張呈強(qiáng)，李 康

（1.泰山鋼鐵集團(tuán)軋鋼廠，山東 萊蕪 271199；2.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

帶鋼的卷取作為整個熱連軋過程中最后一道工序，是由熱連軋卷取機(jī)完成的。熱連軋卷取機(jī)工作性能的好壞直接影響到成品帶鋼的質(zhì)量和整個生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行。由于熱連軋生產(chǎn)過程中生產(chǎn)的帶鋼長達(dá)百米甚至更長，為了滿足收集、儲存和運(yùn)輸?shù)男枰枰脤ｉT的卷取機(jī)將帶鋼繞成卷狀。如果帶鋼在卷取過程中剛性的通過卷筒和助卷輥之間的縫隙，帶鋼頭部造成的層差將引起助卷輥產(chǎn)生強(qiáng)烈剮性沖擊和振動，導(dǎo)致助卷輥及其傳動機(jī)構(gòu)的損壞，振動和沖擊還會使助卷輥在帶鋼表面產(chǎn)生跳躍，使得助卷輥不能緊壓在卷筒上，造成帶鋼的卷形不良、表面缺陷、縮頸等問題，損害產(chǎn)品的質(zhì)量，降低設(shè)備的使用壽命。為了解決上述問題，德國和日本開發(fā)了可避讓層差的助卷輥踏步控制技術(shù)［1］。踏步控制（Auto Jump Control）在中、寬帶鋼熱軋廠的卷取部分起著至關(guān)重要的作用，它的應(yīng)用不僅有利于帶鋼頭部的卷取及卷形，而且大大減小了帶鋼對卷筒及助卷輥等設(shè)備的沖擊，有利于提高設(shè)備的使用壽命。泰山鋼鐵集團(tuán)軋鋼廠自投產(chǎn)以來利用激光檢測器檢測帶鋼的位置，為踏步控制提供控制信號。激光檢測器主要檢測是否有帶鋼頭部進(jìn)入或帶鋼甩尾［2］，利用激光檢測器檢測到的帶鋼頭部和尾部信號，進(jìn)行帶鋼的頭部和尾部位置的準(zhǔn)確跟蹤，以啟動卷筒的速度控制、助卷輥的速度控制、助卷輥的位置控制、助卷輥的壓力控制，以及自動踏步控制的踏步定時和壓力控制定時［3］。自動踏步控制系統(tǒng)控制精度要求高、控制功能切換頻繁、控制周期短，所以對踏步控制來說，激光檢測器檢測信號的準(zhǔn)確性和可靠性直接決定了踏步控制的成敗。用激光檢測器來參與踏步控制，最大的優(yōu)點(diǎn)就是靈敏度高、準(zhǔn)確。但是它的缺陷同樣明顯：信號不穩(wěn)定、可靠性差。因為激光作為一種光，在水汽環(huán)境中易發(fā)生折射、反射，從而直接導(dǎo)致檢測信號失準(zhǔn)，同時在氣溫較低時鏡頭易結(jié)冰也會造成檢測不準(zhǔn)。為了解決激光檢測器的信號的不穩(wěn)定性問題，采用熱金屬檢測器代替激光檢測器，來獲得帶鋼的位置。

1 踏步控制系統(tǒng)的工作原理

踏步控制系統(tǒng)的控制功能主要包括帶鋼頭尾跟蹤、助卷輥位置控制、助卷輥壓力控制、帶鋼尾部控制、自動校準(zhǔn)、卷筒漲縮控制等［4］。而助卷輥的開合由裝有位移和壓力傳感器的液壓缸控制，助卷輥輥縫的大小和助卷輥對鋼卷壓力的大小對帶鋼的卷取質(zhì)量有很大的影響。熱連軋系統(tǒng)上的踏步控制方案如圖1。

圖1 踏步控制方案圖

采用壓力、位移雙閉環(huán)的電液伺服系統(tǒng)來控制助卷輥。通過壓力傳感器測得液壓缸兩腔的工作壓差，實現(xiàn)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的壓力控制，由位置傳感測得位移信號可實現(xiàn)位置閉環(huán)系統(tǒng)的控制。將壓力和位置調(diào)節(jié)回路分別作為內(nèi)環(huán)和外環(huán)，用限幅器將兩者連接起來，通過脈沖編碼器和計算機(jī)控制實現(xiàn)帶頭自動跟蹤和臺階的自動回避。

國內(nèi)熱軋廠卷取踏步信號多是用激光檢測器檢測，通過激光檢測器檢測帶鋼頭部和尾部的位置。激光檢測器檢測工作原理見圖2。

圖2 激光檢測器工作原理圖

從圖2可知，當(dāng)帶鋼到來時，帶鋼便擋住了激光發(fā)射器發(fā)出的激光信號，接收器采不到激光信號，輸出有鋼信號來啟動踏步控制。踏步控制的工作過程如下。

當(dāng)激光檢測器檢測到帶鋼時，計算機(jī)根據(jù)檢測到的帶鋼速度和帶頭位置，給出指令信號控制液壓缸動作，通過液壓缸控制助卷輥排好輥縫，使得所有助卷輥調(diào)到預(yù)設(shè)定位置，為了帶鋼的順利卷取，首圈卷取時3個助卷輥的輥縫值應(yīng)逐步減小。當(dāng)帶頭通過1號助卷輥后，1號助卷輥轉(zhuǎn)為壓力控制壓緊鋼板，當(dāng)帶頭通過2、3號助卷輥時，他們采取和1號助卷輥相同的動作。完成首圈后，當(dāng)帶鋼頭部將要到達(dá)1號助卷輥時，計算機(jī)給出指令信號控制1號助卷輥抬起，為了避帶鋼頭部對助卷輥產(chǎn)生沖擊，將其輥縫值設(shè)置為板帶安全距離加上板帶厚度，當(dāng)帶頭部通過1號助卷輥后，1號助卷輥立即轉(zhuǎn)為壓力閉環(huán)控制，協(xié)助卷筒順利卷取。完成首圈后，當(dāng)帶頭將要到達(dá)2、3號助卷輥時，2、3號助卷輥采取和1號助卷輥同樣的動作，即帶頭到達(dá)某助卷輥之前，該助卷輥立即轉(zhuǎn)為位置控制，當(dāng)帶頭通過該助卷輥之后，該助卷輥馬上轉(zhuǎn)為壓力控制。液壓壓下的壓力控制和位置控制是以液壓缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在基于液壓控制器的控制下實現(xiàn)的。 位置和壓力控制方式的切換如圖3所示。重復(fù)以上動作直到卷取機(jī)張力的建立，卷取機(jī)張力建立以后3個助卷輥自動退回到設(shè)定的位置，卷筒漲徑，使帶鋼緊緊裹于其上，當(dāng)帶鋼脫離末架軋機(jī)進(jìn)入收卷狀態(tài)時，助卷輥按預(yù)置的位置合攏，壓住外層帶卷，避免帶卷外層松散［5］，良好的踏步控制系統(tǒng)能保證在帶鋼頭部不與助卷輥相撞的前提下，盡可能縮小助卷輥和帶鋼脫離的時間，使卷形不受影響［6］。

圖3 位置和壓力控制切換簡圖

2 技術(shù)分析及方案

對于踏步控制來說，控制的成功與否，很大程度上取決于帶鋼頭部跟蹤的準(zhǔn)確性［7］，只有準(zhǔn)確的獲得帶鋼頭部的位置，計算機(jī)才能發(fā)出準(zhǔn)確的控制信號，控制各個助卷輥采取正確的動作，完成踏步控制。如果利用激光檢測器對帶鋼位置進(jìn)行跟蹤為踏步控制提供控制信號，由于帶鋼卷取過程中周邊環(huán)境比較復(fù)雜，環(huán)境中的水汽等因素會造成激光的折射和反射，使激光偏離原有軌道，導(dǎo)致接收器接收不到激光信號，嚴(yán)重影響激光檢測器對帶鋼位置跟蹤的準(zhǔn)確性，引起踏步提前等問題，使得踏步控制不僅起不到應(yīng)有的效果，而且會適得其反，造成廢鋼、塔形等事故。同時由于冬季氣溫較低，鏡頭結(jié)冰同樣會造成激光檢測器信號檢測失真，導(dǎo)致無法使用踏步功能，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備壽命。國內(nèi)熱軋廠卷取踏步信號大都是用激光檢測器檢測，同樣存在信號干擾問題。他們通過改善現(xiàn)場環(huán)境以及改變檢測位置來提高檢測信號的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，雖然起到了一定的改善作用，但并不能從根本上解決信號干擾的問題，下面是一個激光檢測器使用情況統(tǒng)計表。

表1 2005年1－12月份激光檢測器使用情況統(tǒng)計表

從表1中可以看出，使用激光檢測器時，2005年全年信號誤讀次數(shù)達(dá)到了315次，產(chǎn)生了24支廢鋼，造成309 min熱停工，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量。為了解決激光檢測器的信號不穩(wěn)定性問題，本文采用熱金屬檢測器代替激光檢測器來為踏步控制提供檢測信號。由于現(xiàn)場環(huán)境的限制和工藝的要求，熱金屬檢測器儀器必須滿足以下幾個條件。

1）由于現(xiàn)場環(huán)境含有大量水汽，而現(xiàn)場環(huán)境不可能根本改變，所以熱金屬檢測器在有水氣干擾的情況下必須能正常工作。

2）為了使熱金屬檢測器能不受水汽的干擾，需對熱金屬檢測器進(jìn)行一定的改造，改造后的檢測儀表必須保證檢測精度及可靠性，響應(yīng)時間小于2 ms。

3）滿足現(xiàn)場安裝條件的要求。

4）帶鋼到達(dá)檢測位置且?guī)т摐囟仍?00℃以上時，熱金屬檢測器通過檢測帶鋼的紅外輻射可以確定帶鋼的位置。

為了滿足以上要求我們選擇進(jìn)口熱金屬檢測器測，安裝在原來檢測孔上方大約1 m左右，同時對熱金屬檢測器儀器做以下處理。

2.1 防水密封處理

由于ASC進(jìn)口熱金屬檢測器不適合在潮濕的環(huán)境中使用，而現(xiàn)場水及水蒸氣較大，滲透性極強(qiáng)，熱金屬檢測器很容易進(jìn)水，會導(dǎo)致檢測不準(zhǔn)甚至燒毀儀表。因此我們將儀表外殼進(jìn)行拆裝密封處理，選擇進(jìn)口的防水膠對鏡頭、固定螺絲等外部縫隙進(jìn)行密封。密封完畢干燥后進(jìn)行24 h浸水試驗，保證鏡頭在浸水24 h后干燥無水。

2.2 進(jìn)口熱金屬檢測器的安裝

首先制造安裝支架，制作的支架要牢固且可以調(diào)節(jié)角度。根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行測量、繪圖、焊接。為了避免外部環(huán)境干擾檢測信號，設(shè)計合理的電纜走向。

2.3 防護(hù)

1）為了防止溫度過高損壞ASC進(jìn)口熱金屬檢測器，用凈環(huán)水對ASC進(jìn)口熱金屬檢測器進(jìn)行冷卻，為了保證冷卻效果，要求回水溫度穩(wěn)定小于25℃，為了便于維護(hù)在進(jìn)水和出水管上各加一個調(diào)節(jié)閥門。

2）為了保證鏡頭的干凈，用干凈的N2吹掃鏡頭，為了保證吹掃的效果，要求吹掃鏡頭的N2氣壓不低于0.2 MPa，為便于調(diào)節(jié)氣壓大小在其管路上加一閥門。

2.4 調(diào)整、調(diào)試

1）安裝完畢后首先進(jìn)行模擬調(diào)試，通電檢查，用手電筒模擬帶鋼進(jìn)行試驗，檢測信號是否正常，同時檢測熱金屬檢測器反應(yīng)時間是否滿足踏步控制的要求。

2）調(diào)節(jié)熱金屬檢測器的角度，使之垂直于檢測孔。有帶鋼通過時，對檢測信號進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)帶鋼的溫度調(diào)節(jié)熱金屬檢測器的靈敏度，正常后正式投入使用。

通過實際應(yīng)用，證明改造的熱金屬檢測器不僅能夠在水汽環(huán)境中正常工作，而且檢測的靈敏度、反

應(yīng)時間和檢測精度達(dá)到工藝的要求。

3 應(yīng)用效果

采用熱金屬檢測器代替激光檢測器，通過對鋼的熱輻射的檢測獲得來鋼的位置，提高了檢測的準(zhǔn)確性可靠性。從根本上解決了信號干擾問題，提高了設(shè)備的使用壽命，并且基本上做到了免維護(hù)，保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。自2006年1月改造后，除2007年8月因ASC熱金屬檢測器出現(xiàn)故障導(dǎo)致信號失準(zhǔn)外，7年來從未出現(xiàn)過信號失準(zhǔn)、波動現(xiàn)象，控制精度超出了目標(biāo)值。因此從根本上解決了踏步信號失準(zhǔn)、波動的現(xiàn)象，為熱軋帶鋼廠的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)創(chuàng)造了條件。同時本項目的成功實施為其它同類熱連軋的卷取踏步控制改造和設(shè)計提供了很好的借鑒意義。

4 結(jié)語

用熱金屬檢測器代替激光檢測器為踏步控制提供控制信號，從根本上解決了信號干擾的問題，收到了預(yù)期的效果，并且基本上做到了免維護(hù)，大大減輕了工人的勞動強(qiáng)度，保證了帶鋼卷形質(zhì)量，提高了產(chǎn)品外觀合格率，更好的滿足了用戶需求，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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