CN101549359B - 穿孔机轧制功率平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿孔机轧制功率平衡控制方法，是将检测到的穿孔机上、下辊驱动电机转速和电枢电压值输入PLC，并计算磁通量；将检测到的电枢电流和计算的磁通再计算出转矩M；使用轧制信号来区分空载和负载时的转矩，负载转矩和空载转矩相减得到轧制转矩；计算穿孔机上辊和下辊的轧制功率差ΔP_Z，对ΔP_Z进行极性判断，选择电机驱动的轧辊转速由高速向低速变化来实现轧辊轧制功率平衡；计算上下辊需要施加的转速调整量Δn，选择使用功率平衡功能后，将计算的转速调整量Δn施加到转速设定上；在功率平衡过程中，保持所需要的转速调整量Δn_b，随着调整量的增加，二个轧辊的功率趋于平衡，轧制功率差ΔP_Z将减少，从而减少二个轧辊线速度的差异。

Description

穿孔机轧制功率平衡控制方法

技术领域

本发明涉及钢管轧制技术中的自动控制技术，尤其涉及穿孔机轧制线速度控制方法。

背景技术

穿孔机是轧制钢管的第一道变形工序，穿孔机是由二个轧辊组成的轧机，二个轧辊上下布置，使用二台驱动电机分别驱动。在进行轧制时，要求二个轧辊的轧制线速度相同。但是，受加工误差、轧制磨损等因素的影响，轧辊的工作直径会有偏差，导致二个轧辊的轧制线速度不一致。

对于二个轧辊的线速度差异问题，现有技术的解决方法是：由于操作人员无法直接得到轧辊的线速度，只能通过观察设置在操作室的电流表、转速表，并根据经验，人工调整轧辊的转速设定值来减小二个轧辊线速度的差异，难以取得稳定的控制效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种穿孔机轧制功率平衡控制方法，该控制方法通过自动平衡穿孔机二个轧辊的轧制功率来减小二个轧辊线速度的差异，从而取得稳定的控制结果。

本发明是这样实现的：一种穿孔机轧制功率平衡控制方法，

是将检测到的穿孔机上、下辊驱动电机转速和电枢电压值输入PLC，并计算磁通量，并将磁通限幅值设置为驱动电机的额定磁通；

将检测到的电枢电流和PLC计算得到的磁通再计算出转矩M；

使用轧制信号来区分空载和负载时的转矩，负载转矩和空载转矩相减得到用于轧制的轧制转矩；

计算穿孔机上辊和下辊的轧制功率差ΔP_Z，

$\mathrm{\Δ}{P}_Z=\frac{M_{Z1}\×n_1-M_{Z2}\×n_2}{9550}$

对轧制功率差ΔP_Z进行极性判断，决定调整哪个轧辊的转速来实现二个轧辊的轧制功率平衡；

计算上辊需要施加的转速调整量Δn₁，由下式得：

${\mathrm{\Δn}}_1=n_1-\frac{(M_2-M_{K2})\×n_2}{M_1-M_{K1}}$ 式(1)

计算下辊需要施加的转速调整量Δn₂，由下式得：

${\mathrm{\Δn}}_2=n_2-\frac{(M_1-M_{K1})\×n_1}{M_2-M_{K2}}$ 式(2)

式中：M_K为空载转矩，P_K为空载功率，M_Z为用于轧制的转矩，P_Z为用于轧制的功率，P＝P_Z+P_K，M＝M_Z+M_K；下标1、2分别表示上辊和下辊；

选择使用功率平衡功能后，将式(1)或式(2)所计算的转速调整量Δn施加到转速设定上，即：

Δn_b＝n₀-n_s+Δn；    式(3)

式中：n₀为没调整时的初始转速设定值，n_b为功率完全平衡后的转速设定值，n_s为在功率平衡过程中的转速设定值，Δn_b为功率平衡结束时的转速调整量，Δn_s为已经施加的转速调整量，将式(1)或式(2)所计算的Δn作为剩余的转速调整量，其中：n_s＝n₀-Δn_s；

在功率平衡过程中，通过式(3)可保持所需要的转速调整量Δn_b，随着调整量的增加，二个轧辊的功率趋于平衡，轧制功率差ΔP_Z将减少，从而减少二个轧辊线速度的差异。

所述对轧制功率差ΔP_Z进行极性判断，选择电机驱动的轧辊转速由高速向低速变化。

本发明的工作原理是：在穿孔机上下二个轧辊受力F相同的情况下，如果二个轧辊的线速度V不同，将导致二个轧辊的轧制功率P不同(P＝F*V)，轧制功率的差异反映出二个轧辊线速度的差异，通过平衡二个轧辊的轧制功率，可减小二个轧辊线速度的差异。

考虑剔除空载时的功率差异影响，设空载转矩为M_K，空载功率为P_K，用于轧制的转矩为M_Z，用于轧制的功率为P_Z，P＝P_Z+P_K，M＝M_Z+M_K，下标1、2分别表示上辊和下辊；在进行转速调整时，为避免驱动电机转速超出允许的最高转速，采用降速调整方案，降低输出功率大的驱动电机转速。

当P_Z1＞P_Z2时，使1#驱动电机转速由n₁改变为(n₁-Δn₁)，平衡后P_Z1＝P_Z2

$\frac{(M_1-M_{K1})\×(n_1-\mathrm{\Δ}{n}_1)}{9550}=\frac{(M_2-M_{K2})\×n_2}{9550}$

则： ${\mathrm{\Δn}}_1=n_1-\frac{(M_2-M_{K2})\×n_2}{M_1-M_{K1}}$ 式(1)

当P_Z1＜P_Z2时，使2#驱动电机转速由n₂改变为(n₂-Δn₂)，平衡后P_Z1＝P_Z2

$\frac{(M_1-M_{K1})\×n_1}{9550}=\frac{(M_2-M_{K2})\×(n_2-\mathrm{\Δ}{n}_2)}{9550}$

则： ${\mathrm{\Δn}}_2=n_2-\frac{(M_1-M_{K1})\×n_1}{M_2-M_{K2}}$ 式(2)

在进行功率平衡过程中，随着功率平衡的进行，二个轧辊轧制功率的差值会逐渐减小，使用式(1)或式(2)所计算的Δn也将减小，轧制功率的差值又会变大，如果直接使用式(1)或式(2)的计算结果，将造成转速振荡，为避免振荡，需保持已有的转速调整量。

设：没调整时的初始转速设定值为n₀，功率完全平衡后的转速设定值为n_b，在功率平衡过程中的转速设定值为n_s，功率平衡结束时的转速调整量为Δn_b，已经施加的转速调整量为Δn_s，将式(1)或式(2)所计算的Δn作为剩余的转速调整量，则：

n_s＝n₀-Δn_s，n_b＝n_s-Δn＝n₀-Δn_b

Δn_b＝n₀-n_s+Δn；    式(3)

在功率平衡过程中，随着二个轧辊的轧制功率趋于平衡，虽然式(1)或式(2)计算出的Δn在逐渐减小，但通过式(3)可以保持所需要的转速调整量Δn_b。

本发明的积极效果：

本发明针对穿孔机二个轧辊之间的线速度差异问题，设计了一种平衡轧制功率的控制方法，通过自动平衡穿孔机二个轧辊的轧制功率来减小二个轧辊线速度的差异，解决了由于操作人员无法直接得到轧辊的实际线速度，只能依靠经验进行轧辊速度人工调整，难以取得好的控制效果的问题，使控制效果不受操作人员技能的影响，得到稳定的控制结果。

附图说明

图1为本发明穿孔机轧制功率平衡控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

某企业的穿孔机有二个轧辊，由二台直流电机分别驱动二个轧辊，电机参数如下：额定功率：2600KW，额定转速：230rpm，电枢额定电压：840V，电枢额定电流：3240A。

参见图1，将穿孔机上辊驱动电机的转速实际值n₁、电枢电压实际值U_a1、电枢电流实际值I_a1和下辊驱动电机的转速实际值n₂、电枢电压实际值U_a2、电枢电流实际值I_a2作为输入信号接入PLC的模拟量输入点，分别计算出上辊电机的磁通量C_MΦ₁(C_MΦ₁＝9.55*U_a1/n₁)的和下辊电机的磁通量C_MΦ₂(C_MΦ₂＝9.55*U_a2/n₂)，并将磁通量C_MΦ₁和C_MΦ₂的限幅值设置为34.88(9.55*840/230＝34.88)；并且分别计算出上辊电机的转矩M₁(M₁＝C_MΦ₁*I_a1)的和下辊电机的转矩M₂(M₂＝C_MΦ₂*I_a2)。

利用上辊电机电流实际值I_a1和下辊电机电流实际值I_a2来判断穿孔机是否在轧制状态，当上辊电机电流实际值I_a1和下辊电机电流实际值I_a2都大于一个比较值(本实施例中，根据穿孔机的情况，将比较值设为500A)时，判断为穿孔机处于轧制状态，输出“轧制信号”。

当“轧制信号”消失一段时间后，判断为穿孔机为空载状态，如某企业的穿孔机二次轧制之间的间隔约为8秒，取“轧制信号”消失3秒后为空载状态。在空载状态时，图1中的开关K5和K6分别连接到空载端，分别采集和存储转矩M₁和M₂作为上辊电机的空载转矩M_K1和下辊电机的空载转矩M_K2，为防止将刚开始轧制时的转矩误认为是空载转矩，空载转矩的采集时间只持续一秒。

当有轧制信号时，开关K5和K6分别连接到轧制端，将上辊电机轧制状态下的转矩M₁与空载转矩相减(M₁-M_K1)得到上辊的轧制转矩M_Z1，将下辊电机轧制状态下的转矩M₂与空载转矩相减(M₂-M_K2)得到下辊的轧制转矩M_Z2。

计算上辊和下辊轧制功率差ΔP_Z，

计算上辊需要施加的转速调整量Δn₁，由式(1)得：

${\mathrm{\Δn}}_1=n_1-\frac{(M_2-M_{K2})\×n_2}{M_1-M_{K1}};$

计算下辊需要施加的转速调整量Δn₂，由式(2)得：

${\mathrm{\Δn}}_2=n_2-\frac{(M_1-M_{K1})\×n_1}{M_2-M_{K2}};$

在没进行功率平衡时，穿孔机的上辊初始设定转速n₁₀和下辊初始设定转速n₂₀是相同的，即n₁₀＝n₂₀(在本实施例中，PLC内已经具有了n₁₀和n₂₀，所以不需要再次将n₁₀和n₂₀输入PLC)；当进行功率补偿时，随着功率补偿的进行，上辊和下辊的轧制功率差异减小，即Δn₁或Δn₂将减小。如果不采取措施，上辊和下辊的轧制功率又将失去平衡，Δn₁或Δn₂将再次增大，这样的重复过程会造成转速振荡，为避免出现这种情况，由图1中的“14”和“15”来保持已经施加的转速调整量，“14”输出上辊的转速调整量Δn_b1，“15”输出下辊的转速调整量Δn_b2。为避免转速突然变化造成轧辊与轧件之间打滑，避免转速突变对设备的冲击，将Δn_b1和Δn_b2分别通过斜率发生器“17”和“18”送给开关“19”和“20”。本实施例中，根据穿孔机的情况，将斜率设定为50rpm/s。

由图1中的选择开关“23”来选择是否使用功率平衡功能；图1中的“16”对上辊和下辊轧制功率差ΔP_Z进行极性判断，选择电机转速由高速向低速变化。当ΔP_Z的极性为“正”、并且选择了使用功率平衡功能时，图1中的开关“19”闭合(开关“20”处于断开状态)，将上辊的转速调整量Δn_b1送到“21”，由“21”将上辊初始设定转速n₁₀与转速调整量Δn_b1相减，得到转速调整后的上辊转速设定值n_s1(n_s1＝n₁₀-Δn_b1)，PLC将n_s1送到穿孔机上辊传动装置上来改变上辊电机转速，实施功率平衡。当ΔP_Z的极性为“负”、并且选择了使用功率平衡功能时，图1中的开关“20”闭合(开关“19”处于断开状态)，将下辊的转速调整量Δn_b2送到“22”，由“22”将下辊初始设定转速n₂₀与转速调整量Δn_b2相减，得到转速调整后的下辊转速设定值n_s2(n_s2＝n₂₀-Δn_b2)，PLC将n_s2送到穿孔机下辊传动装置上来改变下辊电机转速，实施功率平衡。在本实施例中，PLC向传动装置传送转速设定值的通道是已有的，不需要更改转速设定值传送通道。通过上述过程，实现了穿孔机二个轧辊之间的功率平衡，减小二个轧辊的线速度差异。

本发明通过自动同一机架的二个轧辊的轧制功率，可自动减小因轧辊尺寸误差所引起的二个轧辊线速度的差异，替代依靠操作人员经验对二个轧辊速度差异进行人工调整的方法，使控制效果不受操作人员技能的影响，得到稳定的控制结果。本发明适用于要求轧辊线速度一致的二辊轧机。

Claims (1)

1.一种穿孔机轧制功率平衡控制方法，其特征是：

将检测到的穿孔机上、下辊驱动电机转速和电枢电压值输入PLC，并计算磁通量，并将磁通量限幅值设置为驱动电机的额定磁通量；

将检测到的电枢电流和前述PLC计算得到的磁通量再运算后得出转矩M；

使用轧制信号来区分空载和负载时的转矩，负载转矩和空载转矩相减得到用于轧制的轧制转矩；

计算穿孔机上辊和下辊的轧制功率差ΔP_Z，

$\mathrm{\Δ}{P}_Z=\frac{M_{Z1}\×n_1-M_{Z2}\×n_2}{9550}$

对轧制功率差ΔP_Z进行极性判断，决定调整哪个轧辊的转速来实现两个轧辊的轧制功率平衡，在进行转速调整时，选择电机驱动的轧辊转速由高速向低速变化；

计算上辊需要施加的转速调整量Δn₁，由下式得：

$\mathrm{\Δ}{n}_1=n_1-\frac{(M_2-M_{K2})\×n_2}{M_1-M_{K1}}$ 式(1)

计算下辊需要施加的转速调整量Δn₂，由下式得：

$\mathrm{\Δ}{n}_2=n_2-\frac{(M_1-M_{K1})\×n_1}{M_2-M_{K2}}$ 式(2)

P＝P_Z+P_K，M＝M_Z+M_K；

式中：M_K为空载转矩，P_K为空载功率，M_Z为用于轧制的转矩，P_Z为用于轧制的功率，P为功率，下标1、2分别表示上辊和下辊；

选择使用功率平衡功能后，将式(1)或式(2)所计算的转速调整量Δn施加到转速设定上，即：

Δn_b＝n₀-n_s+Δn；式(3)

将式(1)或式(2)所计算的Δn作为剩余的转速调整量，其中：n_s＝n₀-Δn_s；

式中：n₀为没调整时的初始转速设定值，n_b为功率完全平衡后的转速设定值，n_s为在功率平衡过程中的转速设定值，Δn_b为功率平衡结束时的转速调整量，Δn_s为已经施加的转速调整量；

在功率平衡过程中，通过式(3)可保持所需要的转速调整量Δn_b，随着调整量的增加，两个轧辊的功率趋于平衡，轧制功率差ΔP_Z将减少，从而减少两个轧辊线速度的差异。