冷轧轧机机组CPC纠偏系统改造

毕业设计论文题目：冷轧轧机机组CPC纠偏系统改造内容摘要

目录TOC\o"1-4"\f\h\z\u前言 11、机组CPC纠偏系统简述 22、CPC纠偏对中装置组成 23、CPC纠偏系统控制过程 33.1带钢跑偏的原因 33.2测量原理： 43.3带钢纠偏过程 53.4、纠偏执行机构 53.4.1纠偏执行工作原理 53.4.21#CPC纠偏分析 6二、CPC纠偏系统液压的工作原理及故障现象和分析 71、 CPC纠偏系统液压原理 72、故障现象和分析 8三、轧机CPC系统的改造 81、改造方案 92、新系统液压配置设计 92．1液压缸确定 92．2泵的选择确定 112．3电机功率确定 122．4油箱的设计 122．5冷却器的选择 122．6过滤器的确定 132．7 13验算液压系统性能 142.8.1管路沿程压力损失 142.8.2系统发热温升验算 143．新系统电控方面设计 15 15 16 163.3.1信号采集 173.3.2液压泵控制程序 183.3.3系统管理 193.3.4输出信号 193.3.5轧制条件 19 20致谢 22前言近年来我国轧钢行业得到了飞速发展，钢材年产量突破6亿吨大关，成为世界上钢材产量最多的国家之一。但是我国目前轧钢生产的设备装备水平还主要依赖于对外引进，部分技术指标已不能满足国内外需要，为了提高轧制产品的产量和质量，对引进设备特别是八九十年代引进设备的技术改造已势在必行。某冷轧厂轧机机组系引进HITACHI公司八十年代初生产的冷轧轧机机组，1994年经DEMAG公司和ABB公司进行局部改进，1996年投入生产，经过2008年轧机主电机改造扩能后，机组年产量由原来的50万吨达到了年产量120万吨，带钢速度提高后原有CPC纠偏系统逐渐暴露出一些机械与液压方面的先天缺陷，出现出现故障增多，纠偏能力不足等问题，严重制约了轧机机组产量及质量的进一步提高，为了适应市场和现场情况有必要对该系统进行分析改进设计，以完全满足现在生产的要求。一期使用的是光电式，控制器也比较落后。针对以前设备使用的光电式对中测量存在的不足，本文采用了更为可靠的电磁式测量设备，将原来分散的6套独立的CPC液压纠偏系统整合成1套共用液压泵站，提高了轧机CPC系统的稳定性。本文介绍了带钢纠偏自动控制系统（CPC）的原理、基本结构和存在的问题，分析了发生故障的原因，结合工厂生产实际的要求，对CPC纠偏系统进行了改造，提高了控制手段和精度，减少了生产调整时间、提高了产品质量和生产效率。

一、轧机机组CPC纠偏系统组成和控制1、机组CPC纠偏系统简述轧机机组是冷轧厂工艺流程中重要的一道工序，主要是将酸洗后的热轧钢进行轧制，根据市场要求轧制出不同规格的冷轧卷，然后送到下到工序进行退火或镀锌（铝），经过精整以后生产出满足用户要求的冷轧带钢产品。在进入轧机机架轧制前，酸洗卷首先储存在轧机活套里。为了使轧机活套存储的大约500米的带钢保持在一条中心线上，同时为了使带钢正确进入机架及轧机出口卷取机钢卷良好的卷型，在酸洗出口到轧机1#机架入口增加了6套独立的CPC(CenterPositionControl)纠偏对中装置，分布情况如图1所示图1轧机工艺流程图本文着重介绍的1＃CPC纠偏对中装置，它位于酸洗出口到轧机TCM活套之间，负责酸洗活套出来的带钢纠偏对中，同时分别与2＃-6＃CPC纠偏对中装置配合对入口活套内带钢进行纠偏对中调节，实现机组稳定、连续的生产，1＃CPC纠偏装置的工况对轧机生产起到至关重要的作用。2、CPC纠偏对中装置组成CPC纠偏系统是一个完整的闭环控制系统，主要由电磁式带钢检测器BMI、控制单元、液压伺服系统、纠偏机械结构等部分组成，见图2。BMIBMI控制单元SPCSignal控制单元SPCSignalSignal Signal浮动机架带钢纠偏辊 浮动机架带钢纠偏辊液压伺服系统液压伺服系统旋转中心旋转中心图2CPC纠偏结构伺服缸伺服缸3、CPC纠偏系统控制过程3.1带钢跑偏的原因带钢在运送辊上行走,如果运送辊之间是相互平行,带钢与辊子之间接触在摩擦阻力界限之内,带钢平直,断面厚薄均匀,则作用在带钢上的张力分布均匀,这样,带钢在辊子上行走就不会“跑偏”,即能保持在运行的辊道中心,无侧向位移。但在实际的生产过程中,会有各种各样的外界干扰,它们对带钢正常行走的条件带来影响,从而使带材跑偏。主要的原因有下列几点:(1)带钢断面不均匀的影响(带钢镰刀弯)。当带钢断面不均匀,带钢两边厚薄不一,一边厚一边薄时,带钢本身就成镰刀弯状。带有镰刀弯的带钢上各点,都趋向与辊子中心线成直角,从而引起了带钢跑偏。这种镰刀弯带钢在平行运送辊上引起的带钢跑偏,其跑偏量与镰刀弯的程度,带钢张力的大小和两个运送辊之间的间距大小有关。(2)辊子几何形状的影响。辊子在长期的运行中由于单边磨损大,而呈锥形。由于锥形辊使带钢张力分布不均匀,使带钢总是向粗的一端跑偏。锥度小,带钢张力分布不均匀程度小;锥度大,带钢张力分布不均匀度大,跑偏也大。所以锥度的大小影响了跑偏的速度。(3)两运送辊轴向不平行的影响。带钢在两个互不平行的运送辊上运行,但带钢总是有要与辊子成直角的趋势,就成生了跑偏。理论上的跑偏量与两辊之间的间距和两辊之间的夹角有关，见式1-1。f=Lsina°（1-1）式中:f—跑偏量;L—带钢在两辊之间悬空长度;α—两辊之间的夹角。但实际上带钢的跑偏量要比理论上的小,因为上述关系是以带钢与辊子成90°,而实际上带钢与辊子曲线是大于90°。两个不平行的辊子使带钢张力不均匀,一侧的张应力变大,而另一侧张应力减小,带钢形成镰刀弯,以使实际的偏差量减小。所以得到新的关系式（1-2）:f=kLsina°（1-2）式中:k—修正系数。(4)辊面质量的影响。辊子表面的粗糙度不一样,带有螺纹形橡胶辊,或者镀层的辊子,都同样会使带钢跑偏。(5)两端压力不均的橡胶夹送辊的影响。如果带钢在两根互相受压不均的橡胶辊之间夹送时,则会产生与锥形辊上相似的效应。带钢向压力小,夹送辊开口度大的一端偏移。(6)带钢运送中的气流和液流的影响。运行中的带钢受侧向气流和液流的影响,同样会造成带钢的跑偏。(7)塔式或卧式活套中运动辊的导向精度的影响。各种活套中,运动辊的导向精度也直接影响带钢的跑偏。如卧式活套中,活套小车运动轨道的误差,钢轨的松动,活套支承门架的安装误差,传送和换向辊的磨损等,都要造成带钢的跑偏。(8)来料钢卷的影响。来料钢卷边缘层差不齐,或成塔形都对带钢运行传送产生影响,使带钢跑偏。(9)带钢张力波动的影响。带钢张力波动,特别是由于带钢张力系统没有调整好,引起带钢张力的强烈波动,也造成带钢在行走中的跑偏。3.2测量原理：为了检测金属带钢的中心位置，设备采用了两对传感器。这些传感器被安装在同机组中心相对称的位置。每对传感器分别用于检测带钢的一个边；其中一个传感器用作发射装置，相对应的另一个用作接收装置（见图3）。每对线圈本身又是有方向的空心变压器。带钢在通过这些接收器和发送器时，在所连接的线圈之间产生磁通量差异，该差异就被作为测量结果。发射线圈提供一个有规则的正弦电压波形。根据带钢在框架中的位置，在接收线圈中将感应产生一个相应的电压波形。两个接收通道值相减并放大，就可以得出带钢偏离机组中心线的一个连续位置信号。图3测量原理3.3带钢纠偏过程为确保纠偏的准确性，纠偏机构安装找正基准为机组中心线。纠偏装置的中心位置或控制的原始位置由中心位置传感器检测。纠偏系统工作过程中，带钢穿行在电感式带钢检测器框架内，检测结果转化为电信号传送给控制器。控制器对两接收单元BMI传送来的电信号之绝对差值ΔI进行PD运算和功率放大，输出纠偏信号到伺服阀，控制伺服阀液压缸的动作方向和动作量。伺服液压缸驱动浮动机架摆动和平动，使带钢两侧受到的张力和摩擦力发生变化导致带钢位置的变化，同时也改变带钢遮挡电磁的量和ΔI的变化。外控逻辑控制（PLC）主要用于在生产过程中进行手动干预、报警和停机。CPC纠偏控制过程如图4。中心位置传感器中心位置传感器控制器伺服阀伺服缸外控逻辑（PLC）带钢位置检测(BMI)浮动机架图图4CPC纠偏控制过程3.4、纠偏执行机构3.4.1纠偏执行工作原理研究表明，导致带钢在机组上跑偏的原因非常复杂，从机械角度来说，主要有设备安装精度不够、带钢板形不良、设备磨损、控制系统等原因。对运动中的带钢实施纠偏，其纠偏模式均可分解为平移模式（见图5）和张力模式（见图6）。种类繁多的纠偏机械结构均是由这两种模式的不同比例成分的组合。1#CPC纠偏系统就是这种组合的一实例，图7显示的纠偏机构动作示意图。纠偏能力的大小因纠偏机构的不同而不同，需要充分了解实际应用场合后方可决定采用何种纠偏比例组合。平移模式纠偏机构的最大纠偏能力主要取决于带钢与纠偏辊的包角α和带钢与纠偏辊方向的摩擦系数f。，张力模式纠偏机构的最大纠偏能力主要取决于纠偏机构的设计强度δ和带钢所能承担的最大拉力F。纠偏动作方向纠偏动作方向图5平移模式纠偏原理 带钢带钢带钢带钢沿带钢宽度方向上的张力分布纠偏动作方向沿带钢宽度方向上的张力分布纠偏动作方向图图6张力模式纠偏原理纠偏动作方向纠偏动作方向图7张力模式纠偏实例3.4.21#CPC纠偏分析1#CPC位于轧机活套入口，是连接酸洗和轧机的关键部分，在6套CPC系统中具有典型性，因此选择1#CPC作为主要的研究对象,1#CPC纠偏机构结构如图8：倾斜支架轴承轴承基架支架倾斜支架旋转点带钢纠偏液压缸纠偏辊倾斜支架轴承轴承基架支架倾斜支架旋转点带钢纠偏液压缸纠偏辊图8相关材料表材料名称及规格材质件数单件重量kg小记摆动架焊接件12986基架焊接件11012倾斜支架焊接件1965液压缸CDH1MP5/100/56/350A1X143支架焊接件19225纠偏辊部件12964带钢张力2700纠偏辊安装在倾斜支架上，当带钢由于某种原因偏离中心线时，系统使倾斜支架绕旋转绞点倾斜一定角度，在张力作用下使带钢回到中心线上来，达到纠偏目的。倾斜支架通过旋转点悬浮在基架上，通过支撑轴承绕旋转点作弧线运动。通过辊子角度的调节,从而强制运行中的带钢在辊子上作侧向移动,当带钢突然跑偏,虽然可马上调整辊子的角度,但将带钢调整到新的位置需要一定的时间,是随时间逐步积分,达到新的带钢位置,因此是为积分效应辊。二、CPC纠偏系统液压的工作原理及故障现象和分析CPC纠偏系统液压原理旧有CPC系统共有6套，每套装置由电机、柱塞泵、风冷却器、蓄能器、伺服阀、溢流阀、过滤器、油箱等部件组成，液压原理图如下：图92、故障现象和分析轧机机组共有6套独立的CPC液压系统，每套系统独立控制一个带钢纠偏装置，其功能是：不管引起带钢跑偏的各种扰动因素如何变化，纠偏装置都能自动调节，防止带钢跑偏。此CPC液压控制系统全部使用EMG公司的HR100V25液压控制装置。此CPC液压控制系统现场环境恶劣，原设计中考虑的纠偏能力略小，未考虑来料板形差而导致纠偏增大的状况，致使目前CPC液压系统温度高，同时伴随着故障的突发性，具体缺陷如下：①系统采用风冷冷却器，而且生产现场铁粉、灰尘多，容易堆积在冷却器散热片上，大大降低了冷却效果，致使油温较高；②泵安装在油箱内，造成液压泵有些日检查项目无法开展，而且当泵、联轴器出现故障更换时，必然造成人为的油液污染，缩短伺服阀的使用寿命，同时增加故障停机时间；③此6套CPC系统均没有备用泵，任何一台泵站故障均会造成机组停机，显然已不能满足连续机组的生产要求。有必要进行改进。三、轧机CPC系统的改造1、改造方案将此6套独立CPC液压系统取消，合并为一个液压系统，新制油箱一个，在油箱外面安装两台恒压变量泵，其中一台为备用泵，系统安装进油过滤器、回油水冷却器，阀组不变（见图10）。图102、新系统液压配置设计系统参数液压缸动作速度：V=0.05m/s2．1液压缸确定初选液压缸工作压力从图8可以看出液压缸主要是克服带钢的张力分力，液压缸和带钢张力示意图如下：进行力分析得下关系：F液Cos10o=F张力Cos46.7o（3-1）式中：F液—液压缸推力F张力—带钢张力Sin46.7o—摆动架最大摆角Sin10o—基架倾角从工艺参数查出带钢张力为2.7吨，因此可以知道液压缸的推力由于本液压系统设备属于运输机械，体积小，结构紧凑，采用中低压液压系统时，液压缸的尺寸小、体积小，而且成本较低。综合考虑各种因素，再参考资料，本系统选用中低压系统，选取工作压力为P=5MPa。计算出液压缸的内径D，计算活塞杆直径d由于系统工作压力设定为5MPa，参考下表选择杆径比d/D＝0.55。为保持移行平稳，设定背压为p2=0.5MPa。见资料[3]表37－4，第1967页。按工作压力选取d/D工作压力/MPa≤5.05.0～7.0≥7.0d/D0.5~0.550.62~0.700.7将参数值代入公式（3-2）式中，F液――CPC液压缸所需最大推力。D――液压缸缸筒直径mm考虑到现场实际情况和保险系数，故取D=100mm活塞杆直径d为d=D×λ=100×0.55=55mm参照选型资料，d取由此可得液压缸的两腔的实际面积为液压缸无杆腔面积A1液压缸无杆腔面积A2式中D—液压缸缸筒直径d—液压缸活塞杆直径液压缸流量根据上面算得的D与d的值，估算液压缸的最大流量。进油腔的流量Q1=V2A1=0.05m/s×=23.55L式中A1——液压缸进油腔（无杆腔）的面积（m2）；V2——活塞杆移动速度（m/s）；Q1——液压缸进油腔的流量（L/min）。回油腔的流量Q2=V2A2=0.05m/s×60=16.2L式中A2——液压缸回油腔（有杆腔）的面积（m2）；V2——活塞杆移动的速度（m/s）；Q2——液压缸回油腔的流量（L/min）。2．2泵的选择确定由于液压缸最大流量为23.55L/min，改造后系统将为6个该型伺服阀供油，故泵的输出最大流量应为：Qpmax=KQmax×6=1.1×23.55×6=155.43(L/min)K－系统泄漏系数，一般取1.1～1.3，现取1.1，考虑到A4VSO轴向柱塞变量泵在使用中的良好性能，查样本，选择了力士乐A4VSO125型轴向变量泵为主泵，该泵在压力50bar，转速1500rpm时输出流量Qp＝186L/min。采用2台泵，1用1备。选用46＃抗磨液压油。2．3电机功率确定电机所需功率按下式计算，即：Pp=ppQP/ηP（3-5）式中ηP——液压泵的总效率；pp——液压泵的工作压力（MPa）；QP——液压泵的额定流量（L/min）。选ηP＝0.89，取泵的流量为泵的最大能力，以确保泵在系统高压时电机有一定的过载能力。则:P＝50×105×186×10-3/(0.89×60)＝17.4×103W=17.4(KW)Qpmax2．4油箱的设计由经验公式：V＝αQmax（3-6）V—油箱容量，单位为L；α—经验系数，低压系统α＝2～4。选α＝4算得有效容积为:V＝αQmax＝4×186＝744L，一般油面高度为油箱高度的0.8倍，所以油箱总容积应为：V/0.8=744/0.8=930L。可取油箱总容积为：1米3，所以可以做成长1米，宽1米2．5冷却器的选择由于生产现场铁粉较多，环境恶劣，使用风冷则冷却效果不佳，故选用水冷方式。系统发热计算：系统发热可以按照下式计算（3-7）式中：式冷却器交换效率高，结构紧凑，适合这样的液压系统使用，经查样本、，选择CP410-40型板式水冷却器。安装在回油管路中。2．6过滤器的确定因为侍服阀对液压油清洁度要求比较高，所以选择的压力过滤器精度为5цm，压力大于60bar。查过滤器样本可以选择型号为RFLDBN/HC241FAK5的过滤器。2．7验算液压系统性能2.8.1管路沿程压力损失系统选用46＃抗磨液压油，油液运动粘度ν=46mm²/s，油的密度ρ＝918kg/m³。由于1＃CPC系统距离泵站最远，需验算其管路沿程损失对系统的影响。先确定流动类型：Re=d/υ=4Q/(υπd)==542<2320为层流Re－雷诺系数；－平均流速；d－管径；υ－运动粘性系数按达西公式求沿程损失水头：hf==＝39.05米重油柱－管长，大约100米；－平均流速，(＝Q/A=1.05m/s)所以沿程压力降：ΔP=ρg(z2-z1+hf)=876×9.8(5+39.05)=378546N/m2.8.2系统发热温升验算因本系统管路结构较简单，油箱容量足够大，在回油管路上增加水冷却器，各执行器的运动较为平稳，故发热与温升及液压冲击的验算省略。A4VSO125型轴向变量泵力士乐RFLDBN/HC241FAK5力士乐CP410-40长1米，宽1米，高1米3．新系统电控方面设计数据库NAME数量DIDI2.1HYD1_A_PU1_ON8DI2.2HYD1_D_PU1_FLTDI2.3HYD1_A_PU2_ONDI2.4HYD1_D_PU2_FLTDI2.7HYD1_A_HEAT1_ONDI2.8HYD1_D_HEAT1_FLTDI2.9HYD1_A_HEAT2_ONDI2.10HYD1_D_HEAT2_FLTDODO2.9HYD1_O_PU1_ON4DO2.10HYD1_O_PU2_ONDO2.12HYD1_O_HEAT1_ONDO2.13HYD1_O_HEAT2_ONDIS810DI800_3.1HYD1_R_PU1_ON25DI800_3.2HYD1_R_PU1_OFF_NDI800_3.3HYD1_R_PU2_ONDI800_3.4HYD1_R_PU2_OFF_NDI800_3.5HYD1_R_SYST_BLOCKDI800_3.6HYD1_R_SYST_REMOTEDI800_3.7MB17_R_LTESTDI800_6.1HYD1_D_LEVEL_L_NDI800_6.2HYD1_D_LEVEL_LL_NDI800_6.3HYD1_D_FILT_CLOG_NDI800_6.4HYD1_D_TEMP_HDI800_6.5HYD1_D_TEMP_HHDI800_8.1ECS_D_STS1_MAXPOS_OSDI800_8.2ECS_D_STS1_MAXPOS_DSDI800_8.3ECS_D_STS2_MAXPOS_OSDI800_8.4ECS_D_STS2_MAXPOS_DSDI800_4.1ECS_D_STS3_MAXPOS_OSDI800_4.2ECS_D_STS3_MAXPOS_DSDI800_4.3ECS_D_STS4_MAXPOS_OSDI800_4.4ECS_D_STS4_MAXPOS_DSDI800_4.5ECS_D_STS5_MAXPOS_OSDI800_4.6ECS_D_STS5_MAXPOS_DSDI800_4.7ECS_D_STS6_MAXPOS_OSDI800_4.8ECS_D_STS6_MAXPOS_DSDI800_4.9ECS_D_STS6_FLT_DIRTYA