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Verfahren und Schaltungsanordnung zur Planheitsregelung
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in Kaltwalzwerken Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Planheitsregelung
in Kaltwalzwerken mit Walzgerüst aus sechs oder mehr Walzen, bei dem die Zugspannungsverteilung
über die Breite des zu walzenden Band gemessen und mit einer vorgebbaren Sollverteilung
verglichen wird und aus der Abweichung zwischen Istverteilung und Sollverteilung
ein Koeffizient gebildet wird, der der Einstellung der Walzendurchbiegung dient.
Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltungsanordnung und eine Einrichtung -zur
Durchführung des Verfahrens.
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Planheitsfehler bei kaltgewalzten Bändern aus Stahl, Aluminium oder
anderen Nichteisenmetallen treten dann auf, wenn die Bänder im Walzspalt ungleichmäßig
über die Bandbreite verformt werden. Die unterschiedlich verformten Bandstellen
führen dann zu Längendifferenzen der einzelnen Bänderfasern, zur Unplanheit. Das
Qualitätsmerkmal "Planheit" eines Kaltbandes wird demnach wie folgt definiert:
Alle
Fasern in Längsrichtung sind gleich lang.
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Verfahren zur Ermittlung der Planheitsfehler wurden in "Methoden der
Qualitätssicherung bei NE-Metallen" Deutsche Gesellschaft für Metallkunde e.V.,
Bad Nauheim, 1978 beschrieben. Zur Beurteilung der Planheitsfehler wird die Zugspannungsverteilung
über die Breite des zu walzenden bzw. gewalzten Bandes gemessen.
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Durch den Aufsatz Regelung der Bandplanheit in Kaltwalzwerken", BBC-Nachrichten,
1980, Seiten 451 bis 456, sind Regelsysteme bekanntgeworden, mittels der Planheitsfehler
durch Beeinflußung von Stellorganen aufgrund der Zugspannungsverteilungsmessung
klein gehalten werden können. Dabei wirkt ein Schwenken der Walzen keilförmigen
Fehlern entgegen, eine Walzenbiegung parabolischen Fehlern entgegen und eine Beeinflußung
der Emulsionsmenge und -verteilung parabolischen und unregelmäßigen Fehlern entgegen.
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit Verfahren und Schaltungseinrichtungen,
durch die eine Einstellung der Walzendurchbiegung aufgrund der Meßergebnisse der
Zugspannungsverteilung erfolgt. Sie bezieht sich auf Kaltwalzwerke mit Walzgerüsten,
welche mindestens sechs Walzen aufweisen, d.ho welche ein Arbeitswalzenpaar, ein
oder mehrere Zwischenwalzenpaare und ein Stützwalzenpaar enthält.
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Die Verwendung von Zwischenwalzen ermöglicht einen vergrößerten Stellbereich
für die Verbiegung der Arbeitswalzen. In der Regel wird bei Walzgerüsten mit Zwischenwalzen
lediglich die Verbiegung der Arbeitswalzen geregelt. Es sind jedoch auch Walzgerüste
bekannt, bei denen sowohl die Verbiegung eines Arbeitswalzen-
paares
als auch die eines Zwischenwalzenpaares geregelt wird. Hierbei wird für beide Regelungen
ein gemeinsamer Steuerparameter verwendet.
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Nachteilig bei einer derartigen Regelung ist es jedoch, daß durch
den gemeinsamen Steuerparameter die Stellmöglichkeiten nicht optimal genutzt werden
können. Denn eine Biegung der dünnen Arbeitswalzen beeinflußt vorwiegend die Zugspannungsverteilung
im Bandkantenbereich, während eine Biegung der Zwischenwalzen sich auf die Zugspannungsverteilung
über die gesamte Bandbreite bemerkbar macht. Aus diesem Grund muß bei Verwendung
eines gemeinsamen Steuerparameters ein Kompromiß zwischen den unterschiedlichen
Auswirkungen der Walzenbiegung gefunden werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens der eingangs genannten Art anzugeben, durch die eine
Entkopplung der Arbeitswalzenbiegungsregelung und der Zwischenwalzenbiegungsregelung
erfolgt, wobei die geschilderten Nachteile bekannter Biegungsregelungen vermieden
werden und eine optimale Planheitsregelung durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß aus der Abweichung der Zugspannungsverteilung im Bandmittenbereich
ein Bandmittenkoeffizient gebildet wird, der als Regelabweichung die Zwischenwalzenbiegung
beeinflußt, und aus der Abweichung der Zugspannungsverteilung im Bandkantenbereich
ein Bandkantenkoeffizient gebildet wird, der als Regelabweichung die Arbeitswalzenbiegung
beeinflußt. Es sei bemerkt, daß auch zwei Bandkantenkoeffizienten gebildet werden
können,. die mit der Zugspannungsverteilung jeweils eines der beiden Bandkantenbereiche
korrelieren, und auf jeweils die zugehörige
Seite der Arbeitswalzen
einwirken.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß in einer
Meßwertaufbereitungseinrichtung die Zugspannungsabweichungen im Bandmittenbereich
und im Bandkantenbereich je durch eine Ausgleichsparabel angenähert werden und aus
dem Parabelkoeffizienten der Bandmittenkoeffizient und der Bandkantenkoeffizient
(bzw. die Bandkantenkoeffizienten) gebildet werden.
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Hierbei kann es wegen der sich über die gesamte Bandbreite auswirkenden
Zwischenwalzenbiegung zweckmäßig sein, die Zugspannungsfehler (Abweichung der gemessenen
Zugspannung von einer Zugspannungssollkurve) im Bandmittenbereich durch eine quadratische
Parabel anzunähern (z.B. nach der Methode der minimalen Fehlerquadrate) und den
Koeffizienten des quadratischen Gliedes als Bandmittenkoeffizient heranzuziehen
Da die Arbeitswalzenbiegung sich vorwiegend auf die Bandkantenbereiche auswirkt,
läßt sich häufig die zugehörige Biegelinie genauer durch eine Parabel höherer Ordnung
oder eine Linearkombination solcher Parabeln beschreiben, so daß hier aus den höheren
Parabelkoeffizienten ein geeigneter Bandkantenkoeffizient gebildet werden kann.
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Es ist vorteilhaft, den Grenzbereich zwischen Bandmittenbereich und
Bandkantenbereich an die Stelle zu legen, an der die Wirkung der Arbeitswalzenbiegung
deutlich einsetzt. In der Regel wird diese Stelle empirisch ermittelt werden können.
Es ist grundsätzlich jedoch auch möglich, eine zweckmäßige Abgrenzung des Bandmittenbereiches
und des Bandkantenbereiches durch Steifigkeitsberechnungen festzulegen.
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Wird als Fehler der Arbeitswalzenbiegung die Ausgleichsparabel nur
anhand der Zugspannungsfehler in den Randbereichen bestimmt, so kann sie auch Fehleranteile,
die
von der Zwischenwalzenbiegung beeinflußt werden, beinhalten.
Es wird daher zur weiteren Entkopplung der gegenseitigen Beeinflußung der Arbeitswalzenbiegung
und der Zwischenwalzenbiegung gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung der Bandkantenkoeffizient durch eine Korrekturgröße beaufschlagt,
die von der Größe des Bandmittenkoeffizienten abhängt und den Einfluß der Zwischenwalzenbiegung
auf die Zugspannungsverteilung im Bandkantenbereich berücksichtigt. Dies kann in
zweckmäßiger Weise dadurch realisiert werden, daß ein Entkopplungsglied, welches
den Einfluß der Zwischenwalzenbiegung auf die Zugspannungsverteilung im Bandmittenbereich
berücksichtigt, den Bandmittenkoeffizienten in eine Korrekturgröße für den Bandkantenkoeffizienten
transformiert.
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Analog hierzu sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, den Bandmittenkoeffizienten
durch eine von dem Bandkantenkoeffizienten abhängige Korrekturgröße zu beaufschlagen.
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Durch die gegenseitige Verknüpfung der Bandmitten- und Bandkantenkoeffizienten
durch Entkopplungsglieder kann eine optimale Wirkung der Regelung der Arbeits- und
der Zwischenwalzenbiegung erreicht werden, indem gegenseitig auftretende Fehleranteile
kompensiert werden.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner durch eine Schaltungsanordnung
zur Durchführung des Verfahrens der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß eine Meßwertaufbereitungseinrichtung vorgesehen ist, die einen Meßwerteingang
enthält, in den die Abweichungen der Zugspannungsmeßwerte seriell oder parallel
eingegeben werden, die ferner aus der Zugspannungsverteilung den Bandmittenkoeffizienten
und den Bandkantenkoeffizienten bildet und die durch je eine
Steuerleitung
mit wenigstens einem Zwischenwalzenbiegungssteller und einem Arbeitswalzenbiegungssteller
verbunden ist.
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Zur Kompensierung gegenseitiger Fehleranteile ist es zweckmäßig, zwischen
Meßwertaufbereitungseinrichtung und Zwischenwalzenbiegungsstellern sowie Arbeitswalzenbiegungsstellern
eine Entkopplungseinrichtung anzuordnen, die in jeder Steuerleitung ein Summierglied
enthält, das zum Ausgangswert der Meßwertaufbereitungseinrichtung eine vom jeweils
anderen Ausgangswert abhängige Korrekturgröße addiert.
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Es wird vorzugsweise zwischen dem Summierglied wenigstens einer der
beiden Steuerleitungen und der jeweils anderen Steuerleitung ein Entkopplungsglied
angeordnet, welches das Signal der anderen Steuerleitung in eine Korrekturgröße
transformiert. Dies kann beispielsweise durch Multiplikation des Signals der anderen
Steuerleitung mit einer konstanten oder dynamischen Größe erfolgen.
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In der Regel weisen die Regelkreise für die Zwischenwalzenbiegung
und die Arbeitswalzenbiegung je ein unterschiedliches, dynamisches Verhalten auf.
Um eine optimale Regelung zu erreichen, ist es daher häufig nicht ausreichend, die
Ausgangssignale der Meßwertaufbereitungseinrichtung durch lineare, zeitlich unbeeinflußte
Übertragungsglieder an die Arbeits- bzw.
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Zwischenwalzenbiegungssteller anzuschließen. Eine vorteilhafte Weiterbildung
der Erfindung sieht daher vor7 daß in wenigstens einer der beiden Steuerleitungen
wenigstens ein dynamisches Übertragungsglied angeordnet ist.
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Derartige dynamische Ubertragungsglieder können gemäß
weiterer
vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung in verschiedenen Zweigen der Schaltungsanordnung
eingeschaltet sein, wobei die Verwendung von PI-Regler eine oft besonders günstige
Anpassung der dynamischen Verhalten der Regelkreise erlaubt.
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Schließlich sieht eine Weiterbildung des Erfindungsgedankens vor,
zur Durchführung des Verfahrens der eingangs genannten Art eine elektronische Datenverarbeitungsanlage
(z.B. ProzeRrechner) einzusetzen, die eine Umsetzung der Meßwerte der Zugspannungsverteilung
in Steuersignale für die Arbeitswalzenbiegung und die Zwischenwalzenbiegung vornimmt.
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anhand der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung
gezeigt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
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Es zeigt: Fig. 1 ein 6-Walzengerüst mit einer nachgeordneten Zugspannungsmeßeinrichtung,
Fig. 2 Zugspannungsverteilungskurven, Fig. 3 den Leitstrukturplan einer Planheitsregelung
mit erfindungsgemäßer Schaltungsanordnung, Fig. 4 bis 6 verschiedene erfindungsgemäße
Schaltungsanordnungen.
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In Figur 1 ist schematisch ein 6-Walzengerüst bestehend aus zwei Arbeitswalzen
10, zwei Zwischenwalzen 11 und
zwei Stützwalzen 12 schematisch
dargestellt. Zwischen den Arbeitswalzen 10 ist das Walzgut 13 erkennbar, das als
Band 14 in Pfeilrichtung 15 das Walzengerüst verläßt. Die Stützwalzen 12 sind mit
Walzkräften 16 und Walzdifferenzkräften 17 zum Ausgleich keilförmiger Bandfehler
beaufschlagt. Die Zwischenwalzen 11 können durch Axialkräfte 18 axial verschoben
werden und durch Biegekräfte 19 derart verbogen werden, daR die Zwischenwalzenachse
gekrümmt wird. Desgleichen können die Arbeitswalzen 10 durch Biegekräfte 20 beaufschlagt
werden. Durch Verbiegung der Arbeitswalzen 10 und Zwischenwalzen 11 kann parabolischen
Fehlern in der Zugspannungsverteilung entgegengewirkt werden. Das Walzengerüst enthält
darüberhinaus mehrere Sätze von Kühldüsen 21 mittels derer durch BeeinfluRung der
Kühlmittelmenge und -verteilung parabolische und unregelmäßige Fehler der Zugspannungsverteilung
ausgeglichen werden.
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Dem Walzgerüst nachgeordnet ist eine Zugspannungsverteilungsmeßeinrichtung
22, die aus einer Vielzahl von Meßscheiben zusammengesetzt ist, angeordnet. Beidseits
der Zugspannungsverteilungsmeßeinrichtung 22 ist die Zugspannungsverteilung 23 in
Form von Pfeilen dargestellt.
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Derartige Zugspannungsverteilungen sind auch der Figur 2 zu entnehmen.
Dort ist in 3 Diagrammen die Zugspannungsabweichung sigma über die Breite b des
Bandes aufgetragen.
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Die Kurve A zeigt die Auswirkung einer Zwischenwalzenbiegung auf die
Zugspannungsverteilung. Sie läßt sich im wesentlichen durch eine Parabel nachbilden.
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Die Kurve B zeigt die Auswirkung einer Arbeitswalzenbie-
gung
auf die Zugspannungsverteilung. Sie weist in einem Bandmittenbereich M, dessen Begrenzung
durch zwei strichlierte Linien 25 markiert ist, einen annähernd konstanten Wert
auf. In den Bandkantenbereichen K sind jedoch starke änderungen der Zugspannungsabweichung
erkennbar. Läßt man den Bandmittenbereich außer acht, so kann die Kurvenform in
den Bandkantenbereichen K durch eine Parabel P (gegebenenfalls eine Parabel höherer
Ordnung), die in der Regel von der durch die Kurve A charakterisierten Parabel abweicht,
angenähert werden.
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Die Kurve C stellt eine Summenkurve der Kurven A und B dar und zeigt
die Auswirkungen der Zwischen- und Arbeitswalzenbiegung auf die Zugspannungsverteilung.
Ein derartige Kurvenverlauf kann beispielsweise das konkrete Ergebnis einer Zugspannungsverteilungsmessung
sein.
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Aus der Kurve C ist ersichtlich, daß im Bandmittenbereich M die Zugsspannungsverteilung
im wesentlichen lediglich durch eine Verbiegung der Zwischenwalzen beeinflußt wird.
In den Bandkantenbereichen K reicht eine Verbiegung der Zwischenwalzen, wie sie
durch die strichlierte Linie D angedeutet ist, nicht aus, um die Kurvenform C nachzubilden.
Hier ist zur Nachbildung der Kurvenform C zusätzlich eine Verbiegung der Arbeitswalzen
notwendig.
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Die Figur 3 zeigt einen Leitstrukturplan, aus dem ein Verfahren zur
Planheitsregelung hervorgeht. Durch eine Zuspannungsverteilungsmeßeinrichtung 30
wird die Zugspannungsistverteilung 31 gemessen. Diese wird in einem Meßwertanalysator
32 mit einer Zugspannungssollverteilung 33 verglichen. Der Meßwertanalysator 32
gibt Signale 34 (bei serieller Verarbeitung über eine Signalleitung und bei paraller
Verarbeitung über eine Vielzahl von Steuerleitungen) an ein Auswerteglied 35, eine
Meßwertaufbereitungseinrichtung
36 und ein Steuerglied 37 ab, welche der Abweichung zwischen Istverteilung 31 und
Sollverteilung 33 entsprechen.
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Das Auswerteglied 35 analysiert die Fehlerverteilung gemäß Signal
34 hinsichtlich ihres symmetrischen Verlaufes. Weist die Fehlerverteilung einen
keilförmigen Anteil auf, so gibt das Auswerteglied 35 -ein entsprechendes Signal
an einen Positionsregler 38 ab, der auf die Walzenschräglage 39 (Walzkraftdifferenz
17 gemäß Fig. 1) einwirkt.
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Die Meßwertaufbereitungseinrichtung 36 sowie die nachgeschaltete Steuerung
der Zwischen- und Arbeitswalzenbiegung ist Gegenstand der Erfindung. Alternativen
hierzu finden sich in den Figuren 4 bis 6. Sich entsprechende Schaltungsteile wurden
dabei mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Der Meßwertaufbereitungseinrichtung 36 wird über einen Meßwerteingang
40 die Fehlerverteilung der Zugspannung gemäß Signal 34 zugeführt. Sie führt eine
Auswertung der Fehlerverteilung in der Weise durch, daß sie durch die Meßwerte im
Bandmittenbereich M eine Ausgleichsparabel anhand der Methode der minimalem Fehlerquadrate
legt und desgleichen eine Ausgleichsparabel durch die Meßwerte der beiden Bandkantenbereiche
K ermittelt. Die Grenzen bzw. die Grenzbereiche zwischen dem Bandmittenbereich und
dem Bandkantenbereichen wird hierzu empirisch ermittelt und der Meßwertaufbereitungseinrichtung
36 eingegeben. Die Meßwertaufbereitungseinrichtung 36 berechnet aus den Ausgleichsparabeln
einen'Bandmittenkoeffizienten aM und einen Bandkantenkoeffizienten aK und gibt entsprechende
Ausgangsignale an Summierungsglieder 41>42 ab. In jeder der beiden Signalleitungen
zwischen Meßwertaufbereitungseinrichtung 36 und Sum-
mierungsglied
41,42 befindet sich eine Verzweigungsstelle 43,44 in der Signale der Bandmittenkoeffizienten
aM und Bandkantenkoeffizienten aK für eine Entkopplungseinrichtung 45 abgezweigt
werden. Innerhalb der Entkopplungseinrichtung 45 gelangt jedes Signal in ein Entkopplungsglied
46,47. Die Ausgangssignale der Entkopplungsglieder werden als KorrekturgröRen 48,49
überkreuz den beiden Summierungsgliedern 41,42 zugeführt. Die Ausgänge der Summierungsglieder
41,42 sind an je einen Regler 50,51 gelegt, welche die Signale in Steuerbefehle
für Stellglieder 52 für die Zwischenwalzenbiegung und für Stellglieder 53 für die
Arbeitswalzenbiegung übertragen.
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Die Entkopplungseinrichtung 45 hat die Aufgabe, eine doppelte Berücksichtigung
von Biegefehlern zu vermeiden und eine optimale Wirkung der Regelung der Walzenbiegung
zu erzielen. Hierfür werden die Fehler, die die Arbeitswalzenbiegung beaufschlagen,
um die Fehleranteile korrigiert, die von der Zwischenwalzenbiegungübernommen werden,
und umgekehrt.
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Aus Fig. 2 ist beispielsweise ersichtlich, daß bei einer Auswertung
der Kurve C im Bandkantenbereich K sowohl Anteile der Arbeitswalzenbiegung als auch
der Zwischenwalzenbiegung eingehen. Der ermittelte Parabelkoeffizient aK ist also
größer, als es für die Steuerung der Arbeitswalzenbiegung erforderlich ist. Um einen
korrigierten Parabelkoeffizienten aA für die Arbeitswalzenbiegung zu erhalten, kann
der Parabelkoeffizient aK durch eine Korrekturgröße 49 beaufschlagt werden, die
von dem Parabelkoeffizienten aM (der Kurve D) abhängt.
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Es ergibt sich somit aA = aK - Kt ' aM
(oder für
eine Korrektur der Zwischenwalzenbiegung aZ = aM - K2 . aK) Die Faktoren K1 und
K2 sind die Übertragungsfaktoren der Entkopplungsglieder 46 und 47. Sie können konstante
oder dyamische Faktoren sein.
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Die Fehlerverteilung (Signal 34) wird, wie schon erwähnt wurde, auch
einem Steuerglied 37 zugeführt, welches Bestandteil einer Kühldüsenansteuerungseinrichtung
ist.
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Die Kühldüsenansteuerungseinrichtung besteht aus einer Arbeitspunktüberwachung
55 (die die Steuersignale der Stellglieder für die Zwischen- und Arbeitswalzenbiegung
auswertet), dem genannten Steuerglied 37 (welches die Ausgangssignale des Auswertegliedes
35 sowie der Meßwertaufbereitungseinrichtung 36 verarbeitet) und einer Kühlzonensteuerung
57, in der die Signale des Steuergliedes 37 verarbeitet werden. Durch die Kühlzonensteuerung
57 werden die Kühldüsen 58 angesteuert.
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Die Fig.4, 5 und 6 zeigen Varianten der Zwischenwalzen-und Arbeitswalzenbiegungssteuerung
und unterscheiden sich zu der in Fig. 3 dargestellten Anordnung lediglich durch
die Lage der Regler 50,51. In Fig. 4 sind die Regler 50,51 unmittelbar an die Ausgänge
der MeRwertaufbereitungseinrichtung 36 angeschlossen. In Fig. 5 und 6 befinden sich
die Regler 50,51 jeweils zwischen einer Verzweigungsstelle 43 bzw. 44 und dem entsprechenden
Summierungsglied 41 bzw. 42. In Fig. 6 sind die Verzweigungsstellen 43,44 und Summierungsglieder
41,42 gegenüber Fig. 5 in ihrer Lage vertauscht.
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Die Regler 50,51 können dynamische Übertragungsglieder, z.B. Pl-Regler
sein.