呂代鵬， 張曉鵬 ，王漸靈，寧武，張業(yè)剛

（1.鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000；2.遼寧科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 鞍山114051）

精軋換工作輥是熱軋生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，換輥快慢直接影響生產(chǎn)產(chǎn)能，因此必須嚴(yán)格控制換輥時(shí)間。目前精軋換輥過程大約需要50 min，對(duì)比其他熱軋產(chǎn)線，理論上可以有25 min的提升空間，按平均每天換輥6次計(jì)算，每天將節(jié)約150 min，這對(duì)提高軋制效率、設(shè)備使用率和產(chǎn)能有極大幫助。因此，有必要對(duì)自動(dòng)換輥過程進(jìn)行系統(tǒng)分析，找出制約換輥時(shí)間的因素，并對(duì)控制方法的不足之處進(jìn)行完善和優(yōu)化。

1 自動(dòng)換輥

1.1 控制系統(tǒng)與被控對(duì)象

精軋換輥控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、編碼器、比例放大器、壓力繼電器及接近開關(guān)等6部分組成。PLC用于換輥程序和I/O控制，變頻器控制換輥小車行走，編碼器檢測(cè)換輥小車位置，比例放大器用于液壓橫移系統(tǒng)的控制，壓力繼電器、接近開關(guān)用于位置檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。換輥過程控制內(nèi)容主要指換輥機(jī)械設(shè)備動(dòng)作的邏輯順序控制、連鎖控制及液壓閥臺(tái)的控制。被控對(duì)象包括工作輥平衡缸、支承輥平衡缸、接軸、接軸鎖緊裝置、工作輥鎖緊缸、切水板、階梯墊、側(cè)導(dǎo)板、導(dǎo)衛(wèi)缸、橫移缸、換輥小車等[1]，控制系統(tǒng)框 圖見圖1。

圖1 精軋換輥控制框圖

1.2 基本條件

軋制完成后，精軋機(jī)的各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)要從軋制工作位置恢復(fù)到停機(jī)位置，等待換輥。自動(dòng)換輥啟動(dòng)前設(shè)備應(yīng)該具備的條件有：OPU操作箱急停復(fù)位、液壓站無故障、HMI畫面選擇換輥、操作臺(tái)選擇換輥方式、輥徑輸入結(jié)束，上/下工作輥接軸準(zhǔn)確定位、換輥電源鎖打開、換輥小車供電正常，竄輥恢復(fù)到換輥位。

1.3 自動(dòng)換輥過程

精軋換輥采用改變換輥小車走行軌道的方式抽裝工作輥，如圖2。在固定段軌道與軋機(jī)間有一段可移動(dòng)地板蓋，移動(dòng)地板蓋上并列有抽輥軌道和裝輥軌道，換輥小車通過抽輥軌道將工作輥抽出，然后小車后退到固定段軌道，移動(dòng)地板蓋，使裝輥軌道與固定段軌道對(duì)接，再將裝輥軌道上提前備好的新輥裝入軋機(jī)。整個(gè)工作流程以換輥小車行走軌跡為主線，在換輥小車到達(dá)指定的地點(diǎn)前，軋機(jī)各個(gè)機(jī)械部件需要按照程序指令運(yùn)行到指定位置。

換輥過程共分成八步，見表1，每個(gè)步驟控制相應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)作。第一步和第八步是準(zhǔn)備和回收工作輥過程，不影響軋制節(jié)奏，故不計(jì)入換輥時(shí)間 。第二步至第七步為自動(dòng)換輥過程，縮短換輥時(shí)間的關(guān)鍵是如何有效控制軋機(jī)停機(jī)準(zhǔn)備時(shí)間和各個(gè)設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 軸裝輥軌道示意圖

表1 自動(dòng)換輥步驟

續(xù)表1

2 影響換輥時(shí)間的因素

換輥時(shí)間是衡量一條熱軋生產(chǎn)線自動(dòng)化水平的重要指標(biāo)，要想縮短換輥時(shí)間，就必須使精軋7架軋機(jī)實(shí)現(xiàn)同步全自動(dòng)換輥，減少人工干預(yù)耗費(fèi)的時(shí)間，通過PLC控制保證每一個(gè)步驟環(huán)節(jié)的穩(wěn)定執(zhí)行和各個(gè)步驟之間的順暢銜接。對(duì)換輥過程跟蹤、分析后發(fā)現(xiàn)影響自動(dòng)換輥耗時(shí)的主要因素有以下四點(diǎn)。

（1）階梯墊托架與AGC缸經(jīng)常脫離造成支承輥上升卡阻。當(dāng)自動(dòng)換輥程序運(yùn)行至第214步時(shí)，上階梯墊調(diào)整到換工作輥位置，然后上支承輥上升到上極限位置，在上升過程中，經(jīng)常出現(xiàn)上支承輥上升到一半左右后便不再繼續(xù)上升現(xiàn)象。反復(fù)研究圖紙資料發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)托架是通過側(cè)面與AGC缸缸桿接觸定位，接觸形式為線接觸，原設(shè)計(jì)下極限位置見圖3。

圖3 原設(shè)計(jì)下極限位置示意圖

由于精軋機(jī)每天要換6～8次輥，導(dǎo)致托架磨損加快，定位精度下降。當(dāng)支承輥平衡下降到最低位置時(shí)，AGC缸缸桿頂部與托架相分離，當(dāng)階梯墊調(diào)整到換工作輥位置使支承輥平衡再次上升時(shí)，AGC液壓缸竄位不能準(zhǔn)確地進(jìn)入到托架范圍內(nèi)部,從而造成上述故障現(xiàn)象。此時(shí)只有進(jìn)入軋機(jī)內(nèi)部，利用螺旋千斤頂手動(dòng)將AGC缸調(diào)整復(fù)位才能全部完成，7個(gè)機(jī)架換輥共需要50 min，這個(gè)過程嚴(yán)重影響了正常換輥的效率[2]。

支承輥平衡下降到最低位置時(shí)，AGC缸與托架的最小配合尺寸=托架厚度+T型架頭部厚度-T型架全長(zhǎng)=60+60-125=-5 mm。說明支承輥平衡下降到最低位置時(shí)，AGC缸與托架脫開距離為5 mm。

（2）換輥小車走行位置不準(zhǔn)確。圖4是換輥小車走行圖，其中，圖4（a）是小車走行路線示意圖，此過程中必須要求抽、裝工作輥的4個(gè)點(diǎn)位定位準(zhǔn)確，否則將直接影響自動(dòng)換輥的成敗。目前的情況是每次換輥后4點(diǎn)數(shù)值都發(fā)生變化，無法準(zhǔn)確定位，如圖4（b），其原因是：換輥小車走行需要經(jīng)過固定段輥道和橫向移動(dòng)地板蓋輥道段，如圖2，走行距離約6.7 m，由于存在傳動(dòng)間隙和軌道間隙，小車在行走過程中誤差逐漸累積，當(dāng)?shù)竭_(dá)抽、裝輥位置時(shí)，誤差值最大，反饋位置已經(jīng)不能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際抽、裝輥位置。

圖4 換輥小車走行圖

（3）軋機(jī)停車后接軸對(duì)位不準(zhǔn)確。為了能使新輥順利裝入軋機(jī)，新輥輥端扁頭方向必須和舊輥扁頭方向一致，并都處在垂直位置，所以要求每次軋機(jī)停車時(shí)接軸停止的位置也要固定。主傳動(dòng)停車時(shí)接軸對(duì)位命令發(fā)出，經(jīng)兩次減速后停止。圖5（a）為單擋鐵對(duì)位示意圖，現(xiàn)接軸對(duì)位采用一個(gè)固定點(diǎn)接近開關(guān)檢測(cè)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)擋鐵的形式，定位慢，不準(zhǔn)確，且有漏檢現(xiàn)象，導(dǎo)致軋機(jī)停車后，接軸對(duì)位不準(zhǔn)，需手動(dòng)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)接軸進(jìn)行對(duì)位，見圖5（b）。

（4）原設(shè)計(jì)程序還有可優(yōu)化空間。原有程序設(shè)計(jì)是按照表1的序號(hào)順序執(zhí)行，執(zhí)行效率低。 其中 205、211、213、702、704 步?jīng)]有實(shí)際執(zhí)行過程，應(yīng)刪除。此外，還應(yīng)完善設(shè)備的連鎖條件，避免機(jī)械干涉引起的程序中斷；合理縮短信號(hào)濾波時(shí)間；提高液壓伺服、比例系統(tǒng)運(yùn)行速度等。

圖5 原接軸對(duì)位方式

3 優(yōu)化方法

3.1 設(shè)計(jì)支承輥平衡升降階梯控制

為避免換輥時(shí)AGC缸桿頂部因與階梯墊托架發(fā)生機(jī)械干涉，造成平衡上升不到位，結(jié)合階梯墊與支承輥平衡杠的機(jī)械機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種新的支承輥平衡控制方法——支承輥平衡升降階梯控制，可有效避免機(jī)械干涉。

原程序設(shè)計(jì)為：抽舊輥前，支承輥平衡下降到最低位置，階梯墊由工作位置退回到換輥位置；裝新輥后，支承輥平衡下降到最低位置，階梯墊由換輥位置前進(jìn)到工作位置。

改進(jìn)具體措施如下：抽輥時(shí)，當(dāng)程序運(yùn)行至210步，保存當(dāng)前位移傳感器的數(shù)值，平衡杠在當(dāng)前值的基準(zhǔn)下下降20 mm，讓出階梯墊走行的空間即可；裝輥后，程序運(yùn)行至608步，保存當(dāng)前位移傳感器的數(shù)值，行程下降距離為階梯墊最大厚度再加20 mm。即：框架總厚度-壓板厚度-托架厚度-T型架頭部厚度-階梯墊的最大厚度-承壓板厚度=388-50-60-60-97-65=56 mm＞20 mm。說明該方法可以保證T型頭在托架范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，避免AGC缸與托架脫開。支承輥平衡升降階梯控制流程圖見圖6。

圖6 支承輥平衡升降階梯控制流程圖

3.2 換輥小車在軋機(jī)前標(biāo)定

小車走行是換輥過程的主線，只有位置反饋正確，才能確保各個(gè)步驟按指定邏輯執(zhí)行。考慮抽、裝輥的4個(gè)定位點(diǎn)是在距離軋機(jī)450 mm的范圍內(nèi)，要求定位精度高，所以在移動(dòng)地板蓋距離軋機(jī)470 mm處設(shè)置一標(biāo)定擋鐵。當(dāng)換輥小車前進(jìn)至擋鐵位置時(shí)，小車上的接近開關(guān)檢測(cè)到擋鐵信號(hào)，信號(hào)接入遠(yuǎn)程I/O通過PROFIBUS—DP發(fā)送給PLC。在PLC程序中編寫標(biāo)定程序，當(dāng)接收到標(biāo)定信號(hào)后，將要標(biāo)定的位置數(shù)值寫入編碼器，從而消除換輥小車在行走過程中產(chǎn)生的位置誤差。小車走行控制流程圖見圖7。

3.3 接軸對(duì)位方式調(diào)整

為解決定軋機(jī)停車時(shí)接軸定位慢，不準(zhǔn)確，且有漏檢的現(xiàn)象。從空間上考慮調(diào)整檢測(cè)形式，調(diào)整后的接軸對(duì)位方式見圖8。將原來的單擋鐵檢測(cè)定位改造為雙擋鐵檢測(cè)定位，如圖8（a），并將開關(guān)檢測(cè)距離由100 mm增加到350 mm，調(diào)整確定接近開關(guān)與擋鐵的位置；對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行修改，調(diào)整二次減速點(diǎn)降速值，使停車時(shí)間縮短、定位準(zhǔn)確，控制流程見圖8（b）。

圖7 小車走行控制流程圖

圖8 調(diào)整后接軸對(duì)位方式

3.4 PLC程序優(yōu)化

PLC程序是工業(yè)自動(dòng)化控制的核心，程序的執(zhí)行效率直接影響工序的運(yùn)行時(shí)間。對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行合理優(yōu)化，可以提高換輥程序的執(zhí)行效率，節(jié)約換輥時(shí)間。修改后的控制流程見圖9。

（1）原程序是按表1步驟順序執(zhí)行，其中換輥小車的行走需要占用很大一部分時(shí)間，如果將小車的行走改為并行于其他沒有關(guān)聯(lián)的步驟，將大大縮短換輥時(shí)間。

（2）刪除程序中沒有的過程：205、211、213、702、704。節(jié)約程序執(zhí)行判斷時(shí)間。

（3）調(diào)整部分步驟之間的啟動(dòng)時(shí)序，同時(shí)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)互不干涉的步驟。

（4）調(diào)整控制程序中檢測(cè)元件的濾波時(shí)間，縮短延時(shí)時(shí)間或取消不必要的延時(shí)程序。

（5）完善步驟運(yùn)行的連鎖條件，防止因設(shè)備誤動(dòng)作而影響換輥流程。

（6）調(diào)整液壓系統(tǒng)運(yùn)行速度，提高階梯墊移入、移出速度和入出口導(dǎo)衛(wèi)移入、移出速度。

（7)調(diào)整換輥小車行走速度，將404步驟后退500 mm調(diào)整為后退200 mm，以節(jié)約小車行走時(shí)間。

圖9 換輥控制流程圖

4 使用效果

（1）支承輥平衡升降階梯控制效果如圖10。該方法首次應(yīng)用在支承輥平衡杠升降控制中，既減少了托架不必要磨損，又減少了走行所需的時(shí)間，同時(shí)也避免了處理設(shè)備故障的時(shí)間。

（2）換輥小車在軋機(jī)前標(biāo)定效果如圖11。增加標(biāo)定過程后，有效消除換輥小車在行走過程中產(chǎn)生的位置誤差，解決抽、裝輥小車走行不準(zhǔn)問題，減免人工調(diào)整小車位置的時(shí)間。

（3）接軸對(duì)位優(yōu)化效果如圖12。調(diào)整接軸對(duì)位方法后有效縮短停車時(shí)接軸對(duì)位的時(shí)間，接軸對(duì)位準(zhǔn)確，減免人工調(diào)整接軸位置的時(shí)間。

（4）自動(dòng)換輥7機(jī)架全流程使用效果。圖13為7輛換輥小車位置曲線，對(duì)比圖13（a）和（b），換輥時(shí)間由原來的59 min縮短到13 min，7輛換輥小車實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定同步運(yùn)行，換輥過程連續(xù)無斷點(diǎn)，有效避免了許多由于機(jī)械干涉引起的故障，無需人工干預(yù)，真正實(shí)現(xiàn)7機(jī)架全自動(dòng)換輥。

圖10 支承輥平衡升降效果圖

圖11 換輥小車走行位置圖

圖12 接軸對(duì)位優(yōu)化后效果

圖13 7輛換輥小車位置曲線

5 結(jié)語

通過對(duì)自動(dòng)換輥過程的跟蹤、分析和優(yōu)化，解決了支承輥上升不到位，換輥小車抽裝輥定位不準(zhǔn)及接軸對(duì)位慢、不準(zhǔn)確等問題，有效縮短換輥時(shí)間。優(yōu)化后的換輥程序運(yùn)行穩(wěn)定，效果顯著，換輥時(shí)間由原來的59 min縮短到13 min，真正實(shí)現(xiàn)了整個(gè)換輥系統(tǒng)的高度自動(dòng)化控制，提高了軋制生產(chǎn)效率。