JP2022086559A - ループ量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】線材や棒鋼等の連続圧延プラントにおけるループ量を正確に計算して、制御精度を向上させたループ量制御装置を提供する。【解決手段】実施形態に係るループ量制御装置は、２台の圧延機の速度基準を生成する圧延主幹制御システムに、前記２台の圧延機の間で搬送される圧延材のループ量にもとづいて前記速度基準の補正値を計算して前記圧延主幹制御システムに供給する。このループ量制御装置は、前記圧延材の搬送方向に交差する第１方向に平行な光学軸を有する第１カメラによって、前記２台の圧延機の間で搬送される前記圧延材を撮影して取得された第１画像データおよび前記搬送方向および前記第１方向に交差する第２方向に平行な光学軸を有する第２カメラによって、前記２台の圧延機の間で搬送される前記圧延材を撮影して取得された第２画像データにもとづいて、前記ループ量を計算する演算部を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、線材、棒鋼圧延機のループ量制御装置に関する。

線材や棒鋼等の連続圧延プラントでは、多段の圧延機(スタンド)を連続して配列している。圧延機群は、材を連続的に圧延しながら、所定の寸法および形状の製品に造形する。このような連続圧延プラントでは、圧延材を噛み込んでいる各スタンドには速度差があり、その速度差によって、圧延材に引っ張りまたは圧縮の応力が発生することがある。過度な応力の発生や応力の変化は、圧延材の材質や寸法精度に悪影響を与える場合があり、ミスロールとなってしまうおそれもある。

これらの問題を防ぐため、線材や棒鋼等の連続圧延プラントでは、中間圧延や仕上げ圧延のエリアにおいて、一般的にループ量制御が行われる。ループ量制御は、スタンド間の圧延材にループを作り、ループ量を一定に保つように前後のスタンドの速度バランスを制御するものである。これによって、極力張力の少ない状態(無張力)を維持して、安定した材質および高精度な寸法を有する線材、棒鋼等を製造する。

各スタンドの速度比は、製品ごとに定められたパススケジュールにしたがい設定される。パススケジュールにより各スタンドでの理想的な圧下量、速度が決まる。理想的な設定速度は、各スタンドの入側と出側のマスフローバランスが一定となる値として求められる。マスフローを一定にするには、入側の材の速度と材の断面積との積が出側の材の速度と材の断面積との積と等しくなるように材の速度が制御される。ここで、材の断面積は、圧延機のロールに形成されたカリバの形状と圧下量によって決まり固定値である。

たとえばアップストリームの場合には、最終スタンドの速度が基準となり設定速度が決定される。そして、パススケジュールにより決まる速度差となるように、上流側のスタンド速度が決定される。なお、ループ量制御が無い場合にはオペレータによる圧延材のループ形状の目視確認により、スタンド間の速度差の補正操作を行うが、常に上流側のスタンド速度を補正する仕組みとしている。

現状のループ量制御は、オペレータの目視による上記の補正操作を、ＨＭＰＤ（Hot Metal Position Detector）の出力をフィードバックに用いることによってほぼ自動化されている。ＨＭＰＤは、高温の圧延材の通過位置を検出し、ループ位置を検出する。圧延主幹制御システムは、検出されたループ位置にもとづいてループ高さを計算し、ループ高さからカテナリ近似式を用いてループ量を計算する。圧延主幹制御システムは、このようにして計算されたループ量をフィードバックして、設定された速度基準を補正する。

たとえばアップストリームの場合には、ループ量が目標値より小さいときは、上流スタンドを加速させ、ループ量が大きくなるように速度基準を補正する。ループ量が目標値よりも大きいときには、上流スタンドを減速させるように速度基準を補正する。

ループは、圧延機の間で形成されるため、その形状は、さまざまであり、三次元的に変化し得る。一方、ＨＭＰＤは一次元センサであり、ループ形状の一点の位置を検出することしかできない。そのため、圧延主幹制御システムは、ＨＭＰＤによっては、正確にループ形状を把握することができないので、ループ量制御が十分に行われないおそれがある。現状のループ量制御においても、オペレータが手動介入して圧延機の速度を補正して、適切なループ量となるように調整をしている。このような手動介入は、操作するオペレータの技量、熟練度等に依存し、製品の寸法精度のばらつきやこれによる歩留りの低下が避けられない。

特開昭５９－４９１１号公報

この発明の実施形態は、線材や棒鋼等の連続圧延プラントにおけるループ量を正確に計算して、制御精度を向上させたループ量制御装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係るループ量制御装置は、２台の圧延機のための速度基準を生成する圧延主幹制御システムに、前記２台の圧延機の間で搬送される圧延材のループ量にもとづいて前記速度基準の補正値を計算して前記補正値を前記圧延主幹制御システムに供給する。このループ量制御装置は、前記圧延材の搬送方向に交差する第１方向に平行な光学軸を有する第１カメラによって、前記２台の圧延機の間で搬送される前記圧延材を撮影して取得された第１画像データおよび前記搬送方向および前記第１方向に交差する第２方向に平行な光学軸を有する第２カメラによって、前記２台の圧延機の間で搬送される前記圧延材を撮影して取得された第２画像データにもとづいて、前記ループ量を計算する演算部を備える。

本実施形態では、線材や棒鋼等の連続圧延プラントにおけるループ量を正確に計算して、制御精度を向上させたループ量制御装置が実現される。

実施形態に係るループ量制御装置を例示する模式的なブロック図である。 実施形態のループ量制御装置のループ量測定方法を説明するための模式図である。 比較例のループ量制御方法を説明するための模式的なブロックである。 比較例のループ量制御方法のループ量測定方法を説明するための模式図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、実施形態に係るループ量制御装置を例示する模式的なブロック図である。
図１には、ループ量制御装置１０を含む連続圧延プラントの主要部の構成が示されている。まず、連続圧延プラントの構成について説明する。

連続圧延プラントでは、圧延機が連続して多段に設けられている。図示の圧延機２ａは、圧延機２ｂの上流側に設けられている。圧延機２ａの上流にも圧延機が設けられ、圧延機２ｂの下流にも圧延機が設けられる。圧延機２ａは、電動機２２で駆動され、電動機２２は、ドライブ装置２０によって駆動される。圧延機２ｂも、図示しない電動機およびドライブ装置によって駆動される。他の圧延機にも、電動機およびドライブ装置が設けられており、これらによってそれぞれ駆動される。

圧延主幹制御システム１００は、上位の計算機から取得した制御プログラム、設定パラメータおよび圧延スケジュール等にしたがって、圧延機２ａ，２ｂの速度を制御する。より具体的には、圧延主幹制御システム１００は、ドライブ装置２０を含むすべてのドライブ装置に速度制御のための速度基準を生成し、生成した速度基準をドライブ装置に供給する。

圧延主幹制御システム１００は、圧延機２ａ，２ｂ間で実測された圧延材１のループ量を用いて、速度基準を補正する。アップストリームの場合には、速度基準の補正は、より下流の圧延機２ｂの速度基準にもとづいて行われる。なお、圧延機２ｂの速度基準は、さらに下流の圧延機の速度基準にもとづいて補正されている。圧延主幹制御システム１００は、補正した速度基準を新たな速度基準としてドライブ装置２０に供給する。ダウンストリームの場合には、速度基準の補正は、より上流の圧延機２ａの速度基準にもとづいて行われる。圧延機２ａの速度基準は、さらに上流の圧延機の速度基準にもとづいて補正されている。圧延主幹制御システム１００は、補正した速度基準を新たな速度基準としてドライブ装置２０に供給する。ドライブ装置２０は、新たな速度基準にしたがって電動機２２を駆動し、圧延機２ａを駆動する。

圧延材１の蛇行を防止し、圧延材１が次段の圧延機に正常に噛み込まれるように、圧延機の入側および出側には、ガイドが設けられる。この例では、圧延機２ａの出側にガイド４ａが設けられ、圧延機２ｂの入側にガイド４ｂが設けられている。圧延材１は、ガイド４ａ，４ｂ間でループを形成しながら搬送される。線材は、圧延機２ａ，２ｂに形成された溝であるカリバにはめ込まれるようにして圧延される。圧延機２ａのロールに形成されたカリバと圧延機２ｂのロールに形成されたカリバとを結ぶ直線をパスラインと呼ぶ。圧延機２ａ，２ｂのロールには、複数のカリバが形成されることがあり、圧延する線材に応じてそのうちのそれぞれ１つが選択されるが、その場合には、パスラインは、選択され使用されているカリバ間の直線距離がパスラインとする。

キッカー６は、圧延材１がガイド４ａ，４ｂ間で正常にループを形成するように、ガイド４ａ，４ｂの間であって、前段の圧延機２ａの出側よりに設けられている。キッカー６が適切に動作することによって、この例では、圧延材１が上に凸になるようにループが形成される。

カメラ１４ａ，１４ｂは、圧延機２ａ，２ｂの間に設けられている。カメラ１４ａは、圧延材１が形成するループの形状（以下、ループ軌道ということがある）を横方向から撮影する位置に設けられている。カメラ１４ａは、たとえばパスラインに平行する方向およびパスラインに鉛直方向の両方に直交する方向に光学軸を合わせるように配置される。カメラ１４ｂは、パスラインに鉛直方向に光学軸を合わせるように配置される。以下では、パスラインに沿う方向をＺ軸、カメラ１４ａの光学軸に沿う方向をＸ軸、カメラ１４ｂの光学軸に沿う方向をＹ軸とする。

Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の原点は、任意に設定されることができる。この例では、圧延機２ａ，２ｂ間に形成されるループについてＸＹＺ座標を設けるようにしている。この例では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、直交座標系を構成するが、必ずしも直交座標系に限らず、ループ軌跡の三次元形状を取得できるように、光学軸を設定できる位置に各カメラを配置すればよい。

上述のように配置されたカメラ１４ａ，１４ｂは、ループ量を計算すべきループ軌道のすべてが撮影視野となるように圧延材１からの離間距離および光学系がそれぞれ設定される。具体的には、カメラ１４ａ，１４ｂの撮影視野は、ガイド４ａ，４ｂを含むように設定され、パスラインからループ軌跡の頂点の最大位置までを含むように設定される。カメラ１４ａ，１４ｂは、圧延材１が形成するループ軌道をそれぞれ撮影し、画像データとして、ループ量制御装置１０に送信する。画像データは、撮影時刻が関連付けられて送信される。好ましくは、２台のカメラ１４ａ，１４ｂは、撮影時刻を同期させて、ループ軌道を撮影する。

ループ量制御装置１０は、カメラ１４ａ，１４ｂおよび圧延主幹制御システム１００に接続されている。ループ量制御装置１０は、カメラ１４ａ，１４ｂによって撮影された画像データを圧延主幹制御システム１００から取得するランデータの時刻によって、時刻同期させる。ランデータは、たとえば、圧延材１の先端位置のトラッキングデータである。圧延材１の先端位置のトラッキングデータは、圧延主幹制御システム１００によって定周期で取得されるので、２台のカメラ１４ａ，１４ｂの撮影周期は、トラッキングデータの取得周期に同期される。他のランデータを用いてももちろんかまわない。

２つの画像データの時刻同期は、圧延主幹制御システム１００から供給されるランデータの取得周期に限らず、ループ量制御装置１０自身が撮影周期を生成するようにしてもよい。このように構成することによって、ランデータの送受信に関するプログラムステップを省略でき、圧延主幹制御システム１００とのデータ交換を簡略化することができる。

ループ量制御装置１０は、カメラ１４ａ，１４ｂによって取得され、時刻同期された画像データを画像処理して、処理したデータにもとづいて、圧延材１のループ量を計算する。ループ量制御装置１０は、計算したループ量を圧延主幹制御システム１００に送信する。ここで、ループ量とは、ガイド４ａ，４ｂ間のループ軌道に沿った圧延材１の長さからパスラインの直線距離を差し引いたものをいうものとする。

ループ量制御装置１０は、撮影した２つの画像データから三次元座標を抽出し、三次元座標間の距離を計算することによって、圧延材１のループ量を計算する。

圧延主幹制御システム１００は、受信したループ量にもとづいて、下流の圧延機２ｂについて設定された速度基準を補正し、補正した新たな速度基準をドライブ装置２０に供給する。

ループ量制御装置１０の構成および動作について説明する。
ループ量制御装置１０は、ループ量演算ツール１２を備える。ループ量制御装置１０は、たとえば、撮影された圧延材１のループ軌道の画像データにもとづいてループ量を計算するコンピュータ装置である。ループ量演算ツール１２は、ループ量計算のためのプログラムであって、ループ量制御装置１０にインストールされ、ループ量制御装置１０の演算部によって動作する。演算部は、たとえばＣＰＵであり、プログラムは記憶装置に格納されている。

ループ量制御装置１０の動作について説明する。
図２は、実施形態のループ量制御装置のループ量測定方法を説明するための模式図である。
図２には、２台のカメラ１４ａ，１４ｂが撮影した圧延材１のループ軌道に関する画像データが示されている。図２の上のグラフは、カメラ１４ａで、圧延材１のループ軌道を横から撮影したときの画像データである。図では、カメラ１４ａを水平方向のカメラ、と記している。図２の下のグラフは、カメラ１４ｂで圧延材１のループ軌道を鉛直方向上方から撮影したときの画像データである。図では、鉛直方向のカメラ、と記している。

カメラ１４ａ，１４ｂによって取得された画像データは、それぞれ二次元メッシュに分割され、それぞれのメッシュに座標が与えられる。カメラ１４ａによって撮影された画像データの二次元メッシュは、Ｚ座標およびＹ座標が与えられる。カメラ１４ｂによって撮影された画像データは、Ｚ座標およびＸ座標が与えられる。共通するＺ軸は、パスライン間を画像データの解像度に応じて、ｎ等分することによって、Ｚ座標が設定される。Ｘ軸およびＹ軸についても同様に、画像データの解像度に応じて各座標が設定される。

このように、２つの画像データは、それぞれ画像処理され、処理されたデータは、ＸＹＺ座標を有するデータとされる。つまり、圧延材１のループ軌道の画像データは、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標の集合からなる座標データに変換される。

実施形態のループ量制御装置１０のループ量演算ツール１２では、取得された２つの画像データから座標を特定し、Ｚ軸上で隣接する座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）と座標（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）の距離ΔＬ１を計算する。

ΔＬ１^２＝（Ｘ２－Ｘ１）^２＋（Ｙ２－Ｙ１）^２＋（Ｚ２－Ｚ１）^２
上式により、距離ΔＬ１を求めることができる。

ループ長さＬは、距離ΔＬ１をループ軌道にわたって積算することによって求めることができる。ループ量Ｌ０は、ループ長さＬからパスライン長さＬＰを差し引くことによって求められる。

圧延主幹制御システム１００は、このようにして計算されたループ量Ｌ０を用いて、速度基準を補正し、新たな速度基準としてドライブ装置２０に供給する。

上述では、下流の圧延機２ｂの速度基準を計算されたループ量にもとづいて、上流側の圧延機２ａの速度基準を補正するアップストリームの場合について説明したが、ダウンストリームの場合も同様である。ダウンストリームの場合には、上流側の圧延機２ａの速度基準を、計算されたループ量にもとづいて、下流側の圧延機２ｂの速度基準を補正する。

実施形態のループ量制御装置１０の効果について、比較例の場合と比較しつつ説明する。
図３は、比較例のループ量制御方法を説明するための模式的なブロックである。
図３に示すように、比較例のループ量制御方法は、実施形態の場合と同様に、多段の圧延機２ａ～２ｄからなる連続圧延プラント２００で用いられる。圧延主幹制御システム１００は、実施形態の場合と同様に、上位の計算機によって設定される圧延スケジュール等にもとづいて、速度基準を生成する。

比較例の場合には、圧延材１のループ量は、ＨＭＰＤ１２０によって検出されたループ高さにもとづいて、ループ補正装置（図ではループ補正を表記）１１０によって計算される。ループ補正装置１１０は、検出されたループ高さをカテナリ近似式を用いて、ループ量を計算する。ループ補正装置１１０は、計算したループ量にもとづいて、速度基準の補正値を計算し、後段の圧延機２ａの速度基準に対して補正値を加算し、新たな補正値として、ドライブ装置２０に供給する。

図４は、比較例のループ量制御方法のループ量測定方法を説明するための模式図である。
図４に示すように、ＨＭＰＤ１２０は、圧延材１を横方向からループ軌道の頂点の位置を検出するように配置されるが、ＨＭＰＤ１２０は、一次元センサであるため、ＨＭＰＤ１２０配置された位置や、ループ軌道の頂点の位置がずれた場合には、ループ軌道の頂点の位置を正確に検出できるとは限らない。この例では、ループ軌道の頂点は、一方の圧延機側にずれており、パスラインからループ軌道の頂点までの距離（ループ高さ）は、ｈであるのに対して、ＨＭＰＤ１２０は、ループ高さｈ’を検出する。この例のように、ｈ’（＜ｈ）をループ高さとして検出し、ループ量を計算すると、計算されたループ量は、実際のループ量よりも小さくなる。そのため、圧延主幹制御システム１００は、ループ量を大きくするように上流側の圧延機を加速させるので、実際のループ量は、より大きくなり適切にループ量制御ができなくなるおそれがある。

また、ＨＭＰＤ１２０は、一方向からのループ高さを検出するが、ループ軌道は、パスラインの鉛直方向に形成されるとは限らず、ループ軌道が倒れた場合には、測定されるループ高さは、実際のループ高さよりも低くなり、生成される速度基準に影響を与え得る。

これに対して、実施形態のループ量制御装置１０では、圧延材１を搬送方向に交差する２方向から２次元画像を撮影するので、ループ軌道の頂点がずれたり、ループ軌道が倒れたりしても、正確にループ量を計算することができる。

取得する画像データは、カメラ１４ａ，１４ｂの解像度に応じて高精細なものとすることができる。そのため、ループ軌道の計算のための座標を細かくとることができ、正確にループ量を計算することができ、きめ細かいループ量制御をすることができる。なお、ループ軌道を撮影するカメラは、ループ軌道の三次元座標を検出するために少なくとも２台あればよい。たとえば、カメラの配置場所や撮影視野等の制約により、２台のカメラでループ軌道を視野に収められない等の場合には、カメラの台数を増やしてもよい。

実施形態のループ量制御装置１０は、このようにループ量を正確に計算することができるので、オペレータによる手動介入によらずに自動的に最適なループ量となるように、圧延機の速度制御が可能になる。そのため、オペレータの経験や勘に頼らずに、高精度かつ高品質な製品を安定して製造することができる。

以上説明した実施形態によれば、線材や棒鋼等の連続圧延プラントにおけるループ量を正確に計算して、制御精度を向上させたループ量制御装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 圧延材、２ａ，２ｂ 圧延機、４ａ，４ｂ ガイド、６ キッカー、１０ ループ量制御装置、１２ ループ量演算ツール、１４ａ，１４ｂ カメラ、２０ ドライブ装置、２２ 電動機、１００ 圧延主幹制御システム

Claims (5)

1. ２台の圧延機のための速度基準を生成する圧延主幹制御システムに、前記２台の圧延機の間で搬送される圧延材のループ量にもとづいて前記速度基準の補正値を計算して前記補正値を前記圧延主幹制御システムに供給するループ量制御装置であって、
   前記圧延材の搬送方向に交差する第１方向に平行な光学軸を有する第１カメラによって、前記２台の圧延機の間で搬送される前記圧延材を撮影して取得された第１画像データおよび前記搬送方向および前記第１方向に交差する第２方向に平行な光学軸を有する第２カメラによって、前記２台の圧延機の間で搬送される前記圧延材を撮影して取得された第２画像データにもとづいて、前記ループ量を計算する演算部を備えたループ量制御装置。
2. 前記演算部は、
   前記第１画像データおよび前記第２画像データにもとづいて、前記圧延材が前記２台の圧延機の間で形成するループ軌道の三次元座標を仮想的に生成し、
   前記ループ軌道上で隣接する前記三次元座標の間の距離を計算し、
   前記距離を前記ループ軌道にわたって積算することによって前記ループ量を計算する請求項１記載のループ量制御装置。
3. 前記第１画像データおよび前記第２画像データは、同時刻に撮影された前記圧延材にもとづいて生成された請求項１または２に記載のループ量制御装置。
4. 前記第１画像データおよび前記第２画像データは、前記圧延主幹制御システムで設定された周期に同期して撮影された請求項３記載のループ量制御装置。
5. 前記第１画像データおよび前記第２画像データは、前記演算部によって生成された周期に同期して撮影された請求項３記載のループ量制御装置。

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