引言

在光亮退火線生產(chǎn)過程中,開卷機(jī)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償力矩的計(jì)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(zhǔn)測量,可保證開卷機(jī)起步過程中彈跳銀的穩(wěn)定。隨著生產(chǎn)過程的進(jìn)行,在鋼卷即將到帶尾時(shí),精準(zhǔn)的卷徑測量還可以對(duì)生產(chǎn)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(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)起步和生產(chǎn)過程中的控制。由于生產(chǎn)過程中機(jī)組自身的振動(dòng)、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(jī)上方旋轉(zhuǎn)壓臂檢測初始卷徑、運(yùn)行過程中線速度與開卷機(jī)角速度的方法計(jì)算過程卷徑,可有效避免上述問題,從而提升產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備穩(wěn)定性。

1硬件實(shí)現(xiàn)

硬件采用SIEMENSCPU319-3DP,結(jié)構(gòu)如圖1所示。浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算時(shí)間為0.04us,數(shù)字量通道輸入/輸出范圍為0~65535個(gè)數(shù),模擬量通道輸入/輸出范圍為0~4096個(gè)數(shù),通信模式為Profibus現(xiàn)場總線,編碼器為TR絕對(duì)值編碼器。

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

2開卷機(jī)卷徑測量

通過開卷機(jī)上的壓臂旋轉(zhuǎn)壓下測量鋼卷直徑。如圖3所示,在壓臂的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上安裝有編碼器,該編碼器旋轉(zhuǎn)過程中根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度的不同而給PLC控制系統(tǒng)傳輸相應(yīng)的數(shù)值,如圖4所示。編碼器有初始角度,初始角度對(duì)應(yīng)著鋼卷的最大卷徑(2000mm),此時(shí)角度為09。由于精密帶鋼的套筒外徑尺寸為700mm,當(dāng)壓臂完全壓下時(shí),如圖5所示,套筒直徑尺寸為最小值(700mm),此時(shí)編碼器的旋轉(zhuǎn)角度為62.39。卷徑旋轉(zhuǎn)測量的結(jié)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(jì)算勢必會(huì)帶來誤差,而卷徑的測量誤差會(huì)導(dǎo)致初始力矩給定錯(cuò)誤,進(jìn)而導(dǎo)致張力波動(dòng),造成彈跳銀波動(dòng)幅度過大,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成生產(chǎn)線開卷區(qū)域停車。

通過選取多個(gè)不同卷徑規(guī)格的鋼卷進(jìn)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(jī)上測量,此時(shí)的編碼器旋轉(zhuǎn)角度為62139,再將720mm的鋼卷放到開卷機(jī)上測量,編碼器旋轉(zhuǎn)角度為60159,據(jù)此類推,對(duì)選取的測試鋼卷逐個(gè)進(jìn)行測量,得到實(shí)際卷徑與角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如表1所示。

用描點(diǎn)法擬合出近似的非線性曲線,如圖6所示。加粗黑色區(qū)域?yàn)榫韽綔y量的微小區(qū)域,該區(qū)域近似為線性關(guān)系,則微小區(qū)域內(nèi)角度與卷徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系為:

式中:D為鋼卷卷徑(mm):小為編碼器旋轉(zhuǎn)角度(9):小2為與d2對(duì)應(yīng)的編碼器角度(9):小=為與d=對(duì)應(yīng)的編碼器角度(9):d2為任取的兩個(gè)卷徑測量點(diǎn)的較大值(mm):d=為任取的兩個(gè)卷徑測量點(diǎn)的較小值(mm)。

將每一個(gè)等分角度賦值給程序中的固有變量,如圖7所示。

3開卷機(jī)動(dòng)態(tài)卷徑計(jì)算

該機(jī)組為恒張力控制系統(tǒng),全線各銀線速度相同,在生產(chǎn)線基速銀上安裝有編碼器測量轉(zhuǎn)速,通過該銀轉(zhuǎn)速與銀徑的換算,可得出帶材線速度,開卷機(jī)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(jì)算出開卷機(jī)的卷徑:

式中:2為帶材線速度(m/min):nC為測速銀的轉(zhuǎn)速(r/min):DC為基速銀的直徑,本文取0.28m:DP為開卷機(jī)實(shí)時(shí)卷徑(m):np為開卷機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min):ip為開卷機(jī)的減速比。

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

4卷取機(jī)卷徑計(jì)算及容錯(cuò)糾正

機(jī)組采用卷取機(jī)的速度控制方式來保證全線張力恒定且可調(diào)?；巽y的直徑乘以轉(zhuǎn)速得到帶鋼的線速度,用該值除以卷取機(jī)的轉(zhuǎn)速,得到帶鋼的卷徑:

式中:DT為卷取機(jī)卷徑(m):nT為卷取機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min):iT為卷取機(jī)減速比。

實(shí)際運(yùn)行中,由于測速銀和卷取機(jī)之間還有一個(gè)彈跳銀,該銀隨卷取機(jī)的張力變化而發(fā)生上下波動(dòng),起到測量和穩(wěn)定張力的作用,彈跳銀的擺動(dòng)會(huì)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(duì)于測速銀折算后轉(zhuǎn)速的變化(An)情況:

根據(jù)生產(chǎn)線鋼帶各處線速度相等,則卷取機(jī)的實(shí)際卷徑計(jì)算為:

生產(chǎn)過程中,卷取機(jī)每轉(zhuǎn)一圈,卷徑在原來的基礎(chǔ)上增加兩倍的平均帶鋼厚度[5],通常情況下這種計(jì)算卷徑的方法是準(zhǔn)確的,但對(duì)于極薄帶鋼而言,在某些情況下會(huì)產(chǎn)生偏差,例如機(jī)組加速時(shí),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(huì)發(fā)生打滑,這時(shí)算得的線速度就高于實(shí)際值,會(huì)造成卷徑計(jì)算的偏差,進(jìn)而直接影響卷取機(jī)的扭矩輸出。因此,必須對(duì)卷徑計(jì)算的偏差進(jìn)行限制,具體算法如下:

(1)若當(dāng)前卷徑小于上一圈的卷徑,則輸出上一圈的卷徑值。

(2)若當(dāng)前卷徑減去上一圈卷徑的差值大于當(dāng)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(dāng)前的卷徑輸出值。

式中:Di為當(dāng)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(yàn)證

隨機(jī)選取l5個(gè)304不銹鋼卷進(jìn)行測試,并將開卷機(jī)壓銀測量的卷徑值與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比,精度可達(dá)99.7%,結(jié)果如表2所示。實(shí)際數(shù)據(jù)證明,通過運(yùn)用多點(diǎn)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(zhuǎn)矩給定值的準(zhǔn)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(jī)運(yùn)行過程中系統(tǒng)計(jì)算的卷徑值和實(shí)際卷徑值相符,沒有出現(xiàn)張力波動(dòng)抽帶斷帶問題,運(yùn)行平穩(wěn)。

對(duì)于實(shí)際運(yùn)行中鋼卷卷徑的計(jì)算進(jìn)行現(xiàn)場測試,結(jié)果如圖9所示。整個(gè)生產(chǎn)過程中卷徑未因銀面打滑而發(fā)生卷徑計(jì)算值突變,過程平穩(wěn)可靠。

6結(jié)論

該項(xiàng)技術(shù)解決了開卷機(jī)初始狀態(tài)下卷徑測量精度低和生產(chǎn)過程中因張力銀打滑造成的卷徑計(jì)算錯(cuò)誤等問題,保證了光亮線運(yùn)行過程中頭部的張力穩(wěn)定,同時(shí)提升了卷取機(jī)鋼卷卷徑的計(jì)算精度,從而保證了卷取部分鋼卷的卷緊和卷齊。該技術(shù)同時(shí)也可應(yīng)用于銅和鋁等有色金屬生產(chǎn)中,具有一定的獨(dú)立創(chuàng)新之處。