高速线材轧机定位控制系统

发布时间：2009-07-23 来源:www.cechina.cn

        湘钢新建的高速线材轧机于1995年9月正式投产，轧机为单线式，它的机械设备大部分由美国摩根公司引进，轧机的计算机控制系统由瑞典ABB公司引进，具有90年代先进技术水平。整个轧机由28个机架、3个飞剪、1台夹送辊、1台吐丝机组成。吐丝机的吐丝管是由一种螺旋型结构和螺线管组成。吐丝机工作时，螺丝管作高速旋转，当轧件从精轧机出来进入吐丝机时，吐丝机的吐丝管作高速旋转，轧件经过吐丝机时变为具有一定半径的圆形的线材落到斯太尔摩辊道上。由于斯太尔摩辊道是由许多具有一定半径的圆形辊子并排安装而成，辊子之间具有一定间隙，当成品线材经过吐丝机时，头部很容易栽到斯太尔摩辊道的辊缝之间，造成第1段辊道卡线，使传动电机过流跳闸。为了避免这种情况的发生，必须对吐丝机进行定位控制，使轧件头部经过吐丝机时，按给定位置从吐丝管出来。
        1　吐丝机定位控制系统的硬件配置
        我公司高速线材轧机的计算机控制系统和传动控制系统，全部由ABB公司提供。整个主轧线由三套Master Piece 260/1过程控制计算机组成，称为RMC2、RMC3、RMC4，其中RMC2负责对轧线的主副传动、飞剪、吐丝机定位进行控制。吐丝机定位控制部分示意图如图1所示。

        1.1　传动控制单元
        吐丝机是由一台250kW，转速为1650r/min的直流电机传动，传动柜采用了ABB公司的全数字式晶闸管调速控制柜(型号TYRAKM IDIⅡ)。它的速度给定可由传动柜本地给定，也可以由上位机RMC2通过现场总线Master field Bus进行，根据吐丝机定位控制的要求，2%的突加给定，电机的上升时间小于300ms。
        1.2　脉冲变送器
        脉冲变送器安装在吐丝机传动电机的尾部与电机转子同步旋转。当变送器旋转时，由三个通道输出方波脉冲：脉冲变送器A、B两通道在电机旋转一周时输出1024个方波脉冲，在相位上互差90°；C通道在电机旋转一圈时只输出一个方波脉冲，称为周脉冲。它的输出除作为电动机的速度反馈外，还将接在计数板DSDP170的输入端，进行脉冲计数。根据每个脉冲对应的角度数，计算出吐丝机吐丝管的旋转角度和轧件头部在定位区域所处的位置。
        1.3　计数单元
        在RMC2计算机框架里，安装了一块DSDP170计数板，它有4个计数通道对输入的方波脉冲进行计数。为了进行吐丝机的定位控制，这里把脉冲变送器的输出信号连接到DSDP170计数板的C1通道和C2通道，通过对变送器的输出脉冲计数，计算机能计算出吐丝管旋转到什么角度，从而控制轧件头部出吐丝管的角度。
        1.4　热金属检测器
        热金属检测器主要用于检测高温轧件的位置。当高温轧件被热金属检测器探测到时，输出高电平信号，无轧件时，输出低电平信号。
        2　吐丝机头部定位的控制方式
        吐丝机头部定位控制主要是确保轧件通过吐丝机时，轧件头部能够在给定位置出吐丝管。我们采用了两种方式，一是通过改变精轧机前的飞剪剪切长度，二是通过改变吐丝机的转速，实现对吐丝机的头部定位，使轧件头部在给定位置的范围内从吐丝管出来。下面根据美国摩根公司对吐丝机头部定位的技术要求：轧件头部输出位置(角度)＝给定位置(角度)±60°，分析计算机控制的吐丝机定位控制系统。
        2.1　飞剪剪切长度校正的吐丝机头部定位控制
        在分析飞剪剪切长度校正的吐丝机头部定位控制之前，简单介绍一下吐丝管口的旋转轨迹与角度的计算方法。吐丝机作高速旋转时，吐丝机内吐丝机管口的旋转轨迹如图2所示。

        由图2吐丝管的旋转轨迹图看出，旋转的正方向为顺时针方向，它的实际旋转角度α为
        α=βPTOT－2kπ面(k=1,2,…,n)
        式中　β为每个脉冲对应的角度(这里是指360°／1024)；PTOT为计数板计数脉冲总数。
        计算机在进行计算时得出α角的变化范围为0°～360°。
        飞剪剪切长度校正的头部定位控制原理是通过增加精轧机前的飞剪起动时间使轧件头部延迟到达吐丝管口而达到控制吐丝机头部定位的目的。控制的具体方法：当轧件头部出吐丝管口时，计算机采样实际的输出位置角度值，通过与给定位置值相比较，计算出新的位置给定点。当下一根线材达到飞剪前的热金属检测器MD1时，计算机采样此时吐丝管口的角度值，然后根据这个角度值和新的位置设定点值及吐丝管口的旋转速度计算出飞剪校正的时间值，将这个值与设定长度飞剪剪切时间相加就得到了飞剪的起动时间。
        当我们选用飞剪校正控制吐丝机头部定位方式时，使用图3的计算机程序框图，框图里程序各元素均用ABB MASTERPIECE语言表示。
        当轧件到达夹送辊前热金属检测器MD2时，计算机执行图3(a)程序，它的主要任务是采样，将采样时吐丝管口的实际角度值与给定位置相比较，求得位置误差值OUTPOS-DEV。根据工艺对吐丝机定位误差±60°的要求，通过±40°的限幅器，即对位置误差值OUTPOS-DEV在±40°之内的，只作小的校正，对大于±40°的位置误差增大校正值，经±40°限幅器输出的位置误差值DEVA与累加器输出值DEVI相加，经－180°→＋180°重新计算单元计算得到反馈校正值FBCORR，它再与位置给定值POSREF相加，通过0°→360°重新计算单元计算，得到下一根钢的位置设定点值PS-SETP。当第2根钢到达飞剪前热金属检测器MD1时，计算机执行图3(b)程序。计算机采样吐丝管口的位置，得到此时吐丝管口的开始角度值STARTDEG-C2。将位置设定点值PS-SETP和STARTDEG-C2送入减法器，然后再送到0°→360°重新计算单元得到飞剪校正角度值STARTCORR。这个值再除以吐丝管旋转速度SPEED，得到飞剪校正时间CORR-TIME值，将这个值与设定长度飞剪剪切时间相加就得到飞剪的实际起动时间。

        由图3程序可见，位置设定值PS-SETP是随着输出位置误差值变化并改变飞剪的起动时间，使吐丝管的出口位置不断地逼近给定位置。图4示出在轧制速度105m/s下，轧制Φ6.5mm线材时，飞剪校正吐丝机定位控制头部输出位置，给定位置320°(即－40°)。从图4可以看出吐丝管的输出位置即轧件头部出吐丝管的实际位置，满足了工艺的要求。

        2.2　改变吐丝机速度的吐丝机头部定位控制
        实现吐丝机定位的另一种方法是轧件头部经过飞剪前热金属检测器MD1和夹送辊前热金属检测器MD2区间时，通过检测设定点位置与轧件实际头部位置误差，经积分器产生位置给定，在与轧件实际位置相比较产生速度给定值后送直流电机传动柜，调节吐丝机电机速度而使轧件头部按照给定的位置从吐丝机管口出来。 

        当选择改变吐丝机速度进行定位模式时，定位控制在热金属检测器MD1和MD2之间进行。当第1根轧件头部通过MD2后，与飞剪校正的吐丝机定位方式一样，首先执行图3(a)的程序，计算出下一根的位置设定点值PS-SETP。当第2根轧件头部到达MD1检测器时，计算机执行图5所示程序。首先计算机采样吐丝管的实际位置，根据MD1到吐丝管出口的距离计算出轧件将在什么位置从吐丝管口出来的位置值PREDOUTPOS，然后将位置设定点PS-SETP和PREDOUTPOS相比较后，得到初始的位置误差值STARTERR，再与DSDP170的C1通道轧件头部计数器的计数值相加得到初始的位置预置值PREST，将该值送入能够跟踪轧件头部的积分器，作为积分器的初始值，积分器输出端输出位置给定值POSREF，与DSDP170的C1通道的轧件头部位置值相比较得到位置误差值POSDIFF。这个值经计算机运算后，将位置值转换成速度校正值SPCORR送吐丝机传动柜调节吐丝机电机转速，从而达到控制轧件在预定的位置从吐丝管输出。图6示出在轧制速度105m/s下，轧制Φ6.5mm线材时，改变吐丝机速度进行定位的头部输出位置，位置给定值320°。