EP2285506B1 - Verfahren und vorrichtung zur unterdrückung von schwingungen in einer walzanlage - Google Patents

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EP2285506B1
EP2285506B1 EP09765681.3A EP09765681A EP2285506B1 EP 2285506 B1 EP2285506 B1 EP 2285506B1 EP 09765681 A EP09765681 A EP 09765681A EP 2285506 B1 EP2285506 B1 EP 2285506B1
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EP
European Patent Office
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hydraulic
manipulated variable
roller
hydraulic valve
actuating element
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EP09765681.3A
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EP2285506A1 (de
Inventor
Georg Keintzel
Gerald Hohenbichler
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Primetals Technologies Austria GmbH
Original Assignee
Siemens VAI Metals Technologies GmbH Austria
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Publication date
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Publication of EP2285506A1 publication Critical patent/EP2285506A1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B37/00—Control devices or methods specially adapted for metal-rolling mills or the work produced thereby
    • B21B37/007—Control for preventing or reducing vibration, chatter or chatter marks

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for suppressing vibrations in a rolling mill.
  • the invention relates to a method for suppressing vibrations, in particular 3-octave oscillations, in a rolling mill with at least one roll stand with roll adjustment and at least one set of rolls, wherein at least one permanently measured size of the rolling mill fed to a controller, with the aid of this controller in real time determined time-variable manipulated variable and the controlled variables are kept substantially at defined setpoints by the action of at least one actuator of the roller adjustment.
  • EP 1457274 A2 discloses a method and apparatus for avoiding 3rd and 5th octave vibrations in a rolling stand.
  • at least one roller of a set of rollers is acted upon by means of a control circuit and an actuator, whereby the controlled variables are kept at defined setpoints.
  • concrete embodiments or selection criteria for the actuator can not be taken from the disclosure.
  • the object of the invention is to provide a method and a hydraulic roller adjustment having device for suppressing vibrations in a rolling mill with which in particular 3-octave oscillations effectively suppressed and thereby the quality of the rolling stock and / or the productivity of the rolling mill can be improved ,
  • a method of the type mentioned in which the manipulated variable is fed to an electro-hydraulic actuator and at least one hydraulic actuator of the roller adjustment is acted upon by this actuator, wherein the electro-hydraulic actuator has a nominal flow rate ⁇ 50 l / min and at least part of the frequency response at frequencies f ⁇ 80 Hz is characterized by a magnitude decrease ⁇ 3 dB and in this frequency range, the phase drop ⁇ the conditions f ⁇ 19 ⁇ ⁇ 3 + 3 . 1 ⁇ 10 - 6 ⁇ ⁇ 4 and ⁇ ⁇ 90 ° is sufficient.
  • the inventive method can be performed when at least part of the frequency response of the electro-hydraulic actuator at frequencies f ⁇ 80 Hz, preferably 200 ⁇ f ⁇ 80 Hz, characterized by a magnitude decrease ⁇ 3 dB and in this frequency range of Phase loss ⁇ the conditions f ⁇ 19 ⁇ ⁇ 3 + 3 . 1 ⁇ 10 - 6 ⁇ ⁇ 4 . prefers f ⁇ 23 ⁇ ⁇ 3 + 3 . 1 ⁇ 10 - 6 ⁇ ⁇ 4 . particularly preferred f ⁇ 27 ⁇ ⁇ 3 + 3 . 1 ⁇ 10 - 6 ⁇ ⁇ 4 . and ⁇ ⁇ 90 ° is sufficient.
  • the method according to the invention can be carried out advantageously if the acceleration in the setting direction, a hydraulic pressure or the setting force of a hydraulic actuator of the roller setting is used as a permanently measured variable.
  • Occurring vibrations are advantageously detected particularly quickly or suppressed in a particularly rapid manner when a permanently measured variable with a sampling time ⁇ 1 ms, preferably ⁇ 0.2 ms, a controller is supplied.
  • a further advantageous embodiment of the method is that the difference of the accelerations between the value on the piston rod and the value on the cylinder housing of a hydraulic actuator of the roller adjustment is used as a permanently measured variable.
  • a permanently measured variable is filtered by means of one or more bandpass filters, preferably by bandpass filters higher than the second order.
  • the controller determines the manipulated variable, taking into account a mathematical control law and a submodel, which characterizes the system state or the system behavior and preferably contains a hydraulic and / or mechanical and / or rolling force model.
  • the manipulated variable of the controller for suppressing vibrations of another manipulated variable, such as a roll gap control, additively superimposed and optionally supplied to a electro-hydraulic actuator after a phase change and / or a non-linear compensation.
  • the efficiency of the method according to the invention can be further increased if the supply pressure and / or the control pressure and / or the tank pressure at the electro-hydraulic actuator is stabilized by means of hydraulic accumulators.
  • the response time of the actuator is shortened or achieved a uniform response of the actuator largely independent of transient pressure fluctuations.
  • the electro-hydraulic actuator has a nominal flow rate ⁇ 100 l / min, preferably ⁇ 200 l / min. This makes it possible to provide with an actuator and high flow rates for controlling one or more actuators of the roller adjustment. As noted above, the nominal flow rate is determined at a pressure drop of 70 bar.
  • the size of the electrohydraulic actuator is selected via the inequality Q Nominal ⁇ 1592 * V Zyl , wherein the cylinder volume in m 3 is to be used in this numerical equation and the nominal volume flow Q Nenn results in l / min.
  • an electrically controlled hydraulic valve to which the manipulated variable can be fed, and at least one hydraulic cylinder of the roller adjustment, on the at least one roller of the set of rollers can be acted upon are present, wherein the hydraulic valve has a rated flow ⁇ 50 l / min and at least part of the frequency response at frequencies f ⁇ 80 Hz has a magnitude decrease ⁇ 3 dB and in this frequency range, the phase drop ⁇ the conditions f ⁇ 19 ⁇ ⁇ 3 + 3 . 1 ⁇ 10 - 6 ⁇ ⁇ 4 and ⁇ ⁇ 90 ° is sufficient.
  • the device for suppressing vibrations is executed when at least part of the frequency response of the hydraulic valve at frequencies ⁇ 80 Hz, preferably 200 ⁇ f ⁇ 80 Hz, a Amount drop ⁇ 3 dB and in this frequency range, the phase drop ⁇ the conditions f ⁇ 19 ⁇ ⁇ 3 + 3 . 1 ⁇ 10 - 6 ⁇ ⁇ 4 . prefers f ⁇ 23 ⁇ ⁇ 3 + 3 . 1 ⁇ 10 - 6 ⁇ ⁇ 4 . particularly preferred f ⁇ 27 ⁇ ⁇ 3 + 3 . 1 ⁇ 10 - 6 ⁇ ⁇ 4 . and ⁇ ⁇ 90 ° is sufficient.
  • a measuring device is designed as an acceleration, pressure or force sensor.
  • the measuring devices are connected to the digital controller, for example, via cable or fieldbus.
  • An advantageous measuring device can be achieved if a measuring device has two acceleration sensors, wherein a sensor with the piston rod and a sensor with the cylinder housing of a hydraulic cylinder of the roller adjustment is connected. It is advantageous that the measuring axis of an acceleration sensor is arranged parallel to the Anstellides a hydraulic cylinder of the roll adjustment.
  • a further improvement of the dynamic properties of the device according to the invention can be achieved if a supply line and / or a control line and / or a tank line to the hydraulic valve has a hydraulic accumulator for pressure stabilization.
  • the hydraulic valve has a nominal flow rate ⁇ 100 l / min, preferably ⁇ 200 l / min.
  • the electrohydraulic actuator has a nominal flow rate of Q nominal ⁇ 1592 * V cyl , again using the cylinder volume V Zyl in m 3 and the nominal flow Q nominal in l / min.
  • Particularly advantageous dynamic properties of the device can be achieved if a hydraulic valve with a hydraulic cylinder of the roll adjustment forms an assembly or the hydraulic valve is in the immediate vicinity of the hydraulic cylinder.
  • Fig. 1 shows the basic structure of a controlled system for the suppression of vibrations.
  • a measured variable 2 Via an acceleration sensor 1, which is in communication with a roll of a roll stand 12, a measured variable 2 is fed to a bandpass filter 3, which is designed as a fourth order bandpass, which corresponds to the frequency component of the measured variable relevant for chatter oscillations, ie. of the acceleration signal, a controller 4 feeds.
  • This controller 4 comprising a control algorithm and the plant state characterizing partial models, calculated in real time, taking into account the filtered measured variable 2 and a target size 5 at least one variable-time manipulated variable 6, which is a lead / lag member 7 and subsequently fed to a non-linear compensation element 8 ,
  • a lead / lag member 7 By a lead / lag member 7, the phase of a signal, in the specific case of the Manipulated variable 6, to be changed.
  • Such a change in the phase position is therefore particularly advantageous because it is possible to assume a substantially constant chatter frequency in a particular rolling mill, and it is possible to make targeted use of this knowledge to increase the power of the vibration suppression.
  • the resulting volumetric flow 10 is subsequently fed to at least one actuator designed as a hydraulic cylinder 11, which in turn exerts forces on a roller of the roller set.
  • This makes it possible, first, to selectively extract energy from a disturbance variable 13 and, secondly, to selectively influence the attenuation of the overall system. Both measures have an advantageous effect on the suppression of third octave oscillations and cause thereby the quality of the rolling stock and / or the production capacity of the rolling mill can be increased.
  • a rolling mill 12 of a rolling mill is shown.
  • a controller 4 is connected to a designed as a servo valve hydraulic valve 9.
  • a hydraulic cylinder 11 which is in communication with the hydraulic valve 9, a roll of the roll adjustment is applied, wherein in addition to the adjusting movement of the roller and the impingement to avoid vibrations.
  • position signals 14, pressure signals 15 and acceleration signals 16 of an acceleration pickup 1 are indicated.
  • Fig. 3 is the inventive phase drop of an electro-hydraulic hydraulic valve specified.
  • the frequency f is shown in Hz
  • the phase drop ⁇ in ° The frequency range has been cut off for clarity at 350 Hz.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Schwingungen in einer Walzanlage.
  • Konkret betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Unterdrückung von Schwingungen, insbesondere 3. Oktav Schwingungen, in einer Walzanlage mit zumindest einem Walzgerüst mit Walzenanstellung und zumindest einem Walzensatz, wobei wenigstens eine permanent gemessene Größe der Walzanlage einem Regler zugeführt, mit Hilfe dieses Reglers in Echtzeit eine zeitlich veränderliche Stellgröße ermittelt und durch die Beaufschlagung mindestens eines Aktuators der Walzenanstellung die Regelgrößen im Wesentlichen bei definierten Sollwerten gehalten werden.
  • Bei Walzanlagen, insbesondere Kaltwalzstraßen, ist es bekannt, dass es unter bestimmten Betriebszuständen, wie z.B. Bandzug, Bandzugdifferenz, Reibkoeffizienten, Dickenabnahme, Materialfestigkeit und Bandgeschwindigkeit, zu unerwünschten Schwingungen kommt, die zu erheblichen Schäden an der Anlage, als auch zu Defekten am Walzgut führen können. Dem Fachmann sind aus der Vielzahl bei Walzprozessen auftretenden Schwingungen die 3. Oktav-Schwingungen, engl. 3rd octave chatter, bekannt. 3. Oktav-Schwingungen treten typischerweise in einem Frequenzbereich von etwa 80 bis 170 Hz auf und sind von einem hohen Energieinhalt sowie instabilen Schwingungszuständen gekennzeichnet, sodass auch erhebliche mechanische Schäden am Walzgerüst einer Walzanlage auftreten können. Da es bei diesen Schwingungen aber auch zu Bewegungen des Walzensatzes und somit zu Abweichungen vom Sollwalzspalt kommt, führt dies zu Defekten am Walzgut, welche als Oberflächendefekte, geometrische Defekte oder auch als Kombinationen davon ausgeprägt sein können. Typischerweise wird beim Auftreten derartiger Schwingungen vom Betriebspersonal der Walzanlage eine sofortige Reduktion der Walzgeschwindigkeit vorgenommen, das mit einer Durchsatzreduktion (also verringerter Produktivität) einhergeht und zum Abklingen der Schwingungen führt. Der angegebene Frequenzbereich für 3. Oktav-Schwingungen hängt wesentlich von der jeweiligen Anlagenkonfiguration und den Walzparametern ab und kann daher auch davon abweichen. Bei einem Verfahren zur Unterdrückung von Schwingungen (einer sog. "aktiven Schwingungskompensation"), wird zumindest eine permanent gemessene Größe der Walzanlage einem Regler zugeführt, der eine zeitlich veränderliche Stellgröße berechnet. Durch die Beaufschlagung zumindest eines Aktuators der Walzenanstellung ist es möglich, die Regelgrößen im Wesentlichen, dh. bis z.B. auf Überschwingvorgänge, bei definierten Sollwerten zu halten.
  • In der EP 1457274 A2 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung von 3. und 5. Oktav-Schwingungen in einem Walzgerüst offenbart. Hierbei wird mittels eines Regelkreises und eines Aktuators mindestens eine Walze eines Walzensatzes beaufschlagt, wodurch die Regelgrößen bei definierten Sollwerten gehalten werden. Konkrete Ausführungsformen bzw. Auswahlkriterien für den Aktuator können der Offenbarung allerdings nicht entnommen werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine hydraulische Walzenanstellung aufweisende Vorrichtung zur Unterdrückung von Schwingungen in einer Walzanlage zu schaffen, mit denen insbesondere 3. Oktav-Schwingungen effektiv unterdrückt und dadurch die Qualität des Walzguts und/oder die Produktivität der Walzanlage verbessert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Stellgröße einem elektro-hydraulischen Stellglied zugeführt und durch dieses Stellglied zumindest ein hydraulischer Aktuator der Walzenanstellung beaufschlagt wird, wobei das elektro-hydraulische Stellglied über einen Nenndurchfluss ≥ 50 l/min verfügt und zumindest ein Teil des Frequenzgangs bei Frequenzen f ≥ 80 Hz durch einen Betragsabfall ≤ 3 dB charakterisiert wird und in diesem Frequenzbereich der Phasenabfall φ den Bedingungen f ≥ 19 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4
    Figure imgb0001
     und φ < 90° genügt.
  • Hierbei wird unter einem elektro-hydraulischen Stellglied ein elektrisch, beispielsweise durch ein 4 bis 20 mA Stromsignal, ansteuerbares Hydraulikventil, beispielsweise ein stetiges, ein- oder mehrstufiges Regel-, Proportional- oder Servoventil verstanden. Obwohl Hydraulikventile ein nichtlineares Verhalten aufweisen, z.B. in der Durchflusskennlinie, lässt sich das dynamische Verhalten von Ventilen gut über den Frequenzgang charakterisieren. Der Frequenzgang ist somit geeignet, die Eignung eines Ventils für bestimmte Einsatzzwecke im Sinne des dynamischen Verhaltens anzugeben. Die Ermittlung des Frequenzgangs, dh. des Phasen- und des Betragsgangs, von stetigen Ventilen ist dem Fachmann z.B. aus
    • Kapitel 3.7.2 Verhalten im Frequenzbereich von W. Backé: Umdruck zu Vorlesung Servohydraulik, 6. Auflage, Institut für hydraulische und pneumatische Antriebe und Steuerung der RWTH Aachen, 1992.
    bekannt. Im Sinne der Offenbarung ist unter einem Betragsabfall von ≤ 3 dB zu verstehen, dass der Betragsgang einen Wert ≥ -3 dB aufweist; ein positiver Wert des Betragsabfalls führt also zu einer Abschwächung der Amplitude des Ausgangssignals. Analog ist unter einem Phasenabfall von beispielsweise ≤ 45° zu verstehen, dass der Phasengang einen Wert ≥ -45° aufweist, dh. dass das Ausgangssignal dem Eingangssignal um ≤ 45° nacheilt (LAG Verhalten). Da der Frequenzgang von verschiedenen Betriebsparametern abhängt, sind die angegebenen Werte für den Phasenabfall und den Betragsabfall bei einer Aussteuerung von ±50 %, bevorzugt 85 %, (0% entspricht einem nicht ausgesteuerten, dh. geschlossenen, Ventil; 100% entsprechen einem voll ausgesteuerten, dh. voll geöffneten, Ventil) und einem Systemdruck von 70 % des Nenndrucks des Ventils zu ermitteln. In vielen Fällen muss der Frequenzgang aber nicht notwendiger Weise erst experimentell ermittelt werden, da der Frequenzgang für viele Ventile bereits aus den Datenblättern hervorgeht. In den Datenblättern wird der Betragsgang, dh. der Verstärkungsfaktor zwischen Ein- und Ausgangssignal, typischerweise im logarithmischen Maß Dezibel (kurz dB) angegeben und der Phasengang, dh. der Phasenunterschied zwischen Ein- und Ausgangssignal, in Grad °. Diese Notation ist ebenfalls, z.B. aus Backé, bekannt, selbstverständlich sind jedoch auch Angaben in anderen Einheiten möglich. Die Definition des Nenndurchflusses, bzw. des Nennvolumenstroms, ist aus Kapitel 3.6.3 Nennvolumenstrom aus Backé bekannt. Der Nenndurchfluss wird bei einer Druckdifferenz von 70 bar bei voll ausgesteuertem Ventilschieber ermittelt. Die Werte für den Phasenabfall φ in ° sind aus einer Zahlenwertungleichung zu ermitteln, wobei die Frequenz f in Hz einzusetzen ist.
  • In besonders vorteilhafter Weise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren durchführen, wenn zumindest ein Teil des Frequenzgangs des elektro-hydraulischen Stellglieds bei Frequenzen f ≥ 80 Hz, bevorzugt 200 ≥ f ≥ 80 Hz, durch einen Betragsabfall ≤ 3 dB charakterisiert wird und in diesem Frequenzbereich der Phasenabfall φ den Bedingungen f ≥ 19 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0002
     bevorzugt f ≥ 23 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0003
     besonders bevorzugt f ≥ 27 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0004
     und φ < 90° genügt. Mittels dieser vorteilhaften Ausführungsformen lassen sich nochmals verbesserte Resultate bei der Unterdrückung von Schwingungen erzielen, da der Phasenabfall des elektro-hydraulischen Stellglieds weiter reduziert wurde und/oder der Frequenzgang, dh. der Phasen- und Betragsabfall, in einem für die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besonders günstigen Frequenzband liegen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich vorteilhaft ausführen, wenn als eine permanent gemessene Größe die Beschleunigung in Anstellrichtung, ein hydraulischer Druck oder die Anstellkraft eines hydraulischen Aktuators der Walzenanstellung herangezogen wird. Diese Tatsache ist unmittelbar einsichtig, da die Beschleunigung über das Newton'sche Grundgesetz F = m·ẍ mit der Masse m und der Anstellkraft F, bzw. die Kraft F über F = p·A mit dem hydraulischen Druck und der Kolbenfläche des Aktuators verbunden ist und somit eine sehr empfindliche und genaue Messung möglich ist.
  • Auftretende Schwingungen werden vorteilhafterweise besonders schnell erkannt bzw. in weiterer Folge besonders rasch unterdrückt, wenn eine permanent gemessene Größe mit einer Abtastzeit < 1 ms, bevorzugt < 0,2 ms, einem Regler zugeführt wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, dass als eine permanent gemessene Größe die Differenz der Beschleunigungen zwischen dem Wert an der Kolbenstange und dem Wert am Zylindergehäuse eines hydraulischen Aktuators der Walzenanstellung herangezogen wird. Mittels dieser Ausführungsform ist es möglich, die effektiv auftretenden Kräfte bzw. Beschleunigungen besonders genau zu erfassen.
  • In zwei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen des Verfahrens, wird eine permanent gemessene Größe mittels eines oder mehrerer Bandpassfilter, bevorzugt durch Bandpassfilter höher als zweiter Ordnung, gefiltert. Mittels dieser Ausführungsformen ist es möglich, die für Chatter Schwingungen relevanten Frequenzanteile aus einer gemessenen Größe herauszufiltern und einem Regler zuzuführen.
  • Es ist weiters vorteilhaft, dass der Regler die Stellgröße unter Berücksichtigung eines mathematischen Regelgesetzes und eines Teilmodells ermittelt, welches den Anlagenzustand bzw. das Anlagenverhalten charakterisiert und vorzugsweise ein hydraulisches und/oder mechanisches und/oder Walzkraftmodell enthält. Durch diesen erfindungsgemäßen Regler wird sichergestellt, dass die Walzanlage das gewünschte, durch die Stellgröße vorgegebene, Verhalten weitgehend unabhängig vom jeweiligen Betriebspunkt zeigt.
  • Da der Frequenzgang jedes realen Stellglieds - besonders stark natürlich bei höheren Frequenzen - einen Phasenabfall zeigt, ist es vorteilhaft, dass die Stellgröße einem Lead/Lag Glied zugeführt und dabei die Phasenlage der Stellgröße verändert wird. Mittels eines Lead/Lag Glieds ist es möglich, die Phasenlage eines Signals, im konkreten Fall des Stellgrößensignals, zu verändern und so die durch das Stellglied bedingte Phasenverschiebung zumindest teilweise oder gar vollständig zu kompensieren.
  • Es ist weiters vorteilhaft, die Stellgröße einem nichtlinearen Kompensationsglied zuzuführen und dabei Nichtlinearitäten der hydraulischen Walzenanstellung zu reduzieren bzw. zu kompensieren. Dem Fachmann ist bekannt, dass z.B. die Durchflusskennlinie eines Hydraulikventils als auch das dynamische Verhalten eines Hydraulikzylinders signifikante Nichtlinearitäten aufweisen. Nachdem diese Nichtlinearitäten bekannt sind, ist es möglich, diese vollständig oder zumindest teilweise mittels einer nichtlinearen Kompensation zu beseitigen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird die Stellgröße des Reglers zur Unterdrückung von Schwingungen einer weiteren Stellgröße, beispielsweise einer Walzspaltregelung, additiv überlagert und gegebenenfalls nach einer Phasenveränderung und/oder einer nichtlinearen Kompensation einem elektro-hydraulischen Stellglied zugeführt. Dadurch ist es möglich, die zwei Regelkreise i) zur Unterdrückung von Schwingungen und ii) der Walzspaltregelung weitgehend unabhängig voneinander zu optimieren, wodurch die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems gesteigert werden kann.
  • Die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich weiter steigern, wenn der Versorgungsdruck und/oder der Steuerdruck und/oder der Tankdruck am elektro-hydraulischen Stellglied mittels hydraulischer Akkumulatoren stabilisiert wird. Durch diese Maßnahme wird die Ansprechzeit des Stellglieds verkürzt bzw. ein gleichmäßiges Ansprechen des Stellglieds weitgehend unabhängig von transienten Druckschwankungen erreicht.
  • Bei Walzgerüsten mit hohen Walzkräften ist es vorteilhaft, dass das elektro-hydraulische Stellglied über einen Nenndurchfluss ≥ 100 l/min, bevorzugt ≥ 200 l/min, verfügt. Dadurch ist es möglich, mit einem Stellglied auch hohe Volumenströme für die Ansteuerung eines oder mehrerer Aktuatoren der Walzenanstellung bereitzustellen. Wie oben angemerkt, wird der Nenndurchfluss bei einem Druckabfall von 70 bar ermittelt.
  • Vorteilhafterweise wird die Größe des elektro-hydraulischen Stellglieds über die Ungleichung QNenn ≥ 1592·VZyl ausgewählt, wobei in diese Zahlenwertungleichung das Zylindervolumen in m3 einzusetzen ist und sich der Nennvolumenstrom QNenn in l/min ergibt. Das Zylindervolumen ergibt sich aus der Formel VZyl = AZyl·Hub, wobei die Kolbenfläche mit AZyl und der maximale Hub des Hydraulikzylinders mit Hub angegeben wird. Um eine besonders hohe Dynamik der Schwingungsunterdrückung zu erreichen ist es vorteilhaft, jedem Stellglied genau einem hydraulischen Aktuator der Walzenanstellung zuzuordnen.
  • Um eine möglichst unmittelbare Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu ermöglichen, welche die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe löst, ist es vorteilhaft, dass ein elektrisch angesteuertes Hydraulikventil, dem die Stellgröße zuführbar ist, und zumindest ein Hydraulikzylinder der Walzenanstellung, über den mindestens eine Walze des Walzensatzes beaufschlagbar ist, vorhanden sind, wobei das Hydraulikventil einen Nenndurchfluss ≥ 50 l/min aufweist und zumindest ein Teil des Frequenzgangs bei Frequenzen f ≥ 80 Hz einen Betragsabfall ≤ 3 dB aufweist und in diesem Frequenzbereich der Phasenabfall φ den Bedingungen f ≥ 19 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4
    Figure imgb0005
     und φ < 90° genügt.
  • In besonders vorteilhafter Weise wird die Vorrichtung zur Unterdrückung von Schwingungen ausgeführt, wenn zumindest ein Teil des Frequenzgangs des Hydraulikventils bei Frequenzen ≥ 80 Hz, bevorzugt 200 ≥ f ≥ 80 Hz, einen Betragsabfall ≤ 3 dB aufweist und in diesem Frequenzbereich der Phasenabfall φ den Bedingungen f ≥ 19 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0006
     bevorzugt f ≥ 23 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0007
     besonders bevorzugt f ≥ 27 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0008
     und φ < 90° genügt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wird eine Messeinrichtung als Beschleunigungs-, Druck- oder Kraftsensor ausgeführt. Die Messeinrichtungen sind beispielsweise über Kabel oder Feldbus mit dem digitalen Regler verbunden.
  • Eine vorteilhafte Messeinrichtung lässt sich dann erzielen, wenn eine Messeinrichtung zwei Beschleunigungssensoren aufweist, wobei ein Sensor mit der Kolbenstange und ein Sensor mit dem Zylindergehäuse eines Hydraulikzylinders der Walzenanstellung verbunden ist. Dabei ist es vorteilhaft, dass die Messachse eines Beschleunigungssensors parallel zur Anstellrichtung eines Hydraulikzylinders der Walzenanstellung angeordnet ist.
  • Eine weitere Verbesserung der dynamischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich erzielen, wenn eine Versorgungsleitung und/oder eine Steuerleitung und/oder eine Tankleitung zum Hydraulikventil einen hydraulischen Akkumulator zur Druckstabilisierung aufweist.
  • Bei hohen Walzkräften ist es vorteilhaft, die Vorrichtung so auszuführen, dass das Hydraulikventil einen Nenndurchfluss ≥ 100 l/min, bevorzugt ≥ 200 l/min, aufweist.
  • Vorteilhafterweise weist das elektro-hydraulische Stellglied einen Nenndurchfluss von QNenn ≥ 1592·VZyl auf, wobei wiederum das Zylindervolumen VZyl in m3 einzusetzen ist und sich der Nenndurchfluss QNenn in l/min ergibt.
  • Eine vorteilhafte Bauform der Vorrichtung, weil besonders kompakt, lässt sich erzielen, wenn der Regler mit dem Hydraulikventil eine Baugruppe bildet oder sich der Regler in unmittelbarer räumlicher Nähe des Hydraulikventils befindet. Das Hydraulikventil ist beispielsweise über Kabel oder Feldbus mit dem digitalen Regler verbunden.
  • Besonders vorteilhafte dynamische Eigenschaften der Vorrichtung lassen sich erzielen, wenn ein Hydraulikventil mit einem Hydraulikzylinder der Walzenanstellung eine Baugruppe bildet oder sich das Hydraulikventil in unmittelbarer räumlicher Nähe des Hydraulikzylinders befindet.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird, die Folgendes zeigen:
    • Fig. 1 Schema einer Regelstrecke zur Unterdrückung von Schwingungen
    • Fig. 2 Schema eines Walzgerüsts mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Unterdrückung von Schwingungen
    • Fig. 3 der erfindungsgemäße Bereich des Phasenabfalls eines elektro-hydraulischen Stellglieds
  • Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Regelstrecke zur Unterdrückung von Schwingungen. Über einen Beschleunigungssensor 1, der mit einer Walze eines Walzgerüstes 12 in Verbindung steht, wird eine Messgröße 2 einem Bandpassfilter 3, welcher als Bandpass vierter Ordnung ausgeführt ist, zugeführt, welcher dem für Chatter Schwingungen relevanten Frequenzanteil der Messgröße, dh. des Beschleunigungssignals, einem Regler 4 zuführt. Dieser Regler 4, beinhaltend einen Regelalgorithmus und den Anlagenzustand charakterisierende Teilmodelle, errechnet in Echtzeit unter Berücksichtigung der gefilterten Messgröße 2 und einer Sollgröße 5 wenigstens eine zeitlich veränderliche Stellgröße 6, welche einem Lead/Lag Glied 7 und im Anschluss daran einem nichtlinearen Kompensationsglied 8 zugeführt wird. Durch ein Lead/Lag Glied 7 kann die Phasenlage eines Signals, im konkreten Fall der Stellgröße 6, verändert werden. Eine derartige Veränderung der Phasenlage ist deswegen besonders vorteilhaft, weil man bei einer bestimmten Walzanlage von einer im Wesentlichen konstanten Chatterfrequenz ausgehen kann, und man dieses Wissen gezielt zur Leistungssteigerung der Schwingungsunterdrückung nutzen kann. Geht man beispielsweise von einer Chatterfrequenz von 150 Hz der Walzanlage aus und ist bei dieser Frequenz entweder aus einem Datenblatt oder aus experimentellen Untersuchungen des Hydraulikventils 9 bekannt, dass das Ventil bei dieser Frequenz einen gewissen Phasenabfall aufweist, so kann dieser Phasenabfall mittels des Lead/Lag Glieds 7 vollständig oder zumindest teilweise kompensiert werden. Im Anschluss an das Lead/Lag Glied 7, werden wesentliche Nichtlinearitäten, beispielsweise der Durchflusskennlinie eines hydraulischen Servoventils 9 und/oder des dynamischen Verhaltens eines Hydraulikzylinders 11, mittels eines Kompensators 8 ausgeglichen. Das so kompensierte und phasenverschobene Stellgrößensignal wird anschließend dem Hydraulikventil 9, welches als stetiges, ein- oder mehrstufiges Servo-, Proportional- oder Regelventil ausgeführt ist, zugeführt. Der resultierende Volumenstroms 10 wird in weiterer Folge zumindest einem als Hydraulikzylinder 11 ausgeführten Aktuator zugeführt, welcher wiederum Kräfte auf eine Walze des Walzensatzes ausübt. Hierdurch ist es möglich, erstens einer Störgröße 13 gezielt Energie zu entziehen und zweitens, die Dämpfung des Gesamtsystems gezielt zu beeinflussen. Beide Maßnahmen wirken sich vorteilhaft auf die Unterdrückung von 3. Oktav-Schwingungen aus und bewirken, dass dadurch die Qualität des Walzguts und/oder die Produktionsleistung der Walzanlage erhöht werden kann.
  • In Fig. 2 ist ein Walzgerüst 12 einer Walzanlage dargestellt. Hierbei ist ein Regler 4 mit einem als Servoventil ausgeführten Hydraulikventil 9 verbunden. In einem Hydraulikzylinder 11, der mit dem Hydraulikventil 9 in Verbindung steht, wird eine Walze der Walzenanstellung beaufschlagt, wobei neben der Anstellbewegung der Walze auch die Beaufschlagung zur Vermeidung von Schwingungen erfolgt. Als Eingangsgrößen für den Regler 4 sind Positionssignale 14, Drucksignale15 und Beschleunigungssignale 16 eines Beschleunigungsaufnehmers 1 angedeutet.
  • In Fig. 3 ist der erfindungsgemäße Phasenabfall eines elektro-hydraulischen Hydraulikventils angegeben. Auf der Ordinate ist die Frequenz f in Hz, auf der Abszisse der Phasenabfall φ in ° dargestellt. Der Frequenzbereich wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit bei 350 Hz abgeschnitten. Der Phasenabfall errechnet sich in folgender Weise: Ist man beispielsweise an einer Frequenz f zu einem Phasenabfall von 60° interessiert, dh. an der Frequenz bei der der Phasengang φ = -60° beträgt, so setzt man den Wert φ = 60° in die Gleichung f ≥ 19 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4
    Figure imgb0009
     ein. Daraus ergibt sich ein Wert f=114,6 Hz, dh. der Phasengang des erfindungsgemäßen Ventils darf erst bei Frequenzen f ≥ 114,6 Hz einen Phasenabfall von φ = 60° aufweisen, bzw. der Phasengang darf erst bei Frequenzen f ≥ 114,6 Hz den Wert φ = -60° unterschreiten. Bezugszeichenliste
    1 Beschleunigungssensor
    2 Messgröße
    3 Bandpassfilter
    4 Regler
    5 Sollgröße
    6 Stellgröße
    7 Lead/Lag Glied
    8 Kompensator
    9 Hydraulikventil
    10 Volumenstrom
    11 Hydraulikzylinder
    12 Walzgerüst
    13 Störgröße
    14 Positionssignal
    15 Drucksignal
    16 Beschleunigungssignal

Claims (26)

  1. Verfahren zur Unterdrückung von Schwingungen, insbesondere dritter Oktav-Schwingungen, in einer Walzanlage mit zumindest einem Walzgerüst (12) mit und zumindest einem Walzensatz, wobei wenigstens eine permanent gemessene Größe (2) der Walzanlage einem Regler (4) zugeführt, mit Hilfe dieses Reglers (4) in Echtzeit eine zeitlich veränderliche Stellgröße (6) ermittelt und durch die Beaufschlagung mindestens eines Aktuators (11) der Walzenanstellung die Regelgrößen im Wesentlichen bei definierten Sollwerten gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (6) einem elektro-hydraulischen Stellglied (9) zugeführt und durch dieses Stellglied zumindest ein hydraulischer Aktuator (11) der beaufschlagt wird, wobei das elektro-hydraulische Stellglied über einen Nenndurchfluss ≥ 50 l/min verfügt und zumindest ein Teil des Frequenzgangs bei Frequenzen f ≥ 80 Hz durch einen Betragsabfall ≤ 3 dB charakterisiert wird und in diesem Frequenzbereich der Phasenabfall φ den Bedingungen f ≥ 19 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4
    Figure imgb0010
     und φ < 90° genügt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Frequenzgangs des elektro-hydraulischen Stellglied (9) bei Frequenzen f ≥ 80 Hz durch einen Betragsabfall ≤ 3 dB charakterisiert wird und in diesem Frequenzbereich der Phasenabfall φ den Bedingunger f ≥ 23 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0011
     bevorzugt f ≥ 27 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0012
     und φ < 90° genügt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Frequenzgangs des elektro-hydraulischen Stellglieds (9) bei Frequenzen 200 ≥ f ≥ 80 Hz durch einen Betragsabfall ≤ 3 dB charakterisiert wird und in diesem Frequenzbereich der Phasenabfall φ den Bedingungen f ≥ 19 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0013
     bevorzugt f ≥ 23 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0014
     besonders bevorzugt f ≥ 27 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0015
     und φ < 90° genügt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als eine permanent gemessene Größe (2) die Beschleunigung in Anstellrichtung, ein hydraulischer Druck oder die Anstellkraft eines hydraulischen Aktuators (11) der Walzenanstellung herangezogen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine permanent gemessene Größe (2) mit einer Abtastzeit < 1 ms, bevorzugt < 0,2 ms, einem Regler (4) zugeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als eine permanent gemessene Größe (2) die Differenz der Beschleunigungen zwischen dem Wert an der Kolbenstange und dem Wert am Zylindergehäuse eines hydraulischen Aktuators (11) der Walzenanstellung herangezogen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine permanent gemessene Größe (2) mittels eines oder mehrerer Bandpassfilter (3) gefiltert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine permanent gemessene Größe (2) mittels eines oder mehrerer Bandpassfilter (3) höher als zweiter Ordnung gefiltert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (4) die Stellgröße (6) unter Berücksichtigung eines mathematischen Regelgesetzes und eines Teilmodells ermittelt, welches den Anlagenzustand bzw. das Anlagenverhalten charakterisiert und vorzugsweise ein hydraulisches und/oder mechanisches und/oder Walzkraftmodell enthält.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (6) einem Lead/Lag Glied (7) zugeführt und dabei die Phasenlage der Stellgröße verändert wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (6) einem nichtlinearen Kompensationsglied (8) zugeführt und dabei Nichtlinearitäten der hydraulischen Walzenanstellung reduziert oder kompensiert werden.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (6) des Reglers (4) zur Unterdrückung von Schwingungen einer weiteren Stellgröße, beispielsweise einer Walzspaltregelung, additiv überlagert und gegebenenfalls nach einer Phasenveränderung und/oder einer nichtlinearen Kompensation einem elektro-hydraulischen Stellglied (9) zugeführt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungsdruck und/oder der Steuerdruck und/oder der Tankdruck am elektro-hydraulischen Stellglied (9) mittels hydraulischer Akkumulatoren stabilisiert wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektro-hydraulische Stellglied (9) über einen Nenndurchfluss ≥ 100 l/min, bevorzugt ≥ 200 l/min, verfügt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das elektro-hydraulische Stellglied (9) über einen Nenndurchfluss QNenn ≥ 1592·VZyl verfügt und durch ein Stellglied genau ein hydraulischer Aktuator (11) der Walzenanstellung beaufschlagt wird.
  16. Vorrichtung zur Unterdrückung von Schwingungen, insbesondere dritter Oktav-Schwingungen, in einer Walzanlage, umfassend ein Walzgerüst (12), eine Walzenanstellung, zumindest einen Walzensatz, wenigstens eine Messeinrichtung zum permanenten Messen einer Größe (2) der Walzanlage und einen Regler (4), dem die gemessene Größe (2) zuführbar ist und mit dessen Hilfe in Echtzeit zumindest eine zeitlich veränderliche Stellgröße (6) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch angesteuertes Hydraulikventil (9), dem die Stellgröße (6) zuführbar ist, und zumindest ein Hydraulikzylinder (11) der Walzenanstellung, über den mindestens eine Walze des Walzensatzes beaufschlagbar ist, vorhanden sind, wobei das Hydraulikventil (9) einen Nenndurchfluss ≥ 50 l/min aufweist und zumindest ein Teil des Frequenzgangs bei Frequenzen f ≥ 80 Hz einen Betragsabfall ≤ 3 dB aufweist und in diesem Frequenzbereich der Phasenabfall φ den Bedingungen f ≥ 19 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4
    Figure imgb0016
     und φ < 90° genügt.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Frequenzgangs des Hydraulikventils (9) bei Frequenzen ≥ 80 Hz einen Betragsabfall ≤ 3 dB aufweist und in diesem Frequenzbereich der Phasenabfall φ den Bedingungen f ≥ 23 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0017
     bevorzugt f ≥ 27 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0018
     und φ < 90° genügt.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Frequenzgangs des Hydraulikventils (9) bei Frequenzen 200 ≥ f ≥ 80 Hz einen Betragsabfall ≤ 3 dB aufweist und in diesem Frequenzbereich der Phasenabfall φ den Bedingungen f ≥ 19 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0019
     bevorzugt f ≥ 23 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0020
     besonders bevorzugt f ≥ 27 ⋅ ϕ 3 + 3 , 1 ⋅ 10 - 6 ⋅ ϕ 4 ,
    Figure imgb0021
     und φ < 90° genügt.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung als Beschleunigungs- (1), Druck- oder Kraftsensor ausgeführt ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung zwei Beschleunigungssensoren (1) aufweist, wobei ein Sensor (1) mit der Kolbenstange und ein Sensor (1) mit dem Zylindergehäuse eines Hydraulikzylinders (11) der Walzenanstellung verbunden ist.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messachse eines Beschleunigungssensors (1) parallel zur Anstellrichtung eines Hydraulikzylinders (11) der Walzenanstellung angeordnet ist.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Versorgungsleitung und/oder eine Steuerleitung und/oder eine Tankleitung zum Hydraulikventil (9) einen hydraulischen Akkumulator zur Druckstabilisierung aufweist.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikventil (9) einen Nenndurchfluss ≥ 100 l/min, bevorzugt ≥ 200 l/min, aufweist.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikventil (9) einen Nenndurchfluss QNenn ≥ 1592·VZyl aufweist.
  25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (4) mit dem Hydraulikventil (9) eine Baugruppe bildet oder sich der Regler (4) in unmittelbarer räumlicher Nähe des Hydraulikventils (9) efindet.
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hydraulikventil (9) mit einem Hydraulikzylinder (11) der eine Baugruppe bildet oder sich das Hydraulikventil (9) in unmittelbarer räumlicher Nähe des Hydraulikzylinders (11) befindet.
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