樊 銳，張宏展，毛永志

(1. 涿神有色金屬加工專用設(shè)備有限公司，河北 072750；2.北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120)

不可逆鋁冷軋機(jī)自動停車的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

樊 銳1，張宏展2，毛永志2

(1. 涿神有色金屬加工專用設(shè)備有限公司，河北 072750；2.北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120)

0 引言

不可逆鋁冷軋機(jī)是鋁加工過程中的一個重要環(huán)節(jié)，該過程將鋁熱軋機(jī)或鋁鑄軋機(jī)生產(chǎn)的厚帶材鋁卷經(jīng)過幾個道次的軋制，對帶材的板形和厚度進(jìn)行精確控制，生產(chǎn)出符合用戶要求的相關(guān)規(guī)格薄帶材鋁卷，提供給鋁箔粗軋機(jī)或厚剪機(jī)等設(shè)備，以對鋁材進(jìn)行進(jìn)一步精加工。

不可逆鋁冷軋機(jī)來料尤其是開坯料的料頭和料尾通常板形較差、厚差較大，在軋制時不易控制帶材的板形和厚度，容易造成斷帶甚至損壞設(shè)備，為了軋制出合格的產(chǎn)品以及保護(hù)設(shè)備，需要去除來料的料頭和料尾。來料的料頭可以在軋制開始前切除，料尾則需要在軋制過程中及時停車以便切除，即通常所說的甩尾，這時候就需要準(zhǔn)確判斷停車時機(jī)，使設(shè)備在生產(chǎn)過程中能夠自動減速停車，根據(jù)生產(chǎn)需要剩余下質(zhì)量不好的料尾，避免剩余卷材過多降低生產(chǎn)效率、造成浪費(fèi)或剩余卷材過少甚至尾料全部沖過軋機(jī)造成設(shè)備損壞甚至起火等事故。

1 自動停車部分的設(shè)備基本組成及其工作原理

不可逆鋁冷軋機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

機(jī)列工作過程描述：將要軋制的鋁卷來料經(jīng)過開卷機(jī)開卷，經(jīng)由入側(cè)偏導(dǎo)輥、入側(cè)張緊輥組的導(dǎo)向和展平，通過工作輥進(jìn)行軋制，在軋制中通過板形和厚度控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制帶材的板形和厚度，以成為符合相關(guān)規(guī)格的鋁材，再經(jīng)過出側(cè)包角輥后，到達(dá)卷取機(jī)上卷取，從而生產(chǎn)出符合用戶要求的鋁卷。

1.1 不可逆鋁冷軋機(jī)的設(shè)備基本組成

1）開卷機(jī)：用于對鋁卷來料進(jìn)行開卷，及對開卷進(jìn)行張力控制等。

2）開卷激光卷徑測量：該激光測距裝置安裝在開卷機(jī)與主機(jī)之間的入側(cè)裝置上，利用激光測得的距離計(jì)算得到開卷卷材的卷徑大小，用于開卷張力控制和開卷自動減速停車等。

圖1 不可逆鋁冷軋機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

3）入側(cè)偏導(dǎo)輥：主要對帶材起導(dǎo)向作用。

4）入側(cè)張緊輥組：主要對帶材起導(dǎo)向和展平作用。

5）主機(jī)部分：主機(jī)部分是軋機(jī)的主體，主要由支承輥、工作輥、壓上缸、噴桿梁和牌坊等組成，用于對帶材進(jìn)行軋制，控制軋機(jī)的軋制速度，并根據(jù)板形控制系統(tǒng)和厚度控制系統(tǒng)發(fā)出的指令對帶材的板形和厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（1）上支承輥：用于支撐工作輥。

（2）上工作輥：與下工作輥一起用于軋制帶材。

（3）下工作輥：與上工作輥一起用于軋制帶材。

（4）下支承輥：用于支撐工作輥。

（5）噴桿梁：用于冷卻和潤滑工作輥，通過噴淋改變輥形進(jìn)而調(diào)節(jié)帶材板形。

（6）壓上缸：用于調(diào)節(jié)軋制力，通過改變軋制力或輥縫大小對帶材厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（7）牌坊：用于安裝主機(jī)部分的各種設(shè)備。

6）出口測厚儀：用于檢測軋機(jī)出口帶材厚度，屬于軋機(jī)厚度控制系統(tǒng)的一部分，反饋的信號參與厚度自動控制。

7）板形輥：用于檢測軋機(jī)出口帶材板形，屬于軋機(jī)板形控制系統(tǒng)的一部分，檢測的結(jié)果用于對板形的自動控制。

8）包角輥：用于使帶材對板型輥形成固定包角。

9）卷取激光卷徑測量：該激光測距裝置安裝在卷取機(jī)與主機(jī)之間的出側(cè)裝置上，工作原理與開卷激光卷徑測量一樣，用于卷取張力控制。

10）卷取機(jī)：用于對軋制完畢的鋁材進(jìn)行卷取，及對卷取進(jìn)行張力控制等。

1.2 開卷卷徑測量裝置的基本組成及工作原理

開卷卷徑測量裝置主要由激光測距裝置組成，檢測的結(jié)果通過計(jì)算得到開卷卷材的直徑，用于開卷張力控制和開卷自動減速停車等，其結(jié)構(gòu)如圖2中所示。

1）開卷機(jī)上的卷材。

2）激光測距儀：1.1中已經(jīng)提到過此裝置，激光測距儀在安裝時要對準(zhǔn)開卷卷材中心，以確保檢測的準(zhǔn)確。

其中D為開卷卷材直徑，D0為開卷卷材套筒的直徑，L0為激光測距儀到開卷卷材套筒的距離，L為激光測距儀到開卷卷材的距離。D0為已知的套筒直徑，L0在調(diào)試過程中已經(jīng)測出，通過檢測激光測距儀到鋁卷的實(shí)時距離L，計(jì)算得到開卷卷材的卷徑大小D=2(L0-L)+D0。

2 不可逆鋁冷軋機(jī)自動減速停車功能實(shí)現(xiàn)的原理

圖2 開卷卷材卷徑測量裝置示意圖

軋機(jī)自動減速停車的過程是：首先，操作人員對需要甩尾的殘料進(jìn)行設(shè)定（如設(shè)定殘料的卷徑或壁厚等），激活“自動減速停車”使能按鈕。然后，通過程序判斷開卷卷材何時到達(dá)相關(guān)設(shè)定，軋機(jī)自動切換到“穿帶”模式，開始降速。隨后，軋機(jī)進(jìn)入自動勻減速階段，在此過程中操作人員可以手動切換軋機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，此時自動減速停車模式自動終止；如不中止自動模式，則軋機(jī)持續(xù)降速。最后，軋機(jī)達(dá)到穿帶速度（10～30m/min可調(diào)），此時若無其他操作，則軋機(jī)自動切換到“停止”模式直至軋機(jī)停止，軋機(jī)自動減速停車結(jié)束，軋機(jī)自動減速停車功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是判斷軋機(jī)何時開始減速停車。

2.1 軋機(jī)減速過程中帶材行走的長度

首先，我們需要知道軋機(jī)從開始減速停車到完全停止下來的過程中開卷機(jī)鋁帶材行走的長度。當(dāng)軋機(jī)減速時不進(jìn)行其他操作則此減速過程是勻減速，示意圖如圖3所示。

圖3 不可逆鋁冷軋機(jī)減速過程示意圖

根據(jù)公式有：

其中L為鋁帶材行走的長度，Vt為開始減速停車時刻的開卷機(jī)線速度，Vt1為開始減速停車時刻的主機(jī)線速度，Vmax1為軋機(jī)最高機(jī)列速度，tmax1為軋機(jī)從最高速停車所需的時間（tmax=tmax1），Δt為軋機(jī)從當(dāng)前速度減速到停止所需要的時間。

式（2）代入式（1）可以計(jì)算出軋機(jī)勻減速過程中開卷機(jī)鋁帶材行走的長度，即軋機(jī)開始自動減速停車后到軋機(jī)停止時開卷機(jī)鋁帶材行走的長度。

2.2 開卷機(jī)殘料設(shè)定的4種方法及其應(yīng)用分析

因?yàn)殚_卷機(jī)卷材的直徑是通過實(shí)時檢測得到的，所以只要判斷出在開卷機(jī)卷材直徑達(dá)到多少時開始減速，在軋機(jī)停下來時開卷機(jī)卷材剩余量符合設(shè)定要求即可。為了方便操作人員的操作，我們設(shè)計(jì)四種對開卷機(jī)需要甩尾殘料的設(shè)定方法：1）設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材半徑（直徑）；2）設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材壁厚；3）設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材長度；4）設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材圈數(shù)。下面針對軋機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)對自動減速停車進(jìn)行分析。

2.2.1 設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材半徑（直徑）

根據(jù)面積公式，如圖4所示。

圖4 卷材示意圖

圖5 帶材展開示意圖

如果將卷材展開，如圖5所示。

其中S為面積，R為開卷卷材當(dāng)前半徑，r為設(shè)定的停車卷材半徑，hr為軋機(jī)入口卷材厚度，L1為卷材長度。

假設(shè)將鋁材展平，考慮到鋁卷材的空隙率，則有：

其中λ為修正系數(shù)。

式（4）和式（5）代入式（6）中，可以得到卷材展開后的長度，也就是從當(dāng)前卷徑到設(shè)定卷徑的卷材展開長度。

當(dāng)2.1中式（3）中L與L1相等時軋機(jī)應(yīng)該開始自動減速停車，結(jié)合式（3）和式（7）計(jì)算得到：

式（8）中R為開卷卷材當(dāng)前半徑，r為操作人員設(shè)定的需要剩余的殘料半徑，hr為軋機(jī)入口卷材厚度，Vt為開始減速停車時刻的開卷機(jī)線速度，Vt1為開始減速停車時刻的主機(jī)線速度，Vmax1為軋機(jī)最高機(jī)列速度，tmax1為軋機(jī)從最高速停車所需的時間，λ為修正系數(shù)。

2.2.2 設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材壁厚

設(shè)定開卷機(jī)卷材殘料壁厚為Δh，則有剩余卷材半徑：

結(jié)合2.2.1的推導(dǎo)，得到開卷機(jī)卷材從當(dāng)前半徑R到剩余卷材半徑r的剩余帶材總長度:

當(dāng)L=L2時軋機(jī)應(yīng)該開始自動減速停車，結(jié)合式（3）和式（10）得到：

式（11）中R為開卷卷材當(dāng)前半徑，r0為開卷套筒半徑，Δh為操作人員設(shè)定的需要剩余的殘料壁厚，hr為軋機(jī)入口卷材厚度，Vt為開始減速停車時刻的開卷機(jī)線速度， Vt1為開始減速停車時刻的主機(jī)線速度，Vmax1為軋機(jī)最高機(jī)列速度，tmax1為軋機(jī)從最高速停車所需的時間，λ為修正系數(shù)。

2.2.3 設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材的帶材長度

根據(jù)設(shè)定開卷機(jī)卷材殘料長度為L3，則從自動停車開始時刻開卷卷材的展開長度為：

根據(jù)2.2.1的推導(dǎo)，可知：

當(dāng)L=L3時軋機(jī)應(yīng)該開始自動減速停車，即：

式（13）中R為開卷卷材當(dāng)前半徑，r0為開卷套筒半徑，L3為操作人員設(shè)定的需要剩余的殘料帶材長度，hr為軋機(jī)入口卷材厚度，Vt為開始減速停車時刻的開卷機(jī)線速度， Vt1為開始減速停車時刻的主機(jī)線速度，Vmax1為軋機(jī)最高機(jī)列速度，tmax1為軋機(jī)從最高速停車所需的時間，λ為修正系數(shù)。

2.2.4 設(shè)定開卷機(jī)卷材殘料圈數(shù)時帶材的剩余長度

開卷套筒上每增加1層鋁材，則其卷材半徑會相應(yīng)增加1層鋁材的厚度，因此當(dāng)設(shè)定開卷機(jī)卷材殘料的剩余圈數(shù)n時，卷材上的帶材長度可以確定，即：

其中Ln為設(shè)定卷材殘料圈數(shù)時帶材的剩余長度，n為設(shè)定的卷材剩余圈數(shù)，r0為開卷套筒半徑，hr為來料厚度。

當(dāng)Ly=L+L4時軋機(jī)應(yīng)該開始自動減速停車，結(jié)合式（3）和式（15）得到：

式（16）中R為開卷卷材當(dāng)前半徑，r0為開卷套筒半徑，n為操作人員設(shè)定的卷材剩余圈數(shù)，hr為軋機(jī)入口卷材厚度，Vt為開始減速停車時刻的開卷機(jī)線速度， Vt1為開始減速停車時刻的主機(jī)線速度，Vmax1為軋機(jī)最高機(jī)列速度，tmax1為軋機(jī)從最高速停車所需的時間，λ為修正系數(shù)。

2.2.5 開卷機(jī)殘料4種設(shè)定方法的應(yīng)用

通過對上述4種開卷機(jī)殘料的方法進(jìn)行分析，我們可以得知，要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的軋機(jī)自動減速停車，我們需要監(jiān)控軋機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確獲知諸如主機(jī)速度、開卷機(jī)速度和開卷卷材卷徑等。操作人員需要做的僅是選擇殘料的設(shè)定方式，然后輸入卷材的相關(guān)信息。

3 自動減速停車的實(shí)現(xiàn)

從電氣控制方面來講，自動減速停車需要電氣硬件組態(tài)和軟件編程兩個方面來完成，結(jié)合一個我們已經(jīng)調(diào)試完成的項(xiàng)目，提供實(shí)現(xiàn)方案如下。

3.1 硬件組態(tài)

1）激光測距儀：如前所訴，要想實(shí)現(xiàn)自動減速停車，我們需要一個能夠準(zhǔn)確測量開卷卷材卷徑的裝置，用于提供準(zhǔn)確的開卷卷材直徑。激光測距儀性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)、檢測精度高，能夠保證卷徑測量的準(zhǔn)確性。

圖6 系統(tǒng)配置圖

2）PLC：選用SIMENS-400系列，具體組態(tài)見圖6。

3）CPU：選用S7-400，414-3DP，用于完成PLC程序的執(zhí)行，過程數(shù)據(jù)的計(jì)算和對設(shè)備進(jìn)行控制。

4）模擬量輸入模板：安裝于PLC遠(yuǎn)程機(jī)架上，用于接收激光測距儀檢測的數(shù)據(jù)。

5）傳動裝置：用于控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，本例選擇的是ABB直流傳動裝置。

6）編碼器：監(jiān)控電機(jī)速度，同時用于配合傳動裝置控制電機(jī)。

通過以上硬件配置，即可滿足自動減速停車電氣控制的需要。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

我們利用SIEMENS Step7 V5.4軟件，通過對上述4中自動減速停車的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行編程，即可實(shí)現(xiàn)不可逆鋁冷軋機(jī)的自動減速停車控制。

4 結(jié)束語

自動減速停車是不可逆鋁冷軋機(jī)的一個重要功能，如何準(zhǔn)確判斷減速停車的時機(jī)，使開卷卷材剩余的殘料正好為設(shè)定值，是自動減速停車的關(guān)鍵。此種自動停車功能已在我們調(diào)試完成的多臺設(shè)備上投入使用，同時此經(jīng)驗(yàn)可推廣到其他鋁加工設(shè)備上使用。生產(chǎn)實(shí)踐證明此功能設(shè)計(jì)合理，操作簡單方便，系統(tǒng)運(yùn)行良好，提高了生產(chǎn)效率。

[1]趙剛,楊永利.軋制過程的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M].冶金工業(yè)出版社,2002.

[2]丁修堏.軋制過程自動化[M].冶金工業(yè)出版社,2005.

[3]黃慶學(xué),梁愛生.高精度軋制技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社,2002.

Design and implementation of automatic stopping in irreversible aluminum cold rolling mill

FAN Rui1, ZHANG Hong-zhan2, MAO Yong-zhi2

針對不可逆鋁冷軋機(jī)自動停車功能的實(shí)現(xiàn)提出了設(shè)計(jì)方案，闡述其設(shè)計(jì)思想和原理，并針對4種殘料設(shè)定方法分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，給出實(shí)現(xiàn)其控制的軟硬件配置，為自動停車功能的實(shí)現(xiàn)提供了完整的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方案。

自動減速停車；不可逆鋁冷軋機(jī)；PLC

樊銳（1980 -），男，工程師，本科，主要從事鋁加工設(shè)備電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試工作。

TH161

A

1009-0134(2014)05(下)-0133-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).38

2013-11-25