CN105327948A - 棒线材连轧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及<b>一种</b>棒线材连轧控制方法，其控制步骤是：首先计算得出无张力下机架S_i的轧制转矩T_si值；然后轧件头部P_zjtb在阶段T_i+1-2时，采集S_i+1机架初始速度V_i+1；再按照公式4，计算速度调节量△v；再单独调节S_i+1机架速度；再采用单机架调节模式，单独调节S_i+1机架速度；再次判断调节速度后轧件的张力值是否符合设定要求：再次轧件头部P_zjtb位于阶段T_i+1-4时，以逆向级调方式恢复S_i+1机架速度V_i+1′至S_i+1机架初始速度值V_i+1，以使S_i+1机架及其上游机架的速度和下游机架S_i+2速度保持匹配；最后本次张力调节结束。提高生产效率，降低操作人员劳动强度；提高产品质量，大幅减低调试阶段引起的产品废材；取得了显著的技术效果，也取得了明显的经济效益和社会效益。

Description

棒线材连轧控制方法

技术领域

本发明属于电气自动化控制技术领域，涉及一种连轧机轧机之间轧件张力调节的棒线材连轧控制方法。

背景技术

在连轧生产线中,尤其在棒线材连轧生产线中，理想的稳定轧制状态是轧件通过相邻两机架的秒流量（秒流量=V₁×S₁=V₂×S₂=V_i×S_i，式中V_i为i机架轧件速度，S_i为i机架轧件截面积，i为1、2、3、…、n，下同）相等。在实际生产过程中，相邻机架的速度不匹配，是导致机架间秒流量不相等的主要原因。

轧件张力的形成是由于相邻两机架间的秒流量之差引起的。如果上游i机架（轧件通过上游机架后，再进入下游机架轧制）秒流量比下游i+1机架秒流量小，即V_i×S_i＜V_i+1×S_i+1，那么轧件在i机架和i+1机架间是处于拉钢状态，此时的轧件张力称为正张力。在拉钢状态下，相邻轧机的轧件实际秒流量是相等的，如果不调节相邻轧机的速度，根据公式秒流量=V₁×S₁=V₂×S₂=V_i×S_i，为了保持秒流量的等量关系，那么通过下游机架的轧件截面就会被拉小，这样轧制产品的尺寸就会变小，影响产品质量。反之，如果上游i机架秒流量比下游i+1机架秒流量大，即V_i×S_i＞V_i+1×S_i+1，那么轧件在i机架和i+1机架间是处于堆钢状态，此时的轧件张力称为负张力。在堆钢状态下，会导致轧件截面尺寸偏大，影响产品质量。同时，在堆钢状态下，机架间的轧件容易形成弧形，极易引起堵钢等事故，导致生产中断。

在实际应用中，负张力轧制是需要尽量避免的。为了保证轧制过程的稳定性，使轧件保持一定的正张力M_iset进行轧制是目前常用的控制方法，称为张力控制。正张力M_iset的大小选择由轧件的特性确定，轧件的实际张力M_i在小于M_iset内轧制就能保证产品质量。所以，张力控制的目标是把轧件在机架间的实际张力值M_i控制在0～M_iset范围内，在实际应用中，M_iset由产品设计时给出，也常被称为设定张力值。

张力控制的目的是使连轧各机架之间的轧件在设定的张力范围内进行轧制。张力控制是保证棒线材轧机顺利轧制和提高产品质量的必要手段。张力调节控制是一个复杂的过程，棒线材连轧生产线一般采用“张力-速度”控制法。它的思路是：保持下游机架（S_i+1）的速度不变，通过测得上游机架的轧制转矩，计算机架张力变化，再转换成上游机架需调整速度的差值，调整上游机架的轧制速度，以达到理顺轧制过程，提高轧件质量的目的。

在实际应用中，在轧件尚未咬入下游机架（S_i+1）时，通过变频装置采集上游机架（S_i）的轧制转矩T_si值。当轧件咬入下游机架（S_i+1）后，再一次通过变频装置采集上游机架（S_i）的轧制转矩T_si′值，通过二者之差计算得出轧件的实际张力值。根据实际张力值M_i和设定张力值M_iset的差异，控制系统自动调整上游机架的速度设定，实现张力控制。

但这种调节方式存在如下问题：

在调节上游机架（S_i）速度的过程中，上游机架（S_i）变频装置的输出总的轧制转矩T_si′由三部分组成：

T_si′=T_si-T_siv-T_siz............公式1

式中T_si：无张力时的轧制转矩值

T_siv：速度变化所需转矩值

T_siz：张力变化引起的轧制转矩变化值。

其中无张力时的轧制转矩T_si在轧件尚未咬入下游机架（S_i+1）时，通过采集上游机架（S_i）变频装置的输出转矩，控制系统能得到较为准确的测量值。但是T_siv和T_siz是同时变化且相互影响的，上游机架（S_i）的变频装置和控制系统不能通过测量或者计算得出它们二者各自的值，所以在速度调节的过程中，控制系统就不能判断或计算轧件的实际张力变化情况，也就不能够建立速度和张力之间的反馈关系，张力调节只能形成开环控制，其调节的效率和效果势必较差。

在实际应用中，如图2、图3所示，P_zjtb为轧件头部位置，T_i-1、T_i-2、T_i-3、T_i-4、T_i-5为预先设定的区间，均由轧机自动化控制系统计算确定。当P_zjtb处于T_i-5区间（即P_zjtb∝T_i-5）时，为轧机S_i无张力时轧制转矩采样阶段，以此类推，T_i+1-1区间为轧机S_i+1咬钢阶段，T_i+1-2为轧件咬入机架S_i+1后，轧机S_i轧制转矩采样、张力和调节量计算阶段，T_i+1-3为张力调节阶段，T_i+1-5为轧机S_i+1无张力时轧制转矩采样阶段，i为机架1、2、…、n，现有张力控制方法包括如下步骤：

10）：当轧件头部处于轧机S_i无张力时轧制转矩采样阶段（即P_zjtb∝T_i-5）时，控制系统采集机架S_i变频装置输出的转矩，得出机架S_i无张力下的轧制转矩T_si值。

11）：当轧件头部位于阶段T_i+1-2，轧件张力M_i已经建立，再次采集机架S_i的轧制转矩T_si′值，

那么T_si-T_si′=M_i×π×（D/2）²×R/（9.8×i）......公式2

所以M_i=（T_si-T_si′）×9.8×i/（π×（D/2）²）......公式3

式中D：轧件直径（mm）

R：轧辊半径（m）

i：减速箱变比

T_si、T_si′：轧制转矩（Kg.m）

M_i:轧件实际张力值（Mpa）

根据公式3，计算出轧件的实际张力值M_i。

12）：计算速度调节量△v

△v=K_p（M_i-M_iset）+K_i（M_i-M_iset）.................公式4

式中K_p：比例调节系数

K_i：积分调节系数

M_iset：设定的张力值

M_i:轧件实际张力值

13）：当轧件头部处于T_i+1-3时，把速度调节量△v叠加到机架S_i的速度上，同时以级调方式调节上游机架速度。

14）：结束本次张力调节。

在现有控制方法中，控制系统在轧制一支轧件时仅仅调节张力一次，张力调节的效率很低。同时为了保证调节后轧制过程的稳定，轧件张力控制的速度调节量（△v）必须控制在较小的范围内，一般限幅在基准速度的±0.5%内，只能实现小幅、慢速的调节，严重限制了调节效果的发挥。

在实际生产中，张力调节往往需要轧制多支钢坯（一般需要4～5支）才能把轧件张力调节到设定范围内，轧件截面尺寸被拉小，严重影响产品的质量，极易产生大量的废品。调试过程费时长，严重影响了生产节奏，降低了生产效率。

发明内容

为克服上述的技术缺点，本发明提供一种棒线材连轧控制方法，它能够提高生产效率，降低操作人员劳动强度；提高产品质量，大幅减低调试阶段引起的产品废材；取得了显著的技术效果，也取得了明显的经济效益和社会效益。

本发明解决其技术问题所采用的技术方法是：一种棒线材连轧控制方法，其控制步骤是：

A）：轧件头部P_zjtb位于轧制转矩采样阶段T_i-5，采集变频装置输出转矩，计算得出无张力下机架S_i的轧制转矩T_si值；

B）：轧件头部P_zjtb在阶段T_i+1-2时，采集S_i+1机架初始速度V_i+1；

C）：采集机架S_i的轧制转矩T_si′值，按照M_i=（T_si-T_si′）×9.8×i/（π×（D/2）²）计算出轧件的实际张力值M_i，按照公式4，计算速度调节量△v；

D）：当轧件头部位置P_zjtb处于张力调节阶段T_i+1-3时，执行E）：采用单机架调节模式，单独调节S_i+1机架速度：

V_i+1′=V_i+1+△v................公式5

式中V_i+1′：调节后S_i+1机架的速度

V_i+1：S_i+1机架初始速度V_i+1

否者，跳转至G）：上游机架速度恢复；

E）：采用单机架调节模式，单独调节S_i+1机架速度；

F）：判断调节速度后轧件的张力值是否符合设定要求：如果满足M_i≤M_iset条件，则跳转步骤G）：进入速度恢复阶段T_i+1-4，以级调方式恢复S_i+1机架速度至记录S_i+1机架初始速度值V_i+1；如果不满足M_i≤M_iset条件，则跳转步骤C），继续进行调节；

G）：轧件头部P_zjtb位于阶段T_i+1-4时，以逆向级调方式恢复S_i+1机架速度V_i+1′至S_i+1机架初始速度值V_i+1，以使S_i+1机架及其上游机架的速度和下游机架S_i+2速度保持匹配；

H）：本次张力调节结束。

通过调节下游机架S_i+1的速度，以修改相邻机架（S_i和S_i+1）间轧件的张力，由于上游机架（S_i）速度保持相对稳定，T_siv分量就不存在，所以随着下游机架（S_i+1）速度的变化，公式1就简化为

T_si′=T_si-T_siz............公式6

则T_siz=T_si′-T_si............公式7

检测变频装置的输出轧制转矩T_si′，根据M_i=（T_si-T_si′）×9.8×i/（π×（D/2）²），就可以连续计算出轧件的张力M_i值，能建立速度和张力之间的连续反馈关系，进而可以对机架间张力进行闭环控制，实现张力的连续和快速调节。

本发明的有益效果是：提高生产效率，降低操作人员劳动强度；提高产品质量，大幅减低调试阶段引起的产品废材；取得了显著的技术效果，也取得了明显的经济效益和社会效益。具体而言，本发明的控制方法具有以下优点：

一、提高生产效率，作业率大幅提升

采用本发明的控制方法，在生产线工艺调试阶段，只需要轧制一支钢坯，系统就能自动完成张力的调节，并能达到预期目标。每一次生产线工艺调试阶段（如更换产品规格或轧槽等），可以节约3支钢坯以上。同时，在调试过程中不需要操作人员的频繁操作，大幅释放了工作量。目前，本发明的控制方法实现了国内同行张力调节效率和效果最好的水平。按照目前生产模式，每月至少60次生产线工艺调试，可以减少由此引起的废材量，也就是提高合格品产量60×3支×9.2吨/支=496.8吨，每吨废材和正品材差价按500元/吨计，则每月直接经济效益为：496.8吨×500元/吨=248400元，年经济效益为：248400元×12=2980800元。

二、提高了生产线的稳定性

采用本发明的控制方法，轧制过程能快速稳定，降低了轧制过程中的设备和生产故障率。采用本发明的控制方法后，更换规格和轧槽时的调试时间由传统的40分钟降低到现在的10分钟以内，每月可以增加生产时间30小时以上，机时产量为120吨，每吨钢材产生的利润为50元，则每月新增经济效益：30×120×50元=180000元，年新增经济效益：180000×12元=2160000元。

由于上述优点，本发明的控制方法，对类似的设备、类似的场合都具有很高的借鉴价值和广阔的实施推广意义。为业界提供了一种有效的张力控制方案。

附图说明

图1是表示连轧轧机控制系统的系统示意图。

图2是表示实现张力控制的控制时序图。

图3是现有控制方法控制流程图。

图4是表示实现张力控制的实施例控制流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

在本发明的连轧机架间张力调节的控制方法中，简而言之，就是通过调节下游单一机架的速度，消除了张力调节过程中控制系统不能实时检测轧件实际张力的因素，实现了张力的闭环控制。

根据本发明，可以实现连轧生产线相邻两机架间轧件张力的连续和快速调节，提高轧制效率和生产过程的稳定性，并且可以得到高精度的棒材产品。

实施例1：

如图1、图2和图4所示，S_i为连轧机架号，i为1、2、3、4、…、n，21、22、23、24、25、26为变频装置，30为通讯网络，40为PLC控制系统，41为远程I/O子站。PLC控制系统40和变频装置21、、22、23、24、25、26的数据（如速度、轧制转矩等）交换是通过通讯网络30传输的。

T_i-1，T_i-2，T_i-3，T_i-4，T_i-5，为轧件头部P_zjtb通过该区域的时间分段，该时间段由控制系统自动计算得出。其中T_i+1-1时间段为轧机S_i+1咬钢阶段，T_i+1-2时间段为轧件咬入机架S_i+1后，轧机S_i轧制转矩采样、张力和调节量计算阶段，T_i-3为张力调节阶段，T_i+1-4为轧机速度恢复段，T_i+1-5为轧机S_i+1无张力时轧制转矩采样阶段，依次类推。

包括控制步骤是：

A）：轧件头部P_zjtb位于轧制转矩采样阶段T_i-5，采集变频装置输出转矩，计算得出无张力下机架S_i的轧制转矩T_si值；

B）：轧件头部P_zjtb在阶段T_i+1-2时，采集S_i+1机架初始速度V_i+1；

C）：采集机架S_i的轧制转矩T_si′值，按照（公式3）计算出轧件的实际张力值M_i，按照公式4，计算速度调节量△v；

D）：当轧件头部位置P_zjtb处于张力调节阶段T_i+1-3时，执行E）：采用单机架调节模式，单独调节S_i+1机架速度：

V_i+1′=V_i+1+△v................公式5

式中V_i+1′：调节后S_i+1机架的速度

V_i+1：S_i+1机架初始速度V_i+1

否者，跳转至G）：上游机架速度恢复；

E）：采用单机架调节模式，单独调节S_i+1机架速度；

F）：判断调节速度后轧件的张力值是否符合设定要求：如果满足M_i≤M_iset条件，则跳转步骤G）：进入速度恢复阶段T_i+1-4，以级调方式恢复S_i+1机架速度至记录S_i+1机架初始速度值V_i+1；如果不满足M_i≤M_iset条件，则跳转步骤C），继续进行调节。

G）：轧件头部P_zjtb位于阶段T_i+1-4时，以逆向级调方式恢复S_i+1机架速度V_i+1′至S_i+1机架初始速度值V_i+1，以使S_i+1机架及其上游机架的速度和下游机架S_i+2速度保持匹配。

H）：本次张力调节结束。

本发明提高生产效率，降低操作人员劳动强度；提高产品质量，大幅减低调试阶段引起的产品废材；取得了显著的技术效果，也取得了明显的经济效益和社会效益。具体而言，本发明的控制方法具有以下优点：

一、提高生产效率，作业率大幅提升

采用本发明的控制方法，在生产线工艺调试阶段，只需要轧制一支钢坯，系统就能自动完成张力的调节，并能达到预期目标。每一次生产线工艺调试阶段（如更换产品规格或轧槽等），可以节约3支钢坯以上。同时，在调试过程中不需要操作人员的频繁操作，大幅释放了工作量。目前，本发明的控制方法实现了国内同行张力调节效率和效果最好的水平。按照目前生产模式，每月至少60次生产线工艺调试，可以减少由此引起的废材量，也就是提高合格品产量60×3支×9.2吨/支=496.8吨，每吨废材和正品材差价按500元/吨计，则每月直接经济效益为：496.8吨×500元/吨=248400元，年经济效益为：248400元×12=2980800元。

二、提高了生产线的稳定性

采用本发明的控制方法，轧制过程能快速稳定，降低了轧制过程中的设备和生产故障率。采用本发明的控制方法后，更换规格和轧槽时的调试时间由传统的40分钟降低到现在的10分钟以内，每月可以增加生产时间30小时以上，机时产量为120吨，每吨钢材产生的利润为50元，则每月新增经济效益：30×120×50元=180000元，年新增经济效益：180000×12元=2160000元。

由于上述优点，本发明的控制方法，对类似的设备、类似的场合都具有很高的借鉴价值和广阔的实施推广意义。为业界提供了一种有效的张力控制方案。

Claims (2)

1.一种棒线材连轧控制方法，其特征在于控制步骤是：

A）：轧件头部P_zjtb位于轧制转矩采样阶段T_i-5，采集变频装置输出转矩，计算得出无张力下机架S_i的轧制转矩T_si值；

B）：轧件头部P_zjtb在阶段T_i+1-2时，采集S_i+1机架初始速度V_i+1；

C）：采集机架S_i的轧制转矩T_si′值，按照M_i=（T_si-T_si′）×9.8×i/（π×（D/2）²）计算出轧件的实际张力值M_i，按照公式4，计算速度调节量△v；

D）：当轧件头部位置P_zjtb处于张力调节阶段T_i+1-3时，执行E）：采用单机架调节模式，单独调节S_i+1机架速度：

V_i+1′=V_i+1+△v................公式5

式中V_i+1′：调节后S_i+1机架的速度

V_i+1：S_i+1机架初始速度V_i+1

否者，跳转至G）：上游机架速度恢复；

E）：采用单机架调节模式，单独调节S_i+1机架速度；

F）：判断调节速度后轧件的张力值是否符合设定要求：如果满足M_i≤M_iset条件，则跳转步骤G）：进入速度恢复阶段T_i+1-4，以级调方式恢复S_i+1机架速度至记录S_i+1机架初始速度值V_i+1；如果不满足M_i≤M_iset条件，则跳转步骤C），继续进行调节；

G）：轧件头部P_zjtb位于阶段T_i+1-4时，以逆向级调方式恢复S_i+1机架速度V_i+1′至S_i+1机架初始速度值V_i+1，以使S_i+1机架及其上游机架的速度和下游机架S_i+2速度保持匹配；

H）：本次张力调节结束。

2.如权利要求1所述棒线材连轧控制方法，其特征是：通过调节下游机架S_i+1的速度，以修改相邻机架（S_i和S_i+1）间轧件的张力，由于上游机架（S_i）速度保持相对稳定，T_siv分量就不存在，所以随着下游机架（S_i+1）速度的变化，公式1就简化为

T_si′=T_si-T_siz............公式6

则T_siz=T_si′-T_si............公式7

检测变频装置的输出轧制转矩T_si′，根据M_i=（T_si-T_si′）×9.8×i/（π×（D/2）²），就可以连续计算出轧件的张力M_i值，能建立速度和张力之间的连续反馈关系，进而可以对机架间张力进行闭环控制，实现张力的连续和快速调节。