（电力电子与电力传动专业论文）基于测控技术的矫直控制系统研究和设计.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nc h i n a si r o na n ds t e e lm e t a l l u r g yi n d u s t r y , l o t so fe q u i p m e n t sa r eo fl o wd e g r e e o fa u t o m a t i o n , l e a d i n gt o e x t r e m e l yl o wp r o d u c t i v i t y w i t ht h e t r a n s i t i o nf r o m e c o n o m i ci n c r e a s ep a t t e r nt ot e c h n i c a lp r o g r e s s ，t h er e q u e s to fa u t o m a t i o ni sm o r ea n d m o r eu r g e n t t oc h a n g et h et r a d i t i o n a lm a n u a l ，s e m i a u t o m a t i co p e r a t i o nm o d et o a u t o m a t i cc o n t r o la n dm a n a g e m e n ta n di m p r o v ep r o d u c t i v i t ya n dp r o t e c tt h es e c u r i t y a r er e q u i r e db yc i r c u m s t a n c e s ， n o w a d a y ss o c i e t yp a y sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt op r o d u c tq u a l i t ya n dw o r k i n g e f f i c i e n c y w i t hr e f e r e n c et ot h ec o n t r o lo fh y d r a u l i cp r e s s u r el e v e l e r , w es h o u l de n s u r e i tw o r ku n d e rt h es a f e p r o d u c t i o nc o n d i t i o n s ，h i 曲d e g r e eo fa u t o m a t i o n ，h i g h p r o d u c t i v i t yw o r ks t a t e a tp r e s e n t ，i th a sb e c o m ea ni m p o r t a n ta s p e c to fa u t o m a t i c c o n t r o li nt h em e t a l l u r g i c a li n d u s t r yi s s u e s w er e g a r dj i a n g y i n x i n g c h e n gs p e c i a ls t e e ls t r a i g h t e n i n gm a c h i n ev r o j e c ta s b a c k g r o u n d a f t e ri n v e s t i g a t et h eh y d r a u l i cs t r a i g h t e n i n gm a c h i n ec o n t r o l ，ih a v e d e v e l o p e da n dd e s i g n e dt h eh y d r a u l i cl e v e l e ra u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，i nw h i c hw e c a nu s ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g ya sb a s i s ， a n da l s ou s ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e ra n dm u l t i s e n s o rf u s i o nt e c h n o l o g yo ni t a l lo ft h e s eh a v eh e l p e dt or e a l i z ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o na n dl a t e r a lb e n d i n ga n d e n t i r ep r o c e s sa u t o m a t e dc o n t r o ls ot h a tt h eb a r sa f t e rl e v e l e rw i l lg e tas a f e r , f a s t e ra n d a c c u r a t er e s u l t t ot h et r a n s p o r t a t i o nc o n t r o lo f p l a t e 、t h ea u t o m a t i cc o n t r o lo f w i d t hm e a s u r e m e n t a n da u t o m a t i cl e v e lc o n t r o lo ft h eh y d r a u l i cl e v e l e rc o n t r o ls y s t e m ，w ea d o p tt o r a t i o n a lc o n t r o lp r o g r a m ，i na l l u s i o nt ot h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o lo ft h eh y d r a u l i c c o n t r o l ，a d o p ta d v a n c e dp i da l g o r i t h m s e p a r a t i o no fi n t e g r a l ，h a v es e t t l e dt h es c r e w d o w nd r a f tp r o b l e mo fs e r i o u so v e r s h o o t i n gu n d e rt h em o v e m e n tc o n t r o lo ft h el o a d c e l l ，t om e e tt h ea c c u r a c yo ft e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，a n da c h i e v et h ep r e c o n c e r t e d r e q u i r e m e n t so nt h ep o i n t so fs t a b i l i t y , s t e a d y s t a t ea c c u r a c ya n dd y n a m i cp r o c e s s w i t hp l ca st h em a i nc o n t r o lu n i ta n du s et e m p e r a t u r et r a n s m i t t e r s ，h y d r a u l i c s e n s o r s ，d i s t a n c ed e t e c t o r , p o s i t i o ns e n s o r sa n dr o t a r ye n c o d e r sa n do t h e rs e n s o r st o f o r mt h en u m b e r so fc o n t r o lp r o c e s st ob ec l o s e d - l o o pf e e d b a c k t h es y s t e mc a nb e i i 湖北工业大学硕士学位论文 o p e r a t e di nas a f e ，r e l i a b l e ，p r e c i s ea n ds t a b l es t a t ei na b o v e m e n t i o n e ds t a t e b yu s i n g c l o s e d - l o o pf e e d b a c ko ft h es e n s o r st od i s p l a yt h el o a dc e l ld i s p l a c e m e n t ，r e d u c t i o n ， t h eb e n d i n gp o s i t i o no f p l a t e ，h y d r a u l i cp r e s s u r e ，f l u i dt e m p e r a t u r ea n dl i q u i dl e v e la n d a l s oh a v ed e s i g n e ds e v e r a l e l e c t r i ci n t e r l o c k st oe l i m i n a t et h eh a z a r dd u r i n gt h e o p e r a t i o np r o c e s so ft h el e v e l e r , e n s u r i n gt h es a f er u n n i n go ft h es y s t e m t os u mu p ，t h el e v e l e ra u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo nt h i sa r t i c l ef u r t h e s ti m p r o v e s t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , i n c r e a s e st h ep e r c e n to f p a s sp r o d u c t s ，h a sag o o de c o n o m i c b e n e f i t a n do nt h em a n u f a c t u r i n go ft h el e v e l e r ，i th a sag r e a tp o p u l a r i z a t i o nv a l u ea n d w e l lf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：e n g i n e e r i n ga d j u s t , p i dc o n t r o l ，p o s i t i o nm e a s u r i n gd e v i c e ，p l c ，p r e s s u r e m e a s u r i n gd e v i c e i i i 湖班二堂大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 斗却居 日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 斗御 指导教师签名： m w 日期：年月 日日期：年月 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外矫直机控制系统发展状况 目前，国外对电动矫直机控制的研究已经比较成熟，矫直控制数学模型也基 本定型。对于液压式矫直机，国内还处于理论研究阶段，所以在我国基本还没有 使用液压式矫直机；在国外液压式矫直机虽己投入棒材精整生产线，但仍采用手 工操作，未实现自动化控制，如日本。 矫直机的工作，一般采用两种方式进行。一种为电动方式，使用电动压下即 用电动机带动压下螺杆旋转，从而使压下辊动作，通过控制电动机的转数移动到 预定位置；另一种为液压压下，由液压系统提供压下装置的动力。通过伺服阀控 制压下辊移动到预定位置。矫直机的调节，大多数是手动控制，以单一控制方式 为主。目前所采用的手动控制，操作水平较低，稳定性差，经济效益不佳，还有 很大的生产技术改造空间。在国外，对于矫直机的自动化控制系统应用已较为广 泛，但对于液压式矫直机控制系统理论属于过程控制系统，我国在过程控制技术 方面，直到8 0 年代后，才相继引进了集散控制系统( d c s ) 、可编程序逻辑控制 器( p l c ) 和工业p c 机( d c ) 。9 0 年代以来，我国的过程控制系统呈现了三者 并存的局面。自动化的范围是极其广泛的，没有自动控制就没有高效率、高质量。 一般来说矫直机控制是多参量控制过程，随着自动控制理论与实践的发展，给传 统控制技术提供了获得动态自动控制系统最佳性能的方法。传统的自动控制大多 为常规的继电器带动接触器控制，其控制器通常为电位器之类，是基于电气原理 的纯电气自动控制，属于模拟控制方式 1 】f 2 1 。如一位式的模拟控制方式 3 1 ，这种 控制方式精度低，可靠性差，除了一些精度要求不高的场合外，现阶段一般很少 采用。随着集成技术的迅猛发展，以微处理器为核心的单片机、p l c 、工控机迅 速渗透到工业控制的各个领域，产生了计算机自动控制【4 】【5 1 。计算机自动控制的 控制器是各种类型的计算机( 包括单片机、工控机及p l c 等) ，其最大的特点是控 制器能够存储并辨识特殊的语言( 程序) ，根据程序的控制思想发出各种指令，控 制执行机构的动作，使被控制量满足系统的要求。 现在，计算机控制已发展到智能控制阶段，这种控制具有拟人的智能或仿人 的智能，它与人的思维和行动一样具有三个要素：信息、反馈和智能决策。其中 湖北工业大学硕士学位论文 智能决策是模仿人脑的决策方式，它是智能控制的核心。计算机智能控制是今后 自动控制的发展方向【4 】。现阶段常用的智能控制有：基于知识的专家控制、自学习 自适应控制、模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络控制、混沌控制等等。 在石油、化工、电力、建材等行业中得到广泛应用。 1 2 国内外p l c 发展现状 可编程控制器是以自动控制技术、微计算机技术和通信技术为基础发展起来 的新一代工业控制装置，目前它已被广泛应用于各个领域。早期的可编程控制器 只能进行计数、定时以及对开关量的逻辑控制。因此，它被称为可编程逻辑控制 器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，简称p l c 。后来，可编程控制器采用微处理 器作为其控制核心，它的功能已经远远超过逻辑控制的范畴，于是人们又将其称 为p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ，简称p c 。但个人计算机( p e r s o n a lc o m p r t e r ) 也常简 称p c ，为了避免混淆，可编程控制器仍被称为p l c 【s 】。 现在，p l c 不仅能进行逻辑控制，而且在模拟量的闭环控制、数字量的智能 控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制等方面都得到广泛的应用。如今， 大、中型及小型机都配有a d 、d a 转换及算术运算功能，有的还具有p i d 功能。 这些功能使p l c 应用于模拟量的闭环控制、运动控制、速度控制等具有了硬件基 础；p l c 具有输出和接收高速脉冲的功能，配合相应的传感器及伺服装置，p l c 可以实现数字量的智能控制；p l c 配合可编程终端设备( 如触摸屏等) ，可以实 时显示采集到的现场数据及分析结果，为分析、研究系统提供依据；利用p l c 的 自检信号可以实现系统监控；p l c 具有强大的通信功能，可与计算机或其它智能 装置进行通信和联网，从而能方便地实现集散控制。功能完备的p l c 不仅能满足 控制的要求，还能满足现代化大生产管理的需要。目前，世界上一些著名电器生 产厂家几乎都在生产p l c ，产品功能日趋完善、换代周期越来越短。为了进一步 扩大p l c 在工业自动化领域的应用范围，适应大、中、小型企业的不同需要，p l c 产品大致向两个方向发展：小型p l c 向体积缩小、功能增强、。速度加快、价格低 廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制，更便于实现机电一体化；大 中型p l c 向高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，将p l c 系统的控 制功能和信息管理功能融为一体，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动 控制。p l c 具有逻辑控制、顺序控制、定时控制、记数控制、高速脉冲发生和接 收、数据处理、通信等功能，同数字调节器、工业计算机( i p c ) 等控制器相比， 湖北工业大学硕士学位论文 p l c 可靠性更高，由于p l c 针对恶劣的工业环境设计，其在硬件和软件方面均采 取了许多有效措施来增强其可靠性。例如，在硬件方面采取了屏蔽、滤波、隔离、 电源保护、模块化设计等措施；在软件方面采取了自诊断、故障自检测、信息保 护与恢复等手段。另外，p l c 没有了中间继电器那样的接触不良、触点烧毛、触 点磨损、线圈烧坏等故障现象，从而可将其应用于工业现场环境【9 】。p l c 便于实 现机电一体化，利用其通信功能、网络功能可实现计算机网络控制，另外p l c 还 具有灵活性好，编程简单，使用方便等优点。目前已广泛应用于钢铁冶金、采矿、 机械加工、汽车制造、石油、化工、能源、交通、环保等各行各业。当今p l c 已 成为一个集逻辑控制、调节控制、网络通信和图形监视于一体的综合自动控制平 台。目前p l c 在工业领域的应用主要有三种形式，一是由p l c 构成的单机控制 系统，这种控制系统的控制对象通常是单一的机器或生产流水线，如：可双向运转 的三相感应电机的p l c 控制装置、生产流水线上的计数系统、p l c 风机变频调速 系统、p l c 实时控制系统等；二是由p l c 构成的集中控制系统，这种控制系统的 控制器是一台p l c ，而系统的对象通常是几台机器或几条流水线，均和p l c 中指 定的i 0 接口相接。大型的集中控制系统一般都采用冗余结构设计，如使用双p l c 控制系统；三是由p l c 构成的分布式控制系统，由于这种控制系统的控制对象比 较多、对象分布的区域也比较大，而且各控制对象之间又有相互通信的要求，因 此往往采用多台p l c ，每台p l c 控制单个被控对象，对象之间的通讯通过作为上 位机的p l c 或者工业控制计算机来实现。随着微处理器的出现，大规模、超大规 模集成电路技术的发展和数据通信技术的不断进步，p l c 技术日臻成熟，发展迅 速，目前世界上有上百家工厂生产p l c ，型号多达数百种。目前国内使用比较多 的有日本的三菱、欧姆龙、德国a b b 公司、美国a b 公司以及德国西门子公司等 p l c 产品。我国从7 0 年代中期开始研制p l c 。1 9 7 7 年，我国采用美国m o t o r o l a 公司的一位机集成芯片，研制成功了国内第一台实用价值的p l c 。此后，在不断 引进国外p l c 生产线的同时，积极开发国产p l c 。许多企业在p l c 的应用方面 进行了积极的探索，取得了成功的经验和良好的效益。随着p l c 产品性能价格比 的不断提高，中小企业应用p l c 的投资已经完全可以承受1 1u j j 。 3 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 选题背景及研究意义 1 3 1 课题研究的依据 本课题来源于西安重型机械研究所开发项目，主要是充分利用国内外矫直机 的现有资源。矫直机主要是通过对轧制后的不合格产品进行矫直，变废为宝，从 而提高产品合格率。在国内，很多板材厂对不合格的小规格板材是利用国外的十 一辊矫直机，其控制系统也是国外原装进口的。近几年，我国高等院校和科研机 构不断对国外先进矫直技术消化汲收，并结合自身的生产实践和研究成果，推出 了愈来愈成熟的矫直控制系统，基本满足了我国小规格板材生产的需要。对于大 规格的板材，国外提出并研制出三点式液压矫直机。这种矫直机有点类似千斤顶 的原理，在国外少数地方己投入使用，获得了客户好评。在国内，对于三点式液 压矫直机还处于摸索阶段。近几年，钢铁市场行情不断看涨，对于高附加值的产 品，更是供不应求。随着计算机技术，通讯技术，检测技术，控制技术等不断完 善和发展，我国科研人员和工作在一线的工程技术人员对国外液压式矫直技术研 究学习，结合新的控制技术，提出了越来越完善的控制方案1 12 1 。特别一提的是， 西安重型机械研究所在这方面取得了重要的研究成果。本文所论述的矫直控制技 术正是建立在西重所取得了成果之上的，当然，也借鉴了很多控制专家的先进控 制经验。所研究设计的液压式矫直机现已投入使用，实践证明，液压式矫直机及 其自动控制系统在理论上是可行的，且在实际生产中取得了满意的效果，实现了 液压矫直自动控制。 1 3 2 课题研究的意义 开发研究液压式矫直机控制系统具有重要的价值和意义。 首先，研制开发自动化控制的液压式矫直机控制系统，能最大限度地利用板 材生产线上的不合格产品，通过使用自动化控制系统进行实时检测，自动矫直。 实现以检测技术，控制技术，计算机技术等技术的综合应用。手动，半自动，自 动等多种操作方式，对大规格板材进行冷态矫直，达到了对大规格板材矫直的精 度。极大地提高了轧制线上的产品合格率，从而提高了生产效率和生产效益。在 矫直生产上具有很大的推广价值和良好的发展前景。其次，液压式矫直机控制系 统所用到的自动检测技术和自动控制技术在其他行业，如制药，石油化工生产等 4 湖北工业大学硕士学位论文 行业有应用推广价值。这些技术在这些行业上的推广应用，可以节省大量的人力、 物力，优化生产工艺过程，从而提高生产效率和生产效益【1 3 】【1 4 1 。 1 4 本论文的主要研究内容 ( 1 ) 建立液压式矫直机控制系统的轧制力控制模式，轧制力计算数学模型， 矫直压下量与轧制力的关系模型。 ( 2 ) 应用p i d 控制算法和模糊控制理论，针对本控制系统，采用积分分离 的p i d 算法和模糊控制理论，改善系统控制性能，达到最佳控制效果。 ( 3 ) 进行液压式矫直机控制的总体设计，确定控制方案；对s l i 器, j 力控制、输 入辊道和输出辊道的传动和定位控制，以及对整个矫直过程的自动控制进行设计， 采用多传感器技术，选用p l c 作为控制系统的核心，并对控制系统进行硬件设计、 选型和软件设计、实现。 ( 4 ) 对自动控制系统元器件进行安装调试；进行p i d 参数修改整定，使矫 直压下量能自动调节，实现最优，最有效的控制，并通过实际运行验证系统控制 精度和控制速度。 5 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章液压式矫直机控制系统原理分析 2 1 液压式矫直机自动控制系统设计思想及总体控制方案 本套控制系统是以高性能工业控制机，可编程逻辑控制器( p l c ) 为核心构 建平台；控制部分的设计，首先满足工艺要求，以达到同期的先进控制水平为准 则，以实用、可靠为基本原则，并且力争使控制思想体现稳定性，快捷性，精确 性及独特性。本套控制系统把压下位置控制、轧制力的控制作为重点设计对象，并 在工作站设报警，报表和趋势图的功能。 整个自动化系统由现场控制柜、p l c 控制器、操作台、操作箱及h m i 操作 站构成。保证了系统的完整性、合理性及稳定性。 计算机系统由可编程控制器( p l c ) 、操作站( 工控机) 组成。p l c 控制矫直、 钢板输送过程的运行，检测系统中各个生产设备的状态及工艺参数，并按确定的 控制程序对各个设备或过程进行合理控制和调节。h m i 操作站的主要功能是根据 c r t 上的实时动态画面监视现场的生产设备运行状况及整个工艺流程；其次，操 作人员还可根据现场的生产状况对控制参数及工艺参数进行必要的修改设置，以 达到最优的控制效果；最后，对生产状况进行报表管理和趋势分析也是其重要功 能之一。矫直控制系统框图如图2 1 所示。 6 湖北工业大学硕士学位论文 人机接口 器器 图2 一l 矫直控制系统框图 基础自动化系统采用西门子公司最新型p l cs 7 4 0 0 系列产品为硬件支撑。 s i e m e n ss 7 4 0 0 系列产品功能强大，配置灵活，有如下突出特点【8 】： ( 1 ) 模块化微型p l c 系统，能满足中、小规模的性能要求； ( 2 ) 性能各异模块可以非常好地满足和适应各种自动化控制任务； ( 3 ) 简单实用的分布式结构和多界面网络设计能力，使得实现网络扩展能力 非常强大，便于实现集散控制； ( 4 ) 抗外界干扰能力强，能使用于温度相对高，粉尘多等恶劣环境条件下扩 展温度范围从2 5 0 c 至l j + 7 0 0 c ； ( 5 ) 适用于特殊的环境( 污染空气中使用) ； ( 6 ) 5 7 4 0 0 采用经过认证的p l c 技术； 7 湖北工业大学硕士学位论文 ( 7 ) 易于操作、编程、维护和服务； ( 8 ) 性价比较高的解决方案。 按总体设计要求，可编程序控制系统主站采用$ 7 - 4 0 0 系列c p u 作为控制核 心。$ 7 - 4 0 0 系列p l c 具有速度快，内存大，指令系统丰富，界面友好，易学易用 等特点。 根据监控要求，h m i 工控机上运行的是西门子公司提供的实时监控软件 w i n c c 6 0 ，w i n c c 6 0 是集数据采集、实时监控和生产信息管理于一体的工业监 控软件包，w i n c c 6 0 还具有对通信网络进行实时在线监控、仿真生产过程、报 警信息显示、报表打印等功能。 2 1 1 液压式矫直机自动控制系统分析 2 1 1 1 控制系统的构成分析 该控制系统是以西门子公司的s 7 4 0 0 系列的p l c 为主站的控制系统， e t 2 0 0 m 作为远程i o 站。p l c 主站为整个控制系统的核心，主要实现对矫直机 前后辊道实现传动和定位控制，液压缸前进和后退动作，压下量动态调节控制( 即 压下量a g c 控制) ，液压系统的控制( 包括液压泵的启停，报警连锁) ，通讯处 理，高速计速处理等。p l c 主站系统采用机架结构形式，机架上插有4 1 6 2 d p 中 央处理器板，f m 4 1 5 2 高速计数块，c p 4 4 3 1 以太网通讯块，以及其它各种i o 模板。远程i o 站e t 2 0 0 m 处于现场，主要用来集中采集现场的i o 信号，远程 i o 站也采用机架结构形式，机架安装有p s 3 0 7 电源模块，i m l 5 3 1 接口模块， s m 3 2 1 开关量输入模板、s m 3 2 2 开关量输出模板、s m 3 31 模拟量输入模板、 s m 3 3 2 模拟量输出模板、s m 3 3 8p o s i n p u t 模块等。远程i o 站通过现场总线 p r o f i b u s 与主站通讯，从而将现场数据传输到主站集中处理，并将处理后的数 据回传送到e t 2 0 0 m 站，通过e t 2 0 0 m 站的输出模块控制现场的电磁阀，接触器， 驱动装置。西门子s 7 4 0 0 操作站采用w i n c c 作为监控软件，用于参数设定、设 备启动、事件及报警显示等功能。它与p l c 主站之间的通讯通过以太网来完成， 控制器通过通讯模板c p 4 4 3 1 连接到s 7 4 0 0 操作站上。硬件配置图如图2 2 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 图2 2 硬件配置图 2 1 1 2 矫直机工作原理分析 本项目中所用的矫直机为1 1 矫直辊，包括6 个上辊和5 个下辊，其主要设备 有传动电机、连轴器和辊子定位装置。其中上辊通过主传动交流电机传动，减速 机与辊子间通过连轴器相连，下辊从动。每个辊子配备两台交流制动电机，一个 用于纵向调节，另一个用于轴向调节，这样就能对下辊传动进行准确定位。正常 生产前，操作员先通过w i n c c 操作站画面设置上下辊之间的辊缝和下辊的轴向 9 湖北工业大学硕士学位论文 位置，然后通过画面上的按钮开关或现场操作站调节位置。 中板精整的辊式矫直过程是多次交替矫弯的过程。因此，矫直理论是利用材 料的弹塑性弯曲原理。挠度表示钢板的弯曲度，反弯挠度由弹复挠度和残余挠度 组成，见式( 2 1 ) 。 4 = 巧+ 乏( 2 1 ) 式中万，表示反弯绕度；4 表示弹复挠度；4 表示残余挠度 以下为弹复挠度和残余挠度的确定。 ( 1 ) 弹复挠度的确定 弹复挠度与弹塑性弯曲力矩的关系为： 瞑= 器 4 l 卜i ( 2 2 ) 妨2 了b h 2 【_ 3 一三洋) 2 + 鲁去+ 吾哔) 2 - 罢】) ( 2 3 ) 式( 2 2 ) ，( 2 - 3 ) 中，m 表示弹塑性弯曲力矩；e 表示材料的弹性模量；l 表示 矫直辊辊距；i 表示材料横截面对中性轴性矩；瓯表示屈服应力；乞表示材料的 最大弹性应变；e 表示材料的加7 - 硬化强度模量；二表示总变形曲率；b 表示 板材的宽度；h 表示板材的厚度；1 1 3 1 蚓。 ( 2 ) 残余挠度的确定 塑性变形遗留下来的残余挠度用崔浦模式表示。见图2 3 。 图2 3 弯曲挠度示意图 当屈服曲率小于残余曲率时，残余挠度为： l o 湖北工业大学硕士学位论文 葭= 瓯篙筹 ( 2 _ 4 ) 当屈服曲率大于残余曲率时，残余挠度为： 4 = 瓯= 篆 ( 2 - 5 ) 式中：4 表示为残余挠度；戌，表示屈服挠度( 屈服曲率挠度) ；c 表示残余 曲率屈与服曲率之比1 1 3 1 1 4 】 矫直压下模型由入、出口的压弯量和弯辊量的设置组成，所以确定矫直压下 的关键是确定压弯量、弯辊量。以下是压弯量和弯辊量的确定。 1 压弯量的确定( 压弯量模型) 矫直机矫直辊压弯量的调整，在普通浪弯中经常用到，也就是顺着板宽方向， 板材的板型在各层的纵向纤维变形一致。 根据振石集团东方特钢股份有限公司中板精整矫直机的情况，假设采用矫直 机上辊系整体倾斜调整，若矫直机入口辊2 和矫直机出口辊8 的压弯量确定，这 样就可以确定其它矫直辊的压弯量，见图2 - 4 。 ( a ) i 。 ( c ) 湖北工业大学硕士学位论文 图2 4 矫直辊的布置( a ) 、弯矩( b ) 和压弯量( c ) 矫直机入口辊2 的基本压弯量可表示为： 4 = 2 a , = 2 ( 4 + ) ( 2 6 ) 矫直机出口辊8 的基本压弯量可表示为 磊。= ( 0 2 ) 氏 ( 2 - 7 ) 2 弯辊量的确定( 弯辊模型) 矫直机矫直辊弯辊量的调整，在具有中浪、边浪、及单边浪等不良板型的板 材中经常用到。主要通过浪形来确定弯辊量的大小。【1 5 】【1 6 】 为了让较小的原始弯曲率的纵向纤维得到较大的反弯曲率，较大原始弯曲率 的纵向纤维得到较小的反弯曲率，则需要调整弯辊量。这样使得弹复后的纵向纤 维残余曲率基本保持一致。下图为板材在弯曲过程中各曲率之间的变化关系。 毫 夕 ，一一一一一一 ；一 芭所 力 ? 广， ， 0 l 一 工 i 一 工 一 i 一 p 一 一_ 三 厶 】 卜一二= - _ - 】 e r 一 图2 5 纵向纤维变形关系曲线 图中2 5 为沿板宽纵向上具有最大原始弯曲率大小1 r o 的纵向纤维变形关系 曲线。在矫直辊给板材一个反弯曲率大小( 1 p z 1 r o ) 的基础上，可以看到( 1 ) 、 ( 2 ) 的残余曲率大小分别为1 r l 和l r 2 。现在，让( 1 ) 的残余曲率曲率大小恒定， ( 2 ) 的残余曲率增加，则通过弯辊力的作用，让( 2 ) 的反弯曲率的基础上再向上增加， 假定增加的反弯曲率大小为1 r o 。由图中可知，增加反弯曲率后的残余曲率大小 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 1 r 2 明显大于l r 2 和1 r l ，即达到了弯辊的目。由此可得弯辊量d ，e p g = 2 m 咖孙争2 ，+ 鲁去+ 三c 孚，2 争， 沼8 ， 3 过程机的设置与启动 ( 1 ) 预计算过程 在轧件进入冷床时，矫直机过程机将跟据来自于控制站的信息、模型参数数 据、自学习数据等。这些数据包括矫直机的入、出口压下量、矫直机的弹跳量、 矫直机的速度、矫直力、矫直力矩等。过程机将这些数据形成一个指针变量，启 动预计算，并将其显示，同时将有关数据传送到p l c 控制站【1 7 】【1 8 】。 ( 2 ) 入口修正计算过程 依据冷床出口的温度大小，矫直机过程机将修正计算上述的矫直机入、出口 压下量、矫直机弹跳量、矫直机速度、矫直力、矫直力矩等参数数据。 ( 3 ) 自学习计算过程 矫直过程完成后，依据实际轧制力大小、实际辊缝值大小和人工反馈值大小， 来对矫直模型进行自主学习，自主学习的结果将用于对下一块钢的设置。自学习 的目的是通过修正入、出口压下量、辊缝值大小等来解决矫直过程中产生的弹性 形变、计算误差、初始间隙大小设置及磨损情况等问题产生的综合误差。 2 1 1 3 辊子位置检测 辊子位置检测原理如图2 - 6 ： 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 - 3 4 。5 m o v 功能块 6 s m 3 3 8 1 9 2 0 k实际值偏差 图2 - 6 辊子位置原理检测 每台调节电机上配备有一个绝对值编码器，编码器每旋转一周发出1 0 2 4 个脉 冲信号，该信号通过西门子3 3 8 定位模块转换电路变换为数字量信号，输送到c p u 中进行处理。在p l c 程序内，首先利用m o v e 块将该组信号装载到中间存储器 中，然后除以比例系数k ( m m p l s ) ，则得到轧辊的实际位置值。该值与给定值的 差为偏差。然后可以根据该位置进行调节。 2 1 1 4 调节过程 用于调节的画面如表2 1 所示： 表2 1 纵向和轴向调节画面 辊 辊缝值轴向位置 子 编 实际 给定值偏差值实际位置给定点 号 辊逢值 11 0 5 33 31 0 2 o0 o0 o 21 0 4 82 91 0 1 9o oo o 31 0 3 2 3 79 9 5 o o0 o 4 1 0 2 24 69 7 6o 0 0 0 51 0 4 06 19 7 90 o0 o 调节按钮调节按钮 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 轴向调节时，根据上述计算出的偏差符号来确定调节方向。若偏差为正， 也就是实际位置值大于给定值时，则正向调节。若偏差为负，也就是实际位置值 小于给定值，则反向调节；启动画面上的“调节按钮 开始调节，偏差为0 后自 动停止。 ( 2 ) 纵向位置移动通过变频器控制。、当矫直辊在最下部位置时，通过编码器 获取的位置值大小为0 ；在最下部时，获取的位置值大小为1 7 0 。由于画面上设置 的是辊缝值，则需根据下列公式计算出实际辊缝值大小：实际辊缝值= 6 0 0 一上 下辊半径之和一实际位置值。公式中的6 0 0 m m 代表辊子在最下部位置时上下辊 的中心距离。若给定点小于实际辊缝值，则上调，若给定点大于实际辊缝值，则 下调；如果偏差大于l o m m ，则高速调节( 8 0 ) ，如果偏差小于l o m m ，则低速 调节( 1 0 ) ，将速度值和调节方向分别送到变频器。启动画面上的“调节按钮”， 在变频器的控制下，矫直辊1 至矫直5 依次进行调节。 2 1 1 5 矫直辊的取出 当换辊或生产圆钢和螺纹钢( 它们无须矫直，生产前要将矫直辊取出，装入替 代辊道) 时，需要取出矫直辊。其具体步骤如下： ( 1 ) 手动选择矫直辊，然后按下相应的取出“按钮，则矫直辊的纵向位置 和轴向位置分别自动调节到“取出位置 ( 程序中都定义为0 ，也就是纵向的最 下部，轴向的中心位置) ，按此步骤将矫直辊全部调节到该位置。 ( 2 ) 手动操作将六个上辊的联轴器断开，然后利用起重机将十一个辊子一起 吊出。 由于本控制系统设计合理，安全稳定，位置检测方法先进可靠，白投产以来 一直运行正常，操作方便、简单、直观，有效的保证了轧钢生产的连续性。 2 2 矫直机的基本结构 辊式板材矫直机大致由辊系、传动系统、压下设备、万向节轴装置、工作辊 挠度调整装置、润滑系统、平衡装置、行程的限位控制装置、换辊设备等部分组 成。现介绍其各部结构和功能。 2 2 1 矫直机机器结构 该矫直机由机架设备、上工作辊、下工作辊、导轨换辊设备、上楔铁调节装 湖北工业大学硕士学位论文 置、下楔铁调节装置、连接轴和支架、摩擦离合器、减速机、连轴套、分配箱、 油脂和稀油润滑、液压管路等1 5 个部分组成。 2 2 2 矫直机主要部件结构，作用和工作原理 ( 1 ) 矫直机架结构 矫直机架采用了框架式全封闭式结构。即两侧为封闭型式框架结构立柱，上 下两部分分别由两个焊接结构横梁将其连接，形成一个整体。该矫直机架结构虽 然简单，但钢度大，外形美观，使用可靠性高，对整机的精度和矫直效果提供了 可靠保证。 ( 2 ) 下辊座装置结构 下辊座装置各部分结构形式和功能分述如下。 下辊座：下辊座采用焊接结构，辊座上安装有4 个轮子，其作用是安装下辊 调节楔铁组、下支撑辊辊系、下工作辊辊系及其支架。使这些装置处于可靠的工 作位置，并且在设备检修时能顺利进行移动。 下工作辊座：下工作辊系由3 个下工作辊座组成，3 个下工作辊由一个工作 辊座提供支撑，每个工作辊座又分别由轴承座、工作辊、滚动轴承等组成。工作 辊的结构特点是每个工作辊具有单独的轴承座，该座沿着支架上的导向套能上下 移动，并且在弹力作用下能使工作辊可靠的压在支撑辊辊面上。每个工作辊都可 单独上下调整其位置。 下支承辊座：在每个下工作辊下面都设置5 个支承辊座，即5 组支承辊。有 一组为二辊并列对项式结构型式，其他四组为二辊布棋式支承结构型式的。在同 一组调整楔铁上，这5 组支承辊构成一个下工作辊的支承辊辊系。 下辊调整楔铁组：在下座上装配有3 组楔铁，每组楔铁由上楔铁和下楔铁构 成。楔铁组的功能主要是调整下工作辊的高度值。楔铁的动作是通过楔铁调节装 置来完成的，其楔铁的斜度是1 ：1 5 。为了达到调整的目的，需通过液压缸推拉 下楔铁【1 9 】 2 0 】。 综上所述，每个工作辊形成了各自的单独调整的结构体系是下辊座各部件的 特点，所以经过调整下面3 个工作辊，可以调整到最优的矫直工作位置。比如工 作辊系可以调整到导直、倾角、平行3 种辊系型式，以适应所需要的矫直条件。 ( 3 ) 上辊座装置结构 上辊座装置由上座、上工作辊座、上支承辊座、上支承辊、楔铁组、缸座、 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 液压缸、蝶形弹簧组等部件组成。 上座：焊接结构，它的作用是将两个工作辊座、5 个支承辊座、5 个上辊调整 楔铁组衔接在正确的工作位置上，并由上座与机架上横梁相衔接，形成上辊座装 置。维护检修时将上座落在下辊座上，这样使上、下辊座可同时送入机架或移出。 上工作辊座：由工作辊、滚动轴承、轴承座等部件组成，是单个工作辊的轴 承座，下工作辊座的结构和上工作辊座一样。 上支承辊：与下支撑辊的布置形式相同，也有两种形式。但不同的是此两种 辊系轴承座均为多辊的整体结构，因此也有5 个支撑辊辊座。 楔铁组：共有5 组，每排支承辊上有一组楔铁，用于调整中辊的压下量m 】。 综上所述，通过上辊座各构件的结构和功能可以得到，上辊座的总体结构有 以下优点：楔铁调整可以代替机械压下，而且可以带负荷压下，此外该结构可以 调整上工作辊与下工作辊的平行度大小，而且可以调整出上辊的挠度大小，所以 能较好地满足矫直工艺控制要求，性能优良。 ( 4 ) 摩擦离合器 摩擦离合器由内外齿套装置、内外齿摩擦片装置及蝶形弹簧等组成，其功能 是连接分配箱输出轴与万向节轴。在工作中传递一定的转矩，超过规定转矩时打 滑，起安全作用。此离合器在5 个工作辊辊面线速度不同的时候可减轻辊面与板 面的打滑，减轻辊面磨损。 ( 5 ) 换辊装置 换辊装置由固定的左右两个导轨装置、下辊座上的拉杆、机架上的滑轮、基 础上的滑轮、钢绳和辊座定位销轴等部件组成。换辊装置的工作原理是，借助车 间天车拉钢绳，带动辊座向机架内外移动。当机架和基础上两个滑轮都使用时， 辊座从机架外运到机架之中去。当只用基础滑轮时，辊座从机架中运到机架之外， 以进行维修。 ( 6 ) 楔铁调整装置 该矫直机下辊座及上辊座都设置有8 个楔铁装置，下辊座有3 个楔铁装置， 上辊座有5 个楔铁装置。由连接杆、限位导杆、座、液压缸和位移传感器等部件 组成。 楔铁调整装置的工作原理：通过液压缸活塞动作，连接杆带动调整楔铁移动， 由于楔铁斜度的作用使得支撑辊和工作辊得到调整。通过在液压缸活塞杆连接杆 上固定的限位导杆带动行程位移传感器的测量器移动，从而可以测量出楔铁的位 移。楔铁调整装置的优点是机械部分装置简单，测量准确度高【1 3 】【1 4 】。 1 7 湖北工业大学硕士学位论文 综上所述，本矫直机采用楔铁液压调整装置代替机械调整装置调整上、下辊 系，使得结构简单紧凑，容易制造，且可调整出几种辊系形式，简单方便，适应 性强，便于维护检修。 2 3 位移检测系统 矫直机测弯系统采用m t s 磁致伸缩测距仪，将其安装在液压缸内，通过它 们检测液压压下量。 2 3 1 位移传感器简介 m t s 位移传感器为测弯系统的核心元件，m t s 的位移传感器利用磁致伸缩 原理制成，即利