热卷箱钢卷主动无芯移送的优化控制

Active Coil Mandrel-less Transfer Optimal Control In Coil-box

王继红

（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司自动化部，山东 莱芜 271104）

摘  要：针对热卷箱钢卷无芯轴移送传统控制方法的缺陷，介绍一种预先优化移送轨迹的方法，使移送过程更平稳、高效。

Abstract：Coil box is a important equipment in Hot Strip Mill. With several generations of development, Coil transfer from use a mandrel to without mandrel. The traditional methods use sequence control to drive the roller, the coil step by step moving to the next position. This paper introduces a predetermined transfer trajectory optimization method, and thus to control the coil to make more stable and efficient transfer. 

关键词：热卷箱；移送优化；无心轴

Keywords：Coil-box，Transfer Optimal

0引言

热连轧带钢在粗轧机和精轧机飞剪前入口侧设置热卷箱，对来自粗轧机的中间坯进行无芯轴卷取，然后对卷取后的中间坯钢卷开卷，使其尾部变成头部，经头部剪切后送入精轧机。其优点：中间坯头尾温差可降到10~30°C，并且尾部温度高于头部；可缩短初轧机和精轧机间延迟辊道的长度； 降低精轧机组能耗。

莱钢1500热连轧机组的热卷箱是采用最新一代技术设计制造的，其工艺先进，控制复杂。其中钢卷的主动移送工艺可以使钢卷在移送过程中的热量损失减到最小。移送的过程非常复杂，要靠各个托辊顺序上下移动，从而产生波浪状的复合运动，推动钢卷移动。采用常规的控制方法，钢卷在移送过程速度不稳定，对托辊的冲击大，不能满足平稳移送控制的要求。因此，需要对工艺过程进行分析，找出更合理的控制方法，来控制移送过程，提高设备的稳定性及可控性。

1 无芯移送工艺

托辊与钢卷的位置关系如图1所示。卷取好的热钢卷在位置1即1A和1B托辊上进行开卷，当头部咬入精轧机后就开始进行无芯移送，将钢卷移送到位置2即2A和2B托辊上继续开卷。目的是尽快空出位置1以备卷取下一块中间坯，同时让钢卷在2A和2B托辊上即保温墙内开卷，可以减少热量损失。无芯移送还可以将钢卷主动移送到位置3即3A和3B托辊上。根据需要还可以完成逆向的移送过程。将1A和1B合起来称为1号托辊，2A和2B合称2号托辊，3A和3B合称3号托辊。图1中的1、2、3分别是钢卷在1、2、3号托辊上。

1.1 从1号到2号托辊

开卷时托辊1B下降到轧线下120mm，在头部咬入精轧机后开始移送，正常生产过程中只需要完成从1号托辊到2号托辊的移送。不同的卷径数据不同(以钢卷直径1800mm为例)，钢卷移送步骤（如表1所示）：首先托辊1B继续下降，推卷器上升将钢卷重心移过1B，使2A接触钢卷，然后1B开始上升，2A下降至接触2B，1B、2A继续上升使钢卷移至2号托辊。整个过程需时12.5s。

图1  托辊及钢卷位置

表1       直径1800mm钢卷移送步骤

1.2从2号到3号托辊

用于处理比较特殊的情况，例如需要空出2号托辊和钢卷无法完成被动移送。开始时托辊2A在轧线高度，2B在轧线下100mm，首先托辊2B下降，2A上升将钢卷重心移过2B，使3A接触钢卷，然后2B开始上升，3A下降至接触3B，2B、3A继续上升使钢卷移至3号托辊，并与开尾辊接触。

1.3 从2号到1号托辊

在开卷中,由于后续设备原因中断开卷，可在飞剪剪断带钢后，将剩余钢卷移至1号托辊处，打开保温墙便可取出钢卷。首先2A下降使1B接触钢卷，2A、2B上升同时1B下降使1A接触钢卷，然后1B、2A上升使钢卷移至1号托辊。

1.4从3号到1号托辊

在开卷中，由于后续设备原因中断开卷，可将剩余钢卷移至1号托辊处，便于取出钢卷。首先托辊3A下降，3B上升将钢卷重心移过3A，使2B接触钢卷，然后3A开始上升，2B下降使钢卷接触2A，2B、3A上升同时2A下降使1B接触钢卷，2A、2B上升同时1B下降使1A接触钢卷，1B、2A上升使钢卷移至1号托辊。

2 2控制方法

分析移送过程，可以发现移送开始时钢卷的重心要下降，在结束时又上升，其目的是利用钢卷的自重来产生运动的加速和减速，使笨重的钢卷移送更加容易且平稳。由于卷径计算精度不高，在移送过程中对控制精度要求不是很高，可以预先规划出钢卷的移送轨迹，确定移送中每一时刻的卷心位置，并由此来计算移送过程中随时间变化的钢卷的位置，再由此计算出该时刻与钢卷相关的托辊应该在的位置（与钢卷接触），控制托辊摆到该位置就可以完成平稳的移送过程。以从1号托辊到2号托辊的移送为例进行说明。

2.1 移送轨迹的确定

从1号托辊到2号托辊的移送，根据移送工艺，要求钢卷的重心移送曲线见图2。由于移送开始时1A、1B托辊的位置是固定的，钢卷的直径已知，可以计算出A点的坐标。同样，移送结束时2A、2B位置也是固定的，钢卷直径D（卷）为已知，D点坐标也可以计算出来。

图2  1号至2号托辊移送

关键是确定B、C两点，由机械工艺提出的控制要求，B点的坐标是随卷径变化而变化，见表2，为方便计算，表中的坐标参考点为1A的轴心。

表2       不同钢卷直径B点坐标

经过对表中不同直径的钢卷移送步骤数据进行分析，得知B点X方向坐标X（B）都在670mm左右，为简便计算，取X（B）=670。

分析Y（B）与D（卷）的关系，发现其为线性度很好的直线，可采用解析法得到：

Y（B）=( D（卷）-1200)×0.646+1082.7

在减速时设定固定水平减速距离为300mm，B点到C点为水平线，确定C点坐标：

X（C）=X（D）-300

Y（C）=Y（B）

2.2 移送速度及位置发生器的设计

首先确定A-B段为加速段，B-C段为匀速段，C-D段为减速段。为了使转折点处的速度变化连续，采用线速度连续变化的方式设计速度发生器。

图3  移送速度曲线

移送速度曲线如图3所示，在各个点的坐标和匀速段移送速度已知的前提下，规定每段的时间分别为：A-B为2.5s， C-D为2.5s，B-C的时间随速度变化而不同。

同样，可以计算出在每一时刻钢卷中心所经过的距离，进而计算出卷心的坐标。

2.3 移送过程中的托辊位置计算

根据托辊驱动油缸内置的位移传感器反馈的油缸的行程，就可以根据机械设备特征数据计算出托辊的轴心坐标。在移送过程中，随时都要计算托辊的轴心坐标，用来计算托辊的实际位置与钢卷之间的距离（间隙）。

2.4 移送过程中的托辊的控制

用计算出的卷心坐标及托辊轴心坐标，可以计算出钢卷中心到托辊轴心的距离，减去二者的半径就可得到二者之间的间隙，可根据此间隙来调整托辊的位置。托辊的控制是闭环的位置控制，根据预先规划好的移送轨迹，在每一时刻计算托辊实际位置与理论计算位置的偏差，作为调整托辊位置的依据不断调整托辊，使其跟随理论计算的给定位置。

2.5 移送过程

在移送条件具备时，移送开始指令激活移送速度与位置发生器，不断计算出当前的移送速度和钢卷的中心位置。在钢卷进入某托辊（包括推卷器）的作用范围时，系统计算该托辊的位置偏差并对其进行位置控制，在钢卷移出起作用范围时，恢复到初始位置。

考虑到移送的同时可能在开卷，即钢卷直径D（卷）是随时变化的，移送会影响开卷速度，影响卷径计算结果，因此需要进行移送距离对于卷径的补偿，来提高卷径计算的精度，也有助于提高移送过程的精度与稳定性。

3实际应用效果

采用该控制方法对莱钢热卷箱移送过程进行控制，取得了良好的效果，移送过程平滑稳定无冲击。实际应用中计算得出的托辊位置（设定位置）与实际的托辊位置在时间上相差约500ms，一致性很好，说明控制过程中托辊的随动性能良好，完全达到了设计预期的控制效果。500ms的滞后是由控制系统的运算和液压系统的执行时间等引起的，该滞后是所有的托辊都存在的，为同步滞后，对钢卷的移动控制没有任何影响。

根据此方法分别设计了顺向移送和逆向移送程序，实现了一键启动，自动移送全过程。

4结语

使用该控制方法，移送过程平滑稳定，且不需要任何人工干预，完全自动完成，使用较高处理能力的PLC控制器即可满足要求。

参考文献

[1]施妙根，顾丽珍.科学和工程计算基础[M].北京：清华大学出版社，1999

作者简介：王继红（1969-），工程师，从事工业自动化研究及应用工作。

收稿日期：2012-12-24