳動(dòng)柜，調(diào)節(jié)吐絲機(jī)電機(jī)速度而使軋件頭部按照給定的位置從吐絲機(jī)管口出來(lái)。當(dāng)選擇改變吐絲機(jī)速度進(jìn)行定位模式時(shí)，定位控制在熱金屬檢測(cè)器MD1和MD2之間進(jìn)行。當(dāng)?shù)?根軋件頭部通過(guò)MD2后，與飛剪校正的吐絲機(jī)定位方式一樣，首先執(zhí)行圖3(a)的程序，計(jì)算出下一根的位置設(shè)定點(diǎn)值PS-SETP。當(dāng)?shù)?根軋件頭部到達(dá)MD1檢測(cè)器時(shí)，首先計(jì)算機(jī)采樣吐絲管的實(shí)際位置，根據(jù)MD1到吐絲管出口的距離計(jì)算出軋件將在什么位置從吐絲管口出來(lái)的位置值PREDOUTPOS，然后將位置設(shè)定點(diǎn)PS-SETP和PREDOUTPOS相比較后，得到初始的位置誤差值STARTERR，再與DSDP170的C1通道軋件頭部計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值相加得到初始的位置預(yù)置值PREST，將該值送入能夠跟蹤軋件頭部的積分器，作為積分器的初始值，積分器輸出端輸出位置給定值POSREF，與DSDP170的C1通道的軋件頭部位置值相比較得到位置誤差值POSDIFF。這個(gè)值經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算后，將位置的PCORR送吐絲機(jī)傳動(dòng)柜調(diào)節(jié)吐絲機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制軋件在預(yù)定的位置從吐絲管輸出。圖5示出在軋制速度105 m/s下，軋制?6.5 mm線材時(shí)，改變吐絲機(jī)速度進(jìn)行定位的頭部輸出位置，位置給定值320°。

圖5 吐絲機(jī)速度校正頭部輸出位置圖Figure 5 The diagram of head output position revised by spinning machine speed

3 結(jié)束語(yǔ)

我們先后對(duì)上述兩種吐絲機(jī)定位控制系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，操作者可自行選擇定位控制系統(tǒng)。投入使用后，運(yùn)行情況良好，定位控制精度滿足工藝要求，避免了軋件頭部插入第1段斯太爾摩輥道的問(wèn)題，大大地提高了生產(chǎn)效率。

Positioning Control for Spinning Machine of High Speed Wire Rod Mill

LiXin

This paper introduces the computer control system for spinning machine of high speed wire rod mill in Ba yi Steel. The length of rolled piece end sheared by the cropping shears in front of finishing mill and the speed of spinning machine are changed to realize the positioning of spinning machine head effectively.

high speed wire rod mill; spinning machine; positioning control

TH165+.2

B

2010—05—12

李鑫(1982—)，助理工程師，從事電氣設(shè)備管理工作。

編輯 杜青泉