袁浪，華望，張其斌，唐嘉

(方大特鋼科技股份有限公司，江西 南昌 330012)

0 引言

棒線材連軋生產(chǎn)線同根坯料在連軋過程中，各機(jī)架之間的張力不僅對(duì)本軋制道次之間的料型尺寸產(chǎn)生影響，同時(shí)會(huì)影響相鄰軋機(jī)之間的張力。由于粗中軋無活套區(qū)域難以實(shí)現(xiàn)無張力軋制，粗中軋張力的存在和波動(dòng)最終引起成品尺寸通條差的穩(wěn)定性。

目前方大特鋼軋鋼廠各條生產(chǎn)線張力大小判斷方法主要是依靠觀察軋機(jī)電流趨勢(shì)圖，通過軋件在咬入下架軋機(jī)前后的電流變化來判斷機(jī)架之間的堆拉關(guān)系，此方法缺點(diǎn)是電流變化不明顯時(shí)則較難判斷。由于電流趨勢(shì)圖不能定量的反應(yīng)張力大小，并且交流異步變頻電機(jī)矢量控制電流包括激磁電流與轉(zhuǎn)矩電流，電流波動(dòng)反映的不一定是轉(zhuǎn)矩電流，因此僅通過電流趨勢(shì)圖判斷堆拉關(guān)系難以精確。在生產(chǎn)一些對(duì)產(chǎn)品尺寸精度要求高，尤其是大軋制道次規(guī)格的產(chǎn)品時(shí)，目前的張力判斷方法較難滿足需求。

1 張力模型設(shè)計(jì)

1.1 微張力控制原理

根據(jù)張力自動(dòng)調(diào)節(jié)理論:只要兩機(jī)架間的速度存在偏差，軋件上不同部位處的金屬有相對(duì)位移就會(huì)產(chǎn)生張應(yīng)力，其金屬軋件的張力會(huì)以指數(shù)曲線形式變化，且具有如下傳遞函數(shù)關(guān)系［1］:

式(1)中ΔF/A表示軋件單位上的張力增量;KT/(1+TTS)是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，其放大倍數(shù)是KT，時(shí)間常數(shù)是TT;ΔV為軋機(jī)速度增量。

由公式(1)可知，軋件上的張力變化是由軋件通過相鄰機(jī)架的金屬秒流量差引起的，微張力控制實(shí)質(zhì)上是通過對(duì)相臨兩工作機(jī)架間軋件的張力力矩進(jìn)行運(yùn)算，通過人工干預(yù)或者計(jì)算機(jī)自動(dòng)校正上游機(jī)架的速度，改變金屬軋件的秒流量，實(shí)現(xiàn)微張力控制。

目前，棒線生產(chǎn)線較為經(jīng)濟(jì)的方式多是采用軋制力矩記憶方法，即系統(tǒng)通過檢測機(jī)架的電樞轉(zhuǎn)矩間接得到該值。當(dāng)本機(jī)架的軋機(jī)咬鋼而軋件尚未進(jìn)入下架軋機(jī)時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算出的力矩值便是本軋機(jī)的自由軋制力矩。當(dāng)下架軋機(jī)咬鋼后，重新計(jì)算得到新的力矩，兩力矩之差是軋件上的張力力矩。系統(tǒng)根據(jù)該偏差值的正負(fù)和大小，手動(dòng)調(diào)整或者自動(dòng)給出相應(yīng)的速度修正來平衡軋機(jī)的速度，保證機(jī)架間的軋件張力被限制在一定范圍內(nèi)。

1.2 張力的計(jì)算方法

連軋中，電動(dòng)機(jī)總力矩與軋件張力矩、軋制力矩和摩擦力矩之間的關(guān)系如下［2-3］:

式中MD為電動(dòng)機(jī)力矩(N·m);Md為加減速力矩(N·m);Mr為折算到電機(jī)側(cè)的軋制力矩(N·m);Mf為折算到電機(jī)測的摩擦力矩(N·m);Mff為折算到電機(jī)側(cè)的前張力矩(N·m);MbT為折算到電機(jī)側(cè)的后張力矩(N·m)。

將(2)式改寫成:

式中:J為折算到電動(dòng)機(jī)側(cè)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2);ω為電機(jī)角速度(rad/s);MR為軋制力矩(N·m);TF為前張力(N);TB為后張力(N);i為減速比，r為軋輥半徑(m)。

當(dāng)軋件在前后機(jī)架中連軋時(shí)，作用于兩機(jī)架間的軋件張力可用下式表示:

就第一機(jī)架而言，作用于軋件上的后張力TB=0，由(4)式，作用于該兩機(jī)架之間軋件上的張力TF便可用下式表示:

2 數(shù)據(jù)處理與程序設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)檢測與處理

為了消除干擾而獲得真實(shí)的數(shù)據(jù)測量，PLC程序設(shè)計(jì)采用了信號(hào)濾波功能，包括輸入信號(hào)的采樣、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析處理、濾波、信號(hào)輸出等環(huán)節(jié)，控制框圖如圖1所示。

1)采樣、存儲(chǔ)環(huán)節(jié):PLC接受現(xiàn)場總線PROFIBUS_DP傳送的電機(jī)力矩，首先進(jìn)行可控周期、可控?cái)?shù)量的采樣，采樣值采取FIFO算法，高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送速率可保證在任何時(shí)段內(nèi)采集的數(shù)據(jù)都是最新的。

2)數(shù)據(jù)處理排序環(huán)節(jié):利用冒泡算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)排序，從最小到最大，采取中間值作為此次采樣力矩的大小輸出。

3)數(shù)據(jù)處理均值環(huán)節(jié):去除最大值與最小值，對(duì)剩余的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，最終結(jié)果作為軋制力矩的輸出。

圖1 數(shù)據(jù)處理控制圖

2.2 程序設(shè)計(jì)

西門子S7-400系列PLC具有較高的數(shù)值運(yùn)算能力，可以滿足軋制速度較慢的粗中軋的數(shù)值計(jì)算需要，數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)采用STL語言編輯［4-5］。按照前述的張力計(jì)算模型，在PLC程序中，使用STL語言將模型設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊化的FB功能塊，以滿足多次調(diào)用的需要。通過調(diào)整功能塊參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)可變頻率采樣。

速度修正值既可通過觀察張力變化趨勢(shì)手動(dòng)修正，也可通過PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算。PLC計(jì)算采用具有死區(qū)特性和極限特性的PID全量輸出控制算法。控制程序流程見圖2。

3 張力計(jì)算模型在工程中的驗(yàn)證

3.1 張力計(jì)算模型與通條差的對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)成品尺寸的波動(dòng)規(guī)律與張力變化規(guī)律應(yīng)一致的原理:在成品軋機(jī)壓下量不變的情況下，成品軋機(jī)與前道次軋機(jī)之間的張力越大寬展越小，張力越小寬展越大［6］。為排除精軋區(qū)軋制道次的影響，選取中軋出成品并且對(duì)張力控制要求高的圓鋼Φ55規(guī)格來驗(yàn)證。圖3為粗中軋區(qū)域機(jī)架頭部咬鋼的張力顯示圖。

從圖 3可以看出，除stand 4-5機(jī)架外，粗軋區(qū)域的堆拉關(guān)系調(diào)整得比較合適，處于微堆或者微拉狀態(tài)。而中軋部分軋件在尾部軋制時(shí)拉鋼明顯。

圖4所示為隨機(jī)抽取一根Φ55規(guī)格圓鋼，沿長度方向每隔0.5 m測量一次寬展方向尺寸，將每個(gè)寬展方向尺寸數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的長度位置除于成品軋機(jī)的速度得到相應(yīng)的時(shí)間坐標(biāo)值。圖4中，軋件中部張力相對(duì)穩(wěn)定時(shí)寬展方向的公差尺寸在55.18 mm～55.24 mm間波動(dòng)。軋件頭部的張力為負(fù)值，說明頭部處于偏堆狀態(tài)，頭部的寬展方向的尺寸相應(yīng)偏大達(dá)到55.5 mm至55.6 mm。軋件尾部張力值升高明顯說明尾部有拉鋼現(xiàn)象，尾部寬展方向尺寸在54.1 mm～54.86 mm，較軋件中部要小，成品尺寸變化規(guī)律與所用張力計(jì)算模型計(jì)算出的張力值變化相符。因此在實(shí)際運(yùn)用中完全可以通過頭部張力顯示與通條張力趨勢(shì)圖判斷成品通條的尺寸情況。

圖2 控制程序流程圖

3.2 通過計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)量化張力大小

實(shí)際運(yùn)用中，可通過張力計(jì)算模型得出各個(gè)軋機(jī)之間張力值大小。表1所示為軋制道次少、對(duì)張力控制要求高的大規(guī)格圓鋼的張力值，基本都在1 MPa值2 MPa范圍內(nèi)。

圖3 粗中軋1-12機(jī)架張力顯示圖

圖4 張力與寬展方向尺寸對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

4 結(jié)束語

由以上論述可知，通過張力計(jì)算模型能快速準(zhǔn)確的判斷各架次軋機(jī)之間的堆拉關(guān)系，較電流趨勢(shì)圖更為精確，并且可以定量的確定張力大小的特性。目前粗中軋各架次之間的張力能控制在1 MPa～2 MPa之間。通過張力控制能預(yù)報(bào)成品通條尺寸情況，得到更高質(zhì)量的產(chǎn)品，滿足生產(chǎn)需求。

［1］房世興，肖治維.高速線材軋機(jī)裝備技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1996.

［2］丁修堃.軋制過程自動(dòng)化［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2009.

［3］鄭申白.曾慶亮，李子林.軋制過程自動(dòng)化［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005.

［4］張春.西門子STEP 7編程語言與使用技巧［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［5］劉華波，張赟寧.基于SIMATIC S7的高級(jí)編程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［6］齊克敏，丁樺.材料成型工藝［M］.北京:冶金工藝出版社，2006.