内蒙古科技大学：《材料成型控制工程基础》课程授课教案（讲义）第10章 高速线材生产过程自动控制

蒙古科技大学教案 材料与冶金学院李振亮 课程名称：《材料成型控制工程基础》（第10章，共11章） 编写时间：2010年9月1日 授课章节 10高速线材生产过程自动控制 10.1高速线材轧机控制系统10.2微张力控制系统10.3飞剪控制系统10.4活套控制系统 本章围绕高速线材生产特点，重点介绍了轧机、微张力、飞剪、活套控制系统的组成、控制 目的要求 功能、控制原理等内容。学习本章，要了解高线生产工艺布置及各系统的硬件、软件组成特 点，熟悉每一系统的控制功能，重点掌握相关的控制原理。 重点：速度级联控制、微张力闭环控制、飞剪控制、活套位置的控制原理 重点难点 难点：微张力控制 10高速线材生产过程自动控制 10.1高速线材轧机控制系统 某厂的轧线设备布置如图10-1所示。 HNW45H6v语HV oH IV IN V话1w1H16wHw黄 88g8808号088l8ag n 水神在线轻夹送吐 08080808-18曰 7 熟悉 图10-1某高速线材厂主轧线工艺平面布置图 H一水平辊轧机：V一立辊轧机 某厂高速线材生产线采用全连续轧制工艺，全线轧机28架，采用6-6-6-10形式，机 组组成为6架粗轧机、6架中轧机、6架预精轧机、10架精轧机，呈平、立交替布置。1H-12H 轧机采用微张力轧制，13H-18V采用活套轧制，精轧机组采用无扭无张力轧制。粗、中、 预精轧每架轧机分别由一台交流电机单独驱动，精轧机组10架轧机则由一台5500KW同 步电机驱动。精轧机组末架轧机设计最高速度为105m5,保证速度不得低于90ms,产品 规格6.5-16mm,设计年产量50万吨。 熟悉 全线共设7个活套，用于对轧件进行无扭、无张力轧制。12V14V轧机之间设2个立 活套，14V15H轧机之间设1个侧活套（又称“水平套”），15H-18V轧机之间设3个立活 套，18V-19啡轧机之间在精轧机前设有1侧活套

1 内 蒙 古 科 技 大 学 教 案 材 料 与 冶 金 学 院 李 振 亮 课程名称：《材料成型控制工程基础》 （第 10 章，共 11 章） 编写时间：2010 年 9 月 1 日 授课章节 10 高速线材生产过程自动控制 10.1 高速线材轧机控制系统 10.2 微张力控制系统 10.3 飞剪控制系统 10.4 活套控制系统 目的要求 本章围绕高速线材生产特点，重点介绍了轧机、微张力、飞剪、活套控制系统的组成、控制 功能、控制原理等内容。学习本章，要了解高线生产工艺布置及各系统的硬件、软件组成特 点，熟悉每一系统的控制功能，重点掌握相关的控制原理。 重点难点 重点：速度级联控制、微张力闭环控制、飞剪控制、活套位置的控制原理 难点：微张力控制 10 高速线材生产过程自动控制 10.1 高速线材轧机控制系统 某厂的轧线设备布置如图 10-1 所示。 图 10-1 某高速线材厂主轧线工艺平面布置图 H—水平辊轧机； V—立辊轧机 某厂高速线材生产线采用全连续轧制工艺，全线轧机 28 架，采用 6-6-6-10 形式，机 组组成为 6 架粗轧机、6 架中轧机、6 架预精轧机、10 架精轧机，呈平、立交替布置。1H-12H 轧机采用微张力轧制，13H-18V 采用活套轧制，精轧机组采用无扭无张力轧制。粗、中、 预精轧每架轧机分别由一台交流电机单独驱动，精轧机组 10 架轧机则由一台 5500KW 同 步电机驱动。精轧机组末架轧机设计最高速度为 105 m/s，保证速度不得低于 90m/s，产品 规格 Ø6.5~16mm，设计年产量 50 万吨。 全线共设 7 个活套，用于对轧件进行无扭、无张力轧制。12V-14V 轧机之间设 2 个立 活套，14V-15H 轧机之间设 1 个侧活套（又称“水平套”），15H-18V 轧机之间设 3 个立活 套，18V-19#轧机之间在精轧机前设有 1 侧活套。 熟悉 熟悉

内蒙古科技大学教案 所谓“速度级联拉”，即在高速线材轧制过程中，为保持机架间的速度关系完全匹配、 机架间轧件秒流量相等，对轧制过程中来自活套闭环控制的调节量、手动干预调节量，按 逆轧制方向依次对前面的各机架速度进行增减，实现轧机速度的级联控制。当轧件在两机 架间断开时，级联调节取消：轧件在两机架间连续轧制时，级联轧制重新建立。速度级联 控制是连轧生产线电气控制思想的精华，它充分体现了钢材连轧生产的特点。 本系统通过“暖联速度设园”及“自动级联通雪”相结合的方式为轧线各机架的速度 提供速度设定。“级联速度设定”是指通过确定轧线基准速度（本系统采用精轧机出口速重点掌握 度)和各机架延伸率来确定各机架的设定速度：“自动级联调节”是指根据微张力调节器或 活套调节器产生的速度修正信号，通过级联的方式对各机架的速度进行修正。 为保证精轧出口速度的稳定，本系统的级联方向采取逆轧制方向即从精轧机开始向轧 线上游级联。首先，由“级联速度设定”及“自动级联调节”综合作用产生各机架线速度 设定值，再根据对应机架的工作辊径、减速机的速比等相关参数折算为电机轴转速，然后线 性变换为速度设定信号，最后通过实时通信网络由PLC送给主传动速度调节系统。 10.2微张力控制系统 10.2.1基本原理 微张力控制就是使粗、中轧机组各机架之间的轧件在微小的张力范围内进行高速线材 生产，一般采用“电流一速度”的间接微张力控制法。 其基本原理是：张力的变化是由线材的秒流量差引起的，调节轧机的速度就能改变秒流 掌握 量，从而达到控制张力的目的。通过对相邻两工作机架中上游机架电机的转矩进行检测、 记忆存储，形成表示钢还内张力大小的实际值，与设定的张力给定值比较偏差，通过比例、 积分控制校正上游机架的速度，协调两机架之间的关系，实现微张力控制。其控制关键是 准确测量各轧机的轧制电流（即力矩），系统通过检测相应机架的电枢转矩间接得到该值 当本机架的轧件咬钢而轧件尚未进入下架轧机时，控制系统计算出的力矩值便是本轧机的 轧制力矩值。当下架轧机也咬钢时，重新计算得到新的力矩，两力矩之差是轧件上的张力 力矩。若偏差值为正，表示机架间堆钢：若偏差值为负，表示机架间拉钢。系统就是根据 偏差值的正负和大小，给出相应的速度修正来平衡轧机的速度，保证机架间的张力被限制 在一定范围内，实现微张力控制。 .(+(+5.ml (10-7) 推导过程熟悉 即可 10.2.2工程实现 了解

2 内 蒙 古 科 技 大 学 教 案 所谓“速度级联控制”，即在高速线材轧制过程中，为保持机架间的速度关系完全匹配、 机架间轧件秒流量相等，对轧制过程中来自活套闭环控制的调节量、手动干预调节量，按 逆轧制方向依次对前面的各机架速度进行增减，实现轧机速度的级联控制。当轧件在两机 架间断开时，级联调节取消；轧件在两机架间连续轧制时，级联轧制重新建立。速度级联 控制是连轧生产线电气控制思想的精华，它充分体现了钢材连轧生产的特点。 本系统通过“级联速度设定”及“自动级联调节”相结合的方式为轧线各机架的速度 提供速度设定。“级联速度设定” 是指通过确定轧线基准速度（本系统采用精轧机出口速 度）和各机架延伸率来确定各机架的设定速度；“自动级联调节”是指根据微张力调节器或 活套调节器产生的速度修正信号, 通过级联的方式对各机架的速度进行修正。 为保证精轧出口速度的稳定, 本系统的级联方向采取逆轧制方向即从精轧机开始向轧 线上游级联。首先，由“级联速度设定”及“自动级联调节”综合作用产生各机架线速度 设定值, 再根据对应机架的工作辊径、减速机的速比等相关参数折算为电机轴转速, 然后线 性变换为速度设定信号, 最后通过实时通信网络由 PLC 送给主传动速度调节系统。 10.2 微张力控制系统 10.2.1 基本原理 微张力控制就是使粗、中轧机组各机架之间的轧件在微小的张力范围内进行高速线材 生产，一般采用“电流—速度”的间接微张力控制法。 其基本原理是:张力的变化是由线材的秒流量差引起的，调节轧机的速度就能改变秒流 量，从而达到控制张力的目的。通过对相邻两工作机架中上游机架电机的转矩进行检测、 记忆存储，形成表示钢坯内张力大小的实际值，与设定的张力给定值比较偏差，通过比例、 积分控制校正上游机架的速度，协调两机架之间的关系，实现微张力控制。其控制关键是 准确测量各轧机的轧制电流（即力矩)，系统通过检测相应机架的电枢转矩间接得到该值。 当本机架的轧件咬钢而轧件尚未进入下架轧机时，控制系统计算出的力矩值便是本轧机的 轧制力矩值。当下架轧机也咬钢时，重新计算得到新的力矩，两力矩之差是轧件上的张力 力矩。若偏差值为正，表示机架间堆钢；若偏差值为负，表示机架间拉钢。系统就是根据 偏差值的正负和大小，给出相应的速度修正来平衡轧机的速度，保证机架间的张力被限制 在一定范围内，实现微张力控制。 1 ( ) ( ) ( 1) ( 1) ( ) S n S n n V n V n j q s s + + + + =  （10-7） 10.2.2 工程实现 重点掌握 掌握 推导过程熟悉 即可 了解 掌握

内蒙古科技大学教案 10.3飞剪控制系统 以我国某厂高速线材生产线GE90-30系列PLC的2#起停式飞剪来说明飞剪的控制原理。 掌握 10.3.1系统硬件结构 了解 GESG-30 PLC 飞剪控制料 图10-5起停式飞剪GE90-30PLC控制系统原理图 10.3.2飞剪动作执行过程 轧制方向 了解 图10-7剪切动作执行过程示意图

3 内 蒙 古 科 技 大 学 教 案 10.3 飞剪控制系统 以我国某厂高速线材生产线 GE90-30 系列 PLC 的 2#起停式飞剪来说明飞剪的控制原理。 10.3.1 系统硬件结构 图 10-5 起停式飞剪 GE90-30 PLC 控制系统原理图 10.3.2 飞剪动作执行过程 图 10-7 剪切动作执行过程示意图 掌握 了解 了解

内蒙古科技大学教案 10.3.3飞剪控制原理 10.3.3.1启动延时时间算法原理 熟悉 (1)确定飞剪剪切线速度V, 以图10-7所示的飞剪过程为例，飞剪控制GE90-30PLC系统通过以太网，把从轧线GE9070PL( 系统中获得飞剪前一架轧机的线速度V,将V乘以一个剪切超前量K,便得到剪刃剪切线速度V1。 (10-17 式中，K可由上位机设定。 (2)确定飞剪启动延时时间T 计算飞剪由A点加速到B点所需时间T Ti=Vi/a (10-18) 式中，a为飞剪加速度常数。 计算飞剪由B点匀速运行到O点所需的时间 T2=(S-Si)/VI (10-19) 式中，S一A0弧长，S=0.75×剪刃旋转周长： S1-AB弧长，S1=0.5×a×T2。 计算飞剪由A点先加速到B点、再匀速运行到0点所需的时间T T=Ti+T2 (10-20 最后计算飞剪启动延时时间T T-[(L+LV]-T-K: (10-21) 式中，K2为考虑干扰时的修正常数。 10.3.3.2飞剪定位速度V2算法原理 定位速度V2由一速度常数乘以一个可变系数K3所得 V2=K3xV (10-22) 熟悉 式中，V3为一常数，以此作为定位速度基淮值 飞剪定位时各区域示意图见图10-8所示。 图10-8飞剪定位区域示意图

4 内 蒙 古 科 技 大 学 教 案 10.3.3 飞剪控制原理 10.3.3.1 启动延时时间算法原理 （1）确定飞剪剪切线速度 V1 以图 10-7 所示的飞剪过程为例，飞剪控制 GE90-30 PLC 系统通过以太网,把从轧线 GE90-70 PLC 系统中获得飞剪前一架轧机的线速度 V,将 V 乘以一个剪切超前量 K1,便得到剪刃剪切线速度 V1。 V1= K1×V （10-17） 式中， K1 可由上位机设定。 （2）确定飞剪启动延时时间 T 计算飞剪由 A 点加速到 B 点所需时间 T1 T1= V1/a （10-18） 式中,a 为飞剪加速度常数。 计算飞剪由 B 点匀速运行到 O 点所需的时间 T2 T2= (S－S1)/V1 （10-19） 式中, S—AO 弧长, S=0.75×剪刃旋转周长； S1—AB 弧长, S1=0.5×a×T1 2。 计算飞剪由 A 点先加速到 B 点、再匀速运行到 O 点所需的时间 T3 T3= T1+T2 （10-20） 最后计算飞剪启动延时时间 T T=[(L+L1)/V]－T3－K2 （10-21） 式中, K2 为考虑干扰时的修正常数。 10.3.3.2 飞剪定位速度 V2 算法原理 定位速度 V2 由一速度常数乘以一个可变系数 K3 所得。 V2= K3×V3 （10-22） 式中, V3 为一常数,以此作为定位速度基准值。 飞剪定位时各区域示意图见图 10-8 所示。 图 10-8 飞剪定位区域示意图 A-减速区；B-停车区；C-反爬区；D-过反爬区 熟悉 熟悉

内蒙古科技大学教案 10.4活套控制系统 10.4.1设备配置 熟悉 10.4.2活套控制方式 10.43活套控制对型 具体活套控制过程包括四个阶段：活套预形成、活套形成、活套控制以及甩尾。 (1)活套预形成。当上一根钢坯的尾部从上游轧机吐出后，便进入该根钢坯的起套准备阶段，这个阶 重点 掌挥 段一直持续到下游轧机咬钢时为止。 (2)起套。系统在突加额定负载时的动态速降约为5%，其恢复时间约为0.51.0s。 (3)自动控制。起套完成后，即进入活套控制阶段。此时系统按级联方向对所有机架进行实时速度修 正。 (4)收套。当轧件的尾部接近上游机架时，即进入收套阶段。如果坯尾还没有从上游轧机中脱出，失 去挑套辊支撑的活套会惯性地向下游涌去，撞在出口压套辊上，这种现象为“浪涌”：当坯尾从上游轧 机脱出并进入活套台时，如果套位仍然比较高，坯尾会先后鞭打活套台上罩和底部，容易损伤机械设备 这种现象为“甩尾” 10.4.4活套位置与套型控制 家

5 内 蒙 古 科 技 大 学 教 案 10.4 活套控制系统 10.4.1 设备配置 10.4.2 活套控制方式 10.4.3 活套控制过程 具体活套控制过程包括四个阶段：活套预形成、活套形成、活套控制以及甩尾。 （1）活套预形成。当上一根钢坯的尾部从上游轧机吐出后，便进入该根钢坯的起套准备阶段，这个阶 段一直持续到下游轧机咬钢时为止。 （2）起套。系统在突加额定负载时的动态速降约为 5%，其恢复时间约为 0.5~1.0s。 （3）自动控制。起套完成后，即进入活套控制阶段。此时系统按级联方向对所有机架进行实时速度修 正。 （4）收套。当轧件的尾部接近上游机架时，即进入收套阶段。如果坯尾还没有从上游轧机中脱出，失 去挑套辊支撑的活套会惯性地向下游涌去，撞在出口压套辊上，这种现象为“浪涌”；当坯尾从上游轧 机脱出并进入活套台时，如果套位仍然比较高，坯尾会先后鞭打活套台上罩和底部，容易损伤机械设备， 这种现象为“甩尾”。 10.4.4 活套位置与套型控制 熟悉 重 点 掌握 了解