CN105032947B - 一种轧机电动和液压组合压下快速定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轧机电动和液压组合压下快速定位的方法，轧机辊缝是由电动压下位置和液压压下位置共同决定的，即轧机辊缝为电动辊缝与液压辊缝之和。电动压下用于无负载情况下大范围粗调轧机辊缝，液压压下在各种场合下均可用来小范围精调轧机辊缝。两种压下均采用比例积分（PI）控制器，控制器的目标值设定采用斜坡信号逐渐向辊缝目标值接近的方法，同时对斜坡信号进行曲线处理。通过采用液压压下在线动态补偿电动压下的方法，可以达到快速定位轧机辊缝的目的。当电动压下辊缝偏差落到区间[‑g,g]内时，液压压下就可以完全补偿电动压下辊缝偏差，实现轧机辊缝准确到位，从而实现轧机电动+液压组合压下快速定位。

Description

一种轧机电动和液压组合压下快速定位的方法

技术领域

本发明属于冶金机械及自动化、轧制技术，尤其涉及一种轧机电动和液压组合压下快速定位的方法。

背景技术

电动压下***是由压下电机通过齿轮、涡杆减速机构带动压下螺丝构成的，压下动作缓慢，压下加速度与轧制力有很大关系，同时，频繁往复的压下 动作也会加大机械部件的磨损，其优点是压下行程较大；液压压下***是由伺服机构通过机械油路带动活塞完成压下动作，具有快速、准确的特点，并且与轧制压力关系较小，但对于采用的“电动+液压”形式的液压***，一般活塞的行程都较短。80年代以前建成的轧机大都采用全电动压下方式，80年代以后新建的热连轧机一般采用全液压压下方式，大部分中板轧机和改造的热连轧机采用了“电动+液压”形式。

轧机压下定位需要通过轧机自动位置控制（APC，Automatic Position Control）***来实现。APC是板带生产过程中厚度控制的主要执行机构，从轧制力的来源上分为全电动、全液压、电动+液压三种。压下电机一般安装于轧机顶部平台，通过压下螺丝作用于上辊系，通过调节上辊系位置而改变轧机辊缝。而液压缸安装分为下置式和上置式，下置式是指安装于下支撑辊轴承座以下的位置，通过调节下辊系位置而改变轧机辊缝；上置式是指安装于上支撑辊轴承座以上的位置，通过调节上辊系位置而改变轧机辊缝。相对而言，上置式液压缸工作环境比较干净，检修方便，液压缸动作对轧制标高没有影响，但液压管路长，不利于液压***稳定；而下置式液压缸工作环境比较恶劣，检修麻烦，液压缸动作对轧制标高有影响，液压管路短，有利于液压***稳定。目前，欧美的轧机多采用上置式，日本的多采用下置式。

电动+液压组合压下多用于中厚板轧机及热连轧粗轧机等需要大幅压下的轧制场合，此类轧机一般需要进行多道次往复轧制，根据需要从几个道次到二十几个道次均有可能，因此，轧机压下的快速定位能节约每一道次的整体轧制时间，加快轧制节奏，保持板带温度，提高产品性能和产量。

对于具有电动+液压组合压下的轧机，传统的辊缝控制方法是先电动压下动作，待其反馈值到达电动辊缝目标值精度范围内后，锁定电动压下，同时液压压下动作以补偿电动辊缝与轧机辊缝之间的偏差。即存在一个电动压下在前、液压压下在后，分步动作达到轧机辊缝的过程。并且，APC***在收到一个新的辊缝设定值时，PI控制器的输入也采用斜坡信号，但该斜坡信号是折线形式而非曲线形式，即从当前辊缝直接以最大速度朝目标辊缝动作，待到达目标辊缝后速度直接变回0，缺少一个动作初期的加速过程（从0升到最大速度v _MAX ）和动作末期的减速过程（从最大速度v _MAX 降到0），由于惯性的存在，这种方法使APC***运行不平稳且存在超调。

目前，国内采用电动+液压组合压下（或侧压）的轧机很多，相关的论文和专利也能检索到，但涉及压下***快速性方面的专利和文献却较少。“一种粗轧立辊轧机辊缝定位的方法”（专利号CN 101979167 A）提出在立辊轧机二次定位时，如果二次设定值在一次设定值±5mm范围内变化，则直接采用液压缸定位；如果两次设定值偏差超出±5mm，则采用电动侧压定位。该发明实际是在二次设定时，当设定值（指二次设定的设定值）与反馈值（指一次设定的设定值，在二次设定时已经到位）偏差小于5mm时，仅让液压机构执行动作，否则让电动机构执行，该方法没有提出电动与液压机构同时动作，让液压机构实时补偿电动机构的问题。“一种四辊可逆轧机零位标定和辊缝定位的方法”（专利号CN 101972779 A）提到一种组合压下轧机快速定位标零辊缝的方法，在标零过程中，电动压下、液压压下分步动作实现零位标定。太原科技大学陈海波的毕业论文“板带轧机压下***自动控制***的研究”提到由电动压下进行辊缝粗调，液压压下***负责辊缝精调；根据实际轧制生产过程，建立了较为全面的伺服液压压下***的动态模型，并引用模糊 PID 控制技术，建立了轧机液压压下模糊 PID 控制***。“热连轧特殊钢动态自适应压下控制方法”（专利号CN 104209344 A）根据精轧机架咬钢后的0.2秒时间，对机架压下装置进行修正控制，来补偿咬钢给辊缝带来的冲击。北京科技大学的黄绍辉在论文“电动-液压综合AGC***的仿真研究”中提出电动+液压组合压下对消除板带厚度偏差的方法并进行了仿真，但是并未对提高压下***的快速性进行研究。酒泉钢铁公司孙晓东在论文“中厚板轧机电动及液压组合压下厚度控制***”中描述了组合厚度控制实现的关键技术，提出了辊缝测量常见问题及解决思路，以产品质量检测数据为依据，得出组合厚度控制***能有效保障中厚板产品质量的结论，但未对提高压下***的快速性进行研究。

发明内容

针对轧机电动和液压组合压下定位速度慢的缺点，本发明提出了一种轧机电动和液压组合压下快速定位的方法，使液压压下在线动态补偿电动压下，可以达到快速定位轧机辊缝的目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种轧机电动和液压组合压下快速定位的方法，采用液压压下对电动压下优先补偿，可以达到快速定位轧机辊缝的目的，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1）确定补偿量g；

步骤2）根据设备参数结合现场调试结果确定电动压下精度ΔS；

步骤3）根据设备参数结合现场调试结果确定电动压下最大速度v _{MAX_E} 和最大加速度a _{MAX_E} ；

步骤4）根据设备参数结合现场调试结果确定液压压下最大速度v _{MAX_H} 和最大加速度a _{MAX_H} ；

步骤5）定位性能验证；

步骤6）抱闸制动。

进一步的，所述步骤1）具体为：

① 防止大幅影响轧机标高，g ≤ 5mm ；

② 液压缸行程为50mm，轧机零位标定时液压缸活塞处于其动作范围中部，即液压缸活塞动作范围接近±25mm，为使活塞动作时液压缸机械特性位于正常工作范围即行程的80%，则活塞动作范围应为±25mm*80% = ±20mm，即g≤20mm；

③ 为了达到更快定位，g选可选范围内的最大值。

进一步的，所述步骤5）具体为：设定轧机辊缝的值作为电动辊缝目标值，使用电动压下PI控制器控制电动压下朝此目标值运动，实时计算轧机辊缝设定值和电动辊缝反馈值，并将轧机辊缝设定值和电动辊缝反馈值两数值的差值限幅到液压压下补偿区间[-g，g]内，将此数值作为液压辊缝目标值，同时液压压下PI控制器控制液压压下朝此目标值运动，所述电动压下PI控制器与液压压下PI控制器的目标值并不直接等于辊缝目标值，而是采用斜坡信号逐渐向辊缝目标值接近的方法，同时对斜坡信号进行曲线处理。

进一步的，所述斜坡信号逐渐向辊缝目标值接近的方法为：辊缝设定值设定为S _SET ，则电动压下与液压压下分别以最大加速度a _{MAX_E} 和a _{MAX_H} 升速，电动压下与液压压下分别达到最大速度v _{MAX_E} 和v _{MAX_H} 后，保持速度，实时监测，在辊缝接近设定值时，电动压下与液压压下分别以最大加速度a _{MAX_E} 和a _{MAX_H} 减速，最终速度为0，辊缝平稳达到设定值S _SET 。

进一步的，所述步骤6）具体如下：在电动压下动作过程中，电机抱闸打开，一旦实测轧制力大于预设轧制力4000KN，即认为轧件进入轧机机架，此时控制***将压下电机的速度设定置零，当压下电机的速度接近抱闸速度时，电机抱闸合上。

与现有控制方法相比，本发明的主要优点在于：

1.在组合压下轧机大幅动作时（幅度超过5mm），能显著减少定位时间。在电动压下动作过程中，电动压下始终以轧机辊缝设定值作为电动辊缝目标值，而由于液压压下实时对电动压下辊缝偏差进行补偿，因此当电动压下辊缝偏差在[-g, g]范围内时，实际电动+液压辊缝却能保持稳定在轧机辊缝设定值，相当于节省了电动辊缝从±g到0的时间。根据某电动+液压组合压下的中厚板轧机的现场记录数据显示，这种方法每道次能节约0.5~2秒时间（对应图5中t ₂到t ₄时间段）。

2.***运行更加平稳。在辊缝调节时，由于PI控制器的目标值并不直接等于辊缝目标值，而是采用斜坡信号逐渐向辊缝目标值接近的方法，同时对斜坡信号进行曲线处理。这样可以避免传统方法由于惯性存在，使APC***在动作和停止瞬间运行不平稳且存在超调的情况发生。

综合以上电动+液压组合压下定位控制手段与发明方法，本发明提出的方法不需要增加新的设备，只需要对控制算法进行一定修改，即可改善压下***定位速度和稳定性，满足轧制过程需要。

附图说明：

图1 为电动压下和液压组合压下轧机结构示意图；

图2为液压缸工作范围示意图；

图3为辊缝跟随的斜坡函数设计方法示意图；

图4为组合压下现有定位控制方法响应曲线示意图；

图5为组合压下本发明快速定位控制方法响应曲线示意图；

图6为组合压下本发明快速定位控制方法电动压下没有到位情况下轧件进入轧机响应曲线示意图。

其中：1蜗轮蜗杆减速机；2压下螺丝；3测压压头；4上支撑辊；5上工作辊；6下工作辊；7下支撑辊；8滑板；9液压缸；10柱塞；11蜗轮蜗杆减速机；12压上螺丝；M电机；SV伺服阀；P液压泵；111液压缸内壁；112活塞移动范围的20%；113零位标定后液压辊缝的零位对应的活塞在液压缸中的位置；114活塞移动范围的中心位置；115活塞移动范围的20%；x _MAX 液压辊缝的活塞移动最大行程；x _MIN 液压辊缝的活塞移动最小行程；117液压缸活塞；118液压缸缸体；211辊缝动作的加速度曲线；212辊缝动作的速度曲线；213辊缝动作曲线；l ₁电动和液压总辊缝，l ₂电动辊缝，l ₃液压辊缝，t ₁液压压下补偿量达到g的时刻，t ₂电动压下到达S ₀-g时刻（同时也是电动+液压压下定位完成时刻）；t ₃电动压下并没有到位情况下轧件进入轧机时刻（压下电机停止动作，抱闸合上）；t ₄电动压下定位完成时刻（进入S ₀±ΔS范围）及液压压下开始动作时刻，t ₅液压压下定位完成时刻。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

【实施例一】如图1所示，本实施方案中轧机为2600mm中板轧机，但并不以此为限，其中，上蜗轮蜗杆减速机1、压下螺丝2、测压压头3、上支撑辊4与上工作辊5从上至下依次连接，下工作辊6、下支撑辊7、滑板8、液压缸9、柱塞10、下蜗轮蜗杆减速机11、12压上螺丝、SV伺服阀、P液压泵从上至下依次连接，所述上蜗轮蜗杆减速机1、下蜗轮蜗杆减速机11分别接一M电机，并设置可编程控制器（PLC），可编程控制器中设置电动压下PI控制器和液压压下PI控制器。

压下电机装于机顶平台，液压缸采用下置式，电动压下动作范围为0~230mm，液压压下动作范围为0~50mm。具体实施方案如下：

一种轧机电动和液压组合压下快速定位的方法，采用液压压下对电动压下优先补偿，可以达到快速定位轧机辊缝的目的，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1）：确定补偿量g：

① 防止大幅影响轧机标高，g ≤ 5mm ；

② 液压缸行程为50mm，轧机零位标定时液压缸活塞处于其动作范围中部，即液压缸活塞动作范围接近±25mm，为使活塞动作时液压缸机械特性位于正常工作范围（一般为行程的80%），则活塞动作范围应为±25mm*80% = ±20mm，即g ≤ 20mm，如图2所示，117表示液压缸活塞；111表示液压缸内壁，活塞移动范围的两个极限对应液压辊缝的x _MAX 和x _MIN ；118表示液压缸缸体；114表示活塞移动范围的中心位置；115和112分别表示活塞移动范围的20%和80%位置（对应液压辊缝的x ₂₀和x ₈₀），活塞位于115和112之间液压缸动作特性最好，正常生产过程中液压缸活塞必须处于115和112之间；而113表示零位标定后液压辊缝的零位对应的活塞在液压缸中的位置，一般情况113与114比较接近；O表示液压辊缝零位，补偿范围±g应位于x ₂₀和x ₈₀之间。

③ 为了达到更快定位，g选可选范围内的最大值，即g选择为5mm。

步骤2）根据设备参数结合现场调试结果确定电动压下精度ΔS：本实施例中根据现场调试结果，ΔS选为0.1mm（由电机实际精度决定，范围一般为0.1~1mm）。

步骤3）根据设备参数结合现场调试结果确定电动压下最大速度v _{MAX_E} 和最大加速度a _{MAX_E} ：本实施例中根据设备参数和现场调试结果，v _{MAX_E} 选为0.05m/s，a _{MAX_E} 为0.2m/s²。

步骤4）根据设备参数结合现场调试结果确定液压压下最大速度v _{MAX_H} 和最大加速度a _{MAX_H} ：本实施例中根据设备参数和现场调试结果，v _{MAX_H} 选为0.0035m/s，a _{MAX_H} 为0.6m/s²。

步骤5）定位性能验证：设定轧机辊缝的值作为电动辊缝目标值，使用电动压下PI控制器控制电动压下朝此目标值运动，实时计算轧机辊缝设定值和电动辊缝反馈值，并将轧机辊缝设定值和电动辊缝反馈值两数值的差值限幅到液压压下补偿区间[-g，g]即[-5，5]内，将此数值作为液压辊缝目标值，同时液压压下PI控制器控制液压压下朝此目标值运动，所述电动压下PI控制器与液压压下PI控制器的目标值并不直接等于辊缝目标值，而是采用斜坡信号逐渐向辊缝目标值接近的方法，同时对斜坡信号进行曲线处理。如图3所示，控制器目标值的斜坡函数设计方法为，对电动压下和液压压下开始时，辊缝设定值设定为S _SET ，则电动压下与液压压下分别以最大加速度a _{MAX_E} 和a _{MAX_H} 升速，电动压下与液压压下分别达到最大速度v _{MAX_E} 和v _{MAX_H} 后，保持速度，实时监测，在辊缝接近设定值时，距离设定值距离约（v _MAX ）²/2a _MAX 时，电动压下与液压压下分别以最大加速度a _{MAX_E} 和a _{MAX_H} 减速，最终速度为0，辊缝平稳达到设定值S _SET ，压下电机，根据压下电机及机械设备的参数确定电动压下的允许的最大加速度a _MAX 和最大速度v _MAX ，在轧机辊缝设定值发生改变时，计算加速起点和时长以及减速起点和时长；对液压缸，采取同样的方法计算。

最后，整个定位过程完成，***运行平稳，得到相应数据，对应图5中t ₁为0.312s，t ₂为5.024s，t ₄为6.108s，t ₅为6.148s。因此，节约时间t ₅-t ₂=1.124s。

步骤6）抱闸制动：在电动压下动作过程中，电机抱闸打开，一旦实测轧制力大于预设轧制力4000KN，即认为轧件进入轧机机架，此时控制***将压下电机的速度设定置零，当压下电机的速度接近抱闸速度时，电机抱闸合上，如图6所示，t ₃时刻表示电动压下并没有到位情况下轧件进入轧机（压下电机停止动作，抱闸合上），如果采用传统方法，轧机辊缝就等于电动辊缝（液压辊缝为0 mm），此时轧制的产品厚度将会偏厚或偏薄，但是采用本发明提出的方法，液压辊缝在线补偿，轧机辊缝将等于其设定值，从而保证轧制产品厚度满足要求。

采用本发明设计的控制方法后，轧机压下控制定位速度大幅提高，***运行比以前更平稳，且保持了原有的定位精度。并且，如图6所示，某些时刻虽然电动压下尚未到位，但只要其辊缝偏差进入[-g, g]区间，也不会影响到轧机的实际辊缝，只是此时液压辊缝的补偿量比正常情况要大。传动方法在电动压下尚未到位前，如果钢板进入轧机，将会影响到钢板出口厚度，该发明提出的方法在一定范围内减少了这种影响，有利于轧制出合格的产品。

与现有控制方法相比，本发明的主要优点在于：

在组合压下轧机大幅动作时（幅度超过5mm），能显著减少定位时间。在电动压下动作过程中，电动压下始终以轧机辊缝设定值作为电动辊缝目标值，而由于液压压下实时对电动压下辊缝偏差进行补偿，因此当电动压下辊缝偏差在[-g, g]范围内时，实际电动+液压辊缝却能保持稳定在轧机辊缝设定值，相当于节省了电动辊缝从±g到0的时间。根据某电动+液压组合压下的中厚板轧机的现场记录数据显示，这种方法每道次能节约0.5~2秒时间（对应图5中t ₂到t ₄时间段）。

***运行更加平稳。在辊缝调节时，由于PI控制器的目标值并不直接等于辊缝目标值，而是采用斜坡信号逐渐向辊缝目标值接近的方法，同时对斜坡信号进行曲线处理。这样可以避免传统方法由于惯性存在，使APC***在动作和停止瞬间运行不平稳且存在超调的情况发生。

综合以上电动和液压组合压下定位控制手段与发明方法，本发明提出的方法不需要增加新的设备，只需要对控制算法进行一定修改，即可改善压下***定位速度和稳定性，满足轧制过程需要。

Claims (5)

1.一种轧机电动和液压组合压下快速定位的方法，其特征在于，采用液压压下对电动压下优先补偿，可以达到快速定位轧机辊缝的目的，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1）确定补偿量g；

步骤2）根据设备参数结合现场调试结果确定电动压下精度ΔS；

步骤3）根据设备参数结合现场调试结果确定电动压下最大速度v _{MAX_E} 和最大加速度a _{MAX_E} ；

步骤4）根据设备参数结合现场调试结果确定液压压下最大速度v _{MAX_H} 和最大加速度a _{MAX_H} ；

步骤5）定位性能验证；

步骤6）抱闸制动。

2.根据权利要求1所述的轧机电动和液压组合压下快速定位的方法，其特征在于，所述步骤1）具体为：

① 防止大幅影响轧机标高，g ≤ 5mm ；

② 液压缸行程为50mm，轧机零位标定时液压缸活塞处于其动作范围中部，即液压缸活塞动作范围接近±25mm，为使活塞动作时液压缸机械特性位于正常工作范围即行程的80%，则活塞动作范围应为±25mm*80% = ±20mm，即g ≤20mm；

③ 为了达到更快定位，g选可选范围内的最大值。

3.根据权利要求1所述的轧机电动和液压组合压下快速定位的方法，其特征在于，所述步骤5）具体为：设定轧机辊缝的值作为电动辊缝目标值，使用电动压下PI控制器控制电动压下朝此目标值运动，实时计算轧机辊缝设定值和电动辊缝反馈值，并将轧机辊缝设定值和电动辊缝反馈值两数值的差值限幅到液压压下补偿区间[-g，g]内，将此数值作为液压辊缝目标值，同时液压压下PI控制器控制液压压下朝此目标值运动，所述电动压下PI控制器与液压压下PI控制器的目标值并不直接等于辊缝目标值，而是采用斜坡信号逐渐向辊缝目标值接近的方法，同时对斜坡信号进行曲线处理。

4.根据权利要求3所述的轧机电动和液压组合压下快速定位的方法，其特征在于，所述斜坡信号逐渐向辊缝目标值接近的方法为：辊缝设定值设定为S _SET ，则电动压下与液压压下分别以最大加速度a _{MAX_E} 和a _{MAX_H} 升速，电动压下与液压压下分别达到最大速度v _{MAX_E} 和v _{MAX_H} 后，保持速度，实时监测，在辊缝接近设定值时，电动压下与液压压下分别以最大加速度a _{MAX_E} 和a _{MAX_H} 减速，最终速度为0，辊缝平稳达到设定值S _SET 。

5.根据权利要求1所述的轧机电动和液压组合压下快速定位的方法，其特征在于，所述步骤6）具体如下：在电动压下动作过程中，电机抱闸打开，一旦实测轧制力大于预设轧制力4000KN，即认为轧件进入轧机机架，此时控制***将压下电机的速度设定置零，当压下电机的速度接近抱闸速度时，电机抱闸合上。