卷取機(jī)卷軸速度控制系統(tǒng)

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)論文題 目：卷取機(jī)卷軸速度控制系統(tǒng) 引言：31系統(tǒng)分析41.1工藝過(guò)程分析41.2控制目標(biāo)及任務(wù)：52工藝設(shè)備及控制系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)介72.1卷取機(jī)組成72.2電氣傳動(dòng)系統(tǒng)配置72.2.1 直流調(diào)速72.2.2 交流調(diào)速73、 自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成、功能及設(shè)計(jì)思路83、1自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成、功能83、2卷筒速度控制思路由來(lái)及控制框圖84、卷軸速度控件說(shuō)明及其主要控件型號(hào)簡(jiǎn)介104.1 SIEMENS T400 簡(jiǎn)介104.2HGJ_R型熱金屬檢測(cè)器10概述10靈敏度10環(huán)境溫度11、傳輸距離11輸出形式11檢測(cè)溫度114.3光電碼盤(pán)11簡(jiǎn)介11電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法114.4

2、西門(mén)子6SE70變頻器125、計(jì)算卷筒轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)公式1351假設(shè)條件1352下面對(duì)卷筒轉(zhuǎn)速計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo):135、3卷筒轉(zhuǎn)速變化的趨勢(shì)分析146、總結(jié)167、參考文獻(xiàn)17引言：卷取機(jī)的用途是收集超長(zhǎng)軋件, 將其卷取成卷以便于貯存和運(yùn)輸。卷取機(jī)是軋鋼車(chē)間的重要輔助設(shè)備。軋鋼生產(chǎn)實(shí)踐證明, 卷取機(jī)的工作狀態(tài)直接影響著連軋機(jī)生產(chǎn)力的發(fā)揮。對(duì)強(qiáng)力、高速卷取設(shè)備的研究一直受到重視。熱帶鋼卷取機(jī)是熱連軋機(jī)、爐卷軋機(jī)和行星軋機(jī)的配套設(shè)備, 有多種形式: 地上式、地下式、有卷筒式、無(wú)卷筒式等。由于地下式卷取機(jī)具有生產(chǎn)率高、便于卷取寬且厚的帶鋼、卷取速度快而鋼卷密實(shí)等特點(diǎn), 所以現(xiàn)代熱連軋生產(chǎn)線上主要采用地下

3、式卷取機(jī)。由于卷取機(jī)特別是卷筒的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，卷筒電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍偏大，電氣控制有較大難度，在實(shí)際生產(chǎn)中，卷取故障在熱帶軋機(jī)機(jī)組的故障之中占有很高的比例。特別是目前卷筒轉(zhuǎn)速的選取偏高，使電氣控制裝置的調(diào)速范圍偏大，影響控制精度，且電氣傳動(dòng)功率在高速區(qū)域的能力用不上，應(yīng)設(shè)法改變。世界第一套熱帶軋機(jī)在 1927年投產(chǎn)，早期的熱帶軋機(jī)采用恒速軋制技術(shù)，軋制速度最大12m / s。相應(yīng)地下卷取機(jī)的卷筒轉(zhuǎn)速變化比較簡(jiǎn)單，其最大值是在卷取開(kāi)始穿帶時(shí)刻，此時(shí)的卷筒線速度等于軋制速度。穿帶后，卷筒轉(zhuǎn)速隨鋼卷直徑增大而下降。升速軋制技術(shù)在熱帶軋機(jī)上應(yīng)用之后，軋機(jī)速度最大可達(dá) 25m / s而卷取機(jī)由于穿帶速度的限

4、制，開(kāi)始卷取速度為 812m / s建立張力后隨軋機(jī)同步升速軋制和卷取。此時(shí)的卷筒轉(zhuǎn)速變化情況很復(fù)雜，由于卷徑不斷增大，卷筒的線速度總是小于 (穿帶時(shí)等于 )卷取速度，所以隨卷取速度的增大 ，卷筒轉(zhuǎn)速既可能增加也可能減少，處于不確定的狀態(tài)，但對(duì)于轉(zhuǎn)速增加的上限及增加過(guò)程結(jié)束的條件沒(méi)有定論。為使卷取速度滿足軋機(jī)速度要求，通常根據(jù)軋機(jī)速度確定卷筒轉(zhuǎn)速，此時(shí)卷筒的最大線速度與軋機(jī)的最大速度基本相同。 總之如何選取卷取機(jī)卷筒的速度是決定卷取機(jī)好壞的關(guān)鍵。1系統(tǒng)分析1.1工藝過(guò)程分析如圖1中所示，熱軋卷取機(jī)系統(tǒng)由卷筒、助卷輥、夾送輥、側(cè)導(dǎo)板和輸出輥道組成。熱軋卷取機(jī)的工作過(guò)程為以下三個(gè)階段：。1) 帶鋼

5、頭部穿出精軋機(jī)末端機(jī)架，為了使帶鋼更好的在輸出輥道上運(yùn)行，防止帶鋼頭部跳動(dòng)，輸出輥道以大于精軋機(jī)末端機(jī)架的超前速度運(yùn)行， 給帶鋼一個(gè)前向張力， 同時(shí)，夾送輥、卷筒以及助卷輥均以一定的超前速度運(yùn)行，助卷輥擺下到卷筒邊緣， 以便帶鋼頭部進(jìn)入卷筒時(shí)給帶鋼一個(gè)下壓力； 2) 帶鋼頭部運(yùn)行到距離夾送輥至某一距離，夾送輥由速度控制切換到轉(zhuǎn)矩控制， 夾送輥以前向張力使帶鋼穿過(guò)夾送輥； 3) 卷筒建立張力，夾送輥輸出后向張力以承擔(dān)一部分卷取張力，其方向與卷筒相反，同時(shí)，卷筒由速度控制切換為轉(zhuǎn)矩控制，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，使帶鋼承受一定的張力并以該張力進(jìn)行卷取工作。 由于帶鋼已經(jīng)建立張力，為了防止劃傷帶

6、鋼表面，助卷輥擺開(kāi)，遠(yuǎn)離帶鋼； 4) 帶鋼尾部離開(kāi)精軋機(jī)末端機(jī)架，夾送輥承擔(dān)的后向張力加大，同時(shí)，卷筒由轉(zhuǎn)矩控制切換回速度控制，以同步速度運(yùn)轉(zhuǎn)，助卷輥擺回到預(yù)定位置來(lái)控制鋼卷尾部的卷型，其與卷筒之間的距離由帶卷的預(yù)算直徑的大小來(lái)決定； 5) 帶鋼尾部運(yùn)行到夾送輥，夾送輥由轉(zhuǎn)矩控制切換回速度控制，以滯后速度運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)卷筒開(kāi)始慢慢減速直到卷取完畢后停止。1.2控制目標(biāo)及任務(wù)：卷取機(jī)的工作過(guò)程中，包含兩個(gè)速度控制階段。第一個(gè)階段，當(dāng)帶鋼頭部穿出精軋機(jī)末端機(jī)架時(shí)開(kāi)始，此時(shí)帶鋼要經(jīng)過(guò)輸出輥道和夾送輥，最后纏繞在卷筒上。在這一階段卷取機(jī)為速度控制階段。為了使帶鋼在咬入卷筒前，有良好的運(yùn)行狀態(tài)，因此，輸出輥

7、道和夾送輥的運(yùn)行速度要大于帶鋼出精軋機(jī)末端時(shí)的速度，這樣，在帶鋼前后由于有一定的速度差而產(chǎn)生一定的張力，使帶鋼良好的前行。同時(shí)，由于帶鋼頭部在卷筒處咬鋼前經(jīng)過(guò)夾送輥，其速度已經(jīng)為超前速度，因此，為了使帶鋼更好的咬入卷筒進(jìn)行卷取，卷筒的速度也要設(shè)定為超前速度，并且要稍大于夾送輥的速度。輸出輥道、 夾送輥和卷筒速度的設(shè)定值為帶鋼出精軋機(jī)末端機(jī)架的速度再加上一定比例的速度超前率。 該超前率由控制臺(tái)分別給定。該速度控制過(guò)程直到帶鋼在卷筒處建張，產(chǎn)生信號(hào)時(shí)結(jié)束； 第二個(gè)速度控制階段， 為帶鋼尾部穿出精軋機(jī)末端機(jī)架時(shí)，卷取機(jī)又從張力控制方式切換到速度控制方式下。此時(shí)由于帶鋼尾部已經(jīng)離開(kāi)精軋機(jī)末端機(jī)架，因此

8、，帶鋼尾部和卷筒之間的張力要由速度差來(lái)提供， 這樣才能保持帶鋼尾部的良好卷取。由于此時(shí)卷筒為帶鋼提供了一個(gè)向前的張力，為了保持帶鋼平整，要在帶鋼尾部加一定向后的張力，此張力由輸出輥道、夾送輥、助卷輥與卷筒之間的速度差提供，因此，在這一階段的速度控制中，卷筒的速度與帶鋼從張力控制切換到速度控制時(shí)的大小一致，而輸出輥道、夾送輥和助卷輥的速度要滯后于這一速度值， 具體的滯后率由控制臺(tái)分別給定，這樣，在卷筒和輸出輥道、夾送輥和助卷輥之間就產(chǎn)生了一定的速度差來(lái)提供帶鋼需要的張力。 隨著卷取過(guò)程的進(jìn)行，帶鋼的速度逐漸的減小，直至帶鋼卷取完畢。2工藝設(shè)備及控制系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)介2.1卷取機(jī)組成卷取機(jī)主要有側(cè)導(dǎo)板、

9、卷筒、助卷輥、夾送輥、運(yùn)卷小車(chē)、快速鏈、搬運(yùn)機(jī)、慢速鏈、托卷機(jī)收集臺(tái)架等。2.2電氣傳動(dòng)系統(tǒng)配置 直流調(diào)速卷取區(qū)直流傳動(dòng)設(shè)備采用國(guó)產(chǎn) Z 系列和ZZJ800 系列直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng), 選用德國(guó)西門(mén)子公司的 6RA70 系列全數(shù)字式直流調(diào)速裝置供電。直流調(diào)速裝置進(jìn)線側(cè)采用公共整流變壓器及進(jìn)線電抗器。卷取機(jī)的調(diào)速裝置內(nèi)配有 T400 工藝板及卷取控制軟件, 它是SIMADYND系統(tǒng)新一代工藝類(lèi)型產(chǎn)品, 32 位 CPU 板具有極高的運(yùn)算能力和強(qiáng)大功能。實(shí)現(xiàn)卷取機(jī)的張力控制、卷徑計(jì)算、動(dòng)態(tài)及空載補(bǔ)償、摩擦力矩補(bǔ)償、彎曲力矩補(bǔ)償?shù)裙δ堋?交流調(diào)速輔助的交流調(diào)速設(shè)備如輸出輥道、機(jī)上輥道、導(dǎo)向輥傳動(dòng)、助卷輥輥

10、縫調(diào)整、夾送輥輥縫調(diào)整采用國(guó)產(chǎn) YSG或 YTSP 系列交流變頻異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng), 選用德國(guó)西門(mén)子公司的 6SE70 系列全數(shù)字式交流變頻調(diào)速裝置, 采取公共整流變壓器、公共交流母線、變頻器入口側(cè)加進(jìn)線電抗器的形式供電。交直流調(diào)速裝置通過(guò)通訊板 CBP2 作為從站上掛到卷取區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的分布式現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS- DP 網(wǎng)上。通過(guò) PROFIBUS- DP 協(xié)議與自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)程控制數(shù)據(jù)及控制命令的交換。3、 自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成、功能及設(shè)計(jì)思路3、1自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成、功能卷取區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)有 S7- 400 PLC 一套、S7- 300 PLC一套、操作員站 HMI 一套。

11、卷取區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu), PLC 與遠(yuǎn)程 I/O 站 ET200M及傳動(dòng)裝置通過(guò)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS- DP 通訊。CP443 - 1 通訊模塊將PLC聯(lián)接到工業(yè)以太網(wǎng) (Industrial Ethernet), 與全線的 S7- 400PLC及 HMI 通訊。S7- 400 PLC主要完成卷取區(qū)與帶卷運(yùn)輸區(qū)設(shè)備自動(dòng)及手動(dòng)邏輯控制、速度及張力給定控制、層流冷卻控制、機(jī)前機(jī)上導(dǎo)尺的開(kāi)口度 APC 控制、夾送輥及助卷輥輥縫 APC控制、卸卷自動(dòng)手動(dòng) 控 制 、 快 速 及 慢 速 運(yùn) 輸 鏈 APC 控 制 、PROFIBUS- DP 及工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊控制等。S7- 300

12、 PLC 主要完成卷取區(qū)傳動(dòng)液壓站控制、PROFIBUS- DP 與主站 S7- 400 的數(shù)據(jù)通訊控制等。操作員站 HMI 設(shè)置在卷取區(qū)操作臺(tái)上, 主要包括卷取區(qū)主畫(huà)面、卷取區(qū)軋制程序表畫(huà)面、卷取區(qū)設(shè)定畫(huà)面、趨勢(shì)圖畫(huà)面、卸卷狀態(tài)畫(huà)面、運(yùn)輸鏈畫(huà)面、液壓、潤(rùn)滑站畫(huà)面、故障報(bào)警一覽表等動(dòng)態(tài)顯示及設(shè)定畫(huà)面。3、2卷筒速度控制思路由來(lái)及控制框圖卷取機(jī)控制框圖：根據(jù)上面的框圖可知抽象出卷筒速度控制方塊圖如下：光電碼盤(pán)CUVC卷筒電機(jī)T4004、卷軸速度控件說(shuō)明及其主要控件型號(hào)簡(jiǎn)介4.1 SIEMENS T400 簡(jiǎn)介T(mén) 400 工藝模板是西門(mén)子 SIMADYN2D 全數(shù)字控制系統(tǒng)的新一代工藝類(lèi)產(chǎn)品, 它

13、是為西門(mén)子交流傳動(dòng)裝置和直流傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)選件板,進(jìn)行高級(jí)工藝控制。T 400 是一個(gè)獨(dú)立的單板計(jì)算機(jī),它采用32 位的 SIMADYN2D處理器, 通過(guò)雙向隨機(jī)存儲(chǔ)器口與傳動(dòng)裝置中的計(jì)算機(jī)通訊, 具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和極高運(yùn)算速度, 可以完成工業(yè)控制中的多種控制任務(wù)。用戶在使用過(guò)程中只需了解它的接口,便可掌握其使用方法。T 400 工藝板有8 個(gè)數(shù)字量輸入口, 4 個(gè)數(shù)字量輸出口(也可以設(shè)置成數(shù)字量輸入口) , 5 個(gè)模擬量輸入口, 2 個(gè)模擬量輸出口, 2個(gè)繼電器輸出點(diǎn), 2 個(gè)光電編碼接口; 1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS485 和1 個(gè)RS232 串行通訊接口, 借助于這 2 個(gè)接口可用控制面板或

14、監(jiān)控軟件 SIMOVIS監(jiān)視和修改參數(shù); 1 個(gè) USS 串行通訊接口, 可以建立起速率達(dá)187. 5 kbit / s 的數(shù)據(jù)信道, 經(jīng)由高速的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)連接; 另外還有 2 個(gè)絕對(duì)式光電編碼器接口。4.2HGJ_R型熱金屬檢測(cè)器概述 HGJ_R型熱金屬檢測(cè)器是在R型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)而成的。HGJ_R型熱金屬檢測(cè)器是為700熱連軋機(jī)配套的自動(dòng)化檢測(cè)儀表之一，主耍用于跟蹤和檢測(cè)鋼坯（板）位置。于76 年初研制成功,并在我國(guó)目前軋鋼自動(dòng)化程度較高的鞍鋼半連軋廠及首鋼軋鋼廠300車(chē)間生產(chǎn)線上投入運(yùn)行。通過(guò)生產(chǎn)運(yùn)行證明，R型 “熱檢”靈敏度高,運(yùn)行可靠、壽命較長(zhǎng)、維護(hù)調(diào)整方便，受到現(xiàn)場(chǎng)的

15、好評(píng)，為了使“熱檢”在結(jié)構(gòu)上、質(zhì)量上進(jìn)一步提高，我們又研制了R型“熱檢”R型相比,結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化去掉了水冷，還加裝了指示燈,便于安襲調(diào)整及故障判斷，另外在造型上也由園型改為方形較為美觀。目前 HGJ_R已由生產(chǎn)廠在批量生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)有些鋼廠正在使用。靈敏度HGJ_R型“熱檢”系采用高靈敏的硅光敏三極管3DU33。輸入光流只要大于10毫安，繼電器即能可靠動(dòng)作（繼電器采用JJDZ333小型中間繼電器，工作電壓12伏，電流80毫安，節(jié)點(diǎn)開(kāi)斷容量100伏安）?！盁釞z”的靈敏度與金屬的溫度與體積大小有直接的關(guān)系。環(huán)境溫度（10+60）由于 “熱檢”采用了鋁合金外殼,有良好的散熱性能，所以環(huán)境溫度偏高時(shí)“熱

16、檢”仍能正常工作在精軋入口前的一臺(tái)距離鋼板4米左右（斜線距離），鋼板溫度一般都要在900以上，在既無(wú)水冷又無(wú)風(fēng)冷的情況下。曾連續(xù)工作達(dá)10個(gè)月以上未進(jìn)行過(guò)一次維修。、傳輸距離 （可達(dá)300米以上）為了考核 “熱檢”的長(zhǎng)線傳輸性能,在試驗(yàn)室曾做過(guò)300米的長(zhǎng)線試驗(yàn)，在距離“熱檢 ”1米內(nèi)頻繁啟動(dòng)電鉆及三相閘刀 ,均未發(fā)生因干擾而出現(xiàn)誤動(dòng)作現(xiàn)象。輸出形式（1）繼電器接點(diǎn)，開(kāi)斷容量100 伏安。（2）開(kāi)關(guān)量，高電平>4.5伏，低電平<1伏（3）輸出阻抗200歐。檢測(cè)溫度（7001300）“熱檢”原設(shè)定指標(biāo)為7001300但根據(jù)工人師傅的經(jīng)驗(yàn)溫度在500600也可測(cè)。4.3光電碼盤(pán)簡(jiǎn)介光電

17、碼盤(pán)是用光電的方法把測(cè)量角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式的電信號(hào)轉(zhuǎn)換部件是把輸入量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量輸出的傳感器，它的測(cè)量精度和分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，能避免在讀標(biāo)尺和曲線圖是產(chǎn)生的人為視覺(jué)誤差，便于用于計(jì)算機(jī)處理。它是測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的綜合產(chǎn)物。電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法 用光電碼盤(pán)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的常用方法有M 法、T法、M/T法等。由于卷曲速度需要無(wú)級(jí)調(diào)速，使用M/T法。所謂M/T法，實(shí)際上是M法與T法結(jié)合。實(shí)現(xiàn)該方法是指在測(cè)速的過(guò)程中，不僅測(cè)光電轉(zhuǎn)速脈沖的個(gè)數(shù)，而且同時(shí)測(cè)取高頻時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)。這樣，可以得到軸的轉(zhuǎn)速為式中：fc為高頻脈沖的頻率； P為光電碼盤(pán)轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)（本設(shè)計(jì)的P=1000個(gè)

18、/周）；Tn、Tc分別為采樣過(guò)程中對(duì)光電脈沖和時(shí)鐘脈的實(shí)際計(jì)數(shù)時(shí)間。4.4 西門(mén)子6SE70變頻器由于卷度電機(jī)為200KW的交流電機(jī)所以變頻器選擇型號(hào)為6SE7033-7EG60；輸出電流370A；工作電壓3相AC380V/50Hz/60Hz；報(bào)價(jià)169744人民幣。此變頻器采用CUVC控制板選用帶測(cè)速裝置的矢量T400與CUVC板都安在變頻器的電子版內(nèi)，一同安裝在電子版箱內(nèi)的還有DP網(wǎng)絡(luò)通訊板CBP2。T400通過(guò)CBP2板及PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)與一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)交換控制信息，通過(guò)電子版箱內(nèi)的底板總線與CUVC矢量控制板交換控制信息，速度控制在T400內(nèi)完成。5、計(jì)算卷筒轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)公式5

19、1假設(shè)條件卷筒運(yùn)行時(shí) ,鋼卷?xiàng)l件變化復(fù)雜 ,為便于分析 ,作幾點(diǎn)假設(shè):1）、首先假設(shè) ,在開(kāi)始升速前 ,已完成二次擴(kuò)徑的卷筒上鋼卷的直徑為初始卷徑 ( ) ,對(duì)應(yīng)的線速度為初始速度 () ,并一般認(rèn)為與卷筒直徑和穿帶速度相同 2）、每圈帶鋼簡(jiǎn)化為許多薄壁園筒相互緊密套在一起,層間沒(méi)有錯(cuò)動(dòng),并且層與層帶鋼之間沒(méi)有間隙。3)、每圈帶鋼卷取完成后,除卷徑改變外,對(duì)下一圈的卷取沒(méi)有任何影響。4)、帶鋼為勻加速運(yùn)行,加速度為軋機(jī)的最大加速度。52下面對(duì)卷筒轉(zhuǎn)速計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo):薄帶鋼卷取時(shí) ,卷筒在穿帶后二次擴(kuò)徑并開(kāi)始加速 ,加速度為常數(shù) ,由精軋機(jī)的能力確定。隨卷取速度增大同時(shí)卷徑也增大 ,轉(zhuǎn)速、 卷徑、 卷取速度之間存在以下關(guān)系：（1）式中：卷筒的轉(zhuǎn)速；卷曲速度；卷曲初速度；正在卷曲鋼卷的卷徑；卷筒直徑；卷徑的增量；時(shí)間；帶鋼加速度對(duì)于卷曲過(guò)程總有：（2）式中：卷曲帶鋼的厚度；卷筒轉(zhuǎn)數(shù)；卷曲時(shí)間將（2）代人（1）可得到關(guān)于卷曲過(guò)程各參數(shù)的方程式：，解此方程式可