（机械电子工程专业论文）酸洗开卷破鳞电液比例控制系统改造.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 酸洗开卷破鳞电液比例控制系统改造 摘要 宝钢冷轧2 0 3 0 酸洗机组开卷机上配有一套破鳞系统，它在钢卷开卷同时使用 机械方法破鳞，以提高后面酸洗的质量和速度。但是由于设备存在的各种问题， 这套系统自生产线投产以来一直未被使用。为了提高生产效率，节约成本，需要 对这套破鳞系统进行改造，使其能投入正常生产中。 本文深入的分析原有系统结构方面的问题，发现原设计中存在同步轴刚度不 够，常常造成钢带跑偏。破鳞辊的强度不够，经常断裂，导致系统无法三常使用。 另外还存在液压缸行程短，不能保证钢卷从最大卷径到最小卷径即钢卷的最后三 圈始终保持破鳞辊紧靠钢卷，从而达到最佳破鳞效果的要求。针对这些问题，改 造设计中，加大同步轴的直径，提高刚度。实地测量分析，建立破鳞过程的几何 关系模型，分析破鳞辊的受力，定量分析出破鳞压下压力。还加长液压缸的行程， 使其能达到最佳破鳞效果。 本文分析液压控制系统发现，原系统是采用运动位置闭环控制，未考虑同步 机构的刚度、管道的动特性、钢带张力等因素的影响，控制效果不好，导致经常 跑偏。本文重新设计液压控制系统，把原来比例流量控制，改为较为合理的比例 压力控制。并建立三通比例减压阀压力控制理论数学模型，通过m a t l a b 软件 仿真分析控制系统性能。控制器使用p i d 方法，并应用单纯形优化算法寻找最优 控制参数，得到了较好的控制效果。 本文根据具体工艺过程的控制需要，设计一套电气控制系统，控制整个破鳞 过程。主要部分是用p l c 控制液压系统，采集现场编码器和压力传感器的值。在 上位机中用v b 6 ，0 编写通讯程序，读写系统物料信息，通过d d e 方式与监控软 件w i n c c 通信。监控软件w i n c c 监控整个操作过程。 关键词：破鳞辊电液比例压力控制p i d 控制器单纯形寻优m a t l a b 仿真 p l cw i c c 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a n s f o r mt h ep i c k l eb r o k e ns c a l e se l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t b a o s t e e lc o l d r o l l2 0 3 0p i c k l ep r o d u c tl i n ef u r n i s h e dw i t has e to fb r o k e ns c a l e s s y s t e m t h es c a l e sw o u l db eb r o k e nw i mm e c h a n i c a lm e t h o da tt h es a m et i m em e t a l b a n do p e n i n g ，t oi m p r o v et h eq u a l i t ya n ds p e e dp i c k l e db e h i n d b u tb e c a u s eo fv a r i o u s k i n d so fq u e s t i o n se x i s t i n gi nt h ee q u i p m e n t ，t h i ss y s t e mh a dn o tb e e nu s e ds i n c et h e p r o d u c tl i n ew a sp u ti n t oo p e r a t i o n i no r d e rt oi m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n d e c o n o m i z et h ec o s t ，n e e dt oc a r r yo nt h et r a n s f o r m a t i o nt ot h i ss e to fb r o k e ns c a l e s s y s t e m s ，e n a b l ei tt ob ep u ti n t ot h en o r m a lp r o d u c t i o n a f t e rd e e p l ya n a l y s i s i n g ，i tw a sd i s c o v e r e dt h a tt h er i g i d i t yo fs y n c h r o n o u ss h a f t i sn o te n o u g hi nt h eo r i g i n a ls y s t e m a t i cs t r u c t u r ed e s i g n ，w h i c ho f t e nl e a d st ot h ef a c t t h es t e e ls t r a pr u n sr u p t u r e sp a r t i a l l y , c o n s e q u e n t l yc a u s i n gt h es y s t e mt ob eu n a b l et o w o r kn o r m a l l y i na d d i t i o n ，a n o t h e rq u e s t i o ni st h eh y d r a u l i cc y l i n d e ra c t u a t o r s j o u r n e yi st o os h o r tt og u a r a n t e et h er o l l sw o r k i n gf r o mt h em o s ts i z et ot h el e a s to n e f o rt h eb e s tw o r k i n ge f f e c t ，n a m e l y , t h el a s tt h r e ec i r c l e sw i l lb er e m a i n e dn o tb r o k e n a i m i n ga tt h e s eq u e s t i o n s ，i nt h er e c o n s t r u c t i v ed e s i g n ，w es h o u l ds t r e n g t h e nt h e d i a m e t e ro ft h es y n c h r o n o u ss h a f tt oi m p r o v er i g i d i t y t h r o u g hl o c a l em e a s a r e m e n t a n da n a l y s e s ，t h et e x ti ss e tu pt h eg e o m e t r y r e l a t i o nm o d e lo ft h eb r o k e ns c a l e s c o u r s e ，a n a l y s i n gt h es t r e n g t ho fr e c e i v i n go ft h eb r o k e ns c a l e sr o l l e ro nt h es p o t ， w o r k i n go u tt h eb r o k e np r e s s u r e 1 1 1 ej o u m e yo fh y d r a u l i cp r e s s u r ej a ri sl e n g t h e nt o r e a c ht h eb e s tr e s u l t o fb r o k e ns e a l e s t h i st e x tf o u n do r i g i n a ls y s t e ma d o p tm o t i o np o s i t i o nf o rt h ec l o s e s r i n gc o n t r o l s t r u c t u r ea f t e ra n a l y z i n go fh y d r a u l i cp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m ，h a v i n gn o tc o n s i d e r e d r i g i d i t y , t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ei n f l u e n c eo ft h es t r a pt e n s i o n ，e t c ，w h i c hi s n o tg o o dt oc o n t r o lt h er e s u l tb e c a u s eo fw h o s el e a d i n gt ot h ef a c tt h a tt h es t r a pr u n s f r e q u e n t l yp a r t i a l l y t h i st e x tr e d e s i g n st h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eh y d r a u l i cp r e s s u r e ， c h a n g i n gt h eo r i g i n a lp r o p o r t i o n - f l o ws y s t e mi n t oac o m p a r a t i v e l yr a t i o n a lp r o p o r t i o n - p r e s s u r es y s t e m ，s e t t i n gu pt h em a t h e m a t i c sm o d e la b o u tt h ep r e s s u r e - c o n t r o lt h e o r y i i i _ 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt h r e e c h a n n e l s p r o p o r t i o nv a l v e ，a n a l y s i n gs y s t e m a t i c c h a r a c t e r i s t i c t h r o u g h m a t l a bs o f t w a r e t h et e x ts t i l lu s i n gp i dc o n t r o l l e ra n dt h es i m p l ei m p r o v e d a l g o r i t h m st os e a r c hb e t t e rc o n t r o le f f e c t a c c o r d i n g t ot h en e e d so fc o n t r o lo ft h ea c t u a lc r a f tc o u r s e ，t h et e x td e s i g nas e t o fe l e c t r i c - c o n t r o ls y s t e m st oc o n t r o lt h ew h o l eb r o k e ns c a l e sc o u r s e t h em a i np a r ti s t oc o n t r o lt h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mw i t hp l c g a t h e r i n gt h ev a l u eo fe n c o d e r o n - t h e - s p o ta n dt h ep r e s s u r es e n s o r , u s i n gv b 6 0i nt h el o c a t i o nc o m p u t e rt ow r i t et h e c o m m u n i c a t i o np r o c e d u r e ，r e a d i n ga n dw r i t i n gt h ei n f o r m a t i o no ft h es y s t e m a t i c e l e m e n tsb yd d ew a y ，c o m m u n i c a t i n gw i t ht h es o f t w a r ew i n c c ，w h i c hm o n i t o r e n t i r eo p e r a t i o np r o c e s s k e y w o r d ：b r o k e ns c a l e sr o l l e e l e c l x o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls y s t e m ，p i dc o n t r o l ， p l c ，w i n c c i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：缮名 日 期：2 口西。_ 对 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 导师签名：苷，绋奈 签字日期：签字日期：勿纺r 、7 、7 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 破鳞概述 第一章绪论 随着生产的发展及技术的进步，带钢的质量问题已日益成为影响产品竞争力 的首要因素。为了从整体上提高带钢的质量水平，人们的研究目光已逐步由轧制 技术的本身而逐步扩展到轧机前后的相关工序。冷轧酸洗机组为轧机的前道机组， 因此，酸洗后带钢的表面质量直接关系到轧机的产品质量。高速连续运行冷轧带 钢在进入酸洗机组工艺段酸槽前普遍采用破鳞工艺，其方法是在带钢运行过程中， 一是利用机械方式( 工作辊压下) 使带钢产生变形，破坏带钢表面氧化层组织结 构，达到部分破鳞的目的，同时由于挤压使氧化层产生裂纹，便于酸液渗入，可 以进一步提高酸洗效果；二是通过工作辊压下控制钢带在运转过程中边缘波动， 从而达到防止跑偏效果。 1 1 1 除鳞技术的发展方向 传统的除鳞方法一般采用硫酸或盐酸作为酸洗介质，但这种工艺有难以克服 的缺点，如酸洗时钢材的基体腐蚀及金属的损耗、酸洗及硫酸处理设备庞大而复 杂、投资大、用酸量大、对环境污染严熏。为解决酸洗工艺带来的一系列问题， 同时也为适应除鳞高速、高效的要求，机械除鳞正受到越来越广泛的重视，人们 愈来愈倾向于在用化学法酸洗的同时以机械预除鳞技术予以配合，甚至完全使用 机械破鳞方法以取得最佳的除鳞效果。而酸洗线上采用在开卷时增加破鳞系统为 实现这一目标起到了重要的作用。 1 1 2 破鳞的原理 利用铁基体和氧化铁皮覆层材料性能的巨大差异，采用机械弯曲方法，使基体 材料受力后产生一定的弹塑性变形，表面氧化铁皮则由于不具有弹性且破坏强度 较低，同时氧化铁皮与铁基体附着力差，这样当氧化铁皮由于不能适应金属形状变 化而引起的内应力大于其破坏强度时，它便要破裂。带材在经过弯曲辊时上下表面 东北大学硕士学位论文第一章绪论 处于不同的应力状态，最终产生不同形式的氧化铁皮剥落，机械破鳞的原理所在。 1 1 3 机械破鳞方式的比较 ( 1 ) 轧制法 通过轧制使钢板延伸，并使氧化铁皮产生裂纹，但由于钢板性能不同，采用 轧制法往往使得氧化铁皮裂纹不足。更有甚者，由于剥离的氧化铁皮与带钢一起 轧制还会产生重皮缺陷。 ( 2 ) 研磨法 用沙轮对钢板表面进行研磨，但刀具磨损显著，刀具的消耗量也非常大。 ( 3 ) 喷丸法 将铁丸喷向钢板，直接将钢板表面氧化铁皮粉碎，其粉碎具有均一性，但操 作环境恶劣。 ( 4 ) 反复弯曲法 使用这种方法，钢板经过反复弯曲，表面的氧化铁皮产生裂纹，从而大幅度 的缩短酸洗时间。其结构特点是在破鳞部位使氧化铁皮产生裂纹，在矫直部分矫 正板形。本方式的特点是对钢板边弯曲边增加张力负荷。从而使钢板延伸，氧化 层产生裂纹，然后使氧化铁皮剥离，进一步提高了后续的酸洗效果。 1 1 4 破鳞效果的标准 站在酸洗电化学的立场上，出现对酸洗最理想的氧化铁皮结构的机会是，连 续的f e o 层与带钢的金属接触，而且均匀分布的大量表面裂缝透入整个厚度的氧 化铁皮内，这样酸就可以使得氧化铁皮内出现大量的化学微电池，从这一观点出 发，氧化铁皮破碎机工作质量可以用它可保证的带钢在酸洗槽中的运行速度( 此 时带钢上的氧化铁皮可完全除净而无欠酸洗或局部过酸洗缺陷) 的高低来判定。 换句话说，使氧化铁皮连续产生裂缝的能力是评价氧化铁皮破碎机的标准。但同 时我们应该看到，无论对于任何一种机械破鳞方法亦或是对于任何一种工艺状况， 衡量其破鳞效果好坏的最直接的标准便是能将破鳞做定量描述，但目前国内外在 对破鳞的定量化描述的研究方面基本尚属空白，人们通常用酸洗速度及成品带钢 氧化铁皮缺陷造成的废次品率等指标来衡量破鳞效果的好坏，为了对各工艺参数 调控时破鳞效果的好坏作出直接比较进而验证我们的研究结果，我们进行了破鳞 效果实验。实验结果证实了增大压下深度对破鳞的影响程度要比增大延伸率明显。 理论分析表明，弯曲和张力的增大都将有利于带钢的延伸。考虑到酸洗开卷机 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 破鳞的特殊要求，张力一般不能太大，张力的增大将容易引起带钢的打滑而对设 备安全构成威胁，因此酸洗开卷机的理想工艺情况应该是小张力大弯曲。但弯曲 的增大也不能随心所欲，一方面要考虑对材料加工硬化的影响，另一方面受设备 自身条件的限制，弯曲辊径不可能做的太小，辊子太细会带来强度低、挠度大以 及受轴承位置限制等问题，另外弯益的增大也意味着能耗的增加。因此设置工艺 时应协调好压下深度和张力的关系，尽可能利用弯曲时带钢延伸的贡献，以求得 能耗与工作效率之间的平衡。 1 2 电液比例控制技术 1 , 2 , 1 1 】 1 2 1 电液比例技术发展 电液比例控制技术是适应现代工业要求而发展起的一种廉价、节能、维护方 便、适应大功率控制及具有一定控制精度的电液控制系统。自6 0 年代以来，现代 意义下的比例技术从两个方面发展起来。一方面是在高性能的伺服阀的基础上发 展了工业伺服技术。其特点是简化伺服阀的结构，降低它的制造精度，增大电 机械转换器的输出功率水平和改善阀的抗污染性能。但由于价格较贵，它的应用 仍然有限。另一方面在普通的液压阀的基础上，采用廉价而可靠的比例电磁铁作 为电一机械转换组件，取代原来阀内的手动调节器或普通开关式电磁铁。并相应 地改进了阀内的设计和引入各种内反馈控制，从而出现了一种廉价的，抗污染与 一般工业阀相同，性能又能满足大部分工业控制要求的比例组件。 从1 9 6 7 年瑞士b e r i n g e r 公司生产k l 比例复合阀起，到7 0 年代初日本油研 公司申请了压力和流量两项比例阀专利为止，标志着比例技术的诞生时期。这一 阶段的比例阀，仅仅是将比例型的电一机械转换器( 如比例电磁铁) 用于工业液压 阀，以代替开关电磁铁或调节手柄。阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，大 多不含受控参数的反馈闭环。其工作频宽仅在1 - 5 h z 之间，稳态滞环在4 - 7 之间， 多用于开环控制。1 9 7 5 年到1 9 8 0 年间，可以认为比例技术的发展进入了第二阶 段。采用各种内反馈原理的比例组件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器 在技术上也曰趋成熟。比例组件的工作频宽已达5 1 5 h z ，稳态滞环已减少到3 左右，其应用领域日渐扩大，不仅用于开环控制，也被用于闭环控制。8 0 年代， 比例技术的发展进入了第三阶段，比例组件的设计原理进一步完善，采用了压力、 流量、位移内反馈和动压反馈及电校正等手段，使阀的稳态精度、动态响应和稳 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 定性都有了进一步的提高。除了因制造成本所限，比例阀在中位仍保留死区外， 它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀无异。另一项重大进展是，比例技术开始 和插装阀相结合，已开发出各种不同功能和规格的二通、三通型比例插装阀，形 成了8 0 年代电液比例插装技术。同时，由于传感器和电子组件的小型化，还出现 了电液一体化的比例组件，电液比例技术逐步形成了8 0 年代的集成化趋势。此外， 电液比例容积组件、各类比例控制泵和执行组件相继出现，为大功率工程控制系 统的节能提供了技术基础。 1 2 2 电液比例控制组成 在液压传动与控制中，能够接受模拟式或数字式信号，使输出的流量或压力 连续成比例地受到控制，都可以被称为电液比例控制系统。比例控制装置和伺服 控制装置有一定的差别。伺服装置总是带有内反馈，任何检测到的误差都会引起 系统状态变化，直到调整到系统平衡。一比例控制装置是一种有确定增益的转换 器。电波比例控制系统，不管其结构和性能如何，都可归纳为由功能相同的基本 单元组成的系统，如图1 1 所示。 圈甲 。一一i 一一一一 i l ；l j i l i j 圃一一一：i 。一一一一。 l 一一一f ；i 翮一一一一j i 、一 图1 1 电液比例控制框图 f i g 1 1t h ef r a m ed i a g r a mo f e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l 图中虚线所示为可能实现的检测与反馈。包含了外反馈回路控制系统的称为 闭环控制系统，不包含外反馈的称为开环系统。组成电液比例控制系统的基本组 件有： ( 1 ) 指令组件：它是给定控制信号的产生与输入的组件。 ( 2 ) 比较组件：它是把给定输入与反馈信号进行比较，得出偏差信号作为电控器 d 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的输入的组件。 f 3 ) 电控器：通常称为比例放大器。它是对输入的信号进行加工、整形、放大， 浸之达到电一机械转换装置的控制要求的组件。 ( 4 ) l k 例阀：它是电液的接口组件，是把经过放大的电信号转换成与其电量成比 例的力或位移的组件。 ( 5 ) 液压执行器：通常指液压缸或液压马达。它是系统的输出装置，用于驱动负 载。 ( 6 ) 检测反馈组件：它是检测被控量或中间变量的实际值，得出系统的反馈信 号。 根据被控对象( 量或参数) 的不同，电液比例控制系统可分为： ( 1 ) 比例流量控制系统；( 2 ) 比例压力控制系统；( 3 ) 比例流量压力控制系统；( 4 ) 比 例速度控制系统：( 5 ) 比例位置控制系统；( 6 ) 比例力控制系统；( 乃比例同步控制系 统。 1 2 3 电液比例控制特点 电液比例控制系统是联系微电子技术和工程功率系统的接口，本质上是电子 一液压一机械( f a i n ) 放大转换系统。这种转换既可以是电模拟量俘为m a ) ，也可 以是电数字量转换为机械模拟量( e d m a ) ，还可以是电数字量转换为机械数字量 f e d m d ) 。从工程应用的角度来看，电液比例控制系统有以下特点： ( 1 ) 简化液压系统，实现复杂程控系统通过输入信号按预定规律的变化，连续 成比例地调节受控工作机械作用力或力矩，往返速度或位移，位移或转角等，这 是比例控制系统的基本功能。这一基本功能，不仅改善了系统控制性能，而且大 为简化了液压系统，降低了费用，提高了可靠性。 ( 2 ) 便于实现远距离控制或遥控采用电液比例控制系统不但可实现远距离有 线或无线控制，也可改善主机的设计柔性，并且可以实现多信道并行控制。 ( 3 ) 苇l j 用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标 ( 4 ) 自动化程度高，容易实现编程控制 ( 5 ) 系统的节能效果好 现今电液比例组件的性能比起其发展早期，有了显著的提高。不仅部分比 例阀己消除了中位死区，而且在滞环、重复精度等主要稳态特性上己与伺服阀相 当，而工作频宽又具有足以满足大部分工业系统控制要求的相当水平：在对介质过 滤精度、阀内压力损失和价格方面，又接近于开关阀。从其近期的发展来看，比 东北大学硕士学位论文第一章绪论 侧阀具有一些新的特点： ( 1 ) 插装阀组合，开发出各种不同功能和规格的二通插装式比例阀，且与二_ 通 插装型开关具有结构上的兼容性。 ( 2 ) 生产批量较大的比例压力阀、比例方向阀，常与开关阎通用主阀阀体( 有 的甚至通用先导阀体) ，有利于生产管理和标准化设计，也将给原有液压系统的技 术改造带来方便。 ( 3 ) 应用新开发的双向极化式耐高压比例电磁铁，发展了三通( p ，a ，o 三个主 通油口) 插装式比例阀。 ( 4 ) 力反馈型比例组件可以配用多种控制输入方式；不同的输入单元，具有同一 的连接尺寸。 ( 5 ) 比例泵的恒压、恒流、压力流量复合等多种功能控制块，多采用组合叠加 方式，便于在基泵上进行控制功能的增减组合。 ( 6 ) 已经出现控制放大器、电磁铁和比例阀，以及测量放大器、电磁铁和比例 阀，比例阀与动力油源，与执行机构组合的机电液一体化结构。 ( 7 ) 己出现比例伺服阀，也就是减小比例阀的零位死区，减小比例电磁铁的惯 量，提高比例阀的响应速度，其频宽可达到1 0 0 - - 2 0 0 h z 。但比例伺服阀抗污染 能力强，制造成本较低。 综上所述，电液比例控制技术因其技术上的优势将更广泛的应用到各个领域。 1 3 可编程控制器p l c 概述【2 7 , 2 8 , 2 9 , 3 0 1 3 1p l c 系统的概念 可编程序控制器简称p c ，是近年来迅速发展并得到广泛应用的新一代工业 自动化控制装置。早期的可编程序控制器在功能上只能实现逻辑控制，因此被称 为可编程序逻辑控制器( p r a m m a bl o g i cc o n t r o i l e r ) ，简称p l c 。随着技术的进步， 微处理器( m i c r o r o c e s s e ru n i t 即m p u ) 获得广泛应用，一些生产厂家开始采用微处 理器作为p l c 的中央处理单元，大大加强了p l c 的功能，它不仅只有逻辑控制 功能，而且具有算术运算功能和对模拟量的控制功能。因此，美国电气制造协会 ( n a t i o n a le l e c t r i c a lm a n u f a c t u e r sa s s o c i a t i o n ，简称n e m a ) 于8 0 年将它正式命名 为可编程序控制器( p r a m m a bl o g i cc o n t r o l l e r ) ，简称p c 。这个名称己业界使用多 年，但近年来个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 也简称p c ，为了区别，目前可编程 6 东北大学硕士学位论文第一辛绪论 序控制器常铰称为p l c 。 1 3 2p l c 基本功能 ( 1 ) 逻辑控制功能 逻辑控制功能实际上就是位处理功能是p l c 的最基本功能之。p l c 设置有 “与”( a n d ) 、“或”( o r ) 、“非”( n o t ) 等逻辑指令，利用这些指令根据外部 现场( 开关、按钮或其他传感器) 的状态，按照指定的逻辑进行运算处理后将结 果输出到现场的被控对象( 电磁阀电机等) 。因此，p l c 可代替继电器进行开关 控制完成接点的串联、并联、中并联、并串联等各种联接。另外，在p l c 中一 个逻辑位的状态可以无限次地使用，逻辑关系的修改和变更也十分方便。 ( 2 ) 定时控制功能 定时控制功能是p l c 的最基本功能之一。p l c 中有许多可供用户使用的定时 器，其功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值f 定时时间) 可以 在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。程序执 行时，p l c 将根据用户用定时器指令指定的定时器对某个操作进行限时或延时控 制以满足生产工艺的要求。 ( 3 ) 计数控制功能 计数控制功能是p l c 的最基本功能之一。p l c 为用户提供了许多计数器，计 数器计数列某一数值时，产生一个状态信号( 计数值到) ，利用该状态信号实现对 某个操作的计数控制。计数器的设定值可以在编程时设定，也可以征运行过程中 根据需要进行修改。程序执行时，p l c 将根据用户用计数器指令指定的计数器对 某个控制倍号的状态收变次数( 如某个开关的闭合次数) 进行计数，以完成对某个 工作过程的汁数控制。 ( 4 ) 步进控制功能 p l c 为用户提供了若干个移位寄存器，可以实现由时间、计数或其他指定逻 辑信号为转步条件的步进控制。即在一道工序完成以后，在转步条件控制下，自 动进行下一道工序。有些p l c 还专门设置厂用于步进控制的步进指令和鼓形控制 器操作指令，编程和使用都极为方便。 ( 5 ) 数据处理功能 p l c 大部分都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、 数据移位、数制转换、译码编码等操作。中、大型p l c 数据处理功能更加齐全， 可完成开方、p i d 运算、浮点运算等操作还可以和c r t 、打印机相联，文现程 东北大学硕士学位论文第一章绪论 序、数据的显示和打印。 f 6 1 回路控制功能 p l c 具有a d 、d a 转换功能，可以方便地完成对模拟量的控制和调节。 ( 7 ) 通讯联网功能 有些p l c 采用通讯技术，实现远程i 0 控制、多台p l c 之间的同位位链接、 p i 。c 与计算机之间的通讯等。例如，西门子s 73 0 0 4 0 0 系列p l c 通过p r o f i b u s 总线连接，可以组成一个强大的控制系统。 f 8 ) 监控功能 p l c 设置了较强的监控功能。利用编程器或监视器，操作人员可对p l c 有关 部分的运行状态进行监视。利用编程器，可以调整定时器、汁数器的设定值和当 前值，并可以根据需要改变p l c 内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容，为调 试和维护提供了极大的方便。 ( 9 ) 停电记忆功能 p l c 内部的部分存储器所使用的r a m 设置了停电保持器件( 如备用电他 等) 以保证断电后这部分存储器中的信息能够长期保存。利用某些记忆指令，可 以对工作状态进行记忆，以保持p l c 断电后的数据内容不变。p l c 电源恢复后， 可以在原工作基础上继续工作。 f lo ) 故障诊断功能 p l c 可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，发现异 常情况，发出报警并显示错误类型，如果属于严重错误则自动停止运行。p l c 的 故降自诊断功能，大大提高了p l c 控制系统的安全性和可维护性。 1 3 3p l c 应用范围 目前，在冶金、化工、机械、电气、电力、轻工、建筑建材、交通等几乎所 存的工业控制过程均可用p l c 实现。但是，不同档次的p l c 又有其不同的应用 范围。低挡小型p l c 可广泛地代替继电器控制线路，进行逻辑控制，适用于开关 量较多，没有或只有很少几路模拟量的场合，如行车的自动控制等。中档p l c 可 广泛应用于具有较多开关量，少量模拟量的场合，如自动加下机床等。高档p l c 适用于具有大量开关量和模拟量的场合，如化工生产过程等。 本课题所选用的西门子s 7 3 0 0 系列p l c 就是中型p l c ，可以控制较多开关 量，少量的模拟量。并具有网络接1 5 1 ，可与上位机通信。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 课题来源 宝钢2 0 3 0 冷轧酸洗组开卷机组，是宝钢在7 0 年代末引进德国西马克公司的 技术，并于1 9 8 9 年正式投产。自投产以来取得了良好的经济效果。但酸洗机组开 卷机自投产以来，存在两大问题，一是现场工作人员对开卷机的破鳞机理还不甚 了解，对破鳞功能的原理及使用工艺研究不够，因而开卷机对带钢破鳞的作用尚 未能充分发挥。特别是当带钢品种规格及来料状态波动变化时，如何使开卷机破 鳞系统的各调控参数相应变化尚无理性判据。生产实践表明当来料氧化铁皮情况 恶化时，由其造成的质量问题亦会明显上升。二是由于破鳞系统设备和控制方案 上的问题，导致在使用过程中钢带经常跑偏和破鳞辊断裂，致使这套系统一直无 法正常使用。分析原设备存在的问题，改进控制方案，使长期无法使用的破鳞系 统重新投入使用是本课题的研究主要目的。 1 5 原系统的问题 通过现场调查，发现破鳞辊不能投入使用的主要原因有以下几个方面： ( 1 ) 原系统根据分辨率有限的编码器测定钢卷外径并通过开卷机转速计算破 鳞辊运动位置实现位景闭环控制，未考虑同步机构的刚度、管道的动特性、钢带 张力等因素的影响，控制效果不好。另外，由于从原比例流量阀到破鳞辊驱动油 缸管路较长，管道的液容和液感极大地影响系统响应的快速性，从而造成控制滞 后，也是影响控制效果的主要原因 ( 2 ) 系统机械结构的同步轴刚度不够，导致在控制效果不好时钢带跑偏。 ( 3 ) 破鳞辊的受力条件不好，导致破鳞辊强度不够，经常断裂。 ( 4 ) 原设计还存在液压缸行程短，不能保证钢卷从最大卷径到最小卷径即钢卷 的最后三圈始终保持破鳞辊紧靠钢卷从而达到最佳破鳞效果的要求。 1 6 改进方案 针对上节发现的问题，我们做了如下改进 ( 1 ) 改进原来液压系统 1 ) 将原比例流量阀改换为比例压力阀，实现压力恒压控制。实现不同规格钢 种的破鳞压力连续可调。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 2 ) 实地测量从原比例流量阀到破鳞驱动液压缸有2 0 米管道。由于管道较长， 极大地影响了系统响应快速性，根据现场条件，确定改进方案如下： 3 ) 重新设置破鳞液压阀站，将比例阀及所有的液压阀集中在液压阀站的集成 块之上。 将新液压阀站移至破鳞辊正下方的地下油库位，缩短比例阀到液压缸之间 距离。 在新阀液压站进出油口管道上设置两个截止阀，新液压阀站由两路阀组成， 分为自动控制和手动控制，由p l c 发出指令控制两个电磁换向阀和比例减压阀。 液压阀站另外设置一精密滤油器以保证进入比例系统的油液清洁度，滤油 器带污染报警装置和目视孔，一旦滤油器阻塞，除电器发报警信号，现场人员通 过观察也能及时发现。在执行液压缸的无杆腔油口处设置压力传感器，该传感器 检测比例减压阀出口压力并通过标定进行压力控制。 4 ) 为了使破鳞辊机构增大摆度范围，使其在钢卷末端也能保证压到钢带，重 新设计液压缸，将原行程1 0 8 5 m m 加长到行程1 3 5 0 m m 。同时增加同步导向齿条 长度。防止带钢跑偏。新液压缸采用新型密封方式即改善密封性能，又提高了液 压缸的动态特性。 ( 2 ) 改进机械结构 加大同步齿轮的长轴直径，增加刚性，提高同步效果，解决跑偏问题。加长 原破鳞辊轨迹辊道，使破鳞辊运动轨迹更加合理。 ( 3 ) 改进控制方案 重新设计一套p l c 控制系统，控制整个工作过程。建立破鳞辊及开卷机的几 何关系模型，测出钢卷从最小卷径1 2 米到2 1 5 米共十五个间隔的运动轨迹数据， 试验分析出不同厚度刚带的压力设定值，存入工控机关系数据库中。结合液压系 统的改进，开发一套控制系统，并通过读入钢卷的物流信息( 如宽度、厚度、卷径、 材质、重量等) 生成相应的施力曲线，实现对压力恒压控制。 东北大学硕士学位论文 第二章破鳞系统的改造设计 第二章破鳞系统改造设计 总体来说破鳞系统，主要包括三部分：机械部分，液压控制部分，电气控制 部分。此次改造机械部分主要是改进部分零件结构，液压和电气部分都是重新设 计。具体各部分结构简介如下 2 1 机械结构简介【3 】 开卷破鳞系统机械结构如图( 2 1 ) 所示 图2 1 执行机构结构 f i g 2 1 t h es t r u c t u r eo f p e r f o r mm a c h i n e r y 1 1 东北大学硕士学位论文第二章破鳞系统的改造设计 图2 2 执行机构结构照片 f i g 2 2 t h ep i c t u r eo f p e r f o r m m a c h i n e r y 开卷破鳞机构的结构如图( 2 1 ) 所示。主要部件有：一对动力液压缸，同步 轴，齿条，齿轮，破鳞辊，摇臂等等。摇臂是一个大件的钢构架机构，大部分零 件都装在摇臂上。破鳞辊装就在摇臂的下端，上面有一根夹紧辊，压住破鳞工作 辊。摇臂一端铰联在开卷机的横梁上，工作时围绕铰接点旋转，另一端与液压缸 铰接，不工作时，靠液压缸拉住摇臂头。同步齿条也铰接在摇臂的头部。同时在 开卷机的横梁上，装有有一根同步轴，轴由轴承固定，轴两端装有一对齿轮。液 压缸铰接在横梁上，可以有一定幅度的转动，满足机构运动过程中几何结构关系。 其工作原理是，液压缸压下摇臂，摇臂上的破鳞辊压在正在开卷的钢带上， 产生弯曲破鳞。在液压缸压下的同时，带动装在摇臂上的同步齿条啮合装在同步 轴上的齿轮，齿轮又带动同步轴转动。使两边液压缸压下量同步，同时在轴上装 有，增量式编码器，它根据转动角度发出脉冲，给控制器p l c ，p l c 转换计算得 出液压缸下压量，相应输出控制信号。 2 2 液压系统简介 整个破鳞过程都是由液压系统来执行和完成的。其原理如图2 3 所示 东北大学硕士学位论文 第二章破鳞系统的改造设计 图2 3 液压系统原理图 f i g 2 3t h eh y d r a u l i cs y s t e mp r i n c i p l ed r a w i n g 1 液压缸1 ，2 压力变送器，3 测压接头。4 单向节流阀件，5 液控单向阀，6 换向阀， 7 迸油管道，8 排油管道，9 泄漏管道，1 0 - 换向阀2 ，1 1 液控单向阀2 ，1 2 单向节流阀2 ， 1 3 减压阀，1 4 齿条，1 5 齿轮。 从图中我们可以看到，液压系统有两个回路：快速和手动回路，自动控制回 路。 快速手动回路，就是破鳞辊在空载情况下，使其快速的压下或抬起，节省运 行时间。另外，该回路在调试时，可以用手动旋钮，使液压缸动作，看看它的运 行效果。在出现故障时，也可用这个回路手动拾起破鳞辊，以免耽误生产。 自动控制回路，主要是指液压系统在压下破鳞的过程中，自动调节压下量和 控制其输出力。 破鳞系统工作过程如下： ( 1 ) 等待状态：开卷机开始工作时，需要先把运送线上的钢卷套在，卷筒上自 动开卷。把这一卷的钢带与上一卷的在焊机上接起来，拉伸钢带。破鳞系统的启 动需要钢带张力建立信号。 但) 快速压下：钢带张力建立后，会在开卷机系统会有一个张力建立信号。我 东北大学硕士学位论文第二章破鳞系统的改造设计 们通过通信，采集这个信号。当破鳞系统控制器( p l c ) 收到这个信号，就会发 出一个控制信号。使图2 3 中的换向阀6 的电磁铁d t l 得电，阀芯移向左位，液 压油通过换向阀6 左，液控单向阀5 ，单向节流阀4 ，到液压缸1 无杆腔，有杆腔 通过这些阀的右路，直接接到排油管道。此时到液压缸的是系统过来的6 m p a 高 压油，推动活塞杆，快速向下压。 ( 3 ) 缓慢压下：当活塞杆推动破鳞辊压下到设定的钢卷初始卷径位置时，p l c 发出控制信号使换向阀1 0 的电磁铁d t 3 得电，d t l 失电。此时，液压油通过换 向阀1 0 ，液控单向1 1 ，单向节流阀1 2 ，比例减压阀1 3 到液压缸。这时，工作压 力通过比例减压阀调定后，是我们设定的需要压力。液压缸缓慢推动破鳞辊，进 行带载破鳞。 ( 4 ) 缓慢上升：当破鳞辊压到钢卷的最后三圈时，这时开卷系统会过来个甩 尾信号。破鳞系统接收到这个信号，控制器会使d t 3 失电，d t 4 得电。这时液压 系统会使液压缸缓慢抬起。这么做的目的是为了防止钢带甩尾反弹，破坏破鳞辊。 ( 5 ) 快速上行：当缓慢上行大概5 秒钟左右，钢带张力释放差不多的时候，d t 4 失电，d t 2 得电，系统高压液压油直接进入有杆腔。破鳞辊快速抬起。 ( 6 ) 结束：当破鳞系统抬起到高限位时，开卷机会有高限位信号过来，破鳞控 制器收到这个信号后，使所有电磁铁失电，阀复位，编码器清零，系统停止，整 个过程结束。 原液压系统的工作原理图与图( 2 3 ) 相似。原来的系统在图( 2 3 ) 中的1 3 这个位置使用的是一个比例流量阀。它的工作过程和现在差不多，但是在缓慢下 行破鳞的过程机理是不一样的。原系统是根据开卷辊的开卷的速度和钢带厚度信 息计算得出破鳞辊的压下量。但是未考虑同步机构的刚度、管道的动特性、钢带 张力等因素的影响，控制效果不好，甚至跑偏，致使这套开卷机破鳞系统始终没 有被利用。如今我们改为根据包括不同卷径时包角、张力方向与对应的压力、破 鳞辊摆动位置与角位移传感器相应的几何关系，进行恒压力控制。 2 3 电气控制系统简介【3 ，3 3 电气控制部分，主要控制整个破鳞辊的运动过程，以及数据采集、处理和显 示。主要设备包括：工控机、p l c ( s 7 3 1 i f m ) 、压力传感器，数显仪、比例放 大器等等具体如图2 4 所示： 东北大学硕士学位论文 第二章破鳞系统的改造设计 图2 4 控制系统结构图 f i g 2 4t h ec o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r ed r a w i n g 在开卷时过程计算机把钢卷的信息( 卷径、钢卷厚度等等) 通过串口通信送 到本系统工控机中。在工控机中根据这些信息，选择相应数据，再通过m p i 网络 把这些数据传到p l c