DE3807399A1 - Verfahren zur regelung der spaltweite zwischen den arbeitswalzen eines kaltwalz-geruestes zur herstellung von baendern aus metall sowie einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Spaltweite zwischen den Arbeitswalzen eines Kaltwalz-Gerüstes zur Herstellung von Bändern aus Metall sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Verfahren zur Regelung der Spaltweite an Walzgerüsten beruhen auf der Erkenntnis, daß im Walzgerüst zu jeder Zeit das Eintritts-Bandvolumen dem Austritts-Bandvolumen je Zeiteinheit entspricht. Da Walzgerüste die Materialstärke nur in Längsrichtung verformen, die Breite also nahezu konstant bleibt, sind für einen Volumen-Vergleich nur die Banddicke und die jeweilige Bandgeschwindigkeit von Bedeutung. Allgemein gilt:

× VE = × VA ,

wobei = einlaufseitige Istdicke, = auslaufseitige Istdicke, VE = einlaufseitige Bandgeschwindigkeit und VA = auslaufseitige Bandgeschwindigkeit bedeuten.

Es sind analoge Regelsysteme bekannt, die auf dem Vergleich von Geschwindigkeits-Verhältnissen und Dickenverhältnissen beruhen. Ein Nachteil dieser bekannten Einrichtungen besteht darin, daß die zum Einsatz erforderlichen Analog-Dividierer die notwendige Genauigkeit nicht erbringen.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, mit dem die Genauigkeit der Regelung erheblich gesteigert werden kann. Insbesondere sollte das Verfahren auch bei stark wechselnden Bandgeschwindigkeiten, z. B. in der Anlauf- und Auslaufphase, eine so hohe Regelgenauigkeit aufweisen, daß der auftretende Ausschuß stark vermindert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren, das die Merkmale aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufweist. Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Patentanspruch 2 beschrieben.

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Kaltwalz-Gerüst mit mindestens zwei Arbeitswalzen, deren Positionierung durch eine ansteuerbare hydraulische Positioniervorrichtung erfolgt sowie einer einlaufseitigen und einer auslaufseitigen Umlenkrolle für das zu walzende Band, ist gekennzeichnet durch die Merkmale aus Patentanspruch 3. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Einrichtung sind in den Patentansprüchen 4 bis 11 beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß zur Erzielung einer ausreichenden Genauigkeit das analoge Regelsystem durch ein mindestens zum Teil digitales Regelsystem ersetzt werden muß. Die erfindungsgemäße Lösung beruht aber keineswegs nur darauf, daß die Einrichtungsteile eines analogen Systems durch entsprechende Teile eines digitalen Systems ersetzt werden, sondern sie hat das Ziel, im Sinne einer Quasi- Spaltregelung als Rechenergebnis eine der Spaltabweichung proportionale Regelgröße zu erhalten.

Ein Ausgangspunkt hierfür ist die Abtastung der Bandabschnitte mittels inkrementaler Impulsgebung zur Geschwindigkeitserfassung. Wie weiter unten anhand eines Ausführungsbeispiels noch ausführlicher geschildert, wird die Bandgeschwindigkeit bestimmt, indem die Einlaufzeiten und die Auslaufzeiten von Bandabschnitten fest vorgegebener Länge mittels Impulsen ausgezählt werden, deren Frequenz proportional der auslaufseitigen Bandgeschwindigkeit ist. Durch diese Einlaufzeiten und Auslaufzeiten werden Torzeiten festgelegt, während derer die Auszählung erfolgt. Diese Torzeiten sind umgekehrt proportional zu den Bandgeschwindigkeiten. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Zählerstände unabhängig von der jeweiligen Bandgeschwindigkeit sind und erlaubt eine schnelle digitale Geschwindigkeitserfassung bei kurzen Bandlängenstücken mit hoher Auflösung.

Um eine besonders hohe Auswertegeschwindigkeit und damit eine geringe Regelträgheit zu erreichen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn als Rechenvorrichtung ein mikroprozessorgesteuerter Digitalrechner verwendet wird. Letzte Konstellation gewährleistet kürzeste Verarbeitungsverzögerungen und geringste Totzeiten zwischen den Meß- und Rechenzyklen. Diesem Rechner werden zusätzlich Informationen über die gewünschten Sollwerte für die einlaufseitige und die auslaufseitige Banddicke zugeführt sowie ein Signal, das die Abweichung der einlaufseitigen Banddicke vom gewünschten Sollwert charakterisiert. Die Signale über die einlaufseitige und auslaufseitige Bandgeschwindigkeit sowie die einlaufseitige Abweichung der Banddicke vom Sollwert werden dem Rechner zeitrichtig, d. h. mit einer solchen Zeitverzögerung zugeführt, daß die aus den errechneten Ergebnissen gebildete Korrekturgröße beim Spalteintritt des ausgemessenen Bandabschnittes zur Verfügung steht.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen das erfindungsgemäße Verfahren sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 in stark schematisierter Darstellungsweise ein Kaltwalz-Gerüst in Seitenansicht, das mit einer Regeleinrichtung zur Regelung der Spaltweite versehen ist,

Fig. 2 in gegenüber Fig. 1 vergrößerter Darstellung die Verhältnisse im Bereich des Walzspaltes,

Fig. 3 in einem Schaltbild die bei dem Kaltwalz-Gerüst nach Fig. 1 eingesetzte Regelvorrichtung.

Das in Fig. 1 dargestellte Walzgerüst besitzt in der üblichen Weise einen Abwickelhaspel 1, von dem das zu walzende Band B abgewickelt und sodann über eine einlaufseitige Umlenkrolle 2 dem Spalt zwischen den beiden Arbeitswalzen 8.2 und 8.3 zugeführt wird. Die Arbeitswalzen 8.2 und 8.3 liegen an Stützwalzen 8.1 bzw. 8.4 an, und die Walzen sind innerhalb des Walzenständers 3 in Walzenlagereinbaustücken 7.1, 7.2, 7.3 und 7.4 gelagert, wobei zwischen die Walzeneinbaustücke und den Walzenständer eine hydraulische Positioniervorrichtung 4 eingeschaltet ist mit einer Zuleitung 5 und einem Steuerventil 6. Auslaufseitig wird das Band 8 vom Walzenspalt über eine auslaufseitige Umlenkrolle 9 dem Aufwickelhaspel 10 zugeführt. Mit der einlaufseitigen Umlenkrolle 2 sind ein inkrementaler Impulsgeber 11 sowie ein Tachogenerator 12 gekoppelt, während mit der auslaufseitigen Umlenkrolle 9 ein inkrementaler Impulsgeber 13 und ein Tachogenerator 14 gekoppelt sind, deren Funktion und Anordnung in der Gesamteinrichtung weiter unten näher beschrieben wird.

Weiterhin befindet sich einlaufseitig eine Meßvorrichtung 21 zur Messung der einlaufseitigen Banddicke und auslaufseitig eine Meßvorrichtung 24 zur Messung der auslaufseitigen Banddicke, deren Funktion und Anordnung in der Einrichtung ebenfalls weiter unten beschrieben werden.

In Fig. 2 sind die Verhältnisse und die zu messenden Größen am Walzspalt näher dargestellt. Dieser Darstellung sind der einlaufseitige Istwert der Banddicke sowie die einlaufseitige Bandgeschwindigkeit VE, der auslaufseitige Istwert der Banddicke und die auslaufseitige Bandgeschwindigkeit VA zu entnehmen.

In Fig. 3 ist in einem Blockschaltbild die bei der Einrichtung nach Fig. 1 verwendete Regelvorrichtung dargestellt.

Einlaufseitig werden durch den inkrementalen Impulsgeber 11, der mit der Umlenkrolle 2 gekoppelt ist, einlaufseitige Bandabschnitte vorgegebener Länge abgetastet und den abgetasteten Längenabschnitten entsprechende Impulse über einen Eingang 15.1 einer Vorrichtung 15 zur Bildung einer jeweils der Einlaufzeit eines solchen Längenabschnittes entsprechenden Torzeit zugeführt. Ebenso werden auslaufseitig durch einen entsprechenden inkrementalen Impulsgeber 13, der mit der Umlenkrolle 9 gekoppelt ist, Bandabschnitte entsprechender Länge abgetastet und die gebildeten Impulse über einen Eingang 15.2 der gleichen Vorrichtung 15 zugeführt und die entsprechende Torzeit gebildet. Diese Torzeiten werden in Form eines Impulses entsprechender Dauer über die Ausgänge 15.3 bzw. 15.4 jeweils einem Freigabeeingang eines digitalen Zählers 16 bzw. 17 zugeführt. Die Takteingänge der Zähler 16 und 17 sind über einen die Zählimpulse erzeugenden Spannungs-Frequenzwandler 19 mit dem Tachogenerator 14, der mit der Umlenkrolle 9 gekoppelt ist, verbunden. Die Ausgänge der beiden Zähler 16 und 17 führen die Zählwerte ZE und ZA jeweils dem Eingang eines mikroprozessorgesteuerten Digitalrechners 20 zu. Vom Rechner 20 aus wird über den Eingang 15.5 die Abgabe der Torzeiten von der Vorrichtung 15 synchronisiert.

Die einlaufseitig angeordnete Meßvorrichtung 21 mißt die Abweichung Δ hE der Banddicke von einem vorgegebenen Sollwert, und das entsprechende Signal wird über einen Analog-Digitalwandler 22 dem Eingang eines Schieberegisters 23 zugeführt. Der Takteingang des Schieberegisters 23 ist über einen die Steuerimpulse liefernden Spannungs-Frequenzwandler 18 mit dem Tachogenerator 12 verbunden, der mit der einlaufseitigen Umlenkrolle 2 gekoppelt ist. Der Ausgang des Schieberegisters 23 ist an den Eingang 20.3 des Digitalrechners 20 angeschlossen. An weitere Eingänge 20.4 und 20.5 des Digitalrechners 20 sind Eingabevorrichtungen 32 und 33 zur Eingabe der Sollwerte für die einlaufseitige Banddicke hE und die auslaufseitige Banddicke hA mit einem Eingabebereich von 4 Dekaden angeschlossen.

Ein Analogausgang 20.6 des Digitalrechners 20 liefert ein Korrektursignal Δ hA′, dessen Zustandekommen weiter unten erläutert wird. Das Korrektursignal wird einem Summierglied 26 zugeführt, dem zusätzlich ein Signal zugeleitet wird, das von einer Meßvorrichtung 24 kommt, die die Abweichung Δ hA der auslaufseitigen Banddicke vom Sollwert mißt und über einen Integralregler 25 gleichzeitig dem Summierglied 26 zuführt. Das Ausgangssignal des Summiergliedes 26 wird gegebenenfalls über eine weitere Vorrichtung 31 zur Einführung von Korrektursignalen einem PID-Regler 27 zugeführt. Dessen Ausgangssignal wird einem Summierglied 30 zugeführt, dem gleichzeitig ein aus der einlaufseitigen Dickenabweichung abgeleitetes Signal vom Ausgang des Schieberegisters 23 über einen Digital-Analogwandler 29 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Summiergliedes 30 wird dann am Ausgang 28 der Einrichtung als Stellsignal Δ S in nicht eigens dargestellter Weise dem Steuerventil 6 der hydraulischen Positioniervorrichtung 4 zugeleitet.

Nachstehend wird die Funktionsweise der beschriebenen Einrichtung erläutert:

Der Einsatz eines mikroprozessorgesteuerten Digitalrechners ist deswegen von Vorteil, weil hiermit eine besonders hohe Rechengeschwindigkeit erzielt werden kann. In Fällen, wo es auf diese hohe Rechengeschwindigkeit nicht ankommt, kann beispielsweise auch einfach ein Mikrocomputer, der eine ausreichende Rechengeschwindigkeit aufweist, verwendet werden.

Es wird zunächst mittels der inkrementalen Impulsgeber 11 und 13 jeweils einlaufseitig und auslaufseitig ein fest vorgegebenes Längenstück des Bandes abgetastet. Hierbei kann eine Untersetzerstufe zwischengeschaltet werden und es ergibt sich, daß die Torzeit, die durch die dem Anfang des Längenabschnittes und dem Ende des Längenabschnittes zugeordneten Impulse definiert ist, jeweils umgekehrt proportional der Bandgeschwindigkeit ist. Die beiden Zähler 16 und 17 werden jeweils zu Beginn der Torzeit gestartet und am Ende der Torzeit gestoppt. Während der Torzeiten wird mit den über den auslaufseitigen Tachogenerator 14 und den Spannungs- Frequenzwandler 19 erzeugten Zählimpulsen gezählt. Die Zählfrequenz ist also direkt proportional der auslaufseitigen Bandgeschwindigkeit. Dies hat zur Folge, daß der vom Zähler 17 abgegebene Wert ZA eine Konstante ist.

Aus den dem Digitalrechner 20 zugeführten Zählerständen ZA und ZE sowie dem Wert für die Abweichung Δ hE der einlaufseitigen Banddicke vom Sollwert sowie den beiden Sollwerten hE und hA für die einlaufseitige und auslaufseitige Banddicke wird eine Rechengröße Ux ermittelt nach der Beziehung:

Wie eine genauere mathematische Ableitung zeigt, ist diese Größe der auslaufseitigen Toleranz im Augenblick des Austrittes des betreffenden Bandabschnittes aus dem Spalt proportional, es gilt also Ux ≃ Δ hA′ und kann somit unmittelbar zur Spaltregelung eingesetzt werden.

Die Schaltung ist insbesondere durch die Verwendung des Schieberegisters 23 so ausgelegt, daß die bei der Abtastung von jeweils einem einlaufseitigen und einem auslaufseitigen Bandabschnitt gleicher Länge die Zählerwerte ZE und ZA und außerdem der diesem einlaufseitigen Bandabschnitt zugeordnete Meßwert für die Abweichung der Banddicke zeitrichtig zusammengeführt werden und so zur Verfügung stehen, daß das entsprechende Korrektursignal zur Verfügung steht, wenn der abgetastete einlaufseitige Bandabschnitt den Spalt passiert. Dieser abgegebene Korrekturwert Δ hA′ ist ein Korrekturwert für die Position der Arbeitswalze 8.2 und sein Sollwert ist 0.

Dieses analog zurückgewandelte Ausgangssignal wird mit Hilfe des PID-Reglers 27 durch Einkopplung eines Positionszusatz-Sollwertes in die vorhandene hydraulische Positionsregelung zu Null geregelt.

An sich ist für diesen Regelkreis die Ermittlung des auslaufseitigen Istwertes für die Banddicke nicht erforderlich. Es hat sich aber gezeigt, daß es vorteilhaft ist, wenn die Abweichung Δ hA des Sollwertes der Banddicke gemessen und mit Hilfe eines überlagerten Monitor- Regelkreises, der den Integralregler 25 mit großer Zeitkonstante enthält, dem Ausgangssignal des Digitalrechners 20 zugefügt wird, womit eine Nullpunktverschiebung des Rechnerausganges bewirkt wird, so daß auch die vom auslaufseitigen Dickenmeßgerät signalisierte Restabweichung auf Null geregelt wird.

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß es vorteilhaft ist, wenn in einer analogen Vorregelung als Grobregelung die Tendenz der Regelung vorgegeben wird. Hierzu dient das Signal, das vom Ausgang des Schieberegisters 23 über den Digital-Analogwandler 29 dem Summierglied 30 zusätzlich zugeführt wird. Der digitale Regelkreis liefert dann eine zusätzliche Feinregelung.

Weiterhin hat es sich gezeigt, daß es zur Optimierung des Regelverhaltens vorteilhaft ist, die am Ausgang des Summiergliedes 26 zur Verfügung stehende Regelgröße noch mit Faktoren für Geschwindigkeit und Materialhärte zu beaufschlagen, da die Zahl der Rechenzyklen des Digitalrechners geschwindigkeitsproportional ist und die Materialhärte proportional in den Korrekturweg der hydraulischen Positioniereinrichtung eingeht. Diese Korrekturgrößen können mittels der Vorrichtung 31 zusätzlich eingegeben werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Regelung der Spaltweite zwischen den Arbeitswalzen eines Kaltwalz-Gerüstes zur Herstellung von Bändern aus Metall, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Es werden automatisch fortlaufend einlaufseitig und auslaufseitig Bandabschnitte vorgegebener konstanter Länge abgetastet und die Vorbeilaufzeit eines solchen Bandabschnittes an einem vorgegebenen Punkt als Torzeit erfaßt, während der jeweils ein digitaler Zähler freigegeben wird zur Auszählung mittels Zählimpulsen, deren Frequenz für den einlaufseitigen und den auslaufseitigen Zähler proportional der auslaufseitigen Bandgeschwindigkeit ist;
• b) es wird automatisch fortlaufend einlaufseitig die Dickenabweichung des Bandes von einer vorgegebenen Solldicke gemessen;
• c) die während des gleichen Zeitraums ermittelten Zählraten von zwei einander zugeordneten einlaufseitigen und auslaufseitigen Torzeiten werden zusammen mit dem diesen Torzeiten zugeordneten Wert der Dickenabweichung zeitrichtig gemeinsam einer Rechenvorrichtung zugeführt, der zusätzlich ein Sollwert für die einlaufseitige Banddicke und ein Sollwert für die auslaufseitige Banddicke eingegeben wird und es wird die Größe: wobei hE die einlaufseitige Solldicke, Δ hE die Abweichung von der einlaufseitigen Solldicke, hA die auslaufseitige Solldicke, ZE der einlaufseitige Zählerstand und ZA der auslaufseitige Zählerstand sind;
• d) es wird eine Größe Δ hA′ ≃ Ux gebildet und als Korrekturgröße einem Regelkreis zugeführt, der eine hydraulische Positioniervorrichtung für die Arbeitswalzen ansteuert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß automatisch fortlaufend auslaufseitig die Dickenabweichung des Bandes von einer vorgegebenen Solldicke gemessen und als zusätzliche Korrekturgröße dem Regelkreis zugeführt wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 an einem Kaltwalz-Gerüst, mit mindestens zwei Arbeitswalzen, deren Positionierung durch eine ansteuerbare hydraulische Positioniervorrichtung erfolgt sowie mindestens einer einlaufseitigen und einer auslaufseitigen Umlenkrolle für das zu walzende Band, dadurch gekennzeichnet, daß an der einlaufseitigen und an der auslaufseitigen Umlenkrolle (2, 9) jeweils ein inkrementaler Impulsgeber (11, 13) angeordnet ist zur Erzeugung von vorgegebenen Bandabschnitt-Längen zugeordneten Impulsen, die jeweils einer Vorrichtung (15) zur Bildung einer der einlaufseitigen bzw. der auslaufseitigen Bandgeschwindigkeit umgekehrt proportionalen Torzeit und zur synchronen Weitergabe der Torzeiten als Freigabesignale an jeweils einen einlaufseitigen und einen auslaufseitigen digitalen Zähler (16, 17) zugeführt werden, wobei die beiden Zähler (16, 17) durch Zählimpulse gesteuert sind, deren Frequenz der auslaufseitigen Bandgeschwindigkeit proportional ist und die von einem, mit der auslaufseitigen Umlenkrolle (9) gekoppelten ersten Impulsgeber (14-19) erzeugt werden und daß die Zählerausgänge mit Eingängen einer Rechenvorrichtung (20) verbunden sind, welche mit einem weiteren Eingang über eine ansteuerbare Transportverzögerungseinrichtung (23) und einen Analog-Digital-Wandler (22) an eine Meßvorrichtung (21) zur Messung der einlaufseitigen Banddicke angeschlossen ist, wobei die Ansteuerung mittels Steuerimpulsen erfolgt, deren Frequenz der einlaufseitigen Bandgeschwindigkeit proportional ist und die von einem mit der einlaufseitigen Umlenkrolle (2) gekoppelten zweiten Impulsgeber (12-18) erzeugt werden und daß ein Analogausgang der Rechenvorrichtung über einen PID-Regler (27) mit dem Steuereingang der hydraulischen Positioniervorrichtung (6-4) verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Rechenvorrichtung ein mikroprozessorgesteuerter Digitalrechner (20) dient.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Impulsgeber jeweils einen mit der zugeordneten Umlenkrolle (2, 9) gekoppelten Tachogenerator (14, 12) aufweist, dessen Ausgangssignal jeweils einem Spannungs-Frequenzwandler (19, 18) zur Erzeugung der Zähl- bzw. Steuerimpulse zugeführt wird.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transportverzögerungseinrichtung ein durch die Steuerimpulse getaktetes Schieberegister (23) ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (21) zur Messung der einlaufseitigen Banddicke ein Signal abgibt, das der Abweichung der Banddicke von einer vorgegebenen Solldicke entspricht.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenvorrichtung (20) mit Eingabevorrichtungen (32, 33) zur Eingabe von Werten für die einlaufseitige und für die auslaufseitige Solldicke verbunden ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auslaufseitig eine Meßvorrichtung (24) zur Messung der auslaufseitigen Banddicke angeordnet ist, deren Ausgang über einen Integralregler (25) und ein Summierglied (26) zusammen mit dem Ausgang der Rechenvorrichtung (20) an den Eingang des PID-Reglers (27) angeschlossen ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Ausgang der Transportverzögerungseinrichtung (23) für die Meßwerte der einlaufseitigen Banddicke über einen Digital-Analogwandler (29) und ein Summierglied (30) direkt an den Steuereingang der hydraulischen Positioniervorrichtung (6-4) angeschlossen ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Analogausgang der Rechenvorrichtung (20) und den PID-Regler (27) eine Vorrichtung (31) zur Eingabe weiterer Korrekturgrößen angeordnet ist.