CN106269907B - 一种基于轧件定位的运输辊道节能方法及其系统 - Google Patents

Abstract

一种基于轧件定位的运输辊道节能方法及其系统，该方法依据辊道速度对轧件的头尾部位置实时进行计算，依据轧件轧制前后的长度延伸，在轧件前进方向的头、尾部分别采取预启动和即刻停止的方式实现最大程度的辊道电机节点运行。该系统包括：计算机控制系统根据给定初值得出各区域轧件运动方程，实现轧件实时定位，并发出实时指令到电机驱动单元中，指令包含辊道驱动电机的转速设定值和启停时刻表，电机驱动单元据此给出各辊道驱动电机的启停指令，控制相应的辊道驱动电机运行或停止，各辊道驱动电机分别带动各自区域内的运输辊道本体转动。该方法实现了运输辊道的节能控制，避免了大面积的运输辊道空转现象，降低电力损耗、减少设备维护率的目的。

Description

一种基于轧件定位的运输辊道节能方法及其系统

技术领域

本发明涉及金属板带轧制生产线中轧件输送辊道机电系统控制领域，特别是设计了一种轧件定位与运输辊道节能控制方法及其系统。

背景技术

运输辊道是冶金企业轧制生产线上的常用设备，主要负责完成原材料或者轧件的移送和运输，现代冶金生产线上主要采用了每根辊道由一台交流电动机独立驱动的方式。作为主要的物料搬运手段，一般轧制线上的辊道电机数量庞大，总功率基本可以达到生产线总装机容量的一半左右，其耗电量在整个生产成本中也占有很大比重。由此带来的辊道电气系统节能问题也显得十分重要。根据轧制线的工艺要求和轧制节奏不同，用于传动辊道的电动机不需要长期处于运行工作状态，可以根据需要启停相应的辊道电机，由此来减少不必要的电能损耗。目前比较常用的辊道控制方法主要可以分为手动、自动和半自动方式，手动方式完全依赖操作人员在现场的判断，手动运行或停止辊道，这种方式与操作人员的操作习惯和轧件规格有极大关系，难以取得满意的辊道用电节能效果。自动方式是完全由轧制生产线的计算机控制系统根据轧制需要启停辊道电机，目前普遍采用的是根据轧线上布置的金属监测器的信号粗略跟踪轧件区域，将区域内的所有辊道电机全部启停运行，经常会导致半数以上辊道处于空载耗能状态。半自动状态是采用手动干预自动信号的方式，为辊道运行状态没有起到有效的改善。

本方法特别提出了一种基于轧件位置准确定位的辊道电气系统节能方法，通过对初始跟踪点的轧件位置的记忆，依据辊道速度对轧件的头尾部位置实时进行计算，并充分考虑轧件经过轧制前后的延展长度变化，在轧件前进方向的头、尾部分别采取预启动和即刻停止的方式实现最大程度的辊道电机节点运行，该方法对降低电能损耗、减少设备维护率具有重要意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于轧件定位的运输辊道节能方法，该方法降低了对金属检测器的依赖，依据辊道速度和轧制工艺参数下，以及考虑轧件轧制前后的延展长度变化和轧件轧制过程中的速度变化，对轧件头尾位置进行实时计算，由此得到辊道电机的启停状态，达到节能的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于轧件定位的运输辊道节能控制系统，该系统包括计算机控制系统、电机驱动单元、辊道驱动电机和运输辊道本体。

其中，所述计算机控制系统是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得期望的控制目的而构成的系统，辅助部件包括输入输出接口、检测装置和执行装置。在本发明中，根据现场轧制工艺参数和检测装置检测值得到计算机控制系统的输入初值，计算得到的启停时刻值输出给电机驱动系统；

所述电机驱动单元的输出与相应的辊道驱动电机接线端相连，根据计算机控制系统输出的启停时刻值设定辊道驱动电机的启停状态，并将轧制工艺参数中辊道转速设定值发送到相应的辊道驱动电机；

所述辊道驱动电机用于按照辊道转速设定值带动辊道转动，达到运输轧件的目的。一般地，每根辊道由一台交流电动机独立驱动。

所述运输辊道本体是承担托载运送轧件的机械设备，辊道本体由辊道驱动电机带动，辊道本体可以按照位置分布划分不同区域，各个区域内的辊道驱动电机由一台电机驱动单元控制。

本发明的目的是提供采用上述基于轧件定位的运输辊道节能控制系统的控制方法，步骤如下：

步骤1：计算机控制系统载入初值，初值包括：轧件初始长度l₀、运输辊道线速度v、运输辊道转速w、轧件入口厚度h₀、轧件出口厚度h₁、轧辊直径D(D＝2R)、轧制过程摩擦角β。

步骤2：计算机控制系统根据输入初值计算出轧件运动方程。轧件运动方程按照轧件所在区域不同分为三种运动状况：以轧件刚送入喂料区为计时起点。

在喂料区，认为轧件运动速度与运输辊道线速度v保持一致，确定轧件头部所在位置，根据轧件初始长度l₀，计算出轧件尾部所在位置；

在轧制区，根据体积不变原理，结合轧件入口厚度h₀、轧件出口厚度h₁、轧辊直径D和轧制过程摩擦角β，得到轧件头部和尾部的运动速度以及轧件轧制后的长度l₁，计算轧件头尾部所处位置以及轧制过程所需时间T；

在出料区，轧件运动速度与运输辊道线速度v保持一致，结合轧件轧制后长度l₁，确定轧件在出料区的运动方程。

步骤3：根据轧件在不同区域的运动方程，得到启停时刻值和辊道驱动电机转速设定值。启停时刻表记录轧件头部和尾部到达各个区域边缘位置的时刻，辊道驱动电机转速设定值决定了运输辊道的转速。

步骤4：将计算得到的辊道驱动电机转速设定值和启停时刻值发送到电机驱动单元。

步骤5：电机驱动单元根据转速设定值控制辊道驱动电机的转速，根据启停时刻值控制各分区的辊道驱动电机启停状态。此外，运输辊道在轧件轧制过程中只起到支撑的效果，轧件的运输依赖于轧辊，辊道驱动电机全部处于停止状态。

本发明的有益效果是，由于采用上述技术方案，本发明所提供的基于轧件定位的运输辊道节能方法，相对于传统的手动、自动和半自动的辊道控制方法，减少了对人力和金属检测器的依赖，实现了轧件定位和运输辊道的节能控制，避免了大面积的运输辊道空转现象，达到了降低电力损耗、提高设备运行寿命的目的。

附图说明

图1为系统构成示意图。

图2为运输辊道节能方法的逻辑框图。

图3为轧件在轧制过程中的示意图。

图4为判断轧件位置流程图。

具体实施方式

下面结合附图和轧制过程中的基本原理，对依据本发明提出的运输辊道节能方法的具体实施方式及工作原理进行详细说明。

如图1所示，系统主要部件包含1计算机控制系统、2电机驱动单元、3辊道驱动电机、4运输辊道本体。计算机控制系统根据给定初值得到计算结果，发出实时指令到电机驱动单元中，指令包含辊道驱动电机的转速设定值和启停时刻值，电机驱动单元据此给出各辊道驱动电机的启停指令，控制相应的辊道驱动电机运行或停止，各辊道驱动电机分别带动各自区域内的运输辊道本体转动，起到运输轧件的作用。

下面结合图2、图3对计算机控制系统的计算过程进行详细的说明。

如图2所示，以运输辊道总体会分为7个区域为例，编号分别为0、1、2、3、4、5、6，定义其中0、1、2为喂料区，3为轧制区，该区域范围为，以轧件前端刚接触轧辊时轧件末端所在位置为起点，以轧件末端刚出轧辊时轧件前端所在位置为终点，轧制区默认长度为轧件轧制前的长度和轧制后的长度之和，4、5、6为出料区。

为了便于分析，有以下处理：

以区域0的左边界和运输辊道所在直线的交点为坐标原点，以运输辊道所在直线为坐标轴，正方向如图1标注所示；

认为轧件前端刚进入区域0的时刻为计时零点；

认为各个区域的宽度一致；

轧件头部处在区域左边缘或者区域内时，认为头部在当前区域，轧件头部处在区域右边缘时，认为头部在当前区域的下一区域；

轧件尾部处在区域左边缘或者区域内时，认为尾部在当前区域，轧件尾部处在区域右边缘时，认为尾部在当前区域的下一区域；

认为轧件如果不在轧制过程中，轧件为匀速运动，速度与运输辊道线速度相同。

图2中A₀、A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆、A₇为各个区域入口到坐标原点(即A₀)的距离，认为各个区域宽度为d，可以计算出A_i(i＝0…7)的值。

根据轧件的运动情况，可以得到轧件前后端分别到达各个区域入口的时间值。

下面进行详细说明：

轧件前端位置记为S₁(t)，末端位置记为S₂(t)，轧件初始长度记为l₀，轧件轧制后的长度记为l₁，轧制前后均有等式S₁(t)-S₂(t)＝l_i(i＝0,1)，可以看出，根据轧件前端位置和轧件长度就可以计算出轧件末端位置。

在喂料区，轧件运动速度与运输辊道线速度相同，记为v_g。轧件前端刚进入区域0的时刻为计时零点T₀＝0，所以S₁(0)＝A₀＝0，轧件的运动方程为设轧件前端S₁(t)到达A₁、A₂、A₃的时间T₁、T₂、T₃，由v_gT_i＝A_i(i＝1,2,3)可以求出T₁、T₂、T₃的值，设轧件末端S₂(t)到达A₁、A₂、A₃的时间为t₁、t₂、t₃，由v_gt_i-l₀＝A_i(i＝1,2,3)可以求出t₁、t₂、t₃的值。

根据轧制区分区的标准，即以轧件前端刚接触轧辊时轧件末端所在位置为起点，以轧件末端刚出轧辊时轧件前端所在位置为终点，则在t₃时刻轧件前端正好接触轧辊(此时轧件末端在A₃处)，轧制过程开始。

图3为轧件在轧制过程中的示意图，认为轧件无宽展，且轧件沿每一高度断面上质点变形均匀，其运动的水平速度一样。如图3所示，轧件出口厚度为h，出口速度为v_h，轧件入口厚度为H，入口速度为v_H，轧辊的圆周速度为v，轧辊半径为R，h_γ为中性面处轧件高度，v_γ为中性面处轧件的水平速度，α为咬入角，β为摩擦角，γ为中性角。下面推导轧件的出口速度v_h和入口速度v_H：

由Δh＝H-h＝2R(1-cosα)求得咬入角α；

由求得中性角γ；

由h_γ＝h+2R(1-cosγ)求得中性面处轧件高度h_γ；

由v_γ＝vcosγ求得中性面处轧件的水平速度v_γ。

变形区任意一点轧件的水平速度可以用体积不变条件计算，忽略宽展，可以得出：

和l₀H＝l₁h

得到出口速度和轧制后轧件长度

根据轧制区分区的标准，即以轧件前端刚接触轧辊时轧件末端所在位置为起点，以轧件末端刚出轧辊时轧件前端所在位置为终点，则在轧件前端到达A₄处时，轧件末端刚好出轧辊，轧制过程结束，轧件进入出料区，轧制过程所用时间记为T，则有：

设轧件前端到达A₄处的时间为T₄，可以求出T₄＝t₃+T。

轧件在出料区运动方程为设轧件前端S₁(t)到达A₅、A₆、A₇的时间为T₅、T₆、T₇，由4d+v_g(T_i-T₄)＝A_i(i＝5,6,7)可以求出T₅、T₆、T₇的值，设轧件末端S₂(t)到达A₅、A₆、A₇的时间为t₅、t₆、t₇，由4d+v_g(t_i-T₄)-l₁＝A_i(i＝5,6,7)可以求出t₅、t₆、t₇的值。

根据上述计算结果，可以得到辊道驱动电机的启停时刻值t_i(i＝1,2,3,5,6,7)和T_i(i＝1,2,3,4,5,6,7)，启停规则为为：当轧件前端刚进入该区域时，启动该区域电机；当轧件末端刚进入该区域时，关闭上一区域电机；当轧件在轧制过程中，认为轧件的运动依赖轧辊，运输辊道起到支撑作用，各区域电机都为停止状态。

：当t＝T_i时，启动第i区域(i＝0…7)的电机；当t＝t_i时，关闭第i-1区域(i＝1,2,5,6,7)的电机；当t＝t₃时，轧制过程开始，关闭所有区域电机。

根据上述计算结果，还可以实时确定轧件位置，如图4所示。

判断时刻t<t₃是否成立，若成立，则认为轧件在喂料区，根据喂料区轧件运动方程确定轧件具体位置；若不成立，判断时刻t>T₄是否成立，若成立，则认为轧件在出料区，根据出料区轧件运动方程确定轧件具体位置；若不成立，则判断轧件处在轧制过程中，此时所有区域的辊道驱动电机处于停止状态。

Claims (1)

1.一种基于轧件定位的运输辊道节能方法，实现该方法的系统的结构为：该系统包括计算机控制系统、电机驱动单元、辊道驱动电机和运输辊道本体；

其中，所述计算机控制系统用于根据现场轧制工艺参数和检测装置检测值得到计算机控制系统的输入初值，计算得到的启停时刻值输出给电机驱动单元；

所述电机驱动单元的输出与相应的辊道驱动电机接线端相连，根据计算机控制系统输出的启停时刻值设定辊道驱动电机的启停状态，并将轧制工艺参数中辊道转速设定值发送到相应的辊道驱动电机；

所述辊道驱动电机用于按照辊道转速设定值带动辊道转动，达到运输轧件的目的；每根辊道由一台交流电动机独立驱动；

所述运输辊道本体是承担托载运送轧件的机械设备，辊道本体由辊道驱动电机带动，辊道本体可以按照位置分布划分不同区域，各个区域内的辊道驱动电机由一台电机驱动单元控制；该方法利用计算机控制系统载入的初始值，所术初始值包括：轧件初始长度、运输辊道线速度、运输辊道转速、轧件入口厚度、轧件出口厚度h、轧辊直径，、轧制过程摩擦角，结合轧件轧制过程中的延展长度变化，得到轧件在不同区域的运动方程，实现轧件的实时定位，通过分析轧件与各区域边缘的相对位置，得到辊道驱动电机的启停时刻表，电机驱动单元根据启停时刻表给出各辊道驱动电机的启停指令，控制相应的辊道驱动电机运行或停止，避免了大面积的运输辊道空转现象，实现了运输辊道的节能控制，其特征在于，该方法的具体步骤如下：

步骤1：计算机控制系统启动，载入初始值，所述初始值包括：轧件初始长度、运输辊道线速度、运输辊道转速、轧件入口厚度、轧件出口厚度h、轧辊直径，、轧制过程摩擦角；

步骤2：计算机控制系统根据步骤1输入初值得到轧件运动方程（1），轧件运动方程按照轧件所在区域不同分为三种运动状况：

以轧件刚送入喂料区为计时零点和位置零点，

当扎件位于喂料区时，轧件运动速度与运输辊道线速度保持一致，根据轧件运动方程确定轧件头部所在位置，根据轧件初始长度，计算出轧件尾部所在位置，

方程如下所示：

　　　　　　　（1）

式中，为轧件前端位置，为末端位置，为轧件初始长度，Vg为轧件运动速度，Vg=，ｔ为以轧件刚送入喂料区作为计时起点的轧件运动时间；

当轧件位于轧制区，轧件跟随轧辊运动，此时不涉及辊道的控制，以求解轧件在轧制区的运动时间为目标，过程如下：根据轧件入口厚度、轧辊直径和轧件出口厚度求得咬入角；根据咬入角和轧制过程摩擦角求得中性角；根据中性角、轧件出口厚度和轧辊直径求得中性面处轧件高度；为中性面处轧件的水平速度，由轧辊的圆周速度求得；根据体积不变原理，结合以上各物理量求得轧件出口速度V_h和轧制后轧件长度l₁；

（2），

式中：V_h为扎件出口速度，为中性面处轧件高度，为中性面处轧件的水平速度，为轧件出口厚度；

（3） ，

式中，l₁为轧制后轧件长度，为轧件入口厚度，为轧件出口厚度, 轧件初始长度;

轧件末端刚好出轧辊，轧制过程结束，轧件进入出料区，轧制过程所用时间记为，则有：

（4） ；

设轧件末端刚好出轧辊的时刻设为，可以求出；其中，为轧件前端刚进入轧辊的时刻；

在出料区，轧件运动速度与运输辊道线速度保持一致，结合轧件轧制后长度，确定轧件在出料区的运动方程：

(5)

式中，ｌ₁为轧制后轧件长度，ｔ为以轧件刚送入喂料区作为计时起点的轧件运动时间，Ｔ_out为轧件末端刚好出轧辊的时刻，4d的含义是指从轧件前端刚进入喂料区到轧件末端刚出轧制区的时间内轧件前端运动的距离,为轧件头部所在位置，S₂（x）为轧件尾部所在位置;

步骤3：根据轧件在不同区域的运动方程，得到启停时刻值和辊道驱动电机转速设定值,启停时刻值对应轧件头部和尾部到达各个区域边缘位置的时刻;

步骤4：将计算得到的辊道驱动电机转速设定值和启停时刻值发送到电机驱动单元；

步骤5：电机驱动单元根据转速设定值控制辊道驱动电机的转速，根据启停时刻值控制各分区的辊道驱动电机启停状态,此外，运输辊道在轧件轧制过程中只起到支撑的效果，轧件的运输依赖于轧辊，辊道驱动电机全部处于停止状态；

步骤6.实时确定轧件位置，步骤如下：

首先判断是否成立，若成立，则认为轧件在喂料区，根据喂料区轧件运动方程确定轧件具体位置；

若不成立，则判断时刻是否成立，若成立，则认为轧件在出料区，根据出料区轧件运动方程确定轧件具体位置；

若不成立，则判断轧件处在轧制过程中，此时所有区域的辊道驱动电机处于停止状态。