DE3807399C3 - Verfahren zur Regelung der Spaltweite zwischen den Arbeitswalzen eines Kaltwalz-Gerüstes zur Herstellung von Bändern aus Metall - 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 mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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:

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.

Ein Verfahren mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in der DE 19 20 033 C3 beschrieben. Bei diesem bekannten Verfahren ist die Frequenz des einlaufseitigen Zählers aus der einlaufseitigen Bandgeschwindigkeit abgeleitet und proportional zu dieser, während die Frequenz des auslaufseitigen Zählers aus der auslaufseitigen Bandgeschwindigkeit abgeleitet und proportional zu dieser ist. Die Torzeiten für beide Zähler werden aus einem einlaufseitigen Bandabschnitt abgeleitet. Die Berechnung der Korrekturgröße erfolgt gemäß einer Formel, bei der die Zählerstände der Impulszähler durch eine Divisionsoperation miteinander verknüpft werden. Das aus der Korrekturgröße abgeleitete Stellsignal wird einer Positioniervorrichtung für die Stellung der Arbeitswalzen zugeführt, die einen Spindelantrieb enthält. Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß aufgrund der obenerwähnten Merkmale die Regelgenauigkeit und Regelgeschwindigkeit nicht soweit gesteigert werden können, daß bei stark wechselnden Bandgeschwindigkeiten, insbesondere in der Anlauf- und Auslaufphase, befriedigende Ergebnisse erzielt werden.

Weitere bekannte Verfahren zur Dickenregelung von Walzgut sind in der DE-OS 14 52 013 und der DE-OS 26 28 100 beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art (DE 19 20 033 C3) ein Verfahren 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 aus der Kombination der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale besteht. Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den Patentansprüchen 2 und 3 beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von der Voraussetzung aus, 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 ΔhE 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 ΔhA′, 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 ΔhA 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 ΔS 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 ΔhE 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 ≃ ΔhA′ 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 ΔhA′ 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 ΔhA 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 (3)

1. Verfahren zur Regelung der Spaltweite zwischen den Arbeitswalzen eines Kaltwalz-Gerüstes zur Herstellung von Bändern aus Metall, bei dem automatisch fortlaufend einlaufseitig und auslaufseitig Bandabschnitte vorgegebener konstanter Länge abgetastet werden und die Vorbeilaufzeit eines solchen Bandabschnittes an einem vorgegebenen Punkt als Torzeit erfaßt wird, während der jeweils ein digitaler Zähler freigegeben wird zur Auszählung mittels Zählimpulsen, deren Frequenz aus der Bandgeschwindigkeit abgeleitet ist, wobei die Frequenz für den auslaufseitigen Zähler aus der auslaufseitigen Bandgeschwindigkeit abgeleitet und zu dieser proportional ist und die einlaufseitige Torzeit aus einem einlaufseitigen Bandabschnitt abgeleitet wird und die Zählraten von zwei einander zugeordneten einlaufseitigen und auslaufseitigen zusammen mit einem diesen Torzeiten zugeordneten Wert für die einlaufseitige Banddicke zeitrichtig als Eingabewerte gemeinsam einer Rechenvorrichtung zugeführt werden, in welcher aus diesen Eingabewerten und einem vorgegebenen Sollwert für die auslaufseitige Banddicke eine Korrekturgröße gebildet wird, die einem Regelkreis zugeführt wird, der eine Positioniervorrichtung für die Arbeitswalzen ansteuert, gekennzeichnet durch die Kombination folgender zusätzlicher Verfahrensschritte:

• a) Die Frequenz für den einlaufseitigen Zähler (16) wird aus der auslaufseitigen Bandgeschwindigkeit abgeleitet und ist proportional zu dieser;
• a1) die auslaufseitige Torzeit wird aus einem auslaufseitigen Bandabschnitt abgeleitet;
• b) es wird fortlaufend einlaufseitig die Dickenabweichung des Bandes von einer vorgegebenen Solldicke gemessen und der Rechenvorrichtung (20) zugeführt;
• c) der Rechenvorrichtung (20) wird zusätzlich ein Sollwert für die einlaufeitige Banddicke eingegeben und es wird die Größe: berechnet, wobei hE die einlaufseitige Solldicke, ΔhE 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 ΔhA′ ≃ Ux gebildet, die als Korrekturgröße dem Regelkreis zur Ansteuerung einer hydraulischen Positioniervorrichtung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß automatisch fortlaufend auslaufseitig die Dickenabweichung des Bandes von einer vorgegebenen Solldicke gemessen und als zusätzliche Korrekturgröße über einen Integralregler (25) und ein Summierglied (26) zusammen mit der von der Rechenvorrichtung (20) abgegebenen Korrekturgröße einem PID-Regler zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte für die einlaufseitige Banddickenabweichung zeitrichtig über einen Digital-Analog-Wandler (29) und ein Summierglied (30) direkt dem Steuereingang der hydraulischen Positioniervorrichtung (6, 4) zugeführt werden.