辊缝自适应调整及速度补偿在H型钢矫直机中的应用

文/赵兴武

1　前言

在H型钢生产线中，矫直机用来矫正成品并改善外在质量，是非常重要的环节。莱钢大H型钢生产线矫直机自动控制系统与传统矫直机自控系统不同，软件采用西门子PCS7，外围附属设备采用西门子S7-400CPU及输入输出模板实现咬钢、矫直及抛钢，在最为核心的辊系调整设备中，采用了西门子高速动态控制模块FM458来实现矫直辊位置及辊缝的高精度、快响应调整，保证了成材率。另外，辊系更换系统采用一套S7-300CPU实现自动换辊功能。

2　控制系统基本架构

FM458模块集成在矫直机PLC的机架中，换辊PLC柜通过Profibus-DP下挂换辊操作台，并通过DP/DP COUPLER实现与矫直机PLC柜的数据交换。矫直机PLC柜通过Profibus-DP总线下挂两个远程站，实现信号采集及矫钢过程中的设备调整等功能。操作站用于通过Wincc进行人机交互、程序在线监控及优化等。

3　辊缝自适应调整

3.1　矫钢模式下的辊缝自适应调整

FM458高速动态控制模块架构于矫直机PLC柜中，与S7-400CPU共享一个机架背板。九个矫直辊的轴向编码器及伺服阀等通过DP通讯至FM458，而上四辊的垂直方向调整各相关元件则通过特殊模块直接接入FM458，实时性更强。在莱钢大H型钢投产之初，辊缝调整必须在调整模式下进行，在工序规格多样时必须频繁切换模式以实现辊缝调整，严重影响生产节奏。改造后的大H型钢矫直机实现了矫钢过程中免模式切换下的实时调整，改造效果明显。

3.2　上矫直辊的垂直同步控制

辊式矫直机的水平上辊垂直方向调整在机械设计上每个上辊由左右两个液压缸同时配合动作。在动作过程中，难免会产生偏差。偏差超限直接影响钢材成品质量。为了控制偏差，通过在每个上辊左右两个液压缸分别安装编码器以检测设备位置，通过计算两侧的偏差并参考液压缸压力值，引入PID算法实现闭环控制回路，对设备的动作速度进行动态补偿，实现上辊的精准同步控制。控制回路如图1所示。

图1：同步控制原理图

4　矫钢过程中矫直辊速度补偿功能

由于矫直机自动化控制系统与电气变频系统之间的通讯存在时间滞后，进而会导致矫直辊转速会出现速度误差，易导致矫直辊断裂。为了防止这种情况的发生，必须对矫直辊的速度进行补偿，实现速度的精准控制。

4.1　速度补偿原理

控制程序通过扫描矫钢过程中矫直辊的实际速度与PLC给定变频器的参考速度进行比较并计算偏差。当偏差大于设定范围时触发程序控制逻辑，进行速度补偿计算，补偿值与原速度相加后生成的参考速度给定变频器。程序控制逻辑放置于循环扫描块OB1中，每个周期计算一次，实时对矫直辊变频器的实际速度进行补偿。速度补偿原理图如图2所示。

图2：速度补偿原理

4.2　速度补偿中的PID应用

本方案采用了闭环PID控制系统，其特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。如图3所示，在矫直辊速度补偿控制系统中，我们采用了PID双闭环控制系统，其中，参考速度由程序给定变频器，变频器将矫直辊的实际速度反馈给程序，控制逻辑将参考速度和实际速度的偏差相减后进行差值判断，根据差值进行PID调节，达到动态、实时的速度补偿。

图3　

5　结论

该项目实现了辊缝自适应调整及速度补偿功能，标新立异，求实创新，对于H型钢矫直机的自控系统设计有着非常重要的意义。