JP2016137506A - 圧延設備の電動機駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧延ラインに沿って配置された複数の圧延スタンドのそれぞれを個別の電動機によって駆動する圧延設備において、個々の圧延スタンドの速度の適切な制御によって製品の寸法精度を向上させることのできる電動機駆動制御装置を提供する。【解決手段】本発明に係る電動機駆動制御装置は、隣接する２つの圧延スタンドのうち下流側の圧延スタンドの現在速度に対する上流側の圧延スタンドの現在速度の比を計算し、これと所定の基準値との差分を計算する。そして、この差分に基づいて上流側の圧延スタンドの速度を下流側の圧延スタンドの速度に調和させるための補正係数を計算し、上流側の圧延スタンドの電動機に対して設定された速度基準を補正係数により補正する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧延ラインに沿って配置された複数の圧延スタンドのそれぞれを個別の電動機によって駆動する圧延設備の電動機駆動制御装置に関し、詳しくは、線材或いは棒鋼を圧延するブロックミルに用いて好適な電動機駆動制御装置に関する。

下記の特許文献１は、線材或いは棒鋼を圧延するブロックミルに関する技術を開示している。特許文献１は、マスフローを一定にするための新たな張力制御を提案し、それを組み込んだブロックミルの構成を開示している。特許文献１が示すとおり、従来一般的に用いられているブロックミルは、１台の電動機で複数の圧延スタンドを駆動するコモンドライブ型のブロックミルであった。

従来のコモンドライブ型のブロックミルでは、基本的に大容量の電動機駆動システムが採用され、個々の圧延スタンドはブロックミルに組み込まれているギアを介して駆動されていた。このような構成が採用されてきたのは、個々の圧延スタンドを個別の電動機によって駆動する方式に比較して、電動機を据え付けるスペースが小さくて済むからである。線材或いは棒鋼を圧延するブロックミルでは、複数の圧延スタンドが密接して配置されるために据付スペースに余裕はない。また、ギアを介してそれぞれの圧延スタンドを駆動する方式のほうが個別の電動機によって駆動する方式よりも速度制御の誤差が少ないという利点もあった。

ところで、近年における電動機の技術進歩は著しく、小容量かつ小スペースの電動機が開発され実用されている。そして、小容量かつ小スペースの電動機を圧延設備、特に、線材或いは棒鋼を圧延するブロックミルに適用し、それぞれの圧延スタンドを個別の電動機によって駆動することが試みられている。例えば、特許文献２は、ブロックミルのそれぞれのロールを個別に駆動する機械構成を提案し、それらを同時に駆動するシステムの構成を開示している。

このような個別駆動方式において従来のギア式と同等かそれ以上の製品の寸法精度を得るためには、個々の圧延スタンドの速度が電動機によって適切に制御されなければならない。しかし、そのために必要な電動機の駆動制御の方法については、未だあまり検討されていない。

特開平１１−３３６１１号公報 特表２０１３−５０８１７２号公報

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、圧延ラインに沿って配置された複数の圧延スタンドのそれぞれを個別の電動機によって駆動する圧延設備において、個々の圧延スタンドの速度の適切な制御によって製品の寸法精度を向上させることを目的とする。

本発明に係る電動機駆動制御装置は、圧延ラインに沿って配置された複数の圧延スタンドのそれぞれを個別の電動機によって駆動する圧延設備の電動機駆動制御装置であって、上記目的を達成するために以下のように構成される。

本発明に係る電動機駆動制御装置は、各電動機に対して速度基準を設定する速度基準設定手段を備える。速度基準設定手段は、例えば、各電動機に対して個別に速度基準を設定するように構成されていてもよいし、各電動機に対して設定する速度基準を各圧延スタンドのギア比を用いて１つの主速度基準から計算するように構成されていてもよい。また、本発明に係る電動機駆動制御装置は、各圧延スタンドの現在速度を取得する速度取得手段を備える。速度取得手段は、電動機駆動制御装置がベクトル制御方式の制御装置である場合には、各電動機に接続された速度センサの信号により各圧延スタンドの現在速度を計測するように構成することができ、電動機駆動制御装置がセンサレスベクトル制御方式の制御装置である場合には、各電動機の負荷電流により各圧延スタンドの現在速度を推定するように構成することができる。

本発明に係る電動機駆動制御装置は、隣接する２つの圧延スタンドのうち下流側の圧延スタンドの現在速度に対する上流側の圧延スタンドの現在速度の速度比を計算し、これと所定の基準値との差分を計算する比較演算手段を備える。基準値の好ましい例は、無負荷定常時における下流側の圧延スタンドの速度に対する上流側の圧延スタンドの速度の比である。

本発明に係る電動機駆動制御装置は、比較演算手段により計算された、隣接する２つの圧延スタンド間の速度比の基準値に対する差分に基づいて、速度基準に対する補正係数を計算する。この補正係数は、速度比を基準値に近づけるための補正係数であって、例えば、前記差分に対するＰＩ制御によって計算される。

本発明に係る電動機駆動制御装置は、各電動機に対して設定された速度基準を補正する速度基準補正手段を備える。速度基準補正手段は、隣接する２つの圧延スタンドのうち上流側の圧延スタンドの電動機に対して設定された速度基準を前記補正係数を用いて補正する。さらに好ましくは、速度基準補正手段は、隣接する２つの圧延スタンドのうち上流側の圧延スタンドに加えて、それよりも上流に位置する圧延スタンドの電動機に対して設定された速度基準に対しても前記補正係数を用いた補正を行う。

本発明に係る電動機駆動制御装置は、圧延設備の中でも特に線材或いは棒鋼を圧延するブロックミルに用いて好適である。また、本発明のブロックミルへの適用においては、電動機駆動制御装置は、電動機ごとに用意された駆動回路と、駆動回路に対して速度基準を指令するプロセッサとが一体化されてなる構成とすることが好ましい。プロセッサは、少なくとも比較演算手段、補正係数計算手段、及び、速度基準補正手段として機能するようにプログラムする。

本発明に係る電動機駆動制御装置によれば、隣接する２つの圧延スタンド間において速度比に変化が生じた場合、現在の速度比と所定の基準値との差分に基づいて計算された補正係数により、上流側の圧延スタンドの電動機に対して設定された速度基準が補正される。このような方法によって個々の圧延スタンドの速度を適切に制御することにより、圧延スタンド間の速度比の基準値に対するずれを速やかに修正することができる。これにより、圧延スタンド間の張力が安定して製品の寸法精度が向上する。

本発明の実施の形態１の圧延設備の電動機駆動制御装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２の圧延設備の電動機駆動制御装置の構成を示す図である。

以下、図を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、構成部品の構造、配置等を下記のものに限定する意図はない。本発明は以下に示す実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の圧延設備の電動機駆動制御装置の構成を示す図である。実施の形態１の圧延設備は、線材（或いは棒鋼）を圧延するブロックミルとして構成される。ブロックミルは、線材１００の圧延ラインに沿って配置された４台のスタンド（圧延スタンド）１０１，１０２，１０３，１０４を備える。ここでは一例としてスタンドの数を４台としているが、その台数に限定はない。また、スタンドの構造にも限定はない。なお、４台のスタンドを区別する場合、線材１００の圧延方向の上流から下流に向かって、第１スタンド１０１、第２スタンド１０２、第３スタンド１０３、第４スタンド１０４と称するものとする。

実施の形態１のブロックミルには個別駆動方式が採用されている。すなわち、４台のスタンド１０１，１０２，１０３，１０４はそれぞれ専用の電動機１，２，３，４によって個別に駆動される。電動機１，２，３，４には、それぞれ速度センサ５，６，７，８が接続されている。

各電動機１，２，３，４の駆動制御は、電動機駆動制御装置２２によって行われる。電動機駆動制御装置２２には、電動機１，２，３，４のそれぞれに対応して駆動回路１８，１９，２０，２１が内蔵されている。駆動回路１８，１９，２０，２１は、ベクトル制御方式の駆動回路（例えばベクトル制御インバータ）である。図示は省略するが、駆動回路１８，１９，２０，２１には、対応する速度センサ５，６，７，８の信号がフィードバックされている。駆動回路１８，１９，２０，２１は、設定された速度基準に従って電動機１，２，３，４に供給する電流を制御する。ここで、第１スタンド１０１の電動機１に対する速度基準を“Ｎ₁”、第２スタンド１０２の電動機２に対する速度基準を“Ｎ₂”、第３スタンド１０３の電動機３に対する速度基準を“Ｎ₃”、第４スタンド１０４の電動機４に対する速度基準を“Ｎ₄”と定義する。なお、速度基準は電動機駆動制御装置２２の内部で設定しても良いし、外部（例えば上位のＰＬＣ）で設定された速度基準を受け取ってもよい。

上記の速度基準は固定ではなく、個々のスタンドの速度の適切な制御によって製品の寸法精度を向上させることができるように、電動機駆動制御装置２２の内部において適宜調整される。速度基準の調整のための回路として、電動機駆動制御装置２２は、比較演算器９，１０，１１とＰＩ制御器１５，１６，１７と乗算器１２，１３，１４とを備えている。これらの回路は、電動機駆動制御装置２２のプロセッサによって実行されるソフトウェアとして設計されている。

比較演算器９，１０，１１には、隣接する２つのスタンドの現在速度が入力される。ここで、第１スタンド１０１の現在速度を“Ｎt₁”、第２スタンド１０２の現在速度を“Ｎt₂”、第３スタンド１０３の現在速度を“Ｎt₃”、第４スタンド１０４の現在速度を“Ｎt₄”と定義する。比較演算器９には、速度センサ５により計測された第１スタンド１０１の現在速度Ｎt₁と、速度センサ６により計測された第２スタンド１０２の現在速度Ｎt₂とが入力される。比較演算器１０には、速度センサ６により計測された第２スタンド１０２の現在速度Ｎt₂と、速度センサ７により計測された第３スタンド１０３の現在速度Ｎt₃とが入力される。そして、比較演算器１１には、速度センサ７により計測された第３スタンド１０３の現在速度Ｎt₃と、速度センサ８により計測された第４スタンド１０４の現在速度Ｎt₄ とが入力される。

比較演算器９，１０，１１は、隣接する２つのスタンド間の現在の速度比を計算する。ここで、現在の速度比は下記のように定義される。なお、スタンド数が増えても現在の速度比は同様に定義される。
第１、第２スタンド間の現在の速度比：Ｎt₁／Ｎt₂
第２、第３スタンド間の現在の速度比：Ｎt₂／Ｎt₃
第３、第４スタンド間の現在の速度比：Ｎt₃／Ｎt₄

また、比較演算器９，１０，１１は、無負荷低常時の速度比を計算して記憶するメモリ機能を有している。無負荷定常時の速度比はそれぞれ下記のように定義される。なお、スタンド数が増えても無負荷定常時の速度比は同様に定義される。
無負荷定常時の第１、第２スタンド間の速度比：ＮO₁／Ｎ0₂
無負荷定常時の第２、第３スタンド間の速度比：Ｎ0₂／Ｎ0₃
無負荷定常時の第３、第４スタンド間の速度比：Ｎ0₃／Ｎ0₄

比較演算器９，１０，１１は、次の式（１）に従い、上で定義された現在の速度比の逆数と、無負荷定常時の速度比の逆数との差分を計算する。式（１）において、Ｎt_iとＮO_iは、それぞれ、隣接する２つのスタンドのうち下流側のスタンドの現在速度と無負荷定常時速度、Ｎt_i-1とＮ0_i-1は、それぞれ、隣接する２つのスタンドのうち上流側のスタンドの現在速度と無負荷定常時速度である。ΔＮh_i,i-1は現在の速度比の逆数と無負荷定常時の速度比の逆数との差分である。
ΔＮh_i,i-1＝ＮO_i／Ｎ0_i-1−Ｎt_i／Ｎt_i-1 （i≧2） ・・・（１）

ＰＩ制御器１５，１６，１７は、比較演算器９，１０，１１に対応して設けられている。ＰＩ制御器１５には、比較演算器９で算出された差分ΔＮh_2,1が入力される。ＰＩ制御器１６には、比較演算器１０で算出された差分ΔＮh_3,2が入力される。そして、ＰＩ制御器１７には、比較演算器１１で算出された差分ΔＮh_4,3が入力される。各ＰＩ制御器１５，１６，１７は、次の式（２）の計算を実行する。式（２）において、Ｋ_i-1(PI)はＰＩ制御の補償ゲインであり、ΔＮ_i-1は速度比Ｎt_i-1／Ｎt_iを無負荷定常時の速度比Ｎ0_i-1／ＮO_iに近づけるための補正係数である。
ΔＮ_i-1＝Ｋ_i-1(PI)×ΔＮh_i,i-1 （i≧2） ・・・（２）

乗算器１２，１３，１４は、速度基準Ｎ₁，Ｎ₂，Ｎ₃に対応して設けられ速度基準Ｎ₁，Ｎ₂，Ｎ₃を補正する速度基準補正手段として機能する。第３スタンド１０３の速度基準Ｎ₃に対しては乗算器１４が設けられる。乗算器１４には、ＰＩ制御器１７で算出された補正係数ΔＮ₃が入力される。乗算器１４は、速度基準Ｎ₃に補正係数ΔＮ₃を乗算して速度補正量を算出し、これを速度基準Ｎ₃に加算する。このようにして補正された速度基準Ｎ₃が第３スタンド１０３の駆動回路２０に対して設定される。乗算器１３には、補正係数ΔＮ₃とＰＩ制御器１６で算出された補正係数ΔＮ₂との和が入力される。乗算器１３は、速度基準Ｎ₃に合計補正係数ΔＮ₃＋ΔＮ₂を乗算して速度補正量を算出し、これを速度基準Ｎ₂に加算する。このようにして補正された速度基準Ｎ₂が第２スタンド１０２の駆動回路１９に対して設定される。そして、乗算器１２には、補正係数ΔＮ₃と補正係数ΔＮ₂とＰＩ制御器１５で算出された補正係数ΔＮ₁との和が入力される。乗算器１２は、速度基準Ｎ₁に合計補正係数ΔＮ₃＋ΔＮ₂＋ΔＮ₁を乗算して速度補正量を算出し、これを速度基準Ｎ₁に加算する。このようにして補正された速度基準Ｎ₁が第１スタンド１０１の駆動回路１８に対して設定される。

電動機駆動制御装置２２は、以上の手段による速度基準Ｎ₁，Ｎ₂，Ｎ₃の補正を１００ｍｓｅｃ程度の制御間隔で周期的に行う。これにより、圧延時の状況に合わせて個々のスタンドの速度をリアルタイムに制御することができる。例えば、第３スタンド１０３と第４スタンド１０４の間でインパクト等により速度比Ｎt₃／Ｎt₄に変化が生じた場合には、上記の処理によって第３スタンド１０３の速度基準Ｎ₃が素早く変更されるとともに、さらに上流の第１スタンド１０１と第２スタンド１０２の速度基準Ｎ₁，Ｎ₂も素早く変更される。これにより、スタンド間のコンプレッションの発生が抑えられ、スタンド間の張力が安定して製品の寸法精度が向上する。

なお、実施の形態１では無負荷定常時の速度比の逆数ＮO_i／Ｎ0_i-1を式（１）における差分ΔＮh_i,i-1の計算の基準値として用いているが、基準値は予め定めた設計値でもよいし、圧延設備の運転条件に応じて変化させてもよい。また、実施の形態１ではＰＩ制御器１７で算出された補正係数ΔＮ₃を第１スタンド１０１の速度基準Ｎ₁と第２スタンド１０２の速度基準Ｎ₂にも反映させているが、第３スタンド１０３の速度基準Ｎ₃にのみ反映させるのでもよい。同様に、ＰＩ制御器１６で算出された補正係数ΔＮ₂は第２スタンド１０２の速度基準Ｎ₂にのみ反映させるのでもよい。また、ＰＩ制御器１５，１６，１７は補正係数算出手段の一例であって、ＰＩＤ制御器等の他の補償器を用いることもできる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２の圧延設備の電動機駆動制御装置の構成を示す図である。実施の形態２の圧延設備は、実施の形態１と同じく、線材を圧延するブロックミルとして構成される。ただし、実施の形態２では、既存のコモンドライブ型のブロックミルを個別駆動方式に改造して本発明を適用した場合の例を示している。図２では、線材２００の圧延ラインに沿って４台のスタンド２０１，２０２，２０３，２０４が配置された例が示されている。スタンド２０１，２０２，２０３，２０４とそれを駆動する電動機３１，３２，３３，３４とはギア３５，３６，３７，３８を介して接続される。ギア３５，３６，３７，３８はコモンドライブ型において用いられる既存のギアである。最上流のスタンド２０１を駆動する電動機３１には、速度センサ３９が接続されている。

各電動機３１，３２，３３，３４の駆動制御は、電動機駆動制御装置４７によって行われる。電動機駆動制御装置４７には、電動機３１，３２，３３，３４のそれぞれに対応して駆動回路４３，４４，４５，４６が内蔵されている。このうち、電動機３１を制御する駆動回路４３は、速度センサ３９の信号がフィードバックされるベクトル制御方式の駆動回路である。これに対し、他の駆動回路４４，４５，４６は、電動機３２，３３，３４の負荷電流のフィードバックにて速度を類推するセンサレスベクトル制御方式の駆動回路である。センサレスベクトル制御の場合にはベクトル制御の場合よりも精度が悪くなる可能性がある。しかし、ブロックミルの機械側のロールカリバーの磨耗等による誤差と比較すれば、微小な誤差に過ぎないと考えられるため、センサレスベクトル制御でもベクトル制御と同等の機能が実現できる。ただし、これはあくまで既存のブロックミルの機械構成を意識したものであるので、速度センサ３９を最下流（出側）のスタンド２０４を駆動する電動機３４に接続し、電動機３４に対してベクトル制御方式を採用してもよい。また、全ての電動機３１，３２，３３，３４に対してセンサレスベクトル制御方式を採用してもよいし、ベクトル制御方式を採用してもよい。

各電動機の速度基準の設定に関し、実施の形態１では、それぞれのスタンドに個別の速度基準を入力している。一方、各スタンドが１台の大容量電動機によってギアを介して駆動されるコモンドライブ型のブロックミルでは、各スタンドの速度は大容量電動機に対する１つの速度基準によって制御されている。コモンドライブ型の改造である図２の構成においては、各ギア３５，３６，３７，３８のギア比をあらかじめ電動機駆動制御装置４７内の速度基準の演算に設定しておけば、１つの速度基準から各々のスタンドの速度基準が自ずと導かれる。つまり、速度基準をスタンドごとに設定する必要はなく、ギア比のみ設定しておけば、各スタンドに対して常に一定の速度基準を設定することが可能である。

実施の形態２では、上位ＰＬＣ４８から電動機駆動制御装置４７に主速度基準Ｎ₀が入力される。主速度基準Ｎ₀は第１スタンド２０１の速度基準Ｎ₁である。ここで、各ギア３５，３６，３７，３８のギア比をｉ₁，ｉ₂，ｉ₃，ｉ₄と定義すると、第２スタンド２０２の速度基準Ｎ₂はＮ₁×ｉ₁／ｉ₂と設定され、第３スタンド２０３の速度基準Ｎ₃はＮ₁×ｉ₁／ｉ₃と設定され、第４スタンド２０４の速度基準Ｎ₄はＮ₁×ｉ₁／ｉ₄と設定される。なお、主速度基準Ｎ₀は上位ＰＬＣ４８から受け取るのではなく、電動機駆動制御装置４７の内部で設定しても良い。

電動機駆動制御装置４７は、速度基準補正回路４０，４１，４２を備えている。速度基準補正回路４０は、第１スタンド２０１の速度基準Ｎ₁に対する速度補正量を算出する回路である。速度基準補正回路４１は、第２スタンド２０２の速度基準Ｎ₂に対する速度補正量を算出する回路である。そして、速度基準補正回路４２は、第３スタンド２０３の速度基準Ｎ₃に対する速度補正量を算出する回路である。これらの速度基準補正回路４０，４１，４２は、実施の形態１における比較演算器とＰＩ制御器と乗算器とが一体化されたものに相当し、電動機駆動制御装置４７のプロセッサによって実行されるソフトウェアとして設計されている。具体的には、速度基準補正回路４０は、速度センサ３９によって計測された第１スタンド２０１の現在速度Ｎt₁と、電動機３２の負荷電流から推定した第２スタンド２０２の現在速度Ｎt₂とを比較し、その比較結果である速度比Ｎt₁／Ｎt₂に基づいて第１スタンド２０１の速度基準Ｎ₁に対する速度補正量を算出する。速度基準補正回路４１，４２についても同様である。

１，２，３，４，３１，３２，３３，３４ 電動機
５，６，７，８，３９ 速度センサ
９，１０，１１ 比較演算器
１２，１３，１４ 乗算器
１５，１６，１７ ＰＩ制御器
１８，１９，２０，２１，４３，４４，４５，４６ 駆動回路
２２，４７ 電動機駆動制御装置
３５，３６，３７，３８ ギア
４０，４１，４２ 速度基準補正回路
４８ 上位ＰＬＣ
１００，２００ 線材
１０１，１０２，１０３，１０４，２０１，２０２，２０３，２０４ 圧延スタンド

Claims (9)

1. 圧延ラインに沿って配置された複数の圧延スタンドのそれぞれを個別の電動機によって駆動する圧延設備の電動機駆動制御装置において、
   各電動機に対して速度基準を設定する速度基準設定手段と、
   各圧延スタンドの現在速度を取得する速度取得手段と、
   隣接する２つの圧延スタンドのうち下流側の圧延スタンドの現在速度に対する上流側の圧延スタンドの現在速度の速度比を計算し、これと所定の基準値との差分を計算する比較演算手段と、
   前記速度比を前記基準値に近づけるための補正係数を前記差分に基づいて計算する補正係数計算手段と、
   前記上流側の圧延スタンドの電動機に対して設定された速度基準を前記補正係数を用いて補正する速度基準補正手段と、
   を備えることを特徴とする圧延設備の電動機駆動制御装置。
2. 前記圧延設備は線材或いは棒鋼を圧延するブロックミルであり、
   前記電動機駆動制御装置は、電動機ごとに用意された駆動回路と、少なくとも前記比較演算手段、前記補正係数計算手段、及び、前記速度基準補正手段として機能するプロセッサとが一体化されてなることを特徴とする請求項１に記載の圧延設備の電動機駆動制御装置。
3. 前記速度基準補正手段は、さらに、前記上流側の圧延スタンドよりも上流に位置する圧延スタンドの電動機に対して設定された速度基準を前記補正係数により補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧延設備の電動機駆動制御装置。
4. 前記比較演算手段は、無負荷定常時の前記下流側の圧延スタンドの速度に対する前記上流側の圧延スタンドの速度の比を前記基準値として用いることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の圧延設備の電動機駆動制御装置。
5. 前記補正係数計算手段は、前記差分に対するＰＩ制御によって前記補正係数を計算することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の圧延設備の電動機駆動制御装置。
6. 前記速度基準設定手段は、各電動機に対して個別に速度基準を設定することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の圧延設備の電動機駆動制御装置。
7. 前記速度基準設定手段は、各圧延スタンドのギア比を用いて１つの主速度基準から各電動機に対して設定する速度基準を計算することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の圧延設備の電動機駆動制御装置。
8. 前記速度取得手段は、各電動機に接続された速度センサの信号により各圧延スタンドの現在速度を計測することを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の圧延設備の電動機駆動制御装置。
9. 前記速度取得手段は、各電動機の負荷電流により各圧延スタンドの現在速度を推定することを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の圧延設備の電動機駆動制御装置。

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