引言

在光亮退火線生產過程中,開卷機張力控制是必不可少的。在張力控制系統(tǒng)中,無論張力力矩的給定還是動態(tài)補償力矩的計算都需要鋼卷的初始卷徑,該卷徑是張力控制中極為重要的參數(shù)。初始卷徑的精準測量,可保證開卷機起步過程中彈跳銀的穩(wěn)定。隨著生產過程的進行,在鋼卷即將到帶尾時,精準的卷徑測量還可以對生產作業(yè)人員換卷工作起到提醒作用。傳統(tǒng)卷徑測量裝置多使用超聲波傳感器或激光測距儀,這些裝置安裝于與鋼卷平行的位置,靠傳感器實時檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)起步和生產過程中的控制。由于生產過程中機組自身的振動、鋼卷層間所墊紙掉落遮擋傳感器等諸多因素,傳統(tǒng)卷徑測量裝置容易出現(xiàn)傳感器測量誤差,從而影響張力控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。通過采用開卷機上方旋轉壓臂檢測初始卷徑、運行過程中線速度與開卷機角速度的方法計算過程卷徑,可有效避免上述問題,從而提升產品質量和設備穩(wěn)定性。

1硬件實現(xiàn)

硬件采用SIEMENSCPU319-3DP,結構如圖1所示。浮點數(shù)運算時間為0.04us,數(shù)字量通道輸入/輸出范圍為0~65535個數(shù),模擬量通道輸入/輸出范圍為0~4096個數(shù),通信模式為Profibus現(xiàn)場總線,編碼器為TR絕對值編碼器。

硬件組態(tài)如圖2所示,壓臂軸端安裝有絕對值編碼器,編碼器通過Profibus總線與PLC的DP口相連進行數(shù)據(jù)傳輸。

2開卷機卷徑測量

通過開卷機上的壓臂旋轉壓下測量鋼卷直徑。如圖3所示,在壓臂的旋轉結構上安裝有編碼器,該編碼器旋轉過程中根據(jù)旋轉角度的不同而給PLC控制系統(tǒng)傳輸相應的數(shù)值,如圖4所示。編碼器有初始角度,初始角度對應著鋼卷的最大卷徑(2000mm),此時角度為09。由于精密帶鋼的套筒外徑尺寸為700mm,當壓臂完全壓下時,如圖5所示,套筒直徑尺寸為最小值(700mm),此時編碼器的旋轉角度為62.39。卷徑旋轉測量的結果是非線性的,不能按照一次函數(shù)去擬合,中間的卷徑通過差值的方法去計算勢必會帶來誤差,而卷徑的測量誤差會導致初始力矩給定錯誤,進而導致張力波動,造成彈跳銀波動幅度過大,嚴重時會造成生產線開卷區(qū)域停車。

通過選取多個不同卷徑規(guī)格的鋼卷進行測量[2],將卷徑700~2000mm區(qū)域劃分成20等份,采用局部區(qū)域近似線性化的方法,整體區(qū)域擬合非線性曲線。例如,將700mm的鋼卷放到開卷機上測量,此時的編碼器旋轉角度為62139,再將720mm的鋼卷放到開卷機上測量,編碼器旋轉角度為60159,據(jù)此類推,對選取的測試鋼卷逐個進行測量,得到實際卷徑與角度的對應關系,如表1所示。

用描點法擬合出近似的非線性曲線,如圖6所示。加粗黑色區(qū)域為卷徑測量的微小區(qū)域,該區(qū)域近似為線性關系,則微小區(qū)域內角度與卷徑的對應關系為:

式中:D為鋼卷卷徑(mm):小為編碼器旋轉角度(9):小2為與d2對應的編碼器角度(9):小=為與d=對應的編碼器角度(9):d2為任取的兩個卷徑測量點的較大值(mm):d=為任取的兩個卷徑測量點的較小值(mm)。

將每一個等分角度賦值給程序中的固有變量,如圖7所示。

3開卷機動態(tài)卷徑計算

該機組為恒張力控制系統(tǒng),全線各銀線速度相同,在生產線基速銀上安裝有編碼器測量轉速,通過該銀轉速與銀徑的換算,可得出帶材線速度,開卷機由于卷徑一直在發(fā)生變化,但線速度與基速銀保持一致,因此,采用速度比的方式可以計算出開卷機的卷徑:

式中:2為帶材線速度(m/min):nC為測速銀的轉速(r/min):DC為基速銀的直徑,本文取0.28m:DP為開卷機實時卷徑(m):np為開卷機的轉速(r/min):ip為開卷機的減速比。

通過以上分析判斷及實際測試,采用如圖8所示的編程思路[4]:采集需要的轉速變量二編輯程序二程序調用該功能塊二運行。運行過程中卷徑測量通過程序內部計算,將開卷機卷徑的誤差控制在3mm范圍以內,提高了連續(xù)線退火機組開卷卷徑的精度,消除了因卷徑誤差問題而造成的產品缺陷。

4卷取機卷徑計算及容錯糾正

機組采用卷取機的速度控制方式來保證全線張力恒定且可調。基速銀的直徑乘以轉速得到帶鋼的線速度,用該值除以卷取機的轉速,得到帶鋼的卷徑:

式中:DT為卷取機卷徑(m):nT為卷取機的轉速(r/min):iT為卷取機減速比。

實際運行中,由于測速銀和卷取機之間還有一個彈跳銀,該銀隨卷取機的張力變化而發(fā)生上下波動,起到測量和穩(wěn)定張力的作用,彈跳銀的擺動會引起帶鋼在卷取前的伸長和縮短。

式中:l為彈跳銀變化引起的帶鋼長度變化量:r為彈跳銀的臂長,取1.1m:Ak為彈跳銀擺臂變化率(rad)。

對于測速銀折算后轉速的變化(An)情況:

根據(jù)生產線鋼帶各處線速度相等,則卷取機的實際卷徑計算為:

生產過程中,卷取機每轉一圈,卷徑在原來的基礎上增加兩倍的平均帶鋼厚度[5],通常情況下這種計算卷徑的方法是準確的,但對于極薄帶鋼而言,在某些情況下會產生偏差,例如機組加速時,一旦測速銀兩端的帶鋼張力之差大于測速銀包角處的摩擦力,會發(fā)生打滑,這時算得的線速度就高于實際值,會造成卷徑計算的偏差,進而直接影響卷取機的扭矩輸出。因此,必須對卷徑計算的偏差進行限制,具體算法如下:

(1)若當前卷徑小于上一圈的卷徑,則輸出上一圈的卷徑值。

(2)若當前卷徑減去上一圈卷徑的差值大于當前帶鋼厚度的兩倍,則用上一圈卷徑值加上帶鋼厚度的兩倍作為當前的卷徑輸出值。

式中:Di為當前圈鋼卷卷徑(m):Di[l為前一圈鋼卷卷徑(m):H為帶鋼厚度。

5效果驗證

隨機選取l5個304不銹鋼卷進行測試,并將開卷機壓銀測量的卷徑值與實際值進行對比,精度可達99.7%,結果如表2所示。實際數(shù)據(jù)證明,通過運用多點擬合非線性卷徑測量曲線,能提高鋼卷初始卷徑的測量精度,減小偏差,很大程度上提升了初始轉矩給定值的準確性,解決了起步過程中張力不穩(wěn)帶來的入口段彈跳銀上限位問題。開卷機運行過程中系統(tǒng)計算的卷徑值和實際卷徑值相符,沒有出現(xiàn)張力波動抽帶斷帶問題,運行平穩(wěn)。

對于實際運行中鋼卷卷徑的計算進行現(xiàn)場測試,結果如圖9所示。整個生產過程中卷徑未因銀面打滑而發(fā)生卷徑計算值突變,過程平穩(wěn)可靠。

6結論

該項技術解決了開卷機初始狀態(tài)下卷徑測量精度低和生產過程中因張力銀打滑造成的卷徑計算錯誤等問題,保證了光亮線運行過程中頭部的張力穩(wěn)定,同時提升了卷取機鋼卷卷徑的計算精度,從而保證了卷取部分鋼卷的卷緊和卷齊。該技術同時也可應用于銅和鋁等有色金屬生產中,具有一定的獨立創(chuàng)新之處。