DD261661A1

DD261661A1 - SIMULATION SYSTEM FOR ROLLERS

Info

Publication number: DD261661A1
Application number: DD30358987A
Authority: DD
Inventors: Rudolf Schulze; Armin Elkershausen; Hermann Schwind; Rolf Sommer; Friedrich Vettermann
Original assignee: Leipzig Metallurgieelektronik
Priority date: 1987-06-09
Filing date: 1987-06-09
Publication date: 1988-11-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Simulationssystem zur Berechnung und Ermittlung von Anlagen-, Produktions- und Qualitaetsparametern fuer eine Walzstrasse auf mathematisch-physikalischer Grundlage, das durch die organisierte Zusammenarbeit von schwungmassebehafteten Modellantriebsmotoren mit einer Recheneinheit den komplexen thermo-mechanischen Verformungsprozess an einer Walzstrasse zeitecht oder in einem einstellbaren Zeitmassstab abbilden kann. Das Simulationssystem erhaelt Drehzahlen und Drehwinkel von Sensoren, die am Wellenstumpf der Modellantriebsmotoren angebracht sind und liefert die Spannungen fuer die Stellglieder der Modellantriebsmotoren, die den berechneten Lastmomenten entsprechen. Die zur Bildung der Beschleunigungsmomente erforderliche Momentendifferenzbildung wird nicht mechanisch, sondern elektrisch in den Stell- und Regeleinrichtungen vorgenommen.The invention relates to a simulation system for the calculation and determination of plant, production and quality parameters for a rolling mill on a mathematical-physical basis, the timely real or in one through the organized cooperation of inertia model drive motors with a computing unit the complex thermo-mechanical deformation process on a rolling mill can represent adjustable time scale. The simulation system receives rotational speeds and angles of rotation from sensors mounted on the stub shaft of the model propulsion engines and provides the voltages for the actuators of the model propulsion engines that correspond to the calculated load torques. The torque difference formation required to form the acceleration torques is not performed mechanically but electrically in the control and regulating devices.

Description

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein wirtschaftlich realisierbares Verfahren für die modellmäßige Ermittlung der Produktions-, Qualitätsund Automatisierungsparameter von Walzstraßen zu entwickeln, das im Echtzeitbetrieb anwendbar ist.The aim of the invention is to develop an economically feasible method for the model-based determination of the production, quality and automation parameters of rolling mills, which can be used in real-time operation.

Explanation of the essence of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung bei der Simulation einer Walzstraße mit unterschiedlichen Zielrichtungen immer eine möglichst originalgetreue Nachbildung des Antriebsmassesystems eines Walzgerüstes zu erreichen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem ein elektrischer Modellantriebsmotor mit Schwungmasse und Sensoren für Drehwinkel und Drehzahl auf seiner Welle verwendet wird, der über eine Stell- und Regeleinrichtung zusammen mit einer Recheneinrichtung arbeitet. Die Zusammenarbeit zwischen der Recheneinrichtung und den Modellantriebsmotoren ist so gestaltet, daß von der Recheneinrichtung entsprechend dem augenblicklichen Simulationszustand Drehzahl- und Belastungsmomentsollwerte zu den Stell- und Regeleinrichtungen ausgegeben werden, wobei die Recheneinrichtung von den Sensoren der Modellantriebe Informationen über den augenblicklichen Bewegungszustand des Masseantriebssystems erhält. Diese Informationen werden für die Simulation des thermomechanischen Verformungsprozesses und für die Veränderung der Sollwerte verwendet. Die zur Bildung der Beschleunigungsmomente erforderliche Momentendifferenzbildung wird nicht mechanisch, sondern elektrisch in den Stell- und Regeleinrichtungen vorgenommen.It is an object of the invention in the simulation of a rolling mill with different objectives always to achieve as faithful as possible replica of the drive mass system of a rolling mill. According to the invention the object is achieved by an electric model drive motor with flywheel and sensors for rotation angle and speed is used on its shaft, which operates via an adjusting and regulating device together with a computing device. The cooperation between the computing device and the model drive motors is designed to output speed and load torque setpoints to the actuators from the computing device in accordance with the current simulation state, the computing device receiving information about the instantaneous state of motion of the mass drive system from the model drive sensors. This information is used to simulate the thermomechanical deformation process and to change the setpoints. The torque difference formation required to form the acceleration torques is not performed mechanically but electrically in the control and regulating devices.

Ein Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht darin, daß ohne Aufgabe der Echtzeitforderung die Drehzahlen des Modellantriebsmotors und des Walzenantriebsmotors nicht gleich sein müssen, sondern sich um einen Drehzahlfaktor cn = n/nm unterscheiden können, der lediglich bei der Berechnung der Schwungmasse und als weiterer Proportionalitätsfaktor für die mit der Stell- und Regeleinrichtung ausgetauschten Informationen berücksichtigt werden muß. Dadurch kann die Modellschwungmasse verkleinert und der Modellantriebsmotor in einen für die jeweilige Aufgabe günstigen Drehzahlbereich gebracht werden.An advantage of the proposed solution is that without abandoning the real-time requirement, the speeds of the model drive motor and the roller drive motor need not be the same, but can differ by a speed factor cn = n / nm, the only in the calculation of the flywheel and as a further proportionality factor for the information exchanged with the adjusting and regulating device must be taken into account. As a result, the model flywheel can be reduced and the model drive motor can be brought into a speed range which is favorable for the respective task.

embodiment

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungstjeispiels in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3 näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to a Ausführungsstjeispiels in conjunction with Figures 1 to 3.

Figur 2 zeigt einen Abschnitt einer Walzstraße zum Walzen von Warmband mit einem Ofen 9, einem Walzgerüst 11 als Vorgerüst und einer Fertigstaffel 7. Im Vorgerüst 11 wird eine Stahlbramme 8 bei einem Walzvorgang (Stich) durch die Walzkraft F_w zusammengedrückt, wobei sie an Länge und Breite zunimmt. Um die geforderte Enddicke des Vorbandes zu erreichen, sind im allgemeinen mehrere Stiche erforderlich, in denen die Bramme 8 abwechselnd vorwärts und rückwärts das Walzgerüst 11 durchläuft. Das Vorband wird in der z.B. 5gerüstigen Fertigstaffel 7 kontinuierlich weitergewalzt mit von Gerüst zu Gerüst berechneten Dickenabnahmen, so daß hinter dem letzten Gerüst das Fertigband die geforderte Enddicke in einem engen Toleranzbereich hat. Die Gerüste der Fertigstaffel 7 sind drehzahl- und momentenmäßig über das Walzgut und über den Verformungsprozeß, der abhängig von der Dickenabnahme die Verlängerung des Bandes bewirkt, miteinander gekoppelt, wobei rückwirkend der Bandzug, resultierend aus den Drehzahlunterschieden benachbarter Gerüste, den Verformungsprozeß beeinflußt.FIG. 2 shows a section of a rolling train for hot strip rolling with a furnace 9, a stand 11 and a finishing stand 7. In the stand 11, a steel billet 8 is compressed in a rolling process (stitch) by the rolling force F _w while being lengthwise and width increases. In order to achieve the required final thickness of the pre-strip, several passes are generally required in which the slab 8 alternately forward and backward passes through the rolling mill 11. The pre-strip is continuously further rolled in, for example, five-stand finishing stack 7 with thickness decreases calculated from stand to stand, so that behind the last stand the finished strip has the required final thickness within a narrow tolerance range. The stands of the finishing stack 7 are rotational speed and torque on the rolling stock and on the deformation process, which causes the extension of the strip depending on the thickness decrease coupled with each other, wherein retroactively the strip tension, resulting from the speed differences of adjacent stands, affects the deformation process.

Der Bearbeitungsvorgang beginnt mit der Brammenerwärmung im Ofen 9, aus dem die Bramme 8 zum Zeitpunkt ti mit der Temperatur T1 entnommen wird. Über den Rollgang 10 führt man sie mit der Geschwindigkeit vr dem Walzgerüst 11 zu,aandem sie zum Zeitpunkt t2 mit der Temperatur T2 ankommt. Dieser Vorgang wird durch die Recheneinrichtung 1 simuliert, die die Zeit t2 = ti + si/vrund die TemperaturT2 berechnet und das Ankommen der imaginären Bramme 8 am Walzgerüst 11 fixiert. Die vom Walzenantriebsmotor 13 über Kupplung und Getriebe angetriebenen Arbeitswalzen haben zum Zeitpunkt 12 eine niedrige Drehzahl, die das Erfassen der Bramme 8 zwischen den Arbeitswalzen im Walzspalt ermöglichen soll. Danach wird eine Drehzahlsteigerung bis zur maximalen Drehzahl des Antriebes angestrebt. Der Walzenantriebsmotor 13 muß während der Beschleunigung neben dem Walzmoment Mw das Beschleunigungsmoment der Bramme Mb und das Eigenträgheitsmoment Me einschließlich aller angetriebenen Massen sowie das Moment zur Überwindung der Lagerreibungen Mr aufbringen. Das Antriebsmoment Ma setzt sich bei gegebener Beschleunigung zusammen aus einem für eine gegebene Walzstraße konstanten Moment Me und einem als Lastmoment bezeichneten, von verschiedenen Prozeßbedingungen abhängigen, variablen Teil Ml = Mw + Mb + Mr.The machining process begins with the slab heating in the furnace 9, from which the slab 8 is removed at the time ti with the temperature T1. Via the roller table 10, they are guided at the speed vr to the roll stand 11, aand they arrive at the time t2 with the temperature T2. This process is simulated by the computing device 1, which calculates the time t2 = ti + si / vr and the temperature T2 and fixes the arrival of the imaginary slab 8 on the rolling stand 11. The driven by the roller drive motor 13 via the clutch and gear work rolls have a low speed at 12, which is to allow the detection of the slab 8 between the work rolls in the nip. Thereafter, a speed increase up to the maximum speed of the drive is sought. The roller drive motor 13 must apply during the acceleration in addition to the rolling moment Mw, the acceleration torque of the slab Mb and the moment of inertia Me including all driven masses and the moment to overcome the bearing friction Mr. At a given acceleration, the drive torque Ma is composed of a constant moment Me, which is constant for a given rolling train, and a variable part Ml = Mw + Mb + Mr., which is referred to as a load torque and is dependent on various process conditions.

Die Simulation dieses Vorganges wird mit Hilfe des Modellantriebsmotors 2 und der Schwungmasse 3 im Wechselspiel mit der Recheneinrichtung 1 vorgenommen.The simulation of this process is carried out with the help of the model drive motor 2 and the flywheel 3 in interplay with the computing device 1.

Ist c = M/Mm das Modellverhältnis der maximalen Antriebsmomente M und Mm von Walzenantriebsmotor 13 und Modellantriebsmotor 2 und Mem = Me/c das Beschleunigungsmoment der im Modellverhältnis verkleinerten Eigenmasse des Modellantriebsmotors 2 samt Schwungmasse 3 und Sensoren 4; 6 auf seiner Welle, so muß der Modellantriebsmotor 2 mit dem Lastmoment Mim = Ml/c belastet werden, um in der gleichen Zeit von der Drehzahl nm1 bis zu nm2zu gelangen wieder simulierte Walzenantriebsmotor samt Walzgerüst 11 von η 1 zu η 2. Für die Massenbeschleunigung dient nur das Differenzmoment Mm-MIm und es liegt nahe, diese Differenz durch zwei gegeneinander geschaltete Modellantriebsmotoren 2 zu simulieren. Erfindungsgemäß wird jedoch die Differenzbildung in die Stell- und Regeleinrichtung 5 verlegt. Im Beispiel wurde bereits vor dem Zeitpunktt2 vom Rechner 1 an die Stell- und Regeleinrichtung 5 der Drehzahlsollwert Uz 1 für die Anfangsdrehzahl nm1 ausgegeben (Figur 3). Aus diesem Sollwert wird im Drehzahlregler der Stell-und Regeleinrichtung 5 in bekannter Weise die Regelabweichung und daraus der Ankerstromsollwert Uis gebildet. Da noch keine Walzkraft vorhanden ist, ist das Lastmoment Ml angenähert = 0 und der Ankerstromsollwert Uis ruft im Modellantriebsmotor 2 einen Ankerstrom la 1 und ein Antriebsmoment Ma 1 = f(la 1) hervor, das den Motor 2 mit seiner Schwungmasse 3 solange beschleunigt, bis er die dem Drehzahlsollwert entsprechende Drehzahl nm 1 erreicht hat. Den Drehzahlistwert Un für den Sollwert-Istwert-Vergleich liefert der Drehzahlsensor 4. Der Drehzahlistwert Un wird außerdem umgewandelt in die digitale Drehzahlgröße nm, die zur Berechnung der drehzahlabhängigen Größen Walzkraft Fw, Walzmoment Mw, Reibungsmoment Mr undIf c = M / Mm is the model ratio of the maximum drive torques M and Mm of roller drive motor 13 and model drive motor 2 and Mem = Me / c is the acceleration torque of the model reduced ratio of net mass of the model drive motor 2 including flywheel 3 and sensors 4; 6 on its shaft, so the model drive motor 2 must be loaded with the load torque Mim = Ml / c to get in the same time from the speed nm1 to nm2 again simulated roller drive motor together with roll stand 11 of η 1 to η 2. For the mass acceleration only the differential torque Mm-MIm is used and it makes sense to simulate this difference by two model drive motors 2 connected against each other. According to the invention, however, the difference is placed in the adjusting and regulating device 5. In the example, the speed setpoint value Uz 1 for the initial rotational speed nm1 was output by the computer 1 to the control and regulation device 5 even before time t2 (FIG. 3). From this setpoint, the control deviation and the armature current setpoint Uis are formed in the speed controller of the setting and control device 5 in a known manner. Since no rolling force is yet present, the load torque Ml is approximately = 0 and the armature current setpoint Uis causes in the model drive motor 2 an armature current la 1 and a drive torque Ma 1 = f (la 1), which accelerates the engine 2 with its flywheel 3 as long as until it has reached the speed setpoint corresponding speed nm 1. The actual speed value Un for the setpoint-actual value comparison is supplied by the speed sensor 4. The speed actual value Un is also converted into the digital speed variable nm, which is used to calculate the speed-dependent variables rolling force Fw, rolling moment Mw, friction moment Mr and

Beschleunigungsmoment Mb für die Bramme 8 dient. Daraus berechnet die Recheneinrichtung 1 das Modellastmoment MIm = (Mw + Mb + Mr)/c und eine zu Mim proportionale Größe Ul, die zum Zeitpunkt t2 von der Recheneinrichtung 1 an die Stell- und Regeleinrichtung 5 ausgegeben wird, gleichzeitig mit dem nm2 entsprechenden neuen Drehzahlsollwert Uz2. Im Drehzahlregler wird wieder die Regelabweichung Uz2-Un und daraus der Ankerstromsollwert Uis gebildet, es wird aber von der Ankerstromregelabweichung Ur noch die lastmoment-proportionale Größe Ul abgezogen, so daß die Stellgröße Us im Modeilantriebsmotor 2 einen Ankerstrom la 2 verursacht, derein Beschleunigungsmoment Ma 2 = f(la2) im Modellantrieb 2 hervorruft. Der umgewandelte Drehzahlistwert nm dient jeweils wieder zur Berechnung des neuen Lastmomentes und dieses zur Drehzahlregelung usw.Acceleration torque Mb for the slab 8 is used. From this, the computing device 1 calculates the model load moment MIm = (Mw + Mb + Mr) / c and a variable Ul proportional to Mim, which is output by the computing device 1 to the setting and control device 5 at time t2, simultaneously with the new one corresponding to nm2 Speed setpoint Uz2. In the speed controller, the control deviation Uz2-Un and from it the armature current setpoint Uis is again formed, but the load torque-proportional variable Ul is subtracted from the armature current control deviation Ur, so that the manipulated variable Us in the motor drive motor 2 causes an armature current la 2, an acceleration torque Ma 2 = f (la2) in model drive 2 causes. The converted Drehzahlistwert nm is used again for calculating the new load torque and this for speed control, etc.

Ein Stich kann bereits vor Erreichen der maximalen Drehzahl beendet sein, wenn das Ende der ausgewalzten Bramme vorher erreicht ist, was von der Recheneinrichtung 1 durch Integration der Drehwinkelinkremente dz des Drehwinkelsensors 6 und Vergleich mit der berechneten Brammenlänge ermittelt wird. Zu diesem Zeitpunkt t3, oder bereits etwas früher, wird von der Recheneinrichtung 1 der Bremsvorgang eingeleitet, indem dieser einen negativen Drehzahlsollwert ausgibt. Die Vorgänge von t2 bis t3 wiederholen sich, wenn diefiktive Bramme zum Stillstand gekommen ist solange, bis die vorgesehene Anzahl Stiche durchgeführt wurde und das Vorband zur Fertigstaffel 7 weitergeleitet werden kann.A stitch can already be completed before reaching the maximum speed when the end of the rolled slab is reached beforehand, which is determined by the computing device 1 by integrating the rotational angle increments dz of the rotational angle sensor 6 and comparing it with the calculated slab length. At this time t3, or already a little earlier, the braking operation is initiated by the computing device 1 by outputting a negative speed setpoint. The operations from t2 to t3 repeat when the imaginary slab has come to a standstill until the intended number of stitches have been completed and the preliminary sliver can be forwarded to the finishing sliver 7.

Jedes Walzgerüst der Fertigstaffel 7 wird, ebenso wie oben für das Vorgerüst beschrieben, durch einen Modeilantriebsmotor 2 mit Schwungmasse 3 und Sensoren 4; 6 simuliert. Durchläuft z.B. das Band das Gerüst j, so wird der Drehzahlsollwert Uzj zunächst unter Berücksichtigung der vorgegebenen Stich parameter, wie Bandeinlaufgeschwindigkeit und Dickenabnahme, von der Recheneinrichtung 1 zur zugehörigen Steuer- und Regeleinrichtung 5 ausgegeben. Der über den Sensor 4 ermittelte Drehzahlistwert Unj und die von der Recheneinrichtung 1 auf der Basis eines thermomechanischen Verformungsmodells berechnete Walzkraft Fwj bestimmt das Walzmoment Mwj und damit wie oben das Modellastmoment Mlmj mit dem der Modellantrieb beauflagt wird. Die mit der Belastung verbundene Änderung des Drehzahlistwertes Unj wird wieder von der Recheneinrichtung 1 ausgewertet, und unter Berücksichtigung der Verhältnisse am Modellmotor 2 für das folgende Gerüst k wird der Drehzahlsollwert Uzk so korrigiert, daß die unter Auswertung der Drehwinkelsensoren 6 an den Modellantriebsmotoren 2 der Gerüste j und k bestimmten technischen Parameter, wie Bändlänge zwischen den Gerüsten j und k und Bandzug, innerhalb vorgegebener Grenzen liegen. Die erforderliche Drehzahlkorrektur bewirkt nun wiederum ein verändertes Modellastmoment usw.Each rolling stand of the finishing stack 7, as described above for the roughing stand, by a motor drive motor 2 with flywheel 3 and sensors 4; 6 simulated. Go through e.g. the band j the frame, the speed setpoint Uzj is initially output taking into account the predetermined stitch parameters, such as tape feed rate and thickness decrease, from the computing device 1 to the associated control and regulating device 5. The speed actual value Unj determined via the sensor 4 and the rolling force Fwj calculated by the computing device 1 on the basis of a thermomechanical deformation model determine the rolling moment Mwj and thus, as above, the model loading moment Mlmj with which the model drive is charged. The change in the actual speed value Unj associated with the load is again evaluated by the computing device 1, and taking into account the conditions on the model motor 2 for the following stand k, the speed setpoint Uzk is corrected so that the evaluation of the rotation angle sensors 6 on the model drive motors 2 of the stands j and k are certain technical parameters, such as tape length between the stands j and k and Bandzug, within predetermined limits. The required speed correction now again causes a modified model moment, etc.

Claims

1. Simulation system for rolling mills for calculating and determining the equipment, production and quality parameters for a rolling mill with one or more stands on a mathematical-physical basis, characterized in that a computing unit (1) by means of sensors for speed (4) and rotation angle ( 6) obtains information about the instantaneous motion states of a motion system consisting of one or more Model Modeled Flywheels and, based on thermomechanical deformation models, taking into account the coupling of the individual drives in the complex deformation process, speed and load torque setpoints for the control and regulation of the model drive motors ( 2) delivers in real time or on a time scale.

2. Simulation system according to claim 1, characterized in that for controlling and regulating the model drive motors (2) between the computing device (1) and each model drive motor (2) an adjusting and regulating device (5) is arranged, in a conventional manner a speed controller, a subordinate current regulator and a power amplifier is, however, in which the determined from the speed deviation armature current setpoint Uis by the computing device (1) from the process simulation at each time calculated, the load torque M1 corresponding quantity U1 is subtracted with the correct sign, so that the Model motor (2) a manipulated variable Us = Ur- U1 is specified, which simulates the acceleration torque of the roller drive in the respective process phase.

For this

3 pages drawings

Field of application of the invention

The invention relates to the simulation of production processes in which the acceleration of masses with electric drive motors plays a dominant role, for. As the deformation processes in rolling mills and the simulation of entire rolling mills.

Characteristic of the known state of the art

In the published patent application DE 3430 971 the company Mitsubishi Denki K. K. presents a simulation system which includes the expediency of the simulation of the movements of the rolling stock by a semi-continuous hot strip mill. A method is described in which, starting from detectors on the rolling train and calculating the residence times in the individual rolling mill sections, the course of the rolling process is simulated parallel to the natural process and from this control functions for influencing the time of the rolling process are derived. Furthermore, it is possible to calculate a fictitious passage of the rolling stock without the detectors on the rolling train and thus to simulate the drainage process. Mitsubishi Denki K.K. Laid-Open Specification DE 3241981 presents a simulator for simulating a plant controller in order to provide control signals for simulating plant states as an alternative to the signals of the detectors on the rolling mill to the plants of the process automation.

Both documents disclose the current state of the art in simulating the passage of the rolling stock through a rolling train. The drawback is that either detector signals are used as an image of the paths and residence times of the rolling stock in the sections of the rolling mill, or of mean values of the production times in the production sections, so that the simulation is limited to the time regime, while the process dynamics of the drive mass system on the rolling stands can not be simulated with their influence, for example on the quality parameters of fine rolling sections.

In spite of their equipment with computers, these simulation systems have the disadvantage that a differential equation system must be solved for simulating a grounded electric rolling mill drive, which in real time and in addition to the complex thermo-mechanical simulations of the deformation process for an entire rolling mill with up to 10 mill drives economically unsolvable under the given accuracy requirements. Offenlegungsschrift OS 3347182 from Siemens AG describes a method for flywheel simulation in test rigs in which a drive mass system, but limited to the simulation of the flywheel mass, was physically simulated by torque difference formation on the common shaft. The actual electric drive is not simulated, but the drive motor is required in the original. This means that this system can neither the actual electric drive nor the dynamic load moments that simulate the processes in the roll gap in interaction with the drive mass system simulate. Thus, this technical solution can not provide any suitable information for a rolling mill simulation system.