冷轧开卷机自动化控制系统的设计与应用

冷轧开卷机自动化控制系统的设计与应用

张爱山

日照钢铁控股集团有限公司 山东日照 276800

摘要：开卷机作为冷轧带钢生产线上的重要设备，其重要作用不言而喻。其工作原理是在线展开卷材，为后续轧钢生产提供连续的原料带。机械组成由轴、扇形板、棱锥、拉杆、十字头、弓形板和拉杆组成。

关键词：冷轧开卷机；自动化控制系统；设计与应用

随着轧钢生产的不断发展，冷轧开卷机提供了极大的方便，大大提高了工作效率。与此同时，冷轧开卷机也在不断发展，逐渐从传统的纯机械设备向智能机械设备转变，大大提高了其工作稳定性和工作质量。这是冷轧开卷机发展过程中最重要的一步，也是未来极其重要的发展方向。

1冷轧开卷机的设计

选择开卷机的结构，分为冷轧和热轧[1]。首先，热轧卷取机是热轧带钢轧机后面的地下开卷机，大部分是多支点金字塔卷筒的三辊成型辊。在可逆冷轧机上轧制带钢时，由于开卷机产生的张力作用，带钢会散开，所以开卷机本身需要承受非常大的张力，可以达到四五百牛顿，特别是在合金带材轧制过程中，带钢对卷取机的径向压力非常大，所以大多数卷取机都会使用带钳口的实心卷筒，冷轧带钢开卷机是冷轧生产的重要设备之一[2]。

2冷轧开卷机的发展历程

近年来，双机架冷轧开卷机在世界范围内流行，其重要部件可分为卷取机、张力辊、冷轧机和卸卷小车。显示仪表包括压力表、张力计、测厚仪、激光测速仪、辊缝仪和板形仪。在带钢生产过程中，这些机构和仪器相互配合，对冷轧钢的生产进行控制和监控，保持轧制生产的稳定。

3冷轧机自动控制系统

3.1基础自动化建设

基层自动化建设是对冷轧机的部分部件进行自动控制，将各机构的控制系统从机械控制改为光纤记忆图像网络，并连接成智能控制集群。通过各个小区域的自动控制，最终将整个设备的整个机构连接在一起，实现整个自动控制。

3.2过程自动化施工

过程自动化的完成依赖于两台小型机或微机加上必要的外部辅助设备，其中两台小型机不同时运行，一台运行，另一台作为应急需要的备份。两台小型机均通过以太网与自动化级和HMI服务器相连，达到集中控制的目的。

3.3计算机控制系统

冷轧计算机控制系统的出现主要是为了保证冷轧产品的质量和产量，其主要功能如下；带材跟踪、参数设置和计算、速度控制、张力控制、厚度控制、板形控制和轧机操作控制等。，通过调整和控制轧机生产工艺，优化轧机生产工艺，最大限度地提高生产质量，这是冷轧机发展的历史性进步。

首先是计算机控制系统的基础自动化级，在基础自动化级别中包括以下几部分的建设：带钢影像系统、速度控制系统、设定值和测量值处理程序、带钢厚度控制系统。其中速度、设定值和测量值处理程序以及带钢厚度控制系统可以从名字上就了解我具体作用，即是控制轧机的速度与带钢厚度以以及轧钢的数据处理。带钢映像系统具体包括带钢的映像和调节功能，带钢的映像在整个轧钢的生产过程中具有非常重要的作用，他对整个带钢的特征点到达特定位置时刻发出程序切换新号，达到对整个轧机的控制作用。调节切换程序是对轧机个调控中心起指挥作用，能够及时的了解轧机的各项工作状态。其次是计算机控制系统的过程自动化建设，其中包括带钢跟踪、轧制程序计算、测量值收集和整理。其中轧制程序的计算和测量值收集与整理很很好理解，是指对轧制过程编程以及测量值的数据收集和处理。重点介绍的是带钢跟踪，带钢跟踪是指在轧机的生产过程中对带钢的各项加工进行跟踪监控，由计算机控制进行正确的跟踪以保证带钢数据不会出现错误，给操作人员提供正确的生产数据。在此过程中进行的跟踪包括：钢卷数据的输入与显示、机组内带钢跟踪。

3.4冷轧开卷机张力的控制

运行工作中的开卷机，卷料外径从大变小，而且在平时运行当中的开卷机要保证带材运行速度始终保持不变。所以，开卷机卷筒转速要跟随着卷径变小增大，电机转速从低到高。

控制开卷机的速度需要充分考虑下面两个原因：第一，为了满足卷径的变化情况将卷筒转速进行调整，不要引发张力的变化。第二，为了将开卷线速度改变将开卷速度调整，不要将电机的组转矩影响。

工作当中的开卷机（如下图1）：

式中:Ne-电机转速;Ｄ-卷料外径;ｖ-带材运行速度;ｉ-开卷机的传动比。

因为开卷流程中带材张力稳定不变，伴随着卷料外径从大到小，电机轴上面张力转矩也是从大到小，有：

式中:Ｍ-张力转矩；Ｔ-开卷张力；η-传动系统的机械效率,一般为0.9左右。

由此知道，电机转速、卷筒外径、带材运行速度、传动和传动系统机械特征对张力控制有影响，掌控好这些因素是张力控制的重点。

3.5、开卷机传动系统计算

开卷机的转动系统，主要是两大作用，一是在开头时转动钢卷，并在刮刀、导板等辅助设施的帮助下，将带头从钢卷上拉出，并送往下一设备，其二，建立开卷机与相邻设备之间稳定的张力，开卷张力是靠改变电机的工作状态获得，电机从电机状态改变成发电状态，就能产生与带钢运动方向相反的拉力，即开卷张力。

开卷带钢张力[1]：T=Aσ

式中：A-带钢断面积，㎜2；σ-钢带所需的单位应力，kg/㎜2。带钢断面积：A=bh

b-带钢宽度，mm;h-带钢厚度，mm。钢带单位应力[2]：σ=kσs式中[2]：k-张力系数，取0.04；σs-带钢屈服限，MPa；根据用户提供的材料，取360MPa。本开卷机T=52KN设定最大开卷速度：v=390m/min=6.5m/s则电机功率：Nt=Tv/（102×η）

式中[1]：η-传动效率，η=0.95；则电机最大转速：n=60v/（πD）式中：D-最大带卷直径，m。本开卷机所选电机型号为：Z500-2B；功率：383KW；转速：365/1200r/min。符合设计要求。

3.6、开卷机卷筒胀缩缸的确定

钢卷在速度发生变化时，产生的惯性力矩Mg应该与涨紧力与钢卷内表面产生的摩擦力矩相抵消，因此所需的涨紧缸推力必须保证钢卷与卷筒之间不产生打滑现象。

钢卷的动力距：Mg=J=0.5υBπ（R2-r2）（R2+r2）α/g式中：J-钢卷转动惯量[J=Q/2（R2+r2）]，kg/m2；Q-钢卷质量[Q=υBπ（R2-r2）/g]，kg；R-钢卷最大外半径，

m；r-卷筒外半径，m；υ-钢卷密度kg/m3；B-带钢宽度，m；g-重力加速度，m/s2；

α-机组启制动的加减速度，m/s2；钢卷与卷筒的摩擦力矩[1]：Mf=Fμr=rμP/tanα

P=Mftanα/（rμ）K1式中：Fμ=NμN-涨紧力垂直分力（N=P/tanα），t；P-涨紧缸推力，t；μ-钢卷内表面与卷筒的干摩擦系数（μ=0.15）；α-楔面角度，度；K1-安全系数（K1=-1.5～2.0），由于不确定因素，以及机组的紧急制动所产生的减加速度通常要比正常的启制动加速度大得多，因此这里采用较大的安全系数，取K1=2。

必要时为达到平衡Mg=Mfρ/r式中：ρ-钢卷惯性力矩作用质心半径。根据经验，钢卷的作用质心，位于钢卷分析单元的2/3处。本涨缩缸推力P≈52t符合设计要求。

4结语

冷轧机的自动化控制系统建设是现代冷轧作业的发展趋势，只有通过更为高效科学的办法才能使得轧钢的产量和质量变得更为优秀，所以对于冷轧开卷机的自动化控制系统开发是不能停止的。

参考文献

[1]孙一康.带钢冷连轧计算机控制.北京：冶金工业出版社，2002.

[2]杨殿龙.单机架可逆轧机控制系统[J].电子制作，2013年02期.