1780热连轧飞剪及精除鳞控制系统优化探讨

张彦东

随着时代的发展，自动化技术的应用范围越来越广阔，对于钢铁生产加工行业而言，及时进行系统设备的优化升级具有重要意义，利于提高钢铁元件的生产效率，也利于创造更多经济效益，帮助到企业的发展。但为了确保系统设备优化升级的科学合理，在实际优化改造中，还应加强一些方法的研究，明确要点。本文以某钢铁有限公司的1780热连轧生产线的优化为例，分析该生产线的优化路径。相关内容如下。

1 飞剪控制原理分析

飞剪控制是重要的加工环节，对1780钢铁的生产加工质量具有直接影响。飞剪过程中，剪切的启动时间为飞剪控制的关键点，为了更好地控制飞剪加工质量，则需要合理控制飞剪启动时间，但如何精确地控制运行速度是优化工艺中的难点。深入分析可知，此加工过程中，关键检测设备为热金属监测器，若能够保障热金属检测器的稳定性，则能够有效控制飞剪的精度，进行实现系统的优化控制。因此，系统优化过程中，应注重热金属检测器的精确化。

飞剪加工过程中，带坯头尾剪切长度是由操作人员设定，结合热金属检测器实现检测坯位置的检测，相关检测信号会传入到PLC中，PLC根据信号以及尾部长度数据，启动飞剪系统，完成对钢铁元件的生产加工。系统设备自动运行情况下，操作人员需要对以下参数进行科学合理地控制，包括钢铁元件头部剪切长度（mm）、尾部剪切长度（mm）、速度超前率（0%～10%），速度滞后率（0%～10%）。

1.1 飞剪及除磷设备组成及系统配置

1780钢铁加工流程中，包括飞剪与除磷两个部分，从系统设备组成情况来看，包括多种结构，其中剪前辊道是重要的引导设备；配备了测速单元，对加工流程进行判定；剪前导尺可以对剪切长度进行控制；还包括飞剪转鼓、高压水除鳞箱；以及前后夹送辊、除鳞箱辊道等。飞剪设备主要为转鼓式结构，通过1台2300kW的交流电机带动，带动方式为齿式联轴器，该齿式联轴器还与减速机相连。实质的连接，即减速机输出端与联轴器下转鼓相连，上下转鼓由同步齿轮连接，交流电机运行时，通过上下鼓式齿轮的有机运作，完成剪切，实际的剪切执行是借助剪刃实现。精轧除磷环节主要由两片机架通过横梁连接而成。两横梁的固定方式以螺栓为主，固定于机架上，机架内部包括前后夹送辊、前导辊、中间辊道、上下两组集水管等。在优化设计中，除了设置了前后夹送辊等元件，还设置了上盖、侧面挡板等，使其与机架形成整体封闭的箱体，这可以防止水汽的外溢。

初始入口的设计阶段，需要进行固定钢材，借助夹送辊实现控制，控制系统由夹送辊、减速机、联轴器、万向接轴组成。入口的上方还包括液压单元，系统运行时，液压单元发挥作用，将钢材运输到指定位置，实现精扎，精轧阶段有机结合精轧结构的应用。此外，考虑到紧急情况的处理，可以借助液压缸将钢材从轧机中拉出。

具体而言，夹送辊是主要的器具元件，该元件的运行以减速机、联轴器、万向接轴传动，同时上辊无电机带动，区域无电机带动，是以钢板带动实现运行。出口夹送辊的主要作用，即结合夹送的方式将钢材表面的水处理掉。

1.2 系统软硬件配置

系统控制包括软硬件两个部分，硬件是重要的执行单元，软件是重要的控制单元。硬件部分的配置：Sie-mensS7-400PLC（由主框架和远程ET200M组成），PLC是重要的检测、控制执行单元，该PLC内部为Ethernet card工业以太网通信模块，基于该PLC的应用，实现了系统HMI与其他区域PLC的通信连接。从功能上来看，该PLC可以承担以下功能，能够针对飞剪进行控制，具体为点动控制；可以操作系统自动切头、切尾；可以操作除磷箱自动喷水，包括控制前后夹送辊上升及下降；实现对各个运行单元运行速度的控制。

系统软件采用西门子S7系列的PLC软件系统，该软件系统可以进行灵活的编程，可以结合实际需求进行编程、设计，具有功能强大的特点，基于该软件系统设计，可以集成多种设备的应用。人机交互界面的设计中，有机结合Mi-crosoft Windows 2000的Simatic WinCC系统，可以实现度系统设备运行情况的查看，形成有效的监控。从软件部分的设计来看，具有良好的开放性、灵活性，易于企业进行操控，也便于维护，同时还能够针对故障问题进行及时报警，提升排除故障的效率。

1.3 系统工作方式

1.3.1 飞剪剪刃位置控制

系统设备运行过程中，飞剪过程分为不剪刃与剪刃两个环节，当不执行剪刃操作时，切头是处于水平位置，是一种相对静止状态，此时切尾刃处于垂直状态。切刃与切尾刃呈现垂直交错状态。当带钢到达指定位置时，剪刃执行飞剪操作，此过程中切头剪刃由等待位置旋转至220°，然后再由220°启动加速，加速至16.8°，进入到剪切区域，剪切至0°，实现对钢材的剪切。飞剪过程中会持续到-20°的位置，然后形成制动，一直制动回调到130°，完成制动流程，再调回到270°进行等待，当接收到下一个命令时，飞剪剪刃会重复执行上述操作，往返实现持续的生产加工。

切尾系统在收到切尾指令时，剪刃开始运作，旋转至240°的位置，然后执行切尾操作，从240°运行至16.8°，此过程以加速状态完成，实现对钢材的切尾。一般会运行至-20°的位置，到达该位置后开始制动，制动回调到130°位置，此时制动程序停止，剪刃回到等待位置。待收到下一个命令时，会重复以上流程。

1.3.2 飞剪工作方式

飞剪功能运行前，要满足有关条件：首先要检测到信号，同时各个传感器应提供正确的位置、速度、温度等信号，待有关信号满足时，操作台发出飞剪指令时，系统会自动执行飞剪工作。另外，还需要确保飞剪润滑系统的正常。

（1）点动与手动方式。飞剪系统运行前，以上系统应全部满足，进而确保飞剪质量。飞剪操作阶段，借助操作台，设计了两种方式，一种为点动，一种为手动，点动为自动操作方式，点动操作执行时主要是结合预先输入的程序。手动剪切，即结合需求，工作人员可以进行自行调节进行飞剪。具体开启有关操作方式的方法是在操作控制平台上进行选择。具体控制中，应结合主操控台选择有关操控方式，操作方式选择手动后，剪切运行完全依赖工作人员的操作，剪切过程的速率可以进行把控，进行实时对系统的现精确化控制。

（2）自动方式。飞剪自动控制方式即钢材剪切过程的自动化运行，此过程中只需要工作人员在操作台上打开相关按钮即可。剪切自动化控制过程中，除了要满足以上条件外，还需要满足以下条件；就地操作箱与主操控台的控制需要调至“主控”位；主操控台“自动/停止/手动”功能要选择在“自动”位置上；与此同时，在HMI上要调整至“全切”位置，包含在HMI上对飞剪参数的设定，如进行设计剪切长度、切尾延后率等。当以上操作完成后，PLC会自动自行操作，判断钢材的位置，按照预先设定的参数，进行钢材的剪切，同时会经过计算分析，控制剪切速度，确保剪切工作的质量。自动剪切运行方式具有较高的自动化水准，其启动、停止的执行全部有逻辑条件出发，例如，飞剪前，对带钢进行热检是重要一环，PLC将对热检信号的距离、速度进行计算、计算出最佳的启动时间、剪切速度，当热检过程出现一些问题，不能够满足有关需求时，PLC会根据有关信号中断系统运行，这样可以保障飞剪操作的精确，满足最初的设计要求。

1.3.3 轧件速度检测

飞剪过程中，速度对剪切精度、剪切动作执行的顺利与否具有重要影响，因此，要对飞剪过程的运行速度检测，确保飞剪速度在科学合理的范围内。飞剪轧件速度测定过程中主要包含以下几点：

（1）测速辊头部速度检测，针对测速辊头部速度检测而言，主要依靠增量编码器，其安装于测速辊上。系统运行过程中，当带钢头靠近时，测速辊会快速升起将带钢顶住，此过程中，借助增量编码器，可以将速度运行信号发送到控制单元，由控制单元对剪切时间、速度进行控制，保障飞剪达到设定要求，达到测量的长度要求。测速辊直径是固定的，为1000mm。

（2）带钢头部速度测量。测量过程中，主要是结合两个热检元件间的距离，结合带钢运行时间的明确，借助公式得到带钢头部速度。

（3）带钢尾部速度测量。实际测量过程中，主要是结合在除磷箱后部的夹送辊，其是一种堕辊，系统运行时，带钢下行，夹送辊随之运行，此过程中，借助对码盘脉冲数的分析，形成对带钢尾部速度的测定。

（4）计算精轧机入口速度作为带钢尾部速度。计算过程中，根据金属秒流量相等的原理，结合机架带钢出口速度、出口厚度、机架带钢入口厚度三个物理量，计算出轧机入口速度，将其作为带钢尾部速度。

1.4 注意事项

①系统架构的优化过程中，切边剪切机构应能满足对钢板剪切功能的要求，同时要保证剪切机构与切边机构的连锁关系。②系统架构优化中，需要注意调整上剪刃沿钢板方向的运行位置，促使切边剪切钢板与剪刃滑块之间的水平作用力最小，这也可以促使钢板滑块与机架之间的摩擦力减小，提高剪切效率，有效预防一些故障、问题的发生。③剪切机构中曲柄之间的位置应合理，确保在一定范围内，满足剪切钢材的需求。

2 除鳞机手动及自动工作方式

除磷机的运行控制中，包含自动与手动两种工作方式。具体执行哪种除磷方式的操作，需要依靠工作人员的选择。除磷水系统中包含入口出口除磷水和除磷箱预充水。夹送辊位置压力控制主要包括夹送辊的零位标定、定位操作机压力控制。当除磷水及夹送辊运行处于自动运行方式时，带钢会自动运行至前夹送辊，夹送辊自动压下且会设定辊缝；然后带钢会被送到后夹送辊，由于自动运行，会压下并设定辊缝，此过程中会自动打开除磷水。自动运行至F1咬钢时，夹送辊的压力环会投入，具体是以HMI上的设定压力执行下压动作；当热金属检测器HMD303失钢时，系统收到信号会取消夹送辊压力。带钢离开前夹送辊时，后夹送辊会自动运行，打开到180mm。手动控制阶段，将除磷水及夹送辊运行调整至手动运行，HMI上的相关水阀按钮要全部通过手动操作实现控制。另外，为了确保系统的可靠运行，以及展开有关独立检查工作，除磷水阀的开闭也可以在自动运行情况进行手动控制，实现有效控制干预。

3 区域控制时序

飞剪及除鳞系统运行控制过程主要是运行速度、时序的控制，优先控制过程中，如何切实反映出带钢实际速度，然后科学合理的调整飞剪剪切速度是需要解决的问题。为了解决该问题，住宅飞剪剪切速度、区域辊道速度与带钢实际运行速度的有机融合，进而体现运行配合的良好，保障剪切精度、剪切动作的顺利执行。

3.1 带钢速度检测

时序控制中，带钢速度检测应确保有效，能够真实反映出带钢运行情况，而为了有效检测出带钢运行速度，则需要采用合理的检测方法。具体检测中，采用多种方法测定，确保检测效果可靠。①结合测速辊测量头部速度，辊径是固定的，其周长为1000mm。基于测速辊的增量编码器进行测定。具体而言，当带钢头接近时，测速辊上的编码器会将速度信号反馈于飞剪控制系统，系统对飞剪时间进行计算，得到最佳控主数据，确保剪切符合要求。②热检测量带钢头部速度，结合钢铁1780热连轧生产线，在生产流程中安装了3个金属热检测器，将其分别安装于生产线的初始端、中间环节、尾部环节，实现对钢铁的运行速度的测定。③尾部速度测量阶段，主要是借助后送辊上辊的码盘脉冲设备，对该设备进行分析，进而得到实际的数据变化特点，再通过计算分析，得到尾部带钢速度。④精轧机入口速度测定，借助金属秒流量相等原理，有机结合F1机架钢出口速度、出口厚度、F1机架带钢入口厚度，计算出F1机架入口速度，该速度即为带钢尾部速度。

通过对以上速度的综合分析，系统实现带钢速度的合理检测及验证。

3.2 飞剪及精除鳞区域时序控制

带钢运行速度的精准控制是基础环节，也是确保飞剪加工合理的保障，为了确保飞剪及精除磷的科学合理，则应对整体系统进行有机调整，使各个加工环节的衔接科学合理，达到设计要求，同时这也是加工生产是否合格的关键。对此，应飞剪及精除鳞区域控制时序进行有效调节控制。具体控制方式如下：

①初始准备，工作人员将飞剪及精除鳞运行方式调整到自动位置，此时，剪刃处于等待位置、传动结构运行等待、辊道结合预先设定的速度运行。②辊道检测单元收到带钢信号时，热感元件发挥作用对钢材进行探测，此时飞剪区域辊道以HMI设定的速度运行，同时粗轧中间辊道应与飞剪区域辊道速度同步。③当热感元件收到金属元件信号时，飞剪辊道速度以设定速度运行。④当辊道尾部的热感元件收到带钢信号时，代表钢材已经进入可加工操作范围，此时根据该信号判定，剪切飞头运行，辊道速度仍然维持设定速度运行。飞剪剪刃运行到减速点时，除磷系统开始运行，进行对钢材的除磷，具体而言，除磷系统中的前送辊会延时自动压下到HMI设定的辊缝，然后执行除磷操作，该阶段的运行速度是以轧入口的速度运行。⑤当辊道尾部的热检测仪检测出钢信号的下沿时，飞剪切尾呈现被激活，该程序执行时，除磷箱前夹送辊延时自动抬起到HMI设定辊缝，飞剪剪刃冷却水15s后自动关闭。之后，除鳞水系统会自动关闭，除鳞箱后夹送辊抬起，前夹送辊抬起至最大开度。此运行阶段，飞剪区域的辊道跟随精轧入口的速度运行。⑥当检测单元失去钢信信号时，系统会恢复到初始状态，如除鳞箱夹送辊中的压力自动取消，飞剪区域辊道以HMI设定的速度运行，步序器自动返回初始环节，等待下一环节的剪切。

4 结语

本文结合某企业钢铁1780热连轧飞剪及精除鳞系统的优化进行了分析，该系统有机结合了全面控制的措施，实现了点动、手动、自动3种控制模式，主要是对带钢速度的测定，结合了4种检测方法，包括测速辊测量头部速度、热检测量带钢头部速度、依靠脉冲设备尾部速度测量、借助金属秒流量相等原理测量精轧机入口速度。在控制时序上采用了逻辑严密的顺序控制的步序器。从控制效果来看，使得飞剪及精除磷系统运行稳定，除磷效果显著，带钢头尾质量合格，轧制节奏稳中有升。