型材軋制中冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化

1、冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用鑒定材料2007年 8 月目錄鑒定材料之一-冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化鑒定大綱鑒定材料之二-冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化工作報告鑒定材料之三-冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)總結(jié)報告鑒定材料之四-冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益分析報告鑒定材料之五-冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化使用報告鑒定材料之一冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化鑒定大綱第一小型軋鋼廠2007年8月鑒定大綱山東省冶金工業(yè)總公司對濟(jì)鋼集團(tuán)總公司第一小型軋鋼廠完成的冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化 項目進(jìn)行技術(shù)鑒定，鑒定委員會制定鑒定大綱如下：一、項目名稱： 冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化二、項目來源： 自選三、項目內(nèi)容經(jīng)過對控制程序的仔細(xì)分析和細(xì)致的現(xiàn)場觀察，對冷床區(qū)控制程序進(jìn)行全面的優(yōu)化，主要有：升降裙

2、板控制使用高實時性算法，提高位置控制的精度；對各種故障報警進(jìn)行全面檢測分析，并制定智能控制策略確保冷床不出現(xiàn)亂鋼；設(shè)定參數(shù)自動根據(jù)線速度進(jìn)行選擇，減輕工人勞動強(qiáng)度等等；在滿足工藝要求的情況下盡量減少檢測元件的數(shù)量，提高運(yùn)行的可靠性。確保了全線速度提高到17.5m/s以上，而且故障率大大的降低。不僅提高了機(jī)時產(chǎn)量而且確保了作業(yè)率。四、項目起止時間2004 年 9 月 2006 年 12 月五、承擔(dān)單位：濟(jì)鋼第一小型軋鋼廠六、鑒定材料及提供單位1 、冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化鑒定大綱鑒定委員會2 、冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化工作報告濟(jì)鋼第一小型軋鋼廠3 、冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)總結(jié)報告濟(jì)鋼第一小型軋鋼廠4 、冷床控制系

3、統(tǒng)優(yōu)化使用情況報告濟(jì)鋼第一小型軋鋼廠5 、冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益分析報告濟(jì)鋼第一小型軋鋼廠六、鑒定程序1 、 討論通過鑒定大綱2 、 聽取工作報告3 、 聽取技術(shù)報告4 、 聽取應(yīng)用情況報告5 、 聽取經(jīng)濟(jì)效益分析報告6 、 現(xiàn)場考察7 、 專家評議8 、 討論通過鑒定意見9 、 鑒定委員會委員簽字鑒定委員會2007 年8月鑒定材料之二：冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化工作報告第一小型軋鋼廠2007年 8月冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化工作報告一、課題來源：2003 年底一小型進(jìn)行全連軋改造，配備120 米步進(jìn)式冷床一臺，完成對棒材的冷卻和剪切收集。冷床的收集能力和穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)直接影響全線的產(chǎn)量和作業(yè)率。因此如何提高冷床

4、的收集能力和工作的穩(wěn)定性一直是倍受關(guān)注的課題。原來冷床的入冷床最大線速度為16m/s ，超過此線速度升降裙板出現(xiàn)位置控制不穩(wěn)而引起的亂鋼，而且還同時存在著故障率高、參數(shù)調(diào)整煩瑣等等問題，嚴(yán)重制約著全線軋機(jī)產(chǎn)能的釋放。經(jīng)分析其主要原因如下：1. 整個加熱爐在出鋼和進(jìn)鋼時，前后的邏輯連鎖關(guān)系復(fù)雜，而且有很多連鎖沒有意義。2. 步進(jìn)梁的液壓系統(tǒng)在行程控制中精度不高，引起鋼坯在爐內(nèi)分布不均勻，造成出鋼困難。3. 爐前進(jìn)料輥道和爐內(nèi)裝、出料輥道速度慢，造成進(jìn)鋼、爐內(nèi)定位和出鋼的速度緩慢。4. 步進(jìn)梁的動作周期的邏輯連鎖設(shè)計不完善，造成步進(jìn)梁控制程序經(jīng)常進(jìn)入邏輯死區(qū)。5. 爐前檢測元件多而且工作不穩(wěn)定，經(jīng)

5、常造成鋼坯在爐內(nèi)定位失敗，不得不轉(zhuǎn)入手動狀態(tài)，重新進(jìn)行鋼坯定位。由于以上缺點，致使加熱爐的出鋼速度一直得不到提高。而且故障頻繁，其控制精度已滿足不了現(xiàn)在的生產(chǎn)要求，嚴(yán)重制約了生產(chǎn), 因此需對其進(jìn)行技術(shù)改造。二、方案制定：針對加熱爐出鋼速度太慢這一課題，主要著手從控制系統(tǒng)軟件編程和提高變頻器的運(yùn)行速度這兩點展開工作。1. 邏輯連鎖系統(tǒng)。主要在保證加熱爐的安全運(yùn)行的前提下，盡量取消不必要的邏輯連鎖關(guān)系。2. 優(yōu)化步進(jìn)梁的動作曲線，盡量減少步距不穩(wěn)定的現(xiàn)象。同時，增加步距補(bǔ)償程序，運(yùn)用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，檢測出上一步的實際偏差在下一步中進(jìn)行自動補(bǔ)償。3. 在提高變頻器的運(yùn)行頻率，盡量減少變頻器低速運(yùn)行

6、的時間，同時要優(yōu)化變頻器的參數(shù)防止變頻器的過載跳閘。4. 完善步進(jìn)梁的控制程序，增加程序的容錯能力，確保步進(jìn)梁不進(jìn)入邏輯死區(qū)。5. 減少爐前的檢測元件，由三個減少為一個。同時為檢測元件的信號在程序中進(jìn)行容錯處理。提高鋼坯在爐內(nèi)定位的穩(wěn)定性三、項目論證工作及進(jìn)展情況：1. 自 2004 年 1 月份第一小型廠組成由電氣及技術(shù)主管人員參加的技術(shù)改造小組。在廠長、分管付廠長大力支持下，針對影響加熱爐出鋼速度存在問題，有關(guān)人員多次開會研究商議改造方案，制定了滿足現(xiàn)場工藝要求的既先進(jìn)可靠、又經(jīng)濟(jì)的方案。2. 工作進(jìn)展情況：2004年 1 月列入第一小型軋鋼廠改造計劃。2004年 1 月并投入生產(chǎn)運(yùn)行。四

7、、技術(shù)人員名單：序姓名學(xué)歷專業(yè)職稱所做貢獻(xiàn)號1楊榮慶大學(xué)軋鋼高工主持制定方案2顏海濤大學(xué)電氣助工主持制定方案，現(xiàn)場調(diào)試3鄧揚(yáng)玉大學(xué)電氣工程師主持制定方案，現(xiàn)場調(diào)試4范 偉大學(xué)機(jī)械高 工協(xié)助制定方案5謝允澄大專電氣工程師制定方案，現(xiàn)場調(diào)試6馬文麗大專電氣工程師協(xié)助制定方案7夏永青大專電氣工程師制定方案8王帆大學(xué)電氣助工現(xiàn)場調(diào)試鑒定材料之三：冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)總結(jié)報告第一小型軋鋼廠2007年 8月冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)總結(jié)報告1. 引言濟(jì)鋼第一小型軋鋼廠2003年進(jìn)行了全連軋改造，為滿足年產(chǎn)80100萬噸棒材的要求，配備了一座加熱能力130t/h（熱裝170t/h）加熱爐，采用的是具有高產(chǎn)、低耗、

8、自動化水平高，側(cè)進(jìn)側(cè)出的雙蓄熱步進(jìn)梁式加熱爐。整個加熱爐進(jìn)出鋼的工作過程為：由天車將鋼坯放置到上料臺架上由推鋼機(jī)推到爐前上料輥道上由上料輥道運(yùn)送到爐前等待裝鋼裝鋼并實現(xiàn)爐內(nèi)定位步進(jìn)梁啟動正循環(huán)將鋼坯向前移動移動鋼坯放到爐內(nèi)出料輥道上爐內(nèi)出料輥道正轉(zhuǎn)完成一次出鋼停車并等待下一次出鋼信號。工作周期40S 。2. 問題提出與分析整個加熱爐區(qū)的電控系統(tǒng)由一套S7-414CPU實現(xiàn)，在實際運(yùn)行中出鋼速度嚴(yán)重不能滿足軋線的需求，而且經(jīng)常出現(xiàn)步進(jìn)梁不動、步進(jìn)梁步距不穩(wěn)定、鋼坯爐內(nèi)定位失敗等現(xiàn)象造成大量的故障停機(jī)。經(jīng)分析主要有以下幾個方面的原因。1 ）控制系統(tǒng)的邏輯連鎖關(guān)系存在著重復(fù)，如：裝出料的爐門每次出鋼

9、的過程中都要動作一次；只有在步進(jìn)梁回到后下位才可以進(jìn)鋼；步進(jìn)梁只有在定位推鋼機(jī)回到后位時才可以啟動等等，以上的不必要的邏輯連鎖關(guān)系耗費(fèi)了大量的時間。使加熱爐的出鋼周期大大加長。2 ）步進(jìn)梁由液壓缸驅(qū)動，在使用中由于步進(jìn)梁的動作曲線未考慮整個步進(jìn)機(jī)械的慣性，經(jīng)常出現(xiàn)步進(jìn)梁前沖的現(xiàn)象，使鋼坯在爐內(nèi)的排列不均勻，在出鋼時不得不手動調(diào)整步距也影響了加熱爐的出鋼節(jié)奏。3 ）由于爐區(qū)的輥道全部采用變頻器驅(qū)動，變頻器的輸出頻率都設(shè)在了30Hz左右，使得整個的裝料和出料速度緩慢，而且鋼坯在爐內(nèi)定位時采用低速運(yùn)行時頻率只有10Hz，更大大的延緩了出鋼速度。.4) 原來的步 進(jìn)梁動作的邏輯連鎖程 序存在著大量 的

10、邏輯死區(qū)，在實際應(yīng)用中經(jīng)常出項程序進(jìn)入死循環(huán)，這時只有將 PLC 重新上電才可以繼續(xù)工作，影響了加熱爐出鋼節(jié)奏。5）爐前的檢測元件有三個激光物體檢測器，由于加熱爐爐前的高溫和高塵環(huán)境，使物體檢測器的工作不穩(wěn)定。而檢測器一旦出現(xiàn)問題就直接影響加熱爐電控系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在大多數(shù)情況下不得不轉(zhuǎn)入手動進(jìn)行人工調(diào)整，也影響了加熱爐的出鋼速度。3. 改進(jìn)措施出鋼速度的不高主要原因在于出鋼動作的邏輯連鎖太復(fù)雜和加熱爐電控系統(tǒng)的不穩(wěn)定。主要從三個方面去考慮：一是優(yōu)化出鋼動作的邏輯連鎖關(guān)系。二是提高加熱爐區(qū)輥道的運(yùn)行速度。三是提高加熱爐區(qū)的電控系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。1 ）在保證整個爐區(qū)設(shè)備的安全運(yùn)行的前提下，對動作

11、的邏輯連鎖關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，盡量的壓縮出鋼周期。主要有以下幾個方面：取消原來的爐前定位檔板，可以節(jié)約大約2 秒的時間。利用爐前變頻輥道的制動，使鋼坯準(zhǔn)確停在的爐前。進(jìn)出料爐門由原來的每次都要開關(guān)一次改為平時一直打開，同樣利用變頻輥道的制動防止鋼坯沖撞步進(jìn)梁。進(jìn)鋼指令提前發(fā)出，由原來的步進(jìn)梁回到后下位啟動進(jìn)鋼，提前到步進(jìn)梁到達(dá)前上位就啟動進(jìn)鋼。步進(jìn)梁的提前啟動，由原來的定位推鋼機(jī)回到后位啟動步進(jìn)梁，提前到定位推鋼機(jī)達(dá)到前位就啟動步進(jìn)梁。改進(jìn)后的邏輯連鎖關(guān)系見圖一。2 ）增加步距補(bǔ)償程序。當(dāng)步進(jìn)梁上升通過托鋼點時自動記憶當(dāng)前平移編碼器的數(shù)值，然后根據(jù)步距計開始是爐前是否有鋼否啟動爐前輥道送鋼否是否出鋼

12、是進(jìn)鋼否鋼坯爐內(nèi)定位是否完成是定位推鋼機(jī)啟動定位推鋼機(jī)是否達(dá)到前位是步進(jìn)梁啟動正循環(huán)步進(jìn)梁是否到達(dá)前上位是啟動出料懸臂輥延時停止懸臂輥否否圖一：加熱爐電控系統(tǒng)程序框圖算出前位的平移編碼器的數(shù)值。當(dāng)步進(jìn)梁達(dá)到前上位后下降的過程中，運(yùn)用自適應(yīng)的數(shù)字PID算法對步進(jìn)梁的前位進(jìn)行補(bǔ)償修正，確保當(dāng)步進(jìn)梁下降到放鋼點時本次前進(jìn)的步距為給定的步距。 補(bǔ)償?shù)闹鞒绦蛟O(shè)計（見圖二）在主程序設(shè)計中，步距補(bǔ)償僅僅在步進(jìn)梁達(dá)到前上位后下降到放鋼點的一段時間內(nèi)起作用。而且為防止步進(jìn)梁顫動設(shè)計了一個死區(qū)（5mm ）。開始否步進(jìn)梁是否上升通過托鋼點是記錄當(dāng)前的平移編碼器數(shù)值，并推算前位的編碼器數(shù)值否步進(jìn)梁是否達(dá)到前位并開始下

13、降是步進(jìn)梁是否否啟動自動補(bǔ)償運(yùn)算程序通過放鋼點是停止自動補(bǔ)償程序補(bǔ)償完畢圖二：自動補(bǔ)償主程序框圖 補(bǔ)償?shù)臄?shù)字PID算法框圖（見圖三）本程序在PLC 的循環(huán)定時中斷OB32 （周期為200ms）中調(diào)用，程序記憶三個掃描周期內(nèi)的位置偏差按照公式：Un=KpE（ n ） *K1+E（ N-1） *K2+E（ n-2 ）*K3計算，其中K1 ， K2 ， K3 為預(yù)先設(shè)定的系數(shù)，根據(jù)整個系統(tǒng)的大慣量的特性，分別設(shè)定為：0.8 ，0.1 ， 0.05 。XnE（n）E（n-1 ）E（n-2 ）YnK1K2K3KpUn其中：Xn經(jīng)過推算的前位給定值Yn- - 當(dāng)前編碼器的反饋值E（n）- 偏差Kn（n=1

14、，2，3）- - 累加前的比例系數(shù)Kp- 增益Un- 控制比例閥的開度圖三：步距補(bǔ)償算法示意圖自適應(yīng)系數(shù)的確定方法：在主程序中設(shè)定了一個補(bǔ)償停止條件，當(dāng)步距偏差小于5mm時，停止步距補(bǔ)償。同時對比例系數(shù)Kp進(jìn)行修正，修正公式如下：Kp+1=（ Xp-Xm） *0.15+Kp其中：Kp+1為下一次計算的數(shù)字PID增益。Kp為本次計算的數(shù)字PID增益Xp為理論計算前位編碼器值Xm為補(bǔ)償結(jié)束后編碼器的實際值。3) 為了提高鋼坯的入爐速度，確保在步進(jìn)梁的動作周期內(nèi)完成進(jìn)鋼和出鋼過程，需要對爐區(qū)的變頻輥道提速，但是提速后鋼坯的慣性太大導(dǎo)致變頻輥道在停止時會造成變頻器過載跳閘甚至?xí)p壞變頻器，因此輥道的提

15、速的關(guān)鍵在于在確保變頻器的使用安全的前提下優(yōu)化變頻器的制動參數(shù)。我們使用的MM440變頻器的制動方法見圖四：制動開始否否否P1233>0P1236>0P1237>0無制動是是是直流注入制動復(fù)合制動動力制動圖四：MM440變頻器制動功能圖其中：直流注入制動是向電動機(jī)注入直流制動電流，使電動機(jī)快速制動到靜止停車（施加的電流還使電動機(jī)軸保持不動），這種方式會對電動機(jī)造成一定的損傷，尤其是對角型接法的電動機(jī)。復(fù)合制動是在制動時將直流電流迭加在交流電流上，它對電動機(jī)的損傷要小的多。動力制動通過一個斬波器接通制動電阻來吸收制動時電動機(jī)的能量，但是需要一個外接的制動電阻，而且存在著電阻發(fā)熱

16、的問題。根據(jù)三組變頻輥道的不同的工況制定了不同制動方案，具體如下：爐前裝料變頻輥道需要將鋼坯較為準(zhǔn)確的運(yùn)送到爐前等待裝鋼。在每次的出鋼過程中需要兩次的起制動，而且電動機(jī)為角型接法。我們采用了動力制動。爐內(nèi)裝料輥道需要將鋼坯準(zhǔn)確的停在加熱爐的中央，由于電動機(jī)均為星型接法，我們采用了直流注入制動來確保鋼坯的爐內(nèi)準(zhǔn)確定位。工藝對爐內(nèi)出料輥道的制動要求不高，因此我們采用了延長斜坡下降的方式就完全可以滿足要求。4 ）對原來的步進(jìn)梁程序進(jìn)行優(yōu)化，確保在邏輯上沒有死區(qū)，主要有以下幾個方面：增加手動回零程序，使步進(jìn)梁程序進(jìn)入邏輯死區(qū)后，可以手動回到原始點，同時對程序所有的狀態(tài)重新初始化。在步進(jìn)梁按照曲線減速到

17、零后，而還沒有達(dá)到預(yù)定位置后，通過程序自動重新給定一個速度推動步進(jìn)梁動作。如果加上速度后在一定的時間內(nèi)，仍然沒有達(dá)到預(yù)定位置，通過程序進(jìn)行判斷，如果實際位置與預(yù)定位置的偏差小于10mm，則自動轉(zhuǎn)入下一個動作，繼續(xù)執(zhí)行。5 ）針對原來的加熱爐前檢測元件多而且沒有容錯處理的情況，通過對控制程序的優(yōu)化，把兩個激光物體檢測器合為一個。而且在程序中進(jìn)行了容錯處理，確保了工作的可靠性。徹底消除了原來的鋼坯爐內(nèi)定位失敗的情況。4. 結(jié)論和使用效果經(jīng)過 7 個月的運(yùn)行，加熱爐電控設(shè)備運(yùn)行良好，出鋼周期由原來的40 秒左右提高到了30 秒，提速效果十分顯著，而且實現(xiàn)了零故障，電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定 ,各項指標(biāo)均達(dá)

18、到了設(shè)計要求.鑒定材料之四：冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益分析第一小型軋鋼廠2007年 8月冷床控制系統(tǒng)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益分析今年 1 月份項目實施后，加熱爐區(qū)電控設(shè)備的運(yùn)行可靠性顯著提高，出鋼速度得到了明顯提高，小時出鋼支數(shù)到達(dá)了 120 支，大大超過了軋線的生產(chǎn)能力，并且為全線提速創(chuàng)造了條件。效益預(yù)測：提高出鋼速度后，生產(chǎn)大規(guī)格時每小時平均多出鋼30 支。每支鋼單重按1.7 噸計算，作業(yè)率按75%算，一年按11 個月計算，大規(guī)格產(chǎn)量按占全年產(chǎn)量的33% 計算，噸鋼效益按150 元計算。計 .機(jī)時產(chǎn)量提高：30 支×1.7 噸 / 支 =51 噸 . 年提高產(chǎn)量51噸/小時×/ 年× 33%=10098024小時噸/ 天&