2007年2月
第35卷第2期
机床与液压
MACH I N E T OOL&HY DRAUL I CS
Feb12007
Vol135No12棒线材无头轧制系统工艺过程分析及控制系统研究
孙新学1,2,付永领1,卢宁1,荣茜2
(11北京航空航天大学自动化科学与电子工程学院,北京100083;
21河北建筑工程学院机械系,河北张家口075024)
摘要:简要介绍了无头轧制的概念和无头轧制系统的研发概况,分析了棒线材无头轧制系统及其核心设备(移动式闪光焊机)的组成及功能特点,研究了棒线材无头轧制系统的工艺过程,列出了达涅利产品各组成装置的驱动方式、控制形式及作业特点。在此基础上,提出了基于PROF I B US总线和P LC控制器的系统控制方案,重点介绍了钢坯对接伺服控制策略以及焊机移动和钢坯位置随动传动系统的控制策略,并对两对接油缸、焊机与轧制钢坯、两焊机驱动电机的同步问题进行了分析。
关键词:棒线材;无头轧制;工艺过程;传动控制;随动控制;同步
中图分类号:TG45619 文献标识码:B 文章编号:1001-3881(2007)2-167-5
Ana lysis on W ork Process of Endless Bar Rolli n g Syste m and Research on its Con trol Syste m
S UN Xinxue1,2,F U Yongling1,LU N ing1,RONG Q ian2
(11School of Aut o mati on Science,Beijing University of Aer onautics and A str onautics,Beijing100083,China;
21Dep t1of Mechanical Engineering,Hebei I nstitute of A rchitectural and Civil Engineering,Zhangjiakou
Hebei075024,China)
Abstract:The concep ti on of endless r olling and its hist ory of devel opment were intr oduced1The component and functi on f or an endless bar r olling syste m(E BROS)and its core equi pment(moving flash welder)ware analyzed,the work p r ocess of E BROS was studied,and the driving modes,contr ol for m s and working behavi ors of each device f or Danieli’s p r oduct were listed out1A contr ol sche me for E BROS with PROF I B US and P LC contr oller was put f or ward,and the servo2contr ol strategy of billet flash2welding,and the driving contr ol strategy f or welder moving and billet f oll ow2up,the synchr onous contr ol strategy bet w een t w o up setting hydraulic cylin2 ders of welder were intr oduced,the welder and billet r olled,and t w o driving mot ors of the welder were analyzed and researched1 Keywords:W ire and r od;Endless r olling;Work p r ocess;D riving contr ol;Foll ow2up contr ol;Synchr onous
0 引言
棒线材无头轧制系统,日本NKK公司称之为EBROS(Endless Bar Rolling System)[1],而意大利达涅利公司则称之为E WR(Endless W elding Roll2 ing)[2],虽然名称不同,但其内涵是一致的,都是通过焊接等方式构造出无头长坯,而后对长坯进行连续轧制,显然,用于构造无头长坯的设备(如移动式闪光焊机)是实现钢坯无头轧制的核心设备。由于无头长坯的轧制和传统的单坯轧制所用的轧制设备及操作工艺没有太大的区别,因此,棒线材无头轧制系统一般特指构造无头长坯的焊接设备及其附属装置。
对棒线材无头轧制系统的研究可以追溯到20世纪中叶,20世纪50年代前苏联重型制造业中央科学研究院研制开发出了世界上第一台用于棒线材无头轧制系统的移动式闪光焊接设备,1974年世界上第一套棒线材无头轧制系统在前苏联马凯耶夫钢厂350-2轧线上投入试运行,创造了个别班次连续焊接100—150根钢坯,机时产量提高10%～15%的记录[3]。但由于受当时技术水平等因素限制,未能形成商用产品。由于钢坯无头轧制所展示出的诱人的经济效益,日本NKK公司和意大利达涅利公司在吸收了前苏联无头轧制技术研究成果的基础上,借助现代先进的控制技术,分别于1997年和1998年独立地研制出了商用的棒线材无头轧制系统[1,2],并在世界范围内得到了推广应用。21世纪初,我国唐山钢铁公司、湖南涟源钢铁公司和新疆八一钢厂分别引进了达涅利产品,河北邢台钢铁公司引进了日本NKK产品。但是,由于种种原因,这些设备运行状况都不太理想。为此,本文对棒线材无头轧制系统的工艺过程及其控制机理进行了剖析和研究,并提出了自己的控制策略。1 棒线材无头轧制系统工艺过程分析及焊机各动作的时序研究
111 棒线材无头轧制系统的组成
图1是典型的达涅利公司棒线材无头轧制系统设备布置简图[2]。它由加热炉、夹送辊、输送辊道、除鳞箱(用高压水清理距头尾约115m范围内钢坯4个表面上的氧化铁皮)、移动式闪光焊机、摆动辊道、保温装置(用于焊后钢坯的保温和均热)、轧机系统和焊机液压站、冷却泵站(冷却焊接变压器和与热钢坯直接接触的装置)等组成。日本NKK产品未安装在移动焊机上,而是安装在图中的保温装置位置[1]。由于受加热炉和第一架粗轧机间场地限制,唐
钢无头轧制系统未设夹送辊2#
和保温装置
[4]
。
图1 棒线材无头轧制系统设备布置简图
112 移动式闪光焊机的组成装置及功能分析
图2是达涅利公司无头轧制系统闪光焊机结构示意图。它由焊接小车、夹紧装置、对接装置、毛刺清装置和焊接变压器等组成,可在移动中实现对钢坯的焊接
。
图2 无头轧制系统闪光焊机结构示意
焊接小车由小车架、支承滚轮、导向轮和驱动装
置等组成,用于支承、安装变压器和夹紧等装置。小车驱动由两台交流电机经减速器、齿轮齿条实现。
夹紧装置由固定夹钳和移动夹钳组成,分别用于夹持前一钢坯的尾部和后一钢坯的头部。固定夹钳和移动夹钳均由固定钳口、活动钳口、夹紧油缸和馈电附件等组成;固定夹钳固定在小车架上,而移动夹钳则固定在移动台车上,可沿台车轨道相对固定夹钳移动。钳口除实现对钢坯夹紧外,还用于给钢坯馈电。
对接装置由两条布置在钢坯轴线两侧的对接油缸组成,活塞杆头部装在移动台车上,缸筒固定在小车架上,用于调整两钢坯的闪光间隙,并在闪光结束时提供足够的顶锻力使两钢坯结合在一起。
毛刺清理装置由两条驱动油缸和清理刀具等组成,垂直安装在焊机固定夹钳和移动夹钳之间的小车架上,用于清理钢坯焊口处的焊瘤。
焊接变压器安装在焊接小车上,用于提供直流型大密度焊接电流。
113 棒线材无头轧制系统工艺过程分析
钢坯经加热炉预热后(钢坯温度可达1100～
1200℃)[4-5]由炉中输送辊道送入炉口处的夹送辊1#
(参见图1),夹送辊夹紧、并驱动钢坯进入除鳞箱对
钢坯头部除磷。除磷结束后,钢坯仍由夹送辊1#
驱动追赶前一根钢坯。当停留在初始位置的焊机检测到
前一根钢坯(由夹送辊2#
和第一架粗轧机驱动)的尾部(已除鳞)时,焊机立即启动、加速,一旦焊机追赶上前一根钢坯并使其尾部在焊机适当位置就位,焊机就与该钢坯同步运行;当后一根钢坯的头部
在夹送辊1#
的驱动下追上前一根钢坯,并在焊机适当位置就位时,焊机夹紧装置动作,依次夹紧后一根钢坯的头部和前一根钢坯的尾部,焊机上的测速辊抬
起,夹送辊1#
松开;两钢坯头部对中调整;焊接变压器启动并向钢坯馈电,对接装置调整两钢坯间间隙,使两钢坯头部加热、闪光,在钢坯充分稳定闪光后,通过顶锻使两钢坯结合在一起;焊接变压器停止馈电,毛刺清理装置动作,依次清除焊口两垂直和两水平表面上的焊瘤;夹紧装置依次松开固定夹钳和移
动夹钳,焊后钢坯在夹送辊2#
的驱动下进入保温罩,与此同时,焊机减速、而后快速返回到其初始位置,停车待机,完成一个焊接循环,移动焊机闪光焊接的工艺过程如图3所示;焊后的钢坯通过保温罩均热、保温,经粗轧、精轧、精整等工序后轧制出所要求的最终轧件;
整个工艺过程都是自动连续完成的。
图3 移动焊机闪光焊机工艺过程
2 棒线材无头轧制系统控制系统的研究
如前所述,无头轧制系统是一个典型的机电液一体化复杂系统,该系统不但控制对象比较多,而且动作也比较复杂。它即包括整个工艺过程严格的顺序控制,又有钢坯闪光间隙精确的伺服控制,还涉及到焊
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861?机床与液压第35卷
接小车和钢坯的多级速度及位置随动控制等。因此,正确分析每一控制对象的动作特点及各控制对象间相互动作关系,并对之赋予合适的驱动和控制是保证系统正常工作的关键。
211 无头轧制系统各组成装置功能及动作特点分析
根据无头轧制系统各工序的工艺要求,系统中设置了许多不同的装置和设备来完成每一特定的功能。在这些装置和设备中,即有电力驱动型,又有液压或气压驱动型,既有连续型作业方式,又有间歇型作业方式。为了能够对各装置施于正确的控制,表1详细地分析了达涅利公司无头轧制系统各组成装置的功能、安装位置、驱动型式和作业特点。表中m
1
、m
2
、
m
3
和m
4
是视用户现场实际情况而不同的设备数量。
唐钢的无头轧制系统中m
1
=10、m2=0、m3=8、m4=1,且未设轧前夹送辊2#、保温罩[4]。
表1 棒线材无头轧制系统各组成装置功能及作业特点
工序名称电机数驱动阀数功率k W驱动器控制方式作业特点安装位置功能
炉中辊道m12.2变频器开环控制连续加热炉中支承和输送钢坯炉后输送辊道m22.2变频器开环控制连续加热炉出口支承和输送钢坯
夹送辊1开闭1(换向阀)油缸驱动开关
夹送辊1驱动137变频器闭环控制连续夹送辊1风扇10.6开关连续加热炉
出口
夹持、松开钢坯
拖曳驱动钢坯
冷却驱动电机
喷头除鳞1(换向阀)开关
除磷辊道22.2变频器开环控制连续喷头旋转41.5变频器开环控制间歇除磷泵驱动175变频器开环控制连续除鳞箱
喷射高压水、除磷
支承和输送钢坯
驱动喷头摆动
驱动除磷水泵
摆动辊道m32.2变频器开环控制连续焊机移动区支承和输送钢坯小车辊道22.2变频器开环控制连续
焊机移动237变频器闭环控制间歇
钢坯夹紧2(换向阀)油缸驱动开关
钢坯对中1(换向阀)油缸驱动开关
测速辊升降1(换向阀)气缸驱动开关
钢坯馈电伺服控制间歇钢坯对接2(伺服阀)伺服油缸伺服控制间歇钢坯去毛刺2(换向阀)油缸驱动开关焊机小车上
焊接小车入、出口
驱动焊机移动
驱动钳口开闭
驱动钳口对中调整
测量钢坯相对速度
变压器向钢坯馈电
调整闪光间隙顶锻
驱动刀具毛刺清理
焊接液压站255接触器开关间歇向焊机油缸供能保温罩开闭2(换向阀)油缸驱动开关
夹送辊2开闭1(换向阀)油缸驱动开关
夹送辊2驱动137变频器闭环控制连续夹送辊2风扇10.6开关连续第1架粗轧机
入口处
打开或关闭保温罩
夹持、松开钢坯
拖曳、驱动钢坯
冷却驱动电机
轧前辊道m42.2变频器开环控制连续保温装置内支承和输送钢坯事故剪1(换向阀)油缸驱动开关轧机入口处事故时切断钢坯1#轧机1变频器闭环控制连续轧制钢坯
212 无头轧制系统控制系统构成
由于钢坯的焊接是在运动中完成的,所以无头轧制系统集传动控制、回路控制和顺序控制为一体。为了保证信息共享、控制的实时性和可靠性,提高系统的抗干扰能力,本系统以S72400PLC为主机,以PEOF I B US总线为主要信息载体,并通过3个主站和若干个从站实现对无头轧制系统各设备的自动控制、现场手动控制和远程控制;用S72300PLC实现对焊机各焊接操作(如焊机移动、夹紧和对接等)与焊接参数的实时控制;对整个系统的监控由工控机来完成。无头轧制控制系统组成框图参见图4。其中主机和从站选用PLC控制器主要考虑到:①无头轧制系统各主要动作时间顺序比较强;②PLC控制器功能强大,便于编程和联网;③P LC控制器可靠性高,抗干扰性强,适于现场控制。
213 钢坯的闪光焊接控制
钢坯的闪光焊接属于大截面连续闪光对焊,连续闪光对焊主要由闪光和顶锻两个阶段组成,闪光阶段要求移动夹钳的进给速度等于钢坯的烧化速度;顶锻阶段要求移动夹钳能够瞬间(对于200mm×200mm 截面的方形钢坯,顶锻时间小于1s[1])提供大的顶锻速度和顶锻力。
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9
6
1
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第2期孙新学等:棒线材无头轧制系统工艺过程分析及控制系统研究
图4 无头扎制系统控制系统组成框图
由于钢坯的间隙调整和顶锻是通过对接油缸来实
现的。为了提高钢坯的位置控制精度和系统的响应频率,对接油缸采用了伺服控制技术。钢坯闪光焊接控制框图如图5所示。
图5 钢坯闪光焊接控制框图
为了能够满足移动夹钳进给速度与钢坯烧化速
度的的同步要求,并在烧化结束时及时实施顶锻,钢坯的闪光间隙和烧化速度采取了功率反馈控制策略,即以焊接变压器实际输出功率作为反馈信号,通过对接控制器实现对钢坯闪光间隙的调整和最佳顶锻时刻的俘获。因为在钢坯焊接过程中,当变压器的输出功率稳定在某一设定值时(与钢坯材料和闪光时间有关,焊前由控制器设定),钢坯焊口即达到热稳定状态,此时对接油缸可以迅速对钢坯实
施顶锻操作[6]
。
由于钢坯的顶锻是由两条对接油缸共同实施的,而且钢坯结合时的瞬间顶锻很大(200mm ×200mm
截面的方形钢坯的最大负载为1600kN )[6]
,因此两油缸动作的不同步,极易使两油缸产生严重的机械耦合现象,这不但会降低机械系统的刚度和响应频率,而且还会影响钢坯的焊接质量。为此,两对接油缸采取了同步误差反馈的主从同步控制策略(
参见图5)。以两油缸实际输出位移的差值作为同步误差信号,同
时向两油缸控制支路进行反馈,实现两油缸的同步位移输出。
214 焊机的移动控制
根据焊机移动过程中对钢坯施焊的工艺特点,焊机的传动控制可分成两个独立的控制模式,即速度控制模式和位移控制模式。速度控制模式主要实现焊机对前一根(即正在被轧制)钢坯的快速追赶和同步(同步的目的是消除焊接过程中钢坯与焊机间的机械耦合),而位移控制模式则用于实现焊机的减速、快速返回、复位和待机。另外,由于焊机的驱动是由两个电机来实现的,为了防止因两电机的不同步而产生的机械耦合现象,焊机的移动控制还应考虑两驱动电机的同步控制问题。
图6 焊机移动控制框图
图6给出了焊机的移动控制框图,图中k 1、k 2、
k 3、k 4是与焊机控制模式切换有关的广义开关。其中,k 1与焊机上的固定夹钳对应,当焊机上的固定夹钳夹紧前一根钢坯时(相当于k 1闭合),焊机和钢坯就构成了一个机械刚体,并以钢坯的移动速度一起移动,而当固定夹钳松开钢坯时(相当于k 1断开),钢坯和焊机解除机械耦联,此时焊机和钢坯可分别以
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071?机床与液压第35卷
不同的速度独立运行;k 2与焊机上的测速辊(参见
图3)对应,测速辊落下并与焊机间相对速度作为同步误差信号反馈给焊机速度控制器对焊机进行同步控制,而当测速辊抬起(相当于k 2断开)时,无同步误差信号反馈给速度控制器;k 3用于焊机两种控制模式间切换,图示状态表示焊机处于位移控制模式,而当k 3开关常开触点闭合,常闭触点断开时,焊机被切换到速度控制模式。
焊机移动控制机理:图示状态为焊机待机,此时固定夹钳处于松钳态(即k 1断开)、测速辊呈压紧钢坯(即k 2闭合)态;一旦焊机上的光电开关(参见图3)检测到前一根钢坯的尾部,k 3状态切换,使焊机切换到速度控制模式,测速辊将焊机与钢坯间的相对速度作为同步误差信号反馈到速度控制器,焊机启动、快速追赶、并与前一根钢坯同步,而后焊机两夹钳夹紧钢坯,测速辊抬起(即k 2断开),焊机与钢坯同步运行(此时通过轧机电机和焊机电机转速的主从控制使钢坯和焊机继续保持同步);在焊机对钢坯完成焊接,毛刺清理装置清除焊口毛刺后,夹紧装置松开钢坯(即k 1断开),k 3状态切换,使焊机工作在位移控制模式,此时焊机减速、而后迅速返回、复位,测速辊落下并压住钢坯(即k 2闭合),焊机待机,并完成一个作业循环。焊机两驱动电机的同步采用了以两电机输出角位移差作为同步误差反馈信号的主从同步控制策略。215 钢坯移动的传动控制
无头轧制系统除对焊机移动有上述速度和位移的要求外,对出炉后钢坯的移动也有一些特殊的要求:钢坯经加热炉加热后,由炉中输送辊道送入炉口处的
夹送辊1#,夹送辊1#
夹住钢坯,并将其驱入除鳞箱进行除鳞,为了确保钢坯的除鳞效果,在除鳞过程中,要求钢坯的运行速度要慢。而为了能够及时追上前一根钢坯的尾部,以保证焊机有充足的焊接时间,钢坯除鳞结束后要求能够快速追赶,因此钢坯从加热
炉到第一架粗轧机入口的传动属多级速度传动[7]
,钢坯出炉前后的速度曲线如图7所示。另外,由于生产现场随机因素的影响,每次开始追赶时前一根钢坯的位置会有所不同,因此,负责追赶的传动系统又相当
于一个位置随动系统[7]
。追赶时,两钢坯头尾间实际
距离,通过现场光电开关的触发,由夹送辊1#
驱动电机和焊机驱动电机上的编码器的脉冲信号计算得
到,并以此计算出钢坯的追赶速度,控制夹送辊1#
、
两除鳞辊道和1#—6#
摆动辊道驱动钢坯快速追上前一根钢坯的尾部。钢坯追赶位置随动系统的控制框图如图8所示
。
图9 神经元结构图
为了满足钢坯驱动系统适时性和快速性的要求,提高系统的抗干扰能力,钢坯驱动采用了单神经元自适应控制器[8]
,控制器结构图参
见图9。
图中:r 11=r (k )-r (k -1)为输入在k 时刻的变化量,属前馈信号,用于提高系统的类型;e 11=e (k )为反馈比例环节,用于提高系统的响应频率,
e 12=T 3∑t
k =1e (k )为反馈积分,用于提高系统的平稳性
能和减小系统误差,T 为采样周期,t 为采样时刻。
神经元的输出满足:
u =K ?f (∑3
i =1
ωi x i )(1)
式中:K 为比例系数,x i 为输入,ωi 为与之相对应的
权值,f 为变换函数。为了加快系统在小误差时的响应速度,作用函数取双曲变换函数:
f =(1-e
-cx
)/(1+e cx
)
(2)
待定系数c,ωi 为需要修正的权值。为了保证学习算法的收敛性和控制的鲁棒性,控制器的设计采用规范化学习算法,其控制器为
u =f (∑3
i =1
ωi ′x i )
(3)
ωi ′(k )=ωi (k )/∑3
i =1
|ωi (k )|
(4)ωi (k +1)=ωi (k )+d i e (k )x i (k ) i =1,2,3(5)
式中:d i 为学习步长。
3 结束语
棒线材无头轧制系统是一个集冶金、机械、电气、液压、材料、焊接、计算机控制等多个学科相互交融的复杂系统,也是众多装置和设备协调动作的高度自动化系统,认真剖析进口产品各组成装置的功能、工艺过程和控制机理是使用、维护和充分发挥进口设备效能的关键。在此基础上,努力开发适合我国国情的具有自主知识产品的棒线材无头轧制系统是提高整个系统运行可靠性、减少设备故障时间、降低设备投资的基础,也是目前冶金行业的重要课题之一。
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(下转第175页右下方)
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收稿日期:2005-06-28
(上接第145页)
21314 试验机液压系统监控
W E250液压系统结构较为复杂,为保证试验机的可靠性和测试结果的准确,特别设置了液压系统的监控界面如图5所示。
3 结束语
对传统试验机进行计算机辅助测试系统的改造,充分利用了现有设备,有效地节约了资金。改造后的实验机精度有很大的提高,能够很好的满足新的技术要求。
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收稿日期:2006-01-23
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作者联系方式:孙新学,E-mail:sunxinxue@sina. com。
收稿日期:2006-01-18
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第2期朱云芳等:基于递归小波神经网络的刀具状态在线监测