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矯正扁軋制品現代化設備的自動化
Yu. N. Belobrov, V. G. Smirnov,
A. I. Titarenko, V. A. Perekhodchenko,
and I. L. Sinel’nikov
Severstal公司于2003年8月[1, 2, 3]在其2800和5000輾軋器上成功完成引進新的線內矯直機（PSMs）。此機器的主要設計特點如下：
每臺機器配備液壓暫緩機制（以改善機器調整的動力和準確度，更加可靠地維持恒定差距）;
每臺機器擁有借助液壓缸來單獨調整每個工作輥的機制（這就通過提供對一個曲率改變的控制拓寬了矯直的范圍）；
每一工作輥由其自身的可調驅動提供（以消除軸與軸之間堅硬的動力約束）；
輥的PSM系統(tǒng)附著在暗盒中（以方便維修和降低輥更換費用）；
PSM具有可調整機器從十輥矯直計劃到五輥矯直計劃的系統(tǒng)，也就是雙倍的輥間距離（這就拓寬了機器可提供的板厚范圍）。
因此，新的矯直機是包括一個有由數字和模擬信號控制的大范圍液壓和電力驅動組件構成的先進多功能系統(tǒng)機制。整個復雜的PSM機制可以被劃分為以下兩個功能組：主要功能組，包括直接參與矯直運作的機制（阻跌機制，單獨調整輥的機制，調整不同矯直過程的組件，從頂部輥到各支線的機制，主驅動器）；輔助功能組，（包括暗盒更換機制，軸鎖機制，輥冷卻系統(tǒng)設備）。雖然PSM用于盤大數目的機制，但運用現代化的液壓及電力驅動使得在PSM及其元件上操作的主輔運作都能實現完全的自動化。
以下是對最重要的板矯直機器機制的特點和自動化控制系統(tǒng)的描述。同時討論下這些機制的運作機制。單片矯直機器功能的液壓阻跌機制（HHMs）主要是以下兩個機制：調整機制；通過此機制維持特殊位置。每一機制對應的控制系統(tǒng)和一定效率標準都需滿足一定要求。在調整機制中，液壓阻跌機制控制系統(tǒng)必須完成以下職能：
與液壓缸同步運動并保持偏差角度在規(guī)定范圍內；
為調整一個新板的尺寸而加速；
維持機制安置的高精度；
在維持機制的運作時控制系統(tǒng)需滿足以下條件：
穩(wěn)固頂部暗盒與頂部支線輥的高精度協(xié)調；
減少當設備發(fā)生偏差時將其返回至規(guī)定坐標所需的時間（比如因矯直一塊板而用的力）；
需要同步化。在Severstal的第三制板車間的板矯直機器運作的經驗中顯示大多在調整機器中的問題因素都是應用液壓缸時力量的不均勻造成的。PSM中大量的運作部分的不對稱分配是引起這一不均勻的原因（特別是軸配置重量的影響）。服務系統(tǒng)閥的“電力零點”及其關聯的“液壓零點”也是一個作用因素。液壓缸的體積越小，后者的作用就越為顯著。因此，支線的頂部輥的HHM是使零點漂移的最敏感的系統(tǒng)。
還有其他影響阻跌機制動力，同時性與同步性的因素：
雖然偏差不大，但是由于不同配件的尺寸偏差使液壓缸上部件產生摩擦力的不同。
液壓供應渠道的“彈跳”特性與慣性表征指數的不同（由于從服務閥引向液壓缸的管道長度不同產生）。
因此，由于PSM沒有配備汽缸同步運作機制裝置，發(fā)射相同規(guī)模信號至服務閥輸入端就不可避免產生不同的速度使機制造成嚴重損壞。
為減少和消失以上所提因素造成的地影響，我們?yōu)樽璧鴻C制的電力同步化開發(fā)了算法。
暗盒頂部的HHM由四個阻跌缸與四個平衡缸組成，這一設計可以確保機器的移動調整被設定到矯直縫要求的尺寸（與板的厚度一致 ）并且使矯直縫在存在或不存在外罩負載的情況下在受矯直力量作用時都能維持特別的精度。阻跌機制的汽缸系統(tǒng)是按照僅有一個內腔被用作工作腔的方式設計的。而第二腔則與充電渠道相連。頂部暗盒在阻跌汽缸克服平衡壓力的時候下跌。暗盒的上升也只有平衡缸的動作來實現。這一安排消除了設備位置放置之間的縫隙。
而輥支線上的HHM則由兩個氣壓缸構成。當輥將下跌和將進入桿腔將上升時高壓液體就涌進活塞腔。
控制原理。為控制阻跌機制的液壓缸提供單獨的回路（圖1）。從服務閥輸入端發(fā)送的控制信號（Xctl）由比例整數控制器（PI）形成（為提高系統(tǒng)的靈敏度，我們選擇使用“0”部分重疊閥門）。從控制器（誤差信號Xerr）發(fā)送至輸入端的信號則是由位置控制點信號（Xcpt）與反饋信號（Xf.b）的差異形成的。而后者的信號接收于給定液壓缸的線更換儀器（G）。
HHM頂部暗盒的測試儀建為平衡液壓缸（HCs）。經過一定的系數允許，液壓缸以其移動可以被看作與缸桿更換回應相同的方式進行安裝。支線的HHM頂部暗盒的測試儀直接與阻跌缸合并。整部控制器僅在在最終調整步驟與規(guī)定協(xié)調穩(wěn)定時才激活。當更換超過某個一定的最低限度值時，PI控制器的功能將被比例控制器（P）的轉換功能W(s) = k所代替。因此，Xctl(t) = kXerr(t).
當更換的工作輥之間有明顯的差異時，控制點與線更換儀器的反饋信號將達到一個足夠大的值，那么，控制服務閥運作的輸出端信號將達到飽和區(qū)域。在這種情況下，只要誤差超過Xctl 大于飽和區(qū)(Xsat)的邊界值的時候，更多的更換綠規(guī)則和缸的同步運動將不可能。限制誤差---- Xctl不達到飽和的最大誤差----與控制器比例上所得值完全相反k: Xerr < Xsat /k。
通過減小k值來解決所給問題會導致PSM在調整中速度的丟失和矯直運作中控制精度的減小。所以，這一系統(tǒng)的設計是為了保持當存在實質更換時從飽和區(qū)所得控制信號，使控制器輸入端不會送入需要的數值(Xrq)，而是有相當增加的數值 (DX)以滿足kDX < Xsat 的條件。
控制點通過與缸運動方向有關的最大落后的回應增加而引起的缸的位置發(fā)生變化使DX總合增加?？刂泣c的調整將繼續(xù)，直到當機制所需值與實際位置小于增加值的時候Xrq – Xf.b < DX。
然后，控制器輸入端的值為Xcpt，它與所需調整值相等Xcpt = Xrq. 這樣調整就完成了。運用分步增加控制點的原理使缸的同步運動與對于幾乎任意理想重復因素的點高精度控制設置得到了實現工作輥單獨調整機制。
通過將液壓缸與V帶驅動相連的方法，板矯直機器的設計使各個工作輥能夠垂直地移動。缸的動力由部分控制與服務閥運作來供應。一個線更換儀器建成從輥位置上獲得反饋信號的一個缸。
因為這些儀器實際上是通過缸桿而非工作輥來傳遞信息，以下的換算傾向于由輥的協(xié)調得到：Xrol = kredXf.b。此處，kred是驅動的傳動裝置比例，Xf.b 是由線更換換能器通過缸桿測量得到的位置。
所以，每個工作輥的位置通過提供反饋回路來加以控制的。圖1是其中一條回路的圖解。控制信號是通過PI控制器的方式生成的，它成功地實現了在沒有滿意速度的情況下也能調整系統(tǒng)的高精度。
輥的單獨驅動：
上述設計基于帶不同能量供應的自控馬達驅動頻繁地轉換實現。每個單獨的驅動提供多于一個足驅動的優(yōu)點如下：
更大的可靠性，工作輥線速與板的速度差異使機制少了很多負載的組件；
當一個或甚至幾個驅動發(fā)生故障時機器仍能繼續(xù)運作；在這種情況下，輥的回應能從矯直區(qū)域撤去；
輥的線速可以根據板的實際速度單獨被糾正；此糾正能被作為預備措施（在已測值和已計算值的基礎上）也可以在矯直運作的過程中（通過雇傭人員來獲得頻繁轉化的數據）進行。
主驅動繞九個矯直輥和兩個外罩輥轉動。因為PSM被安裝在輾軋線上，也就是說，如果驅動在即使很短的時間內也無法正常運作，那么可能造成不能大批量生產，所以驅動在運作中必須高可靠。 驅動必須要滿足的要求決定機器的運作和設計特性如下：
進行矯直的板必須在矯直輥，外罩輥以及輥轉送器的毗鄰部分建立剛性的動力學連接；
由于在矯直操作中塑性變形，板需要伸長，長度的增加隨著各工作輥長度因彎曲半徑的不同而不同。這種情況導致板速在朝PSM終端移動時不均勻分布的增加；
必須可能使用不同直徑的工作輥（這一點還正在做，比如，因為不均勻的磨損或重磨）；
輥的負載應根據所選矯直機制來區(qū)分；
反向的矯直也應該可以；
鑒于以上因素與此處討論的板矯直機器實際運作機制問題，以下是建立電力驅動的要求：
速度的規(guī)定在較廣的限制內，包括負荷下的馬達啟動；
在逆向機制中也可運行；
剛性特性 w = ?(M)；
維持規(guī)定速度的高精度；
完全同步操作；
元素基礎：
輥的驅動是由具有短路轉子的異步三相馬達建立起來的。該馬達由德國VEM公司設計。它們在嚴重超載的情況下仍能繼續(xù)可靠地運作?？刂拼笋R達頻率轉換的SIMOVERT是由德國西門子公司制造。其模塊化設計便于維護和修理，其存在的一個內置為處理器座使人們能執(zhí)行大部分牽涉驅動控制運作的功能（ 維持規(guī)定的速度下的高度穩(wěn)定性，重新根據輥的實際直徑計算旋轉頻率，診斷驅動的狀況，控制驅動運作，在PROFIBUS網絡之間交換信息）。
因為不同時點輥之間不同的分配度，所以不同種能量的馬達被用在系統(tǒng)中。 使用不同的馬達就能顯著地減少電力設備耗費成本并且改善整機的性能。
此機器擁有三種主要運作機制：工作機制（半自動化與自動化），運輸機制，以及暗盒更換機制。
圖2顯示了工作機制實現運作的框圖。在這種半自動化機制中，操作者通過操作臺控制PSM。在這種情況下，操作者可完成如下操作：從數據庫中選取矯直機制；糾正已選機制；手動調整機制，這需要操作者指示所需暗盒按鈕位置（為五輥矯直還是十輥矯直）；調整暗盒頂部到底部之間的縫隙；為工作輥設置單獨調整協(xié)調；選擇矯直速度與方向；生成開始調節(jié)機器到一指定機制的命令。
機器自動調整至所選機制。在調整完成后將有信號發(fā)送至控制板以指示機制協(xié)調改變，輥達到其規(guī)定工作速度。工作機制，即板矯直機器根據由從高級系統(tǒng)通過網絡發(fā)送的基礎數據進行調節(jié)。這些數據包括以下信息：將被矯直板的厚度；剛的組成（材料屬性信息）；送至PSM入口的板溫。
PSM通過以下步驟調節(jié)：
基于板厚和鋼組成的預備調整，適用于冷軋板（t = 20°C）；
深一層調整基于安裝在與PSM大概相距50m的高溫計獲得的數據；
最終調整基于安裝在機器入口處的高溫及獲得的數據；
在自動化變種中，當下一塊板將要到達機器的時候，控制機器的毗鄰輥轉送器轉變?yōu)镻SM系統(tǒng)控制。 在這種情況下，板要直到調整完成后才可進入機器工作區(qū)。如果通過機器的一塊板不需要矯直，那么機器將轉入傳輸機制。在這種情況下，頂部橫架以及暗盒被升至一規(guī)定量，輥的速度改變，這樣其速度就與毗鄰的輥轉送器速度一致了。暗盒更換機制用在當輥破損或需要再次研磨工作輥和備用輥時。在這種情況下，操作者可通過控制輔助機制控制運作：軸鎖機制，出輥車，鎖住暗盒底部以及車位置，以及移動車的液壓缸。該機制通過非接觸式傳感器固定于適當位置。
PSM控制系統(tǒng)：
控制板矯直機需要開發(fā)一個強有力的高性能系統(tǒng)，為其提供理想的控制精度并結合快速的運作。
此控制系統(tǒng)被劃分為兩個層次：基礎層次，更高層次。診斷系統(tǒng)被建立為一個分離的系統(tǒng)。為了控制PSM的水泵站還提供了一個第二控制器?？刂葡到y(tǒng)的基礎層次采用SIMATIC S7工業(yè)程序控制器，而上等層次控制器和診斷控制器則建立在標準的計算機基礎之上。用于更高層次系統(tǒng)的計算機同時也為PSM的控制板服務。控制器的不同元素與一個PROFIBUS網絡的兩環(huán)路相連（圖3）。第一個環(huán)路的功能是與控制器，更高層次計算機，診斷站，水泵站控制器之間的溝通連接。第二個環(huán)路由系統(tǒng)功能元素連接PSM控制器（頻率轉換，線更換儀器，輸入/輸出遙控模塊）。
控制系統(tǒng)的功能依據下列原則被劃分為基礎層次和更高層次：所有牽涉從安裝在機制上的傳感器接收數據，通過自動過程控制系統(tǒng)從將被矯直的板上獲取信息，為執(zhí)行機制（傳動裝置）生成或發(fā)射信號的運作都被指定為基礎層次。歸檔控制點與控制控制板運作的功能被指定為更高層次。以下具體功能則都是由控制板上的基礎層次自動化系統(tǒng)完成的：
從更高層次系統(tǒng)獲得指定矯直參數（輥速度，頂部橫臂坐標，與橫臂相關聯的輥的坐標）；
加工參數，將控制信號的回應發(fā)送給自動器；
從安裝在機制上決定PSM是否正確安裝并準備矯直運作的感應器獲取信息；
從安裝在機制上計算控制行動的反饋傳感器獲取信息；
分析從感應器所讀數據確定數據的準確性；
與 PSM 的水泵電池站(PBS)進行數據交換，并將該站的運作參數發(fā)射高更高層次顯示；
接收從更高層次系統(tǒng)傳輸來的為機器或PBS進行人工操作的新號；
為作出恰當調整從更高層次系統(tǒng)獲取為數據自動糾正的初始數據；
更高層次的自動系統(tǒng)功能如下：
在矯直機制上為機制選拔輸入數據并將這些信息計入數據庫 ；
從回應板數據庫手動選擇矯直機制（此由操作者完成）；
基于從更高層次系統(tǒng)所獲信息自動選擇矯直機制；
在矯直與暗盒更換機制內手動控制機器；
基于從感應器所讀信息與限制轉換位置指示機制位置；
指示在PSM工作區(qū)域板的出現；
指示由測溫計所量板的溫度；
視覺指示矯直機制與機器調整的代表；
為診斷而視覺指示機器機制與PBS的狀態(tài)代表；
遠程輸入輸出模塊ET200用來為不受管制的驅動器供電。腔內包括中繼設備，連接它們的驅動器與控制器保持相當距離。使用這一模塊可以顯著縮端連接電纜。
診斷系統(tǒng)：
PSM有大含量的電力與液壓設備-------這些設備與機器本身保持適當的距離而且通常在一個不易接觸到的地方---使得其難于服務機器及鎖定資源問題。為方便PSM的維護以及縮短其維修時間，就有必要簡歷一個先進的診斷系統(tǒng)。這一系統(tǒng)基于安裝在控制站上的一個工業(yè)計算機。它可以診斷PSM的各種機制，也包括其液壓及電力設備。該系統(tǒng)可以對自動轉換器的狀況，感應器馬達的溫度，線更換儀器，本地PROFIBUS網絡終端，馬達流量，速度，旋轉，以及其他設備和參數進行評估。
此診斷系統(tǒng)也能同時被用在建立PSM運作協(xié)議。它的歸檔包括時點數據，錯誤類型，發(fā)生設備錯誤，機制協(xié)調，馬達流量與速度以及其他信息。
為使控制系統(tǒng)更可靠運作，診斷站的軟件與硬件配備與控制系統(tǒng)更高層次的組件響應是相同的。當控制系統(tǒng)運作發(fā)生問題，PSM的控制功能將被轉去計算機的診斷系統(tǒng)。
結論
NKMZ已已與其最初在獨立國家聯合體（獨聯體）的合作伙伴成功引進配備現代自動化控制系統(tǒng)的板矯直機器。此機器的使用減小并幾乎徹底消除了成品板質量對其操作者技術的依賴。
其控制系統(tǒng)與方便的用戶接口允許沒有受過專業(yè)培訓的人員快速地掌握機器的操作。由于機器機制的準確動作以及使用恰當的控制與特殊的控制算法的精密設備使其位置維持在高準確度，生產高質量產品就得到了保障。
另外，此機器還配備了先進的診斷系統(tǒng)來記錄其重要運作參數。此系統(tǒng)的有效性方便機器許多復雜組件的維護與維修。
參考文獻
1. V. G. Smirnov, Yu. N. Belobrov, A. I. Titarenko, and I. A. Evginenko, “Machine for hot- and cold-straightening of
plates of materials with a high yield point,” Improving Processes and Equipment for Metal-Shaping in Metallurgy
and Machine-Building. Proc., Kramatorsk (2000), pp. 429–433.
2. Yu. N. Belobrov, V. G. Smirnov, and A. I. Titarenko, NKMZ Straightening Machines for Modern Rolled-Product
Manufacturing [in Russian], Metallurg, Moscow (2001).
3. Yu. N. Belobrov, V. G. Smirnov, and A. I. Titarenko, Plate-Straightening Machines. UA Patent No. 53416,
7V21D1/02.
4. G. F. Zaitsev, V. I. Kostyuk, and P. I. Chinaev, Principles of Automatic Control and Regulation [in Russian],
Tekhnika, Kiev (1977).