1、xxx 大学毕业设计(论文)1四辊可逆冷轧机电气系统控制摘 要轧机是实现金属轧制过程的设备。泛指完成轧材生产全过程的装备,包括有主要设备辅助设备起重运输设备和附属设备等。 现 代 轧 机 发 展 的 趋 向 是 连 续 化 、 自 动 化 、 专 业 化 ,产 品 质 量 高 ,消耗 低 。 60 年 代 以 来 轧 机 在 设 计 、 研 究 和 制 造 方 面 取 得 了 很 大 的 进 展 ,使 带 材 冷 热 轧 机 、 厚 板 轧 机 、 高 速 线 材 轧 机 、 H 型 材 轧 机 和 连 轧 管 机 组等 性 能 更 加 完 善 , 并 出 现 了 轧 制 速 度 高 达 每
2、秒 钟 115 米 的 线 材 轧 机 、全 连 续 式 带 材 冷 轧 机 、 5500 毫 米 宽 厚 板 轧 机 和 连 续 式 H 型 钢 轧 机 等 一系 列 先 进 设 备 。 轧 机 用 的 原 料 单 重 增 大 , 液 压 AGC、 板 形 控 制 、 电 子计 算 机 程 序 控 制 及 测 试 手 段 越 来 越 完 善 , 轧 制 品 种 不 断 扩 大 。 一 些 适 用于 连 续 铸 轧 、 控 制 轧 制 等 新 轧 制 方 法 , 以 及 适 应 新 的 产 品 质 量 要 求 和 提高 经 济 效 益 的 各 种 特 殊 结 构 的 轧 机 都 在 发 展 中
3、 。如今,在国际冷轧机市场上,昂贵的国外产品占据着主导地位,国内产品相形见拙,其根本原因是在于技术上的差距。为了缩小这种差距,现在,我国已有数以万计的科技人员和大学师生从事不同层次的人工智能学习,研究与应用,希一望抓住把智能技术这一新兴学科引入到控制领域的契机。本论文也主要是从事于此类的设计。本文针对昆明重工集团四辊可逆冷轧机较高的生产工艺和现状,应用变频调速和 PLC 控制技术,对四辊可逆冷轧机做一个初步的设计设计。关键词:可逆冷轧机;传动系统;主传动装置;6RA70;xxx 大学毕业设计(论文)2第一章 概述1.1 冷轧的发展历史二辊式可逆冷轧机于 20 世纪 20 年代首先用于德国(早在
4、 1917 年在专利文献中已有所披露) ,而四辊可逆式则用于 1932 年。第一台冷卷取机大约在 1893 年由施米茨公司(August Schmitz)建于德国。大约 1920 年,苏必利尔钢公司和威斯汀豪斯电气公司联合发展的单独电力驱动的卷取机,是通过控制电流来维持恒张力的。带钢连续冷轧的首次记录要追遡到大约 1904 年,当时,韦斯特利奇伯格(West Leechburg)钢公司安装并开动了一台四机架二辊连轧机,每个机架单独用速度可调的直流电机驱动。具有机架间张力和张力卷取机的真正的连轧机操作,大约于 1915 年在匹兹堡的莫里斯贝利(Morris而功率选的过大,则电动机的价格较高,能力
5、又不能充分利用,而且由于电动机经常不能满载运行,其使用效率和功率因数都较低,增加了电能的消耗造成了能源的浪费。所以在选择电动机时应考虑设计机器的使用要求和加工参数,并经过细致周密的计算推演,建立起可靠而又缜密的理论模型,再根据经济性原则最终确定具体的电动机参数。根据课题所研究四辊可逆冷轧机的使用要求,在查阅了设计手册后最终最终确定的电机的具体型号、功率、转速、转矩如下表所示。xxx 大学毕业设计(论文)174.4 主传动系统机组主传动电动机指开卷机、入口卷取机、轧机和出口卷取机。主传动电动机采用直流电动机,相应地为主传动电动机供电的调速装置采用西门子(6RA70 系列)全数字控制的晶闸管整流装
6、置。(1) 主传动电动机技术参数如下:名称参数开卷机 左卷取机 主轧机 右卷取机 备注电动机容量(kW)350 2600 21250 2600电动机速度( r/min.)800/1200 370/1200 410/1000 370/1200基速过载能力(倍/1 min.)2.0 2.0 2.0 2.0高速过载能力(倍/1min.)1.5 1.5 1.5 1.5额定电枢电压(V)440 660 660 660额定电枢电 865 981 2016 981 指单台xxx 大学毕业设计(论文)18名称参数开卷机 左卷取机 主轧机 右卷取机 备注流(A) 电机的电流额定励磁电压(V)220 220 22
7、0 220 暂定励磁方式 他励 他励 他励 他励额定励磁电流(A)24 326 797 326主传动电动机设有若干 Pt100 电阻以检测电动机绕组和轴承温度。自动化系统通过 16 路热电阻信号放大器(FCS-1002T)循回检测 Pt100 的阻值,以实现对电动机绕组和轴承温度的监控。(2)传动系统主要功能性能指标动态速降:1%静态精度:0.1%恢复时间:130ms调节精度:0.01%(速度反馈用脉冲码盘为 1024P/RPM,增量型,DP网数字量给定)(3) 全数字直流传动装置主要功能冷轧机组直流电动机驱动装置内部的混装直流模块采用 SIEMENS 公xxx 大学毕业设计(论文)19司 6
8、RA70 全数字控制单元,保证动态、静态调节品质,提高系统的抗干扰能力。混装直流模块与 SIEMENS 公司的 6RA70 全数字控制单元完美配合,使装置具有完善的故障保护功能;具有过压、过流、超速、失速、电网电压过高、过低、速度反馈故障等等。便于判断、检查、维护。励磁控制单元与之配套,为非独立励磁系统。传动装置配置 PROFIBUS 卡,完成与控制系统的通讯;通讯内容有设备起/ 停、速度设定、速度反馈、故障信息等。(4) 传动供电用全数字晶闸管整流装置为主传动电动机供电的全数字晶闸管整流装置将采用 SIEMENS 公司6RA70 系列全数字控制系统,装置配置有 PROFIBUS-DP 网卡,
9、可实现与simatic S7-400PLC(或 WINAC)自动化系统快速地通讯。主轧机上、下工作辊分别由一台电机驱动,两台电机独立供电调速,考虑负荷均衡和速度匹配。入、出口卷取机各由两台电机同轴驱动,卷取机的两台电机独立供电调速,考虑负荷均衡并带有张力控制。主传动装置的主要技术参数为:开卷机入口卷取机可逆轧机出口卷取机备注传动装置型号6RA7018-6DV62-0 6RA7018-6DV62-0 6RA7018-6DV62-0 6RA7018-6DV62-0 xxx 大学毕业设计(论文)20开卷机入口卷取机可逆轧机出口卷取机备注传动整流进线电压(AC V )460 690 690 690传动
10、整流输出电压(DC V )480 725 725 725传动整流额定输出电流(DC A)2000 2000 4000 2000励磁电压(DC V )220 220V 220V 220V励磁电流(DC A )25 50 100 50整流方式 三相全控桥式反并联,可逆,逻辑无环流(5)传动装置控制原理图轧机主传动装置的作用是将电动机的运动和力矩传动给轧辊。在很多的轧机上,主传动装置由减速机、齿轮座、联轴器、和联轴节等部件组成,如图所示。xxx 大学毕业设计(论文)21四辊轧机主传动装置原理简图1工作机座;2联轴器;3电动机;4减速器;5减速机;6电动机联轴节;7主联轴节;8连接轴平衡装置;10四辊
11、轧机支撑轴;11四辊轧机工作辊;12机架;13机架底板;14地脚固定螺栓单机架可逆冷轧机的仪表配置比较齐全, 设有机前、机后测厚仪, 以及位移传感器、压力传感器和光电编码器等。第五章 操作设备及操作运转方式5.1 主要设备操作运转方式机组设备的操作运转方式分为以下 3 种:(1) 手动方式:主要用于调试、检修与维护等,设备将完全根据操作人员的操作指令运行;机组所有设备均可手动操作。手动操作主要在机旁操作,部分设备或设备组设有操作台集中操作。对于机组辅助生产设备,xxx 大学毕业设计(论文)22如液压、润滑设备等,除可以机旁操作外,亦可在 HMI 上集中操作和监视。(2) 自动方式:机组设备或设
12、备组根据实际状况和检测器状态自动顺序运行。自动方式投入时,设备的起停由检测器的状态与连锁条件决定。(3) 半自动方式:指设备或设备组中的部分过程“一个周期”的自动运行。通常是在自动方式不能投入(如个别检测器故障或不具备投入自动方式的条件)的情况下为简化操作时所有,半自动方式需要由操作员触发。根据本机组的特点,将按照手动优先、机旁优先的原则设计操作运转方案。机组主要设备的操作运转方式参见下表:序号 设备动作或过程 自动 半自动 手动 HMI 备注1 入口钢卷车1.1 走行 1.2 带钢宽度、高度对中 2 开卷机2.1 开卷机卷筒转动 2.2 开卷机卷筒胀缩 2.3 开卷机卷筒移动 2.4 压紧辊
13、 2.5 外支撑 3 夹送辊矫直机xxx 大学毕业设计(论文)23序号 设备动作或过程 自动 半自动 手动 HMI 备注3.1 钢卷开头机构 3.2 上夹送辊 3.3 下夹送辊 3.4 矫直辊升降 4 入口液压剪 5 出口液压剪 6 轧机控制 7 机组速度控制 8 机组张力控制 9 卷取前夹送辊 10 入、出口卷取机10.1 卷取机卷筒转动 10.2 卷取机卷筒胀缩 10.3 辅助卸卷机构 10.4 卷取机压紧辊 10.5 外支撑 11 出口钢卷车 12 出口钢卷称量 13 钢卷打捆 14 机组液压站 xxx 大学毕业设计(论文)24序号 设备动作或过程 自动 半自动 手动 HMI 备注15
14、机组润滑站 16 乳化液系统 17 通风系统 18 换辊装置 5.2 操作设备根据参考资料可以确定机组应配置 4 机旁操作箱和 1 个主操作台(主操作台采用不锈钢台面,机旁操作箱面板采用碳钢喷漆) ,11 个控制箱,1 个主 PLC 柜,共计 17 个。第六章 系统主要功能6.1 机组设备控制功能1 机组设备顺序控制机组设备的顺序控制功能就是机组的各个设备根据带钢生产工艺流程和外部连锁条件自动地顺序起动/停止。轧卷通过行车由轧前库运输到轧机入口侧鞍座位置。带卷放下时第一圈处于上开卷位置,带头靠近鞍座以便解捆后外圈不致于松卷。开卷机钢卷小车移入,接受钢卷,将钢卷横移。在横移过程中自动进行钢卷宽度
15、和直径的测量。随后,开卷机卷筒收缩,对中设备中心线,外支撑轴承打开。在小车横移过程中,钢卷和开卷机卷筒自动对中,并将钢卷装入卷筒。钢卷装入卷筒后,外支撑闭合,卷筒胀大以便把持住带卷,压辊压下xxx 大学毕业设计(论文)25到带卷表面以防止外圈松卷。钢卷小车降下,开卷机反向点动直至带头处于开卷位置。随后,穿带导板抬起并伸出到钢卷带头下的开卷位置。通过旋转开卷机卷筒,带头在穿带导板的引导下停在打开的夹送辊和直头机下。此时缩回穿带导板,直头机压下到带钢头部,往上弯曲带钢头部。根据带头情况,可反向运行带钢,使带钢头部平直,利于后续工序顺利穿带。在开卷机的卷筒和穿带导板之间安装有 CPC(中间位置控制)
16、装置,用其控制卷筒和机组中心线对齐,在正常轧制过程防止带钢跑偏。经过直头后的带钢,穿过降下的过渡导板,并穿过准备好的入口挡板进入轧机对中导卫,随后穿过打开的轧机,并停止在轧机出口侧。联合点动开卷机、夹送辊,带钢继续穿过打开的出口挡板,从出口转向辊上穿过。在带头穿过出口转向辊时,上辊(偏导辊)压靠在带钢表面,带头进入出口卷取机的钳口,并让带头在出口卷取机上缠绕 23 圈,在缠绕过程对开卷机和出口卷取机之间对带钢施加静张力,以便带钢紧紧缠绕在卷筒上。穿带完毕后,出口穿带导板缩回。轧机前后的 X 射线测厚仪开进,出口安全罩关闭,开始轧制。穿带过程中,如果出现带钢偏离设备中心线,可以手动启用导位装置,
17、轻轻排击带钢,使带钢靠近设备中心线继续穿带。轧制前或穿带过程中,由操作工在主操作室的 HMI 中对轧机以及机组的各个设备核定张力、辊缝、导位的开口度等初始设定值。轧机启动时,自动同步启动轧机的乳化液系统和空气吹扫系统。轧机和张力卷取机(第一道次为出口卷取机和开卷机)同步加速到设定的速度,xxx 大学毕业设计(论文)26并建立给定的轧制张力,AGC 自动投入,带钢的厚度逐道减少。带钢的板形通过操作正弯和负弯辊、轧辊乳化液喷嘴集管的开启和 AGC 油缸的不对称调整进行手动控制。在换辊后开始轧制前应进行轧机的调零。当第一道次的轧制快结束时,机组降速到甩尾速度。当带钢尾部在开卷机卷筒上剩下 23 圈时
18、,将轧机入口侧的夹板降下并夹持住带钢,以便在轧机和压板之间形成张力,同时轧机入口侧的夹板和开卷机之间的带钢失去张力。带尾出开卷机后停止在切断剪后方的过渡导板上切尾。同时,开卷机卷筒收缩,外支承打开,进行下个钢卷开卷的准备工作。如果上一卷带钢尚未轧制完毕,开卷机开卷后的带头,经过直头停止在直头机的出口。当第一道次轧制完毕时,入口卷取机区域的相关设备已经准备就绪,其中包括外支承闭合,卷筒钳口自动定位,穿带导板准备就绪。然后选择入口穿带导板相关按扭或选择开关,移动经切尾后的带尾直至入口卷取机的钳口上,卷筒膨胀夹紧带尾,转动卷筒并让带钢在卷筒上缠绕 23 圈后,建立起静张力,穿带导板缩回,入口和出口
19、X 射线测厚仪开进。然后选择轧机运行模式按扭,轧制过程将继续,带钢经过反复轧制直至目标厚度。其中除了最末道次外,带头和带尾从不离开卷筒。在轧制过程中,带钢跟踪以及卷径自动记忆功能自动地将轧机停止并以在卷筒上剩下圈数最少(通常为 2 至 3 圈)来进行每个道次的反向。通常在入口张力卷取机和出口张力卷取机间一直保持张力直至所有轧制道次全部完成。由于在出口卷取机侧卷取方式为下卷取,可以在轧制过程中由xxx 大学毕业设计(论文)27操作工肉眼观察带钢下表面质量并进行相应处理。根据轧制规程,最末道次轧制完毕后,带尾自动定位,可以在出口侧进行卸卷,也可以在入口侧进行卸卷。轧制完毕后,安全罩打开,尾辊压住带
20、钢尾部,带卷小车移到入口卷取机或出口卷取机下,并抬起直至接触到带卷。卷筒收缩,外支撑轴承打开,尾辊缩回(需要时可由卸卷器辅助卸卷) ,带卷小车移动,将带卷从卷筒上移走并运送至鞍座,并在此进行钢卷称重。出口钢卷小车负责横移钢卷,根据需要移动到第鞍座上,并进行打捆。换辊模式下,在操作侧进行工作辊、中间辊和支承辊的更换。其中更换工作辊和中间辊由设置在操作侧的带横移装置的换辊小车迅速完成,支承辊由液压缸拉出,旧辊运至磨辊区域。该机组同时具备分卷功能。分卷时,一般在出口侧出小卷。在所有道次轧制完毕,带钢达到目标厚度时,根据需要进入分卷模式。此时打开轧机辊缝,启动入口和出口侧卷取机,并对带钢进行跟踪。当卷
21、取侧的卷重达到设定的卷重时,停止机组运行,并启动靠近卷取侧的液压剪剪断带钢。然后依次重复进行卸卷,卷取准备以及分卷动作,直至第二卷分卷完毕。在开卷一侧剩下的钢卷,从相应侧卸卷,并进行下一钢卷穿带准备工作。2 机组速度主令控制机组的速度可从轧制表中获取,也可由操作人员根据实际情况及经验进行调整。速度通过转向辊上装的编码器测量。主操作台上设有:“升速(Speed Up) ”、 “降速(Speed Down)”、 “保持(Hold)” 、 “快速停止(Quick Stop)”、 “紧急停止(Emergency Stop)”等按键,其功能参见下图所示:xxx 大学毕业设计(论文)28升速:使机组速度升
22、高,控制范围内的设备将以相同的速度和均匀的加速度运行,加速过程中如不干预,速度将升高至允许的最高速度Vmax。降速:使机组速度降低,控制范围内的设备将以相同的速度和均匀的加速度()运行,减速过程中如不干预,速度将最终降低至 0(停止) ;另外,开卷机甩尾控制将是自动运行的,即 PLC 将计算开卷机卷筒上剩余带钢的长度,并自动使机组降速,直到将卷尾送到卷取机为止。此外,在分卷操作时,按照给定的分卷重量,自动计算停止位置,进行分卷。保持:用于人工干预,即机组在升速或降速过程中,操作人员如果按了“保持”按钮,机组升速或降速的过程将停止,并保持在操作员期望的速度上运行。快速停止:当操作人员期望机组以较
23、快的速度停止下来时可采用快速停止,在“快速停止”的过程中,机组将尽量保持张力的稳定。快速停止tVSpeed UpHoldSpeed UpSpeed DownSpeed DownEmergency StopQuick StopNormal StopVmax机组速度图xxx 大学毕业设计(论文)29的加速度较正常停止的加速度要大。紧急停止:当出现紧急情况(如有可能发生重大的人员伤亡或设备损坏)时采用“紧急停止” 。 “紧急停止”被触发时,控制范围内的所有设备将以可能的最快速度停车。在生产过程中,如果带钢张力不稳定,将影响带钢厚度控制的精度,同时还可能造成断带、折叠、跑偏等故障。机组在轧机入口、出口
24、设有测张辊,可以实时检测带钢张力。同时通过对开卷机(或卷取机)电流的检测来间接计算带钢张力,用来监视张力计的运行状况。PLC 根据设定的张力值和机械设备的参数(如传动比、辊径、开卷/卷取机钢卷卷径等)换算为电动机转矩值,并将此转矩设定值下达给全数字晶闸管直流调速装置,由传动装置自动完成电动机转矩的死循环控制。张力投入与切除时(紧急停车时除外) ,张力的给定并不是阶跃给定,而是经过一预先设定的斜坡给定,以确保张力变化时的平稳。为保护电动机,在张力建立 30 秒内如果机组速度为零,或机组正常停车后,操作张力将自动切换到静止张力,静止张力约为正常张力的30;如果静止时间超过 3 分钟,操作张力将降为
25、零。6.2 液压辊缝控制轧机机架控制的基本功能包括:液压压下伺服机构的位置内环控制器,即 APC 控制器;轧机压下的顺序控制; AGC 控制,其控制输出将作为补偿或附加给定施加到内环控制器上。因此,AGC 控制器可以被看作是外环控制器;轧制力 AFC 控制;轧辊倾斜控制;弯辊控制等。xxx 大学毕业设计(论文)30液压辊缝控制(HGC) ;为快速地消除带钢的厚度偏差,轧机的压下伺服液压缸必须保证调节的快速性和定位的精确性。轧机的传动侧和操作侧分别设有一个独立的压下缸,分别由一个独立的死循环位置控制器进行控制,即通常所说的压下 APC 控制器。 位置给定基准值两个伺服液压缸位置控制器的给定(即位
26、置基准值)是各种设定值的合成,包括:来自轧制计划表的设定值;来自 AGC 控制器的补偿给定;来自弯辊控制器的偏置;来自操作员的人工修正等。 位置检测在两个伺服液压缸上分别安装有一高精度位移传感器,用于压上位置的检测,所检测到的位移信号作为 APC 控制器的反馈。在每次换辊后,将进行轧机校正操作,包括位置调零、轧制线标高调整等。 APC 控制器APC 控制器采用 PI 调节器,PI 参数将根据伺服阀、液压系统的特性进行整定,以获得最好的动、静态性能。 伺服阀的补偿控制为获得良好的动、静态性能响应快而超调量小,控制器设有两个补偿环节。油流量非线性补偿,即蝶型曲线补偿,油压缩补偿,补偿值与液压缸行程相关。 辊缝的打开根据操作员或自动顺序功能的指令,辊缝可以打开到预设定的位置或快速紧急打开。