型材轧制中冷床控制系统优化.docx
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型材轧制中冷床控制系统优化
冷床控制系统优化
技术应用鉴定材料
2007年8月
鉴定材料之一--------冷床控制系统优化鉴定大纲
鉴定材料之二--------冷床控制系统优化工作报告
鉴定材料之三--------冷床控制系统优化技术总结报告
鉴定材料之四--------冷床控制系统优化经济效益分析报告
鉴定材料之五--------冷床控制系统优化使用报告
鉴定材料之一
冷床控制系统优化鉴定大纲
第一小型轧钢厂
2007年8月
鉴定大纲
山东省冶金工业总公司对济钢集团总公司第一小型轧钢厂完成的《冷床控制系统优化》项目进行技术鉴定，鉴定委员会制定鉴定大纲如下：
一、项目名称：
冷床控制系统优化
二、项目来源：
自选
三、项目内容
经过对控制程序的仔细分析和细致的现场观察，对冷床区控制程序进行全面的优化，主要有：
升降裙板控制使用高实时性算法，提高位置控制的精度；对各种故障报警进行全面检测分析，并制定智能控制策略确保冷床不出现乱钢；设定参数自动根据线速度进行选择，减轻工人劳动强度等等；在满足工艺要求的情况下尽量减少检测元件的数量，提高运行的可靠性。
确保了全线速度提高到17.5m/s以上，而且故障率大大的降低。
不仅提高了机时产量而且确保了作业率。
四、项目起止时间
2004年9月～2006年12月
五、承担单位：
济钢第一小型轧钢厂
六、鉴定材料及提供单位
1、冷床控制系统优化鉴定大纲
…………………………………鉴定委员会
2、冷床控制系统优化工作报告
…………………………………济钢第一小型轧钢厂
3、冷床控制系统优化技术总结报告
…………………………………济钢第一小型轧钢厂
4、冷床控制系统优化使用情况报告
…………………………………济钢第一小型轧钢厂
5、冷床控制系统优化经济效益分析报告
…………………………………济钢第一小型轧钢厂
六、鉴定程序
1、讨论通过鉴定大纲
2、听取工作报告
3、听取技术报告
4、听取使用情况报告
5、听取经济效益分析报告
6、现场考察
7、专家评议
8、讨论通过鉴定意见
9、鉴定委员会委员签字
鉴定委员会
2007年8月
鉴定材料之二：
冷床控制系统优化
工作报告
第一小型轧钢厂
2007年8月
冷床控制系统优化
工作报告
一、课题来源：
2003年底一小型进行全连轧改造，配备120米步进式冷床一台，完成对棒材的冷却和剪切收集。
冷床的收集能力和稳定运行状态直接影响全线的产量和作业率。
因此如何提高冷床的收集能力和工作的稳定性一直是倍受关注的课题。
原来冷床的入冷床最大线速度为16m/s，超过此线速度升降裙板出现位置控制不稳而引起的乱钢，而且还同时存在着故障率高、参数调整烦琐等等问题，严重制约着全线轧机产能的释放。
经分析其主要原因如下：
1.整个加热炉在出钢和进钢时，前后的逻辑连锁关系复杂，而且有很多连锁没有意义。
2.步进梁的液压系统在行程控制中精度不高，引起钢坯在炉内分布不均匀，造成出钢困难。
3.炉前进料辊道和炉内装、出料辊道速度慢，造成进钢、炉内定位和出钢的速度缓慢。
4.步进梁的动作周期的逻辑连锁设计不完善，造成步进梁控制程序经常进入逻辑死区。
5.炉前检测元件多而且工作不稳定，经常造成钢坯在炉内定位失败，不得不转入手动状态，重新进行钢坯定位。
由于以上缺点，致使加热炉的出钢速度一直得不到提高。
而且故障频繁，其控制精度已满足不了现在的生产要求，严重制约了生产,因此需对其进行技术改造。
二、方案制定：
针对加热炉出钢速度太慢这一课题，主要着手从控制系统软件编程和提高变频器的运行速度这两点展开工作。
1.逻辑连锁系统。
主要在保证加热炉的安全运行的前提下，尽量取消不必要的逻辑连锁关系。
2.优化步进梁的动作曲线，尽量减少步距不稳定的现象。
同时，增加步距补偿程序，运用数字PID调节器，检测出上一步的实际偏差在下一步中进行自动补偿。
3.在提高变频器的运行频率，尽量减少变频器低速运行的时间，同时要优化变频器的参数防止变频器的过载跳闸。
4.完善步进梁的控制程序，增加程序的容错能力，确保步进梁不进入逻辑死区。
5.减少炉前的检测元件，由三个减少为一个。
同时为检测元件的信号在程序中进行容错处理。
提高钢坯在炉内定位的稳定性
三、项目论证工作及进展情况：
1.自2004年1月份第一小型厂组成由电气及技术主管人员参加的技术改造小组。
在厂长、分管付厂长大力支持下，针对影响加热炉出钢速度存在问题，有关人员多次开会研究商议改造方案，制定了满足现场工艺要求的既先进可靠、又经济的方案。
2.工作进展情况：
2004年1月列入第一小型轧钢厂改造计划。
2004年1月并投入生产运行。
四、技术人员名单：
序号
姓名
学历
专业
职称
所做贡献
1
杨荣庆
大学
轧钢
高工
主持制定方案
2
颜海涛
大学
电气
助工
主持制定方案，现场调试
3
邓扬玉
大学
电气
工程师
主持制定方案，现场调试
4
范伟
大学
机械
高工
协助制定方案
5
谢允澄
大专
电气
工程师
制定方案，现场调试
6
马文丽
大专
电气
工程师
协助制定方案
7
夏永青
大专
电气
工程师
制定方案
8
王帆
大学
电气
助工
现场调试
鉴定材料之三：
冷床控制系统优化
技术总结报告
第一小型轧钢厂
2007年8月
冷床控制系统优化
技术总结报告
1.引言
济钢第一小型轧钢厂2003年进行了全连轧改造，为满足年产80~100万吨棒材的要求，配备了一座加热能力130t/h（热装170t/h）加热炉，采用的是具有高产、低耗、自动化水平高，侧进侧出的双蓄热步进梁式加热炉。
整个加热炉进出钢的工作过程为：
由天车将钢坯放置到上料台架上→由推钢机推到炉前上料辊道上→由上料辊道运送到炉前等待装钢→装钢并实现炉内定位→步进梁启动正循环将钢坯向前移动→移动钢坯放到炉内出料辊道上→炉内出料辊道正转完成一次出钢→停车并等待下一次出钢信号。
工作周期40S。
2.问题提出和分析
整个加热炉区的电控系统由一套S7-414CPU实现，在实际运行中出钢速度严重不能满足轧线的需求，而且经常出现步进梁不动、步进梁步距不稳定、钢坯炉内定位失败等现象造成大量的故障停机。
经分析主要有以下几个方面的原因。
1）控制系统的逻辑连锁关系存在着重复，如：
装出料的炉门每次出钢的过程中都要动作一次；只有在步进梁回到后下位才可以进钢；步进梁只有在定位推钢机回到后位时才可以启动等等，以上的不必要的逻辑连锁关系耗费了大量的时间。
使加热炉的出钢周期大大加长。
2）步进梁由液压缸驱动，在使用中由于步进梁的动作曲线未考虑整个步进机械的惯性，经常出现步进梁前冲的现象，使钢坯在炉内的排列不均匀，在出钢时不得不手动调整步距也影响了加热炉的出钢节奏。
3）由于炉区的辊道全部采用变频器驱动，变频器的输出频率都设在了30Hz左右，使得整个的装料和出料速度缓慢，而且钢坯在炉内定位时采用低速运行时频率只有10Hz，更大大的延缓了出钢速度。
.
4）原来的步进梁动作的逻辑连锁程序存在着大量的逻辑死区，在实际使用中经常出项程序进入死循环，这时只有将PLC重新上电才可以继续工作，影响了加热炉出钢节奏。
5）炉前的检测元件有三个激光物体检测器，由于加热炉炉前的高温和高尘环境，使物体检测器的工作不稳定。
而检测器一旦出现问题就直接影响加热炉电控系统的正常运行，在大多数情况下不得不转入手动进行人工调整，也影响了加热炉的出钢速度。
3.改进措施
出钢速度的不高主要原因在于出钢动作的逻辑连锁太复杂和加热炉电控系统的不稳定。
主要从三个方面去考虑：
一是优化出钢动作的逻辑连锁关系。
二是提高加热炉区辊道的运行速度。
三是提高加热炉区的电控系统运行的稳定性。
1）在保证整个炉区设备的安全运行的前提下，对动作的逻辑连锁关系进行优化，尽量的压缩出钢周期。
主要有以下几个方面：
①取消原来的炉前定位档板，可以节约大约2秒的时间。
利用炉前变频辊道的制动，使钢坯准确停在的炉前。
②进出料炉门由原来的每次都要开关一次改为平时一直打开，同样利用变频辊道的制动防止钢坯冲撞步进梁。
③进钢指令提前发出，由原来的步进梁回到后下位启动进钢，提前到步进梁到达前上位就启动进钢。
④步进梁的提前启动，由原来的定位推钢机回到后位启动步进梁，提前到定位推钢机达到前位就启动步进梁。
改进后的逻辑连锁关系见图一。
2）增加步距补偿程序。
当步进梁上升通过托钢点时自动记忆当前平移编码器的数值，然后根据步距计
算出前位的平移编码器的数值。
当步进梁达到前上位后下降的过程中，运用自适应的数字PID算法对步进梁的前位进行补偿修正，确保当步进梁下降到放钢点时本次前进的步距为给定的步距。
1补偿的主程序设计（见图二）
在主程序设计中，步距补偿仅仅在步进梁达到前上位后下降到放钢点的一段时间内起作用。
而且为防止步进梁颤动设计了一个死区（5mm）。
2补偿的数字PID算法框图（见图三）
本程序在PLC的循环定时中断OB32（周期为200ms）中调用，程序记忆三个扫描周期内的位置偏差按照公式：
Un=Kp[E（n）*K1+E（N-1）*K2+E（n-2）*K3]
计算，其中K1，K2，K3为预先设定的系数，根据整个系统的大惯量的特性，分别设定为：
0.8，0.1，0.05。
③自适应系数的确定方法：
在主程序中设定了一个补偿停止条件，当步距偏差小于5mm时，停止步距补偿。
同时对比例系数Kp进行修正，修正公式如下：
Kp+1=（Xp-Xm）*0.15+Kp
其中：
Kp+1为下一次计算的数字PID增益。
Kp为本次计算的数字PID增益
Xp为理论计算前位编码器值
Xm为补偿结束后编码器的实际值。
3）为了提高钢坯的入炉速度，确保在步进梁的动作周期内完成进钢和出钢过程，需要对炉区的变频辊道提速，但是提速后钢坯的惯性太大导致变频辊道在停止时会造成变频器过载跳闸甚至会损坏变频器，因此辊道的提速的关键在于在确保变频器的使用安全的前提下优化变频器的制动参数。
我们使用的MM440变频器的制动方法见图四：
其中：
直流注入制动是向电动机注入直流制动电流，使电动机快速制动到静止停车（施加的电流还使电动机轴保持不动），这种方式会对电动机造成一定的损伤，尤其是对角型接法的电动机。
复合制动是在制动时将直流电流迭加在交流电流上，它对电动机的损伤要小的多。
动力制动通过一个斩波器接通制动电阻来吸收制动时电动机的能量，但是需要一个外接的制动电阻，而且存在着电阻发热的问题。
根据三组变频辊道的不同的工况制定了不同制动方案，具体如下：
①炉前装料变频辊道需要将钢坯较为准确的运送到炉前等待装钢。
在每次的出钢过程中需要两次的起制动，而且电动机为角型接法。
我们采用了动力制动。
②炉内装料辊道需要将钢坯准确的停在加热炉的中央，由于电动机均为星型接法，我们采用了直流注入制动来确保钢坯的炉内准确定位。
③工艺对炉内出料辊道的制动要求不高，因此我们采用了延长斜坡下降的方式就完全可以满足要求。
4）对原来的步进梁程序进行优化，确保在逻辑上没有死区，主要有以下几个方面：
①增加手动回零程序，使步进梁程序进入逻辑死区后，可以手动回到原始点，同时对程序所有的状态重新初始化。
②在步进梁按照曲线减速到零后，而还没有达到预定位置后，通过程序自动重新给定一个速度推动步进梁动作。
③如果加上速度后在一定的时间内，仍然没有达到预定位置，通过程序进行判断，如果实际位置和预定位置的偏差小于10mm，则自动转入下一个动作，继续执行。
5）针对原来的加热炉前检测元件多而且没有容错处理的情况，通过对控制程序的优化，把两个激光物体检测器合为一个。
而且在程序中进行了容错处理，确保了工作的可靠性。
彻底消除了原来的钢坯炉内定位失败的情况。
4.结论和使用效果
经过7个月的运行，加热炉电控设备运行良好，出钢周期由原来的40秒左右提高到了30秒，提速效果十分显著，而且实现了零故障，电气控制系统运行稳定,各项指标均达到了设计要求.
鉴定材料之四：
冷床控制系统优化
经济效益分析
第一小型轧钢厂
2007年8月
冷床控制系统优化
经济效益分析
今年1月份项目实施后，加热炉区电控设备的运行可靠性显著提高，出钢速度得到了明显提高，小时出钢支数到达了120支，大大超过了轧线的生产能力，并且为全线提速创造了条件。
效益预测：
提高出钢速度后，生产大规格时每小时平均多出钢30支。
每支钢单重按1.7吨计算，作业率按75%计算，一年按11个月计算，大规格产量按占全年产量的33%计算，吨钢效益按150元计算。
①.机时产量提高：
30支×1.7吨/支=51吨
②.年提高产量
51吨/小时×24小时/天×75%×30天/月×11月/年×33%=100980吨
③.年创经济效益
100980吨×150元/吨=1514.7万元
合计创经济效益：
1514.7万元。
鉴定材料之五：
冷床控制系统优化
使用报告
第一小型轧钢厂
2007年8月
冷床控制系统优化
使用报告
2004年1月加热炉出钢速度提高后，电气设备运行稳定。
小时出钢支数明显提高，增产效果十分明显。
各项指标均达到设计要求。
改造后产量提高效果显著，大大提高机时产量，降低了故障时间，为工人操作提供了方便，大大降低了工人的劳动强度。
可广泛使用于冶金企业步进梁加热炉的自动控制。
是一项较成熟的科技进步项目。
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