冷连轧机飞剪控制的新方法安连祥,崔丽敬,刘永刚,宴俊秋(河北工业大学电气学院,天津300130) 摘要:飞剪是轧机线的重要组成部分,控制性能直接影响着飞剪的剪切精度与功能投入率。
讨论了经冷连轧机轧制出的带钢,当其剪切点在冷连轧机的末机架入口出现后,轧机出口飞剪对带钢进行剪切的控制算法,在飞剪进行剪切过程中,加入惯性补偿环节,采用所述控制方法进行剪切,飞剪响应快速灵敏,带钢剪切断面光滑。
关键词:飞剪;剪切控制;惯性转矩中图分类号:TP29 文献标识码:BN ew Method of Controlling Flying Shear of T andem Cold MillAN Lian Οxiang ,CU I Li Οjing ,L IU Y ong Οgang ,YAN J un Οqiu (Electrical School ,Hebei University of T echnology ,Tianjin 300130,China )Abstract :The flying shear is an important part of the tandem mill line.The control performance affects cutting accuracy and f unction devotion ratio directly.The control process and relevant algorithm for cutting strip s by flying shears were discussed and developed under conditions that the cut point of strip is positioned at the entry of the last stand of tandem cold mill (TCM ).At the process of cutting ,we add the inertia compensa 2tion tache.The flying shear controlled by such a procedure and relevant algorithm respondes fast and astutely and the strip sections cutted off are proved greatly slick.K ey w ords :flying shear ;cutting control ;inertia torque 作者简介:安连祥(1946-),男,教授,硕士生导师,Email :185596463@ 本条冷连轧机电气控制系统由北整公司设计与调试,轧机出口采用转鼓式飞剪(简称飞剪),其作用是不停机用于分卷剪切,使带钢平稳地过渡到另一台卷取机进行卷取,飞剪主电机传动装置状态、转速、故障报警均由HMI 人机界面监视,主传动采用SIEM ENS 公司的6RA70系列全数字直流调速装置。
1 飞剪的工艺原理飞剪主要由刀刃、刀夹、滚筒和固定架等组成,控制系统采用晶闸管反并联逻辑无环流速度控制以及带钢跟踪,刀刃跟踪控制系统,其原理图如图1所示。
该系统剪切控制精度高,定位控制准确,飞剪剪切的技术数据如下:剪切厚度0.25～2.00mm ;剪切宽度800～1250mm ;最高剪切速度180m/min 。
为了提高系统控制的可靠性,速度给定和转矩补偿通过硬线信号直接送入传动装置。
根据工艺要求,飞剪安装在距离5机架6.00mm 的位置,在这短距离之内,为确保切割精度,通过对焊缝的准确跟踪和刀刃的跟踪,从而完成对飞剪的剪切控制。
正常运行顺序为:启动→加速→剪切→减速→返回到初始位置→停车;若剪切失败则为:启动→加速→剪切(失败)→紧急停车[1]。
图1 飞剪传动控制的结构图Fig.1 The block diagram of t he flying shear drives control飞剪的剪刃控制是由飞剪刀轴上安装的增量型编码器提供位置测量值,通过PL C (可编程控15EL ECTRIC DRIV E 2010 Vol.40 No.4电气传动 2010年 第40卷 第4期制器)实现的,设垂直向下方向为0°,按逆时针方向增加,如图2所示。
90°为初始位置;55°为启动位置;从55°～350°为加速阶段;从350°～10°为定速剪切阶段;从10°～325°为制动减速阶段;从325°～90°为返回至初始位置阶段。
图2 飞剪虚拟轨迹图Fig.2 Virtual track drawing of flying shear5机架在连续轧制时,通常以500m/min 以上的速度进行高速轧制,带钢经5机架冷连轧机轧制后,经过剪前夹送辊、飞剪、卷前夹送辊,最后到达卷取机卷取成卷,如图3所示,当卷取机要分卷进行剪切时,计算机接收到焊缝跟踪系统发来的“焊缝到达焊缝检测”信号后控制轧制线要减速到设定剪切速度运行,当焊缝跟踪发出“焊缝到达5#机架”信号后,飞剪功能将计数器值初始化以计算从5机架到达飞剪启动位置的长度。
当剪切点到达飞剪启动位置产生剪切预投入信号时,抱闸打开,飞剪通过一个比例调节器被定位在55°起始位置,在位置控制时,直到有启动命令,否则飞剪将一直保持在此位置。
当带钢剪切点位于飞剪剪刃的下方时飞剪完成启动过程,在飞剪作匀速运动时实现剪切。
剪切结束后,系统由剪切时的驱动状态,过渡到逆变制动状态,飞剪开始减速。
当飞剪经过加速,剪切,减速阶段要停下来时,位置控制使能,飞剪回到初始位置,飞剪抱闸关闭且电机速度控制不再使能。
图3 飞剪在连轧线上Fig.3 The flying shear on t he TCM pass line2 飞剪的控制算法2.1 飞剪的位置控制带钢在进入冷连轧机前,须对两个钢卷的首尾进行焊接。
在飞剪剪切带钢时,总希望剪切发生在带钢的剪切点,这样可提高用户对带钢的利用率[2]。
那么带钢以匀速运动,从冷连轧机末机架输出后,其剪切点到达什么位置时开始启动飞剪呢?它应该满足以下条件。
当焊缝跟踪发出“焊缝到达5#机架”信号时,启用卷取机前的卷前夹送辊下辊上的编码器对剪切点进行路径跟踪计算,剪切点行程等于下式时飞剪开始加速启动:S =S 1+S 2-S 3(1)其中S 3=1000v i T 0(2)T 0=T 1+T 2(3)T 1=(2α1R )/v j(4)T 2=(α2R )/v j(5)式中:S 为剪切点行程,mm ;S 1为5机架到飞剪的距离,mm ;S 2为(剪切完之后)焊缝到带尾的距离,mm ;S 3为从加速启动到剪切这段时间内带钢走过的距离,mm ;v i 为5机架出口带钢前进速度,m/s ;T 0为剪切时间,s ;T 1为飞剪加速时间,s ;T 2为剪切前以剪切速度转动的时间,s ;v j 为剪切速度,m/s ;α1为飞剪加速阶段转动的弧度,rad ;R 为飞剪半径,m ;α2为剪切前飞剪恒速转动的弧度,rad 。
结合本系统的实际控制模式,飞剪剪刃从55°～350°为加速阶段,占295°,即α1=295π/180=5.1487 飞剪剪刃从350°～10°为定速剪切阶段,占20°,即α2=20π/180=0.3491 将α1,α2的运算结果代入式(4)、式(5),并对上述公式进行整理可得:S =S 1+S 2-1.065×104v i R/v j(6) 综上所述,将系统实际技术参数值输入计算机,使其按照此算法完成剪切点行程的计算,实现飞剪的加速启动控制。
2.2 飞剪的惯性补偿2.2.1 惯性转矩的应用原理传动机构在大的冲击负荷作用下,负载的变形阻力惯性使得传动机构受到很大的制动力,在电机电磁转矩来不及变化、负载转矩急剧增加的情况下,电机转速变慢,形成了动态速降,此时,速度甚至低于带钢的速度,必然导致带钢撞击剪25电气传动 2010年 第40卷 第4期安连祥,等:冷连轧机飞剪控制的新方法刃,堆钢且头部下坠。
同时电机反电势降低,电枢电流迅速上升,以形成较大的电磁力矩克服冲击负荷的制动力矩,力图迅速使转速回升到设定值。
而电机转速上升迫使晶闸管触发角后移,晶闸管变流装置的输出电压反而下降,又阻止了电枢电流的上升。
根据飞剪的转矩特性,以及飞剪采用最小电流控制原理可知:要使飞剪能准确响应控制系统的速度曲线,必须对飞剪的启动惯量与剪切动量进行比较准确的补偿,来抑制飞剪控制系统的电流迟滞作用,保证飞剪与带钢同步。
2.2.2 惯性转矩的计算由于飞剪启动后是速度控制系统,为了使飞剪具有更加快速平滑的响应,我们在飞剪的传动中加入惯性补偿。
同时为了保证惯性补偿的高效性,计算出的惯性转矩将直接写入速度调节器的输出端一并送入转矩调节器的输入端,这一附加转矩的获得主要是基于所设定的剪切速度函数的加速步长。
在自动控制装置里,惯性补偿是作为一个功能模块,由于使用了这个惯性补偿功能,系统不论是怎么突加给定,电机的转速变化都会很平滑,没有强烈的机械或电冲击。
惯性转矩的计算通过下式:T=(J・a)/(R・i)(7)式中:T为等效到电机轴上的惯性转矩,N・m;J 为电机、减速箱、飞剪等效到飞剪轴上的转动惯量,kg・m2;a为飞剪的线加速度,m/s2;R为飞剪半径,m;i为减速比。
根据系统动能守恒原理,将传动机构的转动惯量折算到飞剪轴上,通过下式:J=J1・i2+J2+J3(8)式中:J1为电机的转动惯量,kg・m2;J2为减速箱的转动惯量,kg・m2;J3为飞剪本身的转动惯量, kg・m2。
将式(8)代入式(7),则飞剪惯性补偿转矩的计算可变形为T=[(J1・i2+J2+J3)・a]/(R・i)(9) 2.2.3 实现方法本项目系统采用西门子SIMA TIC S72400作为基础控制器件,专门利用上述原理编写了程序功能块来计算飞剪的惯性转矩,此功能块设有自己的输入输出参数,使其按公式计算出当前的惯性转矩。
程序块如图4所示。
由于目前广泛采用了全数字传动技术,我们图4 飞剪惯性转矩计算程序功能块Fig.4 The flying shear inertia torque measure function block可以精确地把握补偿时机,使其在加速阶段起到加速效果,匀速阶段起到稳速效果,减速阶段起到制动效果。
因此只需把上述参数一一对应的连接到功能块的输入端口,功能块会自动的根据式(9)实时准确地计算出飞剪的惯性补偿转矩。