CN101362165B - 一种采用板带轧制中卷径测量装置测量卷径并控制卷取张力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种板带轧制中卷径测量装置及卷取张力的方法，包括PLC、ET200M远程I/O和激光测距仪，激光测距仪通过双绞线分别与PLC和ET200M远程I/O相连，卷取张力控制方法包括：步骤一：开始，并输入测距仪卷筒中心的距离L₀；步骤二：放置带卷在卷筒上，读出测距仪到带材的距离L；步骤三：根据公式D＝2(L₀-L)计算实际卷径D；步骤四：测试各个转速点的摩擦转矩和系统飞轮矩；步骤五：计算设定张力转矩M_F、动态加减速转矩M_D、弯曲转矩、摩擦转矩M_M、总设定转矩M；步骤六：总设定转矩M_D发送到传动装置。本发明能够精确的测量实际卷径，不受其它因素干扰，具有较高的张力控制精度，已在某1900mm铝带冷轧机上投入使用，其张力控制精度静态小于1％，动态小于2％。

Description

一种采用板带轧制中卷径测量装置测量卷径并控制卷取张力的方法 

技术领域

本发明属于轧制自动控制技术领域，特别涉及一种板带轧制中卷径测量装置及卷取张力控制方法。 

背景技术

在带材轧制生产中一般都需要带张力轧制，张力不仅是保证轧制过程顺利进行的必要条件，还是影响成品质量的重要因素。而张力控制中很重要的一个环节就是实际卷径的测量。 

传统卷径测量的方式主要有两种，即由带材层数累积计算和通过测速辊速度计算，以卷取为例对这两种方式进行分析： 

1.由带材层数累积计算 

设定初始卷径D₀，在轧制过程中通过编码器计算出电机转过的圈数N_m，从而得到卷径增加值，累加到初始卷径上得到当前实际卷径D。当前实际卷径的计算公式： 

$D=D_0+\∫\frac{{2\mathrm{hN}}_m}{i}$

式中：h为带材厚度；i为减速比。这种方法过于依赖带材厚度，在厚度不均时计算出的卷径也将受到很大影响。 

2.通过测速辊速度计算 

在轧机出口偏导辊上安装编码器，计算出轧机出口线速度V_ex，同时通过电机编码器得到卷筒转速N_c，最终计算出当前卷径D。当前卷径的计算公式： 

$D=\frac{V_{\mathrm{ex}}}{\mathrm{\π}{N}_c}=\frac{N_g{D}_g}{N_c}$

式中：N_g为出口偏导辊转速；D_g为出口偏导辊直径。这种方法的缺陷在于出口偏导辊容易打滑，从而导致卷径计算出现偏差。 

发明内容

针对现有卷径测量和张力控制方法中存在的不足，本发明提供一种板带轧制中卷径测量装置及卷取张力控制方法，特别涉及一种测距仪测量卷径以及通过卷径来控制卷取张力的方法。 

本发明的卷径测量装置包括激光测距仪、PLC和ET200M远程I/O组成，其中第一激光测距仪(1)使用Profibus形式的传感器，通过DP网线分别与PLC的CPU-DP通讯模块和ET200M远程I/O的IM通讯模块相连；第二激光测距仪(2)使用4-20mA模拟量方式的传 感器，通过带屏蔽的双绞线与ET200M远程I/O的AI接口模块相连；第三激光测距仪(3)使用SSI形式的传感器通过带屏蔽的双绞线与ET200M远程I/O的SM接口模块相连。 

本发明在使用前先将本装置固定在待测卷径位置，将3个激光测距仪的激光头均对准卷筒中心，设置测距仪参数并控制系统相连，卷取张力控制方法(其控制程序图如图3所示)的步骤包括： 

步骤一开始，并输入测距仪与卷筒中心的距离L₀； 

步骤二放置带卷在套筒上，读出测距仪到带材的距离L； 

步骤三根据公式D＝2(L₀-L)计算出实际卷径D； 

步骤四测试出各个转速点的摩擦转矩和系统飞轮矩：在各个转速段(如100rpm一段)测试摩擦转矩，并回归出摩擦转矩与转速关系曲线，从而可以得出每个转速点的摩擦转矩M_M，采用自由停车法求取系统飞轮矩GD₀ ²； 

步骤五计算出设定张力T所需转矩M_F、动态加减速转矩M_D、弯曲转矩、摩擦转矩M_M、总设定转矩M，计算依以下公式进行： 

总设定转矩            M＝M_F+M_D+M_M

设定张力转矩 $M_F=T\frac{D}{2i}$

$M_D=\frac{{{\mathrm{GD}}_0}^2+{{\mathrm{GD}}_C}^2}{375}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}$

动态加减速转矩 $=\frac{{{\mathrm{GD}}_0}^2+\frac{\mathrm{\π}}{8}\mathrm{\α\ρW}(D^4-D_0^4)g}{375}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}$

$=\frac{2a}{D}[J+\frac{\mathrm{\π}}{32}\mathrm{\α\ρW}(D^4-D_0^4)]$

式中： 

GD_C ²为带材飞轮矩；α为带材卷紧系数；ρ为带材密度；W为带材宽度；g为重力加速度； 

为转速加速度；a为线加速度；J为系统的转动惯量，D₀为初始卷径，i为减速比。 

步骤六总设定转矩M发送到传动装置，根据公式 

计算转矩设定值，即通过转矩设定值自动控制卷取张力，其中M_S为转矩设定值，i为减速比。 

附图说明

图1为本发明的测距仪到控制系统的连接方式示意图， 

图2为本发明的测量卷径的原理图， 

图3为本发明的设定转矩计算控制程序框图。 

图中1为第一激光测距仪(1)；2为第二激光测距仪(2)；3为第三激光测距仪(3)；L₀为测距仪卷筒中心的距离；L为激光传感器到轴心的距离；D为料卷卷径。 

具体实施方式

选择SICK公司DT500激光测距仪，设置其接口形式为4-20mA模拟量，PLC使用西门子S7-400，选用ET200M远程I/O。DT500第一激光测距仪(1)使用Profibus形式的传感器，通过插头与S7-400PLC的CPU通讯模块和ET200M远程I/O的IM通讯模块相连；DT500第二激光测距仪(2)使用4-20mA电流模拟量方式的传感器，通过插头与ET200M远程I/O的AL接口模块相连；DT500第三激光测距仪(3)使用SSI形式的传感器，通过插头分别与ET200M远程I/O的SM接口模块相连(如图1所示)。 

例：某铝带轧机卷取机，减速比i为1.8846，传动系统飞轮矩GD_C ²为1742kgm²，带材卷紧系数α为0.93；带材密度ρ为2700kg/m³。 

利用如图1所示的卷径测量装置，将3个激光测量仪均对准卷筒中心，根据张力控制步骤，测量出激光测距仪到卷筒中心的距离L₀为1.435m；然后读出放置带卷之后激光测距仪L为0.876m；根据公式D＝2(L₀-L)，可以计算出当前带卷卷径D为2×(1.435-0.876)＝1.118m。 

当前卷取线速度a为630m/min，卷取电机转速为338rpm，根据测试回归曲线可知当前摩擦转矩M_M为496.03Nm；当前带卷内径为665mm，带材宽度W为1600mm，带材厚度为1.0mm，设定的单位张力为1.6kg/mm²，当前线加速度a为0.67m/s²，然后由步骤五，可以计算出各个转矩分量为： 

$M_F=T\frac{D}{2i}=1.6\×1600\×1.0\×9.81\×1.118/2/1.8846=7749.06N\·m$

$M_D=\frac{2a}{D}[J+\frac{\mathrm{\π}}{32}\mathrm{\α\ρW}(D^4-D_0^4)]$

$=\frac{2\×0.67}{1.118}[1742+\frac{\mathrm{\π}}{32}\×0.93\×2700\×1.6\×({1.118}^4-{0.665}^4)]$

$=2734.03N\·m$

则总的设定转矩为：M＝M_F+M_D+M_M＝10979.1N·m 

送给传动装置的转矩设定值为： $M_S=\frac{M}{i}=10979.1/1.8846=5825.7N\·m,$

即通过转矩设定值自动控制卷取张力。 

Claims (1)

1.一种采用板带轧制中卷径测量装置测量卷径并控制卷取张力的方法，采用的装置包括PLC、ET200M远程I/O、第一激光测距仪(1)、第二激光测距仪(2)和第三激光测距仪(3)，所述第一激光测距仪(1)采用Profibus通讯方式的传感器，所述第二激光测距仪(2)采用4-20mA模拟量方式的传感器，所述第三激光测距仪(3)采用SSI方式的传感器；第一激光测距仪(1)通过DP网线与PLC通讯模块相连，第二激光测距仪(2)通过带屏蔽的双绞线与ET200M远程I/O的AI接口模块相连，第三激光测距仪(3)通过带屏蔽的双绞线分别与ET200M远程I/O的SM接口模块相连，其特征在于：3个激光测距仪的激光头均对准卷筒中心，与控制器相连，且卷取张力控制的步骤包括：

步骤一、开始，并输入测距仪与卷筒中心的距离L₀；

步骤二、放置带卷在卷筒上，读出测距仪到带材的距离L；

步骤三、根据公式D＝2(L₀-L)计算实际卷径D；

步骤四、测试出各个转速点的摩擦转矩和系统飞轮矩；在各个转速段测试摩擦转矩，并回归出摩擦转矩与转速关系曲线，得出每个转速点的摩擦转矩M_M，采用自由停车法求取系统飞轮矩GD₀ ²；

步骤五、计算出设定张力T所需转矩M_F、动态加减速转矩M_D、弯曲转矩、摩擦转矩M_M、总设定转矩M，计算依以下公式进行：

总设定转矩    M＝M_F+M_D+M_M

设定张力转矩 $M_F=T\frac{D}{2i}$

$M_D=\frac{{{\mathrm{GD}}_0}^2+{{\mathrm{GD}}_C}^2}{375}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}$

动态加减速转矩 $=\frac{G{D_0}^2+\frac{\mathrm{\π}}{8}\mathrm{\α\ρW}(D^4-D_0^4)g}{375}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}$

$=\frac{2a}{D}[J+\frac{\mathrm{\π}}{32}\mathrm{\α\ρW}(D^4-D_0^4)]$

式中：

GD_C ²为带材飞轮矩；α为带材卷紧系数；ρ为带材密度；W为带材宽度；g

为重力加速度；

为转速加速度；a为线加速度；J为系统的转动惯量，D₀为初始卷径，i代表减速比；

步骤六、总设定转矩M发送到传动装置，根据公式

计算转矩设定值，即通过转矩设定值自动控制卷取张力，其中M_S代表转矩设定值，i代表减速比。

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