CN101992217A - 一种控制轧机水平平衡系统安全压力的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制轧机水平平衡系统安全压力的装置，该装置包括电气控制系统和通过数据线与之相连的液压执行系统，电气控制系统包括CPU、PI调节器、限幅发生器、输入输出板和压流转换模块，该装置可根据轧机不同的串动模式计算出对应的压力值，而后进行限幅，从而保证一个最小平衡力的输出。相应地，本发明还公开了一种控制轧机水平平衡系统安全压力的方法，该方法操作简便，能够保证系统长期了安全稳定的运行。

Description

一种控制轧机水平平衡系统安全压力的装置和方法

技术领域

本发明涉及金属轧制过程中使用的装置和方法，尤其涉及一种专门适用于金属轧机或其加工产品的控制设备和方法。

背景技术

目前冶金行业精轧机主轴水平平衡系统多采用压力闭环控制方式，系统实际压力值依靠模拟式压力开关进行相应的检测，在压力检测元器件损坏时，将触发逻辑保护。该系统对控制精度要求较高，由于压力检测元器件校准点漂移、工作状态不稳定等原因，经常产生虚假压力值或压力异常波动，又由于这种情形无法通过技术手段加以监控并施加保护，往往造成不可预期的后果。

比如在宝山钢铁股份有限公司厚板厂投产初期，就由于轧机主轴水平平衡控制系统的虚假压力值，造成轧机轧辊与扁头套脱开而导致重大事故，停机时间长达23.83小时，间接损失高达432万元，而同类型的压力控制系统在设备控制中的应用极为广泛，如何设计相应的技术方案并加以应用，以避免同类故障的再次出现，成为了现场控制环节中的一个急需解决的重大技术难题。宝山钢铁股份有限公司厚板厂5m精轧机控制系统为西门子设计，代表着目前世界上最先进厚板控制水平，国内绝大多数已建成与在建中的厚板轧机均采用了西门子引进技术。因此，目前世界上中厚板厂均使用与宝钢5m厚板轧机相同的控制方案，对类似故障以精密点检与事后维修的处理方式为主，缺乏相关的主动保护措施。

发明内容

本发明目的之一设计一种控制轧机水平平衡系统安全压力的装置，以保证该装置输出一个最小平衡力，避免因外界元器件发生错误的反馈信号而导致闭环调节出错，从而保证轧机的正常工作状态。

本发明的另一目的是，相应的提供一种控制轧机水平平衡系统安全压力的方法，通过该方法保证长期工作在强震动、高负荷状态下的轧机水平平衡系统能够安全稳定运行，完全避免上述类似的故障风险。

本发明的技术构思为通过将最小安全控制方法运用到精轧机的主轴平衡系统中，对水平平衡系统的压力控制进行适当限幅，设计出一种全新的、控制轧机水平平衡系统安全压力的装置。

根据本发明的上述目的，提出一种控制轧机水平平衡系统安全压力的装置，包括电气控制系统和液压执行系统，电气控制系统通过数据线与液压执行系统连接，所述电气控制系统包括：

一CPU，根据轧机的控制模式，计算出压力参考值；

一PI调节器，与所述CPU连接，接收CPU发送的压力参考值，对压力参考值进行比例积分调节，实现压力闭环控制；

一限幅发生器，一端与所述PI调节器连接，另一端与所述CPU连接，接收PI调节器调节后的压力值，将该压力值进行最小限幅后传输给CPU；

一输入输出板，与所述CPU连接，实现CPU与所述液压执行系统之间的数据交换；

第一压流转换模块，与所述输入输出板连接，将接收自CPU的压力值转换为电流信号。

优选地，所述电气控制系统还包括一斜坡发生器，设置于所述PI调节器和限幅发生器之间，用于对PI调节器调节后的压力值进行补偿控制，防止电气控制系统出现信号震荡。

优选地，所述液压执行系统包括：

一主轴装置，包括一主电机，一安全接手，一主轴和一十字接轴，所述主电机通过安全接手和主轴连接，所述主轴通过十字接轴和轧机的工作辊连接；

一位置编码器，设于所述主电机上，用于反馈主电机的实际位置；

一泵站油箱，作为液压执行系统的动力源；

一液压缸，固定在所述主轴上，与泵站油箱通过管路连接；

一比例阀，设在所述泵站油箱和液压缸活塞侧之间的管路上，且与所述电气控制系统的第一压流转换模块连接，接收第一压流转换模块传送的电流信号，调节阀的开度，以控制液压缸的动作；

第一压力检测器，设于所述比例阀和液压缸活塞侧之间的管路上，检测液压缸活塞侧实际压力值；

第二压流转换模块，一端连接第一压力检测器，接收来自第一压力检测器检测的实际压力值，另一端连接所述电气控制系统的输入输出板，将接收到的实际压力值反馈给输入输出板。

优选地，所述液压执行系统还包括：

第一换向阀，设于所述比例阀和泵站油箱之间的管路上，实现压力调节功能的投入与关闭；

第二换向阀，设于所述泵站油箱和液压缸有杆侧的管路上，实现压力调节功能的投入与关闭；

一溢流阀，与所述第二换向阀连接，用于所述液压执行系统油路过载时进行卸载。

优选地，所述液压执行系统还包括第二压力检测器，设于所述第二换向阀与液压缸有杆侧之间的管路上，与第二压流转换模块连接，检测液压缸有杆侧实际压力值，并将其传输给第二压流转换模块。

相应地，本发明还提供了一种控制轧机水平平衡系统安全压力的方法，包括以下步骤：

(1)根据轧机控制模式，由CPU计算压力参考值；

(2)将压力参考值传输至PI调节器，对压力参考值进行比例积分调节，以实现电气控制系统的稳定调节；

(3)将经过调节的压力值进行最小限幅控制，从而保证一个最小平衡力的输出；

(4)将经过限幅的压力值转换成电流信号，传输至液压执行系统的比例阀；

(5)比例阀根据该电流信号，调节阀的开度，从而通过控制泵站油箱的液体流量来控制液压缸的动作；

(6)液压缸活塞水平运动，带动主轴装置的水平串动，从而实现主轴的动态平衡。

优选地，该控制轧机水平平衡系统安全压力的方法还包括：实时检测液压执行系统中液压缸活塞侧或有杆侧的实际压力，并将该实际压力值反馈给CPU，与原CPU计算的参考压力值进行比较，从而实现系统的闭环控制。由于该步骤是一个实时检测反馈的过程，所以其不限于上述步骤(1)-(6)的排序。

优选地，该控制轧机水平平衡系统安全压力的方法还包括：实时检测液压执行系统中液压缸活塞侧和有杆侧的实际压力，并将该实际压力值反馈给CPU，与原CPU计算的参考压力值进行比较，从而实现系统的闭环控制。由于该步骤是一个实时检测反馈的过程，所以其不限于上述步骤(1)-(6)的排序。

优选地，所述步骤(2)中的参考压力值在经过PI调节器调节后，又由斜坡发生器进行补偿控制，防止电气控制系统出现信号震荡。

本发明由于采用了上述技术方案，保证了轧机最小平衡力的输出，从而避免了因压力检测器的误信号、校准点漂移、工作状态不稳定等原因，所产生的虚假压力值或压力异常波动而导致闭环调节出错的问题，实现了轧机的安全压力保护，并且从功能上恢复了轧机的正常功能，保证其能够长期工作在强震动、高负荷的状态下，同时又避免了相应设备损坏事故的发生。从而保证了生产正常运行，节省了人力、物力的投入，促进了生产效率的进一步提高。

附图说明

图1为本发明控制轧机水平平衡系统安全压力的装置结构示意图。

图2为本发明控制轧机水平平衡系统安全压力的装置中的电气控制系统结构框图。

图3为本发明控制轧机水平平衡系统安全压力的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1和图2所示，本发明控制轧机水平平衡系统安全压力的装置一种优选的结构包括电气控制系统P和通过数据线与之相连的液压执行系统。

其中电气控制系统P包括：

CPU15，根据轧机的控制模式，计算出压力参考值；

PI调节器16，与CPU15连接，接收CPU发送的压力参考值，对压力参考值进行比例积分调节，实现压力闭环控制；

斜坡发生器17，与PI调节器16连接，根据压力值的阶跃，针对电流峰值模式进行相应的补偿控制，从而防止电气控制系统出现信号震荡；

限幅发生器18，一端与斜坡发生器17连接，另一端与CPU15连接，接收斜坡发生器17调节后的压力值，在其一端设置最小限幅平衡力的比例值，进行最小限幅控制后将该压力值传输给CPU；

输入输出板19，与CPU15连接，接收CPU15传输的压力值；

第一压流转换模块20，与输入输出板19和液压执行系统连接，将接收的压力值转换为电流信号后传输给液压执行系统。

液压执行系统包括：

主轴装置，包括主电机2，其上设有反馈主电机实际位置的位置编码器1，安全接手3，主轴4和十字接轴5，主电机2通过安全接手3和主轴4连接，主轴4通过十字接轴5和轧机的工作辊连接；

泵站油箱13，作为液压执行系统的动力源；

液压缸6，固定在主轴4上，与泵站油箱13通过管路连接；

比例阀8，设在所述泵站油箱13和液压缸6活塞侧之间的管路上，且与电气控制系统P的第一压流转换模块20连接，接收第一压流转换模块20传送的电流信号，调节阀的开度，以控制液压缸6的往复动作；

第一换向阀9，设于比例阀8和泵站油箱13之间的管路上，实现压力调节功能的投入与关闭；

第二换向阀11，设于泵站油箱13和液压缸6有杆侧的管路上，实现压力调节功能的投入与关闭；

溢流阀12，与第二换向阀11连接，用于液压执行系统油路过载时进行卸载；

第一压力检测器7，设于比例阀8和液压缸6活塞侧之间的管路上，检测液压缸6活塞侧实际压力值；

第二压力检测器10，设于第二换向阀11与液压缸6有杆侧之间的管路上，检测液压缸6有杆侧实际压力值；

第二压流转换模块14，与第一压力检测器7和第二压力检测器10连接，接收来自第一压力检测器7和第二压力检测器10检测到的实际压力值，此外还与电气控制系统P中的输入输出板19连接，将接收到的实际压力值通过输入输出板19反馈给CPU15。

对应上述的装置，本发明还提供了一种控制轧机水平平衡系统安全压力的方法，根据轧机不同的工作模式算出不同的参考压力值，通过对压力值的调节和限幅，输出一个最小平衡力，从而保证系统的稳定运行。轧机CVC串动方向上一般有四种工作模式：平衡启动模式，即轧机处于轧制状态下的模式；轧机CVC正串模式；轧机CVC反串模式；平衡关闭模式，即轧机处于换辊状态下的模式。对应于各种模式，由CPU可计算出不同的压力参考值。此实施例中，平衡启动模式压力参考值＝100bar、轧机CVC正串模式压力参考值＝100bar、轧机CVC反串模式压力参考值＝65bar、平衡关闭模式压力参考值＝0bar。

本实施例选取轧机CVC正串模式，结合图3对该方法步骤进行详细描述：

1.根据轧机CVC正串模式，CPU计算出参考压力值为100bar。

2.将该压力参考值100bar输入至PI调节器内，实现压力闭环控制。PI调节器的比例(P)调节部分按照比例反应整个压力系统的偏差，一旦压力控制系统出现了偏差，比例调节会立即产生调节作用，用以减少存在的压力偏差，从而提高响应速度，减少误差。PI调节器的积分(I)调节部分，使压力控制系统消除静态误差，提高无差度，只要有误差存在，积分调节就进行，直至无差，积分调节才停止，并输出一常值。

3.斜坡发生器根据压力设定值的阶跃，针对电流峰值模式进行相应的补偿控制，防止电流峰值对液压系统可能产生的冲击和震荡。然后将斜坡发生器输出的压力值进行最小限幅控制，本实施例中最小限幅平衡力控制为轧机CVC正串模式压力参考值的25％，即25bar，保证一个最小平衡力的输出，从而避免因压力传感器的误信号而导致闭环压力调节出错，甚至是负输出的发生。该百分量可以在线调整。

4.将上述压力值传递至输入输出板TDC SM500模块，再由TDC SM500模块传输至第一压流转换模块，压流转换模块将-10～10V的电压信号转换为0～20mA的电流信号传递至液压执行系统。

5.0～20mA的电流信号输出至液压执行系统的比例阀上，来控制阀的开度，从而进一步控制液压缸动作。

6.液压缸的动作动态改变与其连接的主轴平衡力，从而方便轧机CVC串动控制工作辊。

此外与上述步骤平行进行的还有液压执行系统的第一压力检测器和第二压力检测器同时实时检测系统实际压力，并利用压流转换模块将该压力值从0～20mA的电流信号转换为-10～10V的电压信号，然后传输给输入输出板TDCSM500模块，最后反馈给CPU，与原CPU计算的参考压力值100bar进行比较，从而对系统进行进一步的调整和补偿控制，形成压力反馈回路。

上述控制轧机水平平衡系统安全压力的装置简单可靠，非常易于维护；且在基于该装置的控制方法的操作下，系统运行十分稳定，故障时间大幅减少。本发明设计简单，操作方便，因而具有广泛的实用性。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种控制轧机水平平衡系统安全压力的装置，其特征在于包括电气控制系统和液压执行系统，电气控制系统通过数据线与液压执行系统连接，所述电气控制系统包括：

一CPU，根据轧机的控制模式，计算出压力参考值；

一PI调节器，与所述CPU连接，接收CPU发送的压力参考值，对压力参考值进行比例积分调节，实现压力闭环控制；

一限幅发生器，一端与所述PI调节器连接，另一端与所述CPU连接，接收PI调节器调节后的压力值，将该压力值进行最小限幅后传输给CPU；

一输入输出板，与所述CPU连接，实现CPU与所述液压执行系统之间的数据交换；

第一压流转换模块，与所述输入输出板连接，将接收自CPU的压力值转换为电流信号。

2.如权利要求1所述的控制轧机水平平衡系统安全压力的装置，其特征在于所述电气控制系统还包括一斜坡发生器，设置于所述PI调节器和限幅发生器之间，用于对PI调节器调节后的压力值进行补偿控制，防止电气控制系统出现信号震荡。

3.如权利要求2所述的控制轧机水平平衡系统安全压力的装置，其特征在于所述液压执行系统包括：

一主轴装置，包括一主电机，一安全接手，一主轴和一十字接轴，所述主电机通过安全接手和主轴连接，所述主轴通过十字接轴和轧机的工作辊连接；

一位置编码器，设于所述主电机上，用于反馈主电机的实际位置；

一泵站油箱，作为液压执行系统的动力源；

一液压缸，固定在所述主轴上，与泵站油箱通过管路连接；

一比例阀，设在所述泵站油箱和液压缸活塞侧之间的管路上，且与所述电气控制系统的第一压流转换模块连接，接收第一压流转换模块传送的电流信号，调节阀的开度，以控制液压缸的动作；

第一压力检测器，设于所述比例阀和液压缸活塞侧之间的管路上，检测液压缸活塞侧实际压力值；

第二压流转换模块，一端连接第一压力检测器，接收来自第一压力检测器检测的实际压力值，另一端连接所述电气控制系统的输入输出板，将接收到的实际压力值反馈给输入输出板。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的控制轧机水平平衡系统安全压力的装置，其特征在于所述液压执行系统还包括：

第一换向阀，设于所述比例阀和泵站油箱之间的管路上，实现压力调节功能的投入与关闭；

第二换向阀，设于所述泵站油箱和液压缸有杆侧的管路上，实现压力调节功能的投入与关闭；

一溢流阀，与所述第二换向阀连接，用于所述液压执行系统油路过载时进行卸载。

5.如权利要求4所述的控制轧机水平平衡系统安全压力的装置，其特征在于所述液压执行系统还包括第二压力检测器，设于所述第二换向阀与液压缸有杆侧之间的管路上，与第二压流转换模块连接，检测液压缸有杆侧实际压力值，并将其传输给第二压流转换模块。

6.一种控制轧机水平平衡系统安全压力的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据轧机控制模式，由CPU计算压力参考值；

(2)将压力参考值传输至PI调节器，对压力参考值进行比例积分调节，以实现电气控制系统的稳定调节；

(3)将经过调节的压力值进行最小限幅控制，从而保证一个最小平衡力的输出；

(4)将经过限幅的压力值转换成电流信号，传输至液压执行系统的比例阀；

(5)比例阀根据该电流信号，调节阀的开度，从而通过控制泵站油箱的液体流量来控制液压缸的动作；

(6)液压缸活塞水平运动，带动主轴装置的水平串动，从而实现主轴的动态平衡。

7.如权利要求6所述的控制轧机水平平衡系统安全压力的方法，其特征在于：实时检测液压执行系统中液压缸活塞侧或有杆侧的实际压力，并将该实际压力值反馈给CPU，与原CPU计算的参考压力值进行比较，从而实现系统的闭环控制。

8.如权利要求6所述的控制轧机水平平衡系统安全压力的方法，其特征在于：实时检测液压执行系统中液压缸活塞侧和有杆侧的实际压力，并将该实际压力值反馈给CPU，与原CPU计算的参考压力值进行比较，从而实现系统的闭环控制。

9.如权利要求6-8中任意一项所述的控制轧机水平平衡系统安全压力的方法，其特征在于所述步骤(2)中的参考压力值在经过PI调节器调节后，又由斜坡发生器进行补偿控制，防止电气控制系统出现信号震荡。

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