不可逆铝冷轧机自动停车的设计和实现

樊 锐，张宏展，毛永志

(1. 涿神有色金属加工专用设备有限公司，河北 072750；2.北京机械工业自动化研究所，北京 100120)

不可逆铝冷轧机自动停车的设计和实现

樊 锐1，张宏展2，毛永志2

(1. 涿神有色金属加工专用设备有限公司，河北 072750；2.北京机械工业自动化研究所，北京 100120)

0 引言

不可逆铝冷轧机是铝加工过程中的一个重要环节，该过程将铝热轧机或铝铸轧机生产的厚带材铝卷经过几个道次的轧制，对带材的板形和厚度进行精确控制，生产出符合用户要求的相关规格薄带材铝卷，提供给铝箔粗轧机或厚剪机等设备，以对铝材进行进一步精加工。

不可逆铝冷轧机来料尤其是开坯料的料头和料尾通常板形较差、厚差较大，在轧制时不易控制带材的板形和厚度，容易造成断带甚至损坏设备，为了轧制出合格的产品以及保护设备，需要去除来料的料头和料尾。来料的料头可以在轧制开始前切除，料尾则需要在轧制过程中及时停车以便切除，即通常所说的甩尾，这时候就需要准确判断停车时机，使设备在生产过程中能够自动减速停车，根据生产需要剩余下质量不好的料尾，避免剩余卷材过多降低生产效率、造成浪费或剩余卷材过少甚至尾料全部冲过轧机造成设备损坏甚至起火等事故。

1 自动停车部分的设备基本组成及其工作原理

不可逆铝冷轧机的整体结构示意图如图1所示。

机列工作过程描述：将要轧制的铝卷来料经过开卷机开卷，经由入侧偏导辊、入侧张紧辊组的导向和展平，通过工作辊进行轧制，在轧制中通过板形和厚度控制系统的调节控制带材的板形和厚度，以成为符合相关规格的铝材，再经过出侧包角辊后，到达卷取机上卷取，从而生产出符合用户要求的铝卷。

1.1 不可逆铝冷轧机的设备基本组成

1）开卷机：用于对铝卷来料进行开卷，及对开卷进行张力控制等。

2）开卷激光卷径测量：该激光测距装置安装在开卷机与主机之间的入侧装置上，利用激光测得的距离计算得到开卷卷材的卷径大小，用于开卷张力控制和开卷自动减速停车等。

图1 不可逆铝冷轧机整体结构示意图

3）入侧偏导辊：主要对带材起导向作用。

4）入侧张紧辊组：主要对带材起导向和展平作用。

5）主机部分：主机部分是轧机的主体，主要由支承辊、工作辊、压上缸、喷杆梁和牌坊等组成，用于对带材进行轧制，控制轧机的轧制速度，并根据板形控制系统和厚度控制系统发出的指令对带材的板形和厚度进行调节。

（1）上支承辊：用于支撑工作辊。

（2）上工作辊：与下工作辊一起用于轧制带材。

（3）下工作辊：与上工作辊一起用于轧制带材。

（4）下支承辊：用于支撑工作辊。

（5）喷杆梁：用于冷却和润滑工作辊，通过喷淋改变辊形进而调节带材板形。

（6）压上缸：用于调节轧制力，通过改变轧制力或辊缝大小对带材厚度进行调节。

（7）牌坊：用于安装主机部分的各种设备。

6）出口测厚仪：用于检测轧机出口带材厚度，属于轧机厚度控制系统的一部分，反馈的信号参与厚度自动控制。

7）板形辊：用于检测轧机出口带材板形，属于轧机板形控制系统的一部分，检测的结果用于对板形的自动控制。

8）包角辊：用于使带材对板型辊形成固定包角。

9）卷取激光卷径测量：该激光测距装置安装在卷取机与主机之间的出侧装置上，工作原理与开卷激光卷径测量一样，用于卷取张力控制。

10）卷取机：用于对轧制完毕的铝材进行卷取，及对卷取进行张力控制等。

1.2 开卷卷径测量装置的基本组成及工作原理

开卷卷径测量装置主要由激光测距装置组成，检测的结果通过计算得到开卷卷材的直径，用于开卷张力控制和开卷自动减速停车等，其结构如图2中所示。

1）开卷机上的卷材。

2）激光测距仪：1.1中已经提到过此装置，激光测距仪在安装时要对准开卷卷材中心，以确保检测的准确。

其中D为开卷卷材直径，D0为开卷卷材套筒的直径，L0为激光测距仪到开卷卷材套筒的距离，L为激光测距仪到开卷卷材的距离。D0为已知的套筒直径，L0在调试过程中已经测出，通过检测激光测距仪到铝卷的实时距离L，计算得到开卷卷材的卷径大小D=2(L0-L)+D0。

2 不可逆铝冷轧机自动减速停车功能实现的原理

图2 开卷卷材卷径测量装置示意图

轧机自动减速停车的过程是：首先，操作人员对需要甩尾的残料进行设定（如设定残料的卷径或壁厚等），激活“自动减速停车”使能按钮。然后，通过程序判断开卷卷材何时到达相关设定，轧机自动切换到“穿带”模式，开始降速。随后，轧机进入自动匀减速阶段，在此过程中操作人员可以手动切换轧机的运转模式，此时自动减速停车模式自动终止；如不中止自动模式，则轧机持续降速。最后，轧机达到穿带速度（10～30m/min可调），此时若无其他操作，则轧机自动切换到“停止”模式直至轧机停止，轧机自动减速停车结束，轧机自动减速停车功能实现的关键是判断轧机何时开始减速停车。

2.1 轧机减速过程中带材行走的长度

首先，我们需要知道轧机从开始减速停车到完全停止下来的过程中开卷机铝带材行走的长度。当轧机减速时不进行其他操作则此减速过程是匀减速，示意图如图3所示。

图3 不可逆铝冷轧机减速过程示意图

根据公式有：

其中L为铝带材行走的长度，Vt为开始减速停车时刻的开卷机线速度，Vt1为开始减速停车时刻的主机线速度，Vmax1为轧机最高机列速度，tmax1为轧机从最高速停车所需的时间（tmax=tmax1），Δt为轧机从当前速度减速到停止所需要的时间。

式（2）代入式（1）可以计算出轧机匀减速过程中开卷机铝带材行走的长度，即轧机开始自动减速停车后到轧机停止时开卷机铝带材行走的长度。

2.2 开卷机残料设定的4种方法及其应用分析

因为开卷机卷材的直径是通过实时检测得到的，所以只要判断出在开卷机卷材直径达到多少时开始减速，在轧机停下来时开卷机卷材剩余量符合设定要求即可。为了方便操作人员的操作，我们设计四种对开卷机需要甩尾残料的设定方法：1）设定开卷机剩余卷材半径（直径）；2）设定开卷机剩余卷材壁厚；3）设定开卷机剩余卷材长度；4）设定开卷机剩余卷材圈数。下面针对轧机的运行特点对自动减速停车进行分析。

2.2.1 设定开卷机剩余卷材半径（直径）

根据面积公式，如图4所示。

图4 卷材示意图

图5 带材展开示意图

如果将卷材展开，如图5所示。

其中S为面积，R为开卷卷材当前半径，r为设定的停车卷材半径，hr为轧机入口卷材厚度，L1为卷材长度。

假设将铝材展平，考虑到铝卷材的空隙率，则有：

其中λ为修正系数。

式（4）和式（5）代入式（6）中，可以得到卷材展开后的长度，也就是从当前卷径到设定卷径的卷材展开长度。

当2.1中式（3）中L与L1相等时轧机应该开始自动减速停车，结合式（3）和式（7）计算得到：

式（8）中R为开卷卷材当前半径，r为操作人员设定的需要剩余的残料半径，hr为轧机入口卷材厚度，Vt为开始减速停车时刻的开卷机线速度，Vt1为开始减速停车时刻的主机线速度，Vmax1为轧机最高机列速度，tmax1为轧机从最高速停车所需的时间，λ为修正系数。

2.2.2 设定开卷机剩余卷材壁厚

设定开卷机卷材残料壁厚为Δh，则有剩余卷材半径：

结合2.2.1的推导，得到开卷机卷材从当前半径R到剩余卷材半径r的剩余带材总长度:

当L=L2时轧机应该开始自动减速停车，结合式（3）和式（10）得到：

式（11）中R为开卷卷材当前半径，r0为开卷套筒半径，Δh为操作人员设定的需要剩余的残料壁厚，hr为轧机入口卷材厚度，Vt为开始减速停车时刻的开卷机线速度， Vt1为开始减速停车时刻的主机线速度，Vmax1为轧机最高机列速度，tmax1为轧机从最高速停车所需的时间，λ为修正系数。

2.2.3 设定开卷机剩余卷材的带材长度

根据设定开卷机卷材残料长度为L3，则从自动停车开始时刻开卷卷材的展开长度为：

根据2.2.1的推导，可知：

当L=L3时轧机应该开始自动减速停车，即：

式（13）中R为开卷卷材当前半径，r0为开卷套筒半径，L3为操作人员设定的需要剩余的残料带材长度，hr为轧机入口卷材厚度，Vt为开始减速停车时刻的开卷机线速度， Vt1为开始减速停车时刻的主机线速度，Vmax1为轧机最高机列速度，tmax1为轧机从最高速停车所需的时间，λ为修正系数。

2.2.4 设定开卷机卷材残料圈数时带材的剩余长度

开卷套筒上每增加1层铝材，则其卷材半径会相应增加1层铝材的厚度，因此当设定开卷机卷材残料的剩余圈数n时，卷材上的带材长度可以确定，即：

其中Ln为设定卷材残料圈数时带材的剩余长度，n为设定的卷材剩余圈数，r0为开卷套筒半径，hr为来料厚度。

当Ly=L+L4时轧机应该开始自动减速停车，结合式（3）和式（15）得到：

式（16）中R为开卷卷材当前半径，r0为开卷套筒半径，n为操作人员设定的卷材剩余圈数，hr为轧机入口卷材厚度，Vt为开始减速停车时刻的开卷机线速度， Vt1为开始减速停车时刻的主机线速度，Vmax1为轧机最高机列速度，tmax1为轧机从最高速停车所需的时间，λ为修正系数。

2.2.5 开卷机残料4种设定方法的应用

通过对上述4种开卷机残料的方法进行分析，我们可以得知，要实现准确的轧机自动减速停车，我们需要监控轧机的运行状态，准确获知诸如主机速度、开卷机速度和开卷卷材卷径等。操作人员需要做的仅是选择残料的设定方式，然后输入卷材的相关信息。

3 自动减速停车的实现

从电气控制方面来讲，自动减速停车需要电气硬件组态和软件编程两个方面来完成，结合一个我们已经调试完成的项目，提供实现方案如下。

3.1 硬件组态

1）激光测距仪：如前所诉，要想实现自动减速停车，我们需要一个能够准确测量开卷卷材卷径的装置，用于提供准确的开卷卷材直径。激光测距仪性能稳定、抗干扰性强、检测精度高，能够保证卷径测量的准确性。

图6 系统配置图

2）PLC：选用SIMENS-400系列，具体组态见图6。

3）CPU：选用S7-400，414-3DP，用于完成PLC程序的执行，过程数据的计算和对设备进行控制。

4）模拟量输入模板：安装于PLC远程机架上，用于接收激光测距仪检测的数据。

5）传动装置：用于控制电机的运转，本例选择的是ABB直流传动装置。

6）编码器：监控电机速度，同时用于配合传动装置控制电机。

通过以上硬件配置，即可满足自动减速停车电气控制的需要。

3.2 软件实现

我们利用SIEMENS Step7 V5.4软件，通过对上述4中自动减速停车的设计方法进行编程，即可实现不可逆铝冷轧机的自动减速停车控制。

4 结束语

自动减速停车是不可逆铝冷轧机的一个重要功能，如何准确判断减速停车的时机，使开卷卷材剩余的残料正好为设定值，是自动减速停车的关键。此种自动停车功能已在我们调试完成的多台设备上投入使用，同时此经验可推广到其他铝加工设备上使用。生产实践证明此功能设计合理，操作简单方便，系统运行良好，提高了生产效率。

[1]赵刚,杨永利.轧制过程的计算机控制系统[M].冶金工业出版社,2002.

[2]丁修堏.轧制过程自动化[M].冶金工业出版社,2005.

[3]黄庆学,梁爱生.高精度轧制技术[M].冶金工业出版社,2002.

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

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

针对不可逆铝冷轧机自动停车功能的实现提出了设计方案，阐述其设计思想和原理，并针对4种残料设定方法分别进行了设计计算，给出实现其控制的软硬件配置，为自动停车功能的实现提供了完整的设计思路和实现方案。

自动减速停车；不可逆铝冷轧机；PLC

樊锐（1980 -），男，工程师，本科，主要从事铝加工设备电控系统的设计与调试工作。

TH161

A

1009-0134(2014)05(下)-0133-04

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

2013-11-25