热连轧卷取机的自动踏步系统带钢头部定位计算方法

摘要

本发明实施例提出一种热连轧卷取机的自动踏步系统带钢头部定位计算方法，包括以下步骤：对带钢进入夹送辊与否进行检测，当检测到带钢进入夹送辊时，自动踏步过程开始，根据下夹送辊速度计算带钢头部位置；对主卷筒张力进行检测，若主卷筒张力未建立，则继续根据下夹送辊速度计算带钢头部位置；若主卷筒张力已建立，则以张力建立时刻带钢头部在主卷筒瞬时位置为起始点继续计算带钢头部位置；检测设定的助卷圈数是否完成，若尚未完成，则继续以张力建立时刻带钢头部位置为起始点计算带钢头部位置；若设定的助卷圈数已完成，则自动踏步过程结束，带钢头部位置计算完成。本发明可有效克服现场的热金属检测器和光电检测元件易受现场各种干扰的缺点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热连轧卷取机的自动踏步系统带钢头部定位计算方法。

背景技术

在现代热轧带钢的生产过程中，当带钢头部经精轧区末机架抛钢后，经过层流冷却到达工艺温度，需要通过卷取机对带钢进行连续卷取。轧钢生产实践表明，卷取机的生产状态直接影响着轧机作业线生产能力的发挥和成品带钢的最终质量，并影响后工序的顺利进行。热连轧生产线的卷取机是一个集机械、电气、气动和液压为一体的复杂系统，并且在冲击震动，高温，水和氧化铁皮等恶劣环境下工作。因此，热轧卷取机自动化系统易受干扰，造成运行的不稳定，降低生产效率。因此研究高性能，高强度，低冲击的卷取机是一项十分重要的任务。

在国内，六、七十年代引进的一批热轧生产线中，均采用气动单元控制卷取机助卷辊，辊缝由千斤顶(或螺杆)来手动调整。这种方式控制的卷取机在带钢咬入时对助卷辊有强烈的冲击，卷筒的震动大，带钢有冲痕，噪声高，构件磨损快，支撑臂易开裂，卷筒内的柱楔易生锈，维修频繁，钢卷不紧密，卷取质量差。在八十代后期，随着电液伺服技术的发展，出现了以德国西马克和日本新日铁公司为代表的研制的液压控制地下卷取机控制系统。结合先进的计算机控制系统，液压控制和传统气动压紧式助卷辊方式相比，具有控制精度高，响应快，并且对带钢和设备的冲击小，带钢头部成型质量好等优点。

卷取机自动控制系统的任务是，根据过程计算机或操作人员给定的数据和指令控制电气传动装置和液压控制系统，使卷取机按要求准确地完成卷取过程。一种现有的热连轧生产线的两台全液压卷取机(1#、2#)所属设备分别包括侧导板、上下夹送辊、卷筒、助卷辊、卸卷小车等，其位置和压力控制均采用电液伺服控制系统，其工艺设备布置结构图如附图1所示。

下面以1#助卷辊为例说明助卷辊的踏步控制。在该过程中，助卷辊采用位置/压力双闭环调节方案：其中，压力环为内环，位置环为外环，该调节结构可以实现位置控制和压力控制之间的无缝切换。在带钢头部进入夹送辊前，助卷辊和卷筒之间的辊缝设为略大于板厚的初始值。当带钢头部穿过夹送辊进入1#助卷辊辊缝后，1#助卷辊辊缝值参考值减小，1#助卷辊下压到带钢上，此时位置环进入饱和，助卷辊变为压力控制方式，按设定压力压紧在带钢表面。当带钢头部卷过一圈，带钢头部重新到达1#助卷辊之前，1#助卷辊又抬起到新的一个参考位置，该位置参考值＝位置实际值+带钢厚度+附加值。带钢头部通过后，1#助卷辊辊缝又减小到计算的新的辊缝值，重新压在带钢上。按这种工作方式，三个助卷辊依次动作，直到卷筒建立起张力，并达到预先设定的带钢头部卷取圈数。至此，助卷辊踏步控制完成，三个助卷辊同时摆开到最大位置，卷取机进入恒定张力卷取状态。

在带钢头部卷取的踏步过程中，带钢头部经过一周的旋转后，夹在第二圈以后的卷层和卷筒之间，该部分的带卷表面会形成层差。在高速卷取薄钢带的时候，需要层差部位在100ms的短时间内连续通过三个助卷辊和卷筒之间。在此过程中，助卷辊必须完成数毫米的位移。其动作时序靠带钢头部的跟踪来控制，如果带钢的跟踪定位不准确，导致助卷辊踏步打开和压下的时刻和带钢头部实际位置不匹配，那么助卷辊就会和带钢相碰撞，产生巨大的冲击力，导致助卷辊在带钢表面跳跃。一方面造成带钢头部因冲击而表面缺陷，另外也会造成卷型不良，甚至堆钢，降低成品率。

在传统的热连轧卷取机的自动踏步系统带钢头部定位计算中，首先通过卷取机夹送辊前的热金属检测器，或机架上激光光电传感器检测带钢头部到达卷取机区域，并以该点作为带钢头部位置计算的起始点，然后跟踪带钢头部进入夹送辊后，采用夹送辊的速度编码器计算带钢头部的实际位置，最后通过该位置和助卷辊的机械位置进行比较，实现三个助卷辊的自动踏步信号控制，直到踏步过程结束。其计算方法的流程图如附图2所示。

目前，热轧卷取机通常采用安装在卷取机上的热金属检测器和光电开关来计算进入卷取机的带钢长度，从而得到带钢头部的位置，但是传感器单元易受外部因素干扰，导致带钢头部检测长度不准确，从而影响带钢头部的位置跟踪精度，造成踏步过程不稳定，难以保障卷取系统的长时间安全，稳定运行。

具体地。对于第一步带钢咬钢信号的信号采集，现有技术通过夹送辊前的热金属检测器，或者机架上激光光电传感器检测带钢头部的实际位置来判断，在计算带钢头部距离的时候需要以检测单元到助卷辊的实际位置为基准参考点，这样有两个主要缺点：

首先，现场的传感器单元易受冲击震动，高温，水和氧化铁皮等恶劣环境的干扰，高温信号易造成热金属检测器误报，水蒸汽或者氧化铁皮易造成激光光电传感器误报。这两种结果都会造成助卷辊踏步动作和实际带钢头部位置不匹配，导致带钢头部卷取失败，造成废钢。

其次，在传感器故障更换后，由于新安装的传感器位置检测点和原位置有一定差距，所以每次更换传感器后都要重新精确测量新的检测位置到助卷辊的实际距离，这个过程需要耗费一定的人力和时间，影响了作业线的生产效率。

对于带钢张力建立后的带钢头部位置计算，传统的方法一直采用通过卷取机前下夹送辊的线速度来计算通过夹送辊的带钢长度，但是夹送辊在带钢张力形成后，上下夹送辊要转入滞后于实际带钢运行的参考速度运转，以形成精轧区和夹送辊间的稳定张力。此时上下夹送辊运行在发电状态，在该转换过程中，受带钢材质，夹送辊表面油污，夹送辊压力设定偏小等因素影响，会在两者间形成一定的相对滑动位移，造成实际位置计算的误差，也会形成助卷辊踏步动作和实际带钢头部位置不匹配，易造成对设备冲击过大或带钢头部卷取失败。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中所存在的问题，提出一种精度更高的热连轧卷取机的自动踏步系统带钢头部定位计算方法。

本发明提出的热连轧卷取机的自动踏步系统带钢头部定位计算方法，包括以下步骤：对带钢进入夹送辊与否进行检测，当检测到带钢进入夹送辊时，自动踏步过程开始，根据下夹送辊速度计算带钢头部位置；对主卷筒张力进行检测，若主卷筒张力未建立，则继续根据下夹送辊速度计算带钢头部位置；若主卷筒张力已建立，则以张力建立时刻带钢头部在主卷筒瞬时位置为起始点继续计算带钢头部位置；检测设定的助卷圈数是否完成，若尚未完成，则继续以张力建立时刻带钢头部位置为起始点计算带钢头部位置；若设定的助卷圈数已完成，则自动踏步过程结束，带钢头部位置计算完成。

所述对带钢进入夹送辊与否进行检测的步骤包括：设定夹送辊的辊缝略小于来料实际轧制带钢厚度，同时使上下夹送辊以超过带钢的速度运转；当带钢头部高速进入夹送辊时，由于带钢头部的冲击作用，上下夹送辊的负载电流产生一个跳变信号，当检测到这个跳变信号时就表示带钢头部已进入夹送辊。

所述根据下夹送辊速度计算带钢头部位置的步骤包括：采用下夹送辊的线速度来计算通过夹送辊的带钢长度，从而得到带钢头部的准确位置。

所述下夹送辊的线速度，由控制程序根据安装在下夹送辊电机轴上的脉冲编码器信号和下夹送辊的辊径经过公式转换计算得到。

所述下夹送辊的线速度v_RPB的计算公式如下：

$v_{\mathrm{RPB}}=\frac{\pi \times D_{\mathrm{RPB}}\times n}{i};$

其中，D_RPB为校正后的下夹送辊辊径，单位为米；n为下夹送辊电机的转速，单位为转/秒；i为下夹送辊电机和下夹送辊之间的齿轮比。

所述通过夹送辊的带钢长度L＝r×α+L₁的计算公式如下：

$L=v_{\mathrm{RPB}}\times t_r+\frac{\pi \times D_{\mathrm{RPB}}}{i}{\int }_{t=0}^{t}n\times \mathrm{dt}=V_{\mathrm{RPB}}\times t_r+\frac{\pi \times D_{\mathrm{RPB}}}{i}\underset{k=1}{\overset{q}{\Sigma }}\frac{\mathrm{\Delta n}\left(k\right)}{n_0};$

其中，Δn(k)为可编程逻辑控制器控制程序执行的两次扫描周期间所述脉冲编码器增加的脉冲个数；n₀为下夹送辊电机旋转一周后编码器增加的脉冲个数；q为在接受到带钢头部冲击信号后可编程逻辑控制器控制程序的扫描次数；t_r为滞后补偿时间；t为带钢头部通过夹送辊所经历的时间，t＝0表示带钢头部冲击夹送辊的冲击信号检测到的时刻；dt表示在该时间内对时间t的微分函数。

夹送辊坐标轴和卷筒两个带钢接触切点之间的带钢长度L₁的计算公式如下：

$L_1=\sqrt{{(h-R_1\times \cos \left(\alpha \right)+r\times \cos \left(\alpha \right))}^2+{(L_0+R_1\sin \left(\alpha \right)-r\times \sin \left(\alpha \right))}^2};$

其中，α为带钢和下夹送辊接触面形成的包角；R₁为带钢头部接触到卷筒时刻的钢卷卷径；r为下夹送辊的半径；h为下夹送辊圆心和卷筒圆心的垂直距离；L₀为下夹送辊圆心和卷筒圆心的水平距离。

带钢和下夹送辊接触面形成的包角α的计算公式如下：

$\alpha =\mathrm{Arctg}\left({h/L}_0\right)-\mathrm{Arc}\sin (\frac{R_1-r}{L_0}\times \frac{1}{\sqrt{1+{\left({h/L}_0\right)}^2}});$

其中，D₀为卷筒的测量直径；h₀为来料带钢的厚度。

带钢头部在卷筒上的缠紧后旋转角度θ^(t)的计算公式如下：

$\theta \left(t\right)=\frac{L\left(t\right)-r\times \alpha -L_1}{R_1}-(\frac{\pi }{2}-\alpha );$

在带钢旋转到第N圈的时候，旋转角度θ^(t)的计算公式如下：

$\theta \left(t\right)=\frac{L\left(t\right)-r\times \alpha -L_1-2\times \pi \times (N-1)[(R_0+\frac{h_0}{2})+\frac{\mathrm{Max}(0,N-2)}{2}\times h_0]}{R_1+\frac{h_0}{2}+(N-1)h_0}-(\frac{\pi }{2}-\alpha );$

其中，N表示带钢卷上的圈数，在L(t)≥r×α+L₁的时候，N＝1；

L(t)表示带钢长度随时间t变化的长度值；

R₀表示钢卷内圈的初始卷径，也就是主卷筒扩展后的实际直径。

所述以主卷筒和夹送辊之间带钢张力建立时刻带钢头部位置为起始点继续计算带钢头部位置的步骤包括：

可编程逻辑控制器通过所采集主卷筒电机工作电流值的变化来判断主卷筒和夹送辊之间的带钢张力是否形成，当其电机电流增加到一定范围时，判断带钢张力建立，并以此时刻为计算带钢头部的起始点；

采用主卷筒编码器的脉冲数来继续计算带钢头部在卷筒的位置；

带钢头部在主卷筒上的缠紧后旋转角度β(t)计算公式如下：

$\beta \left(t\right)=({\theta }_{\mathrm{init}}+\frac{2\pi }{r_{\mathrm{man}}}\frac{\mathrm{\Sigma \Delta n}\left(k\right)}{n_o})\left[\mathrm{mod}2\pi \right];$

其中，θ_init为从夹送辊跟踪计算出来的带钢头部位置；r_max为主卷筒电机的齿轮比；n₀为主卷筒电机编码器每圈的脉冲数；Δn(k)为主卷筒电机旋转所产生的脉冲数。

本发明和目前所采用的热金属检测器和光电开关检测带钢头部位置的方法相比较，具有非常明显的优点。热连轧自动化程度越来越高，尤其是在取向电工钢等高附加值产品的连续轧制过程当中，需要作业线稳定而连续的运转，否则会因为作业线某一部分的故障而造成全线废钢，降低成品率。在采用本发明的带钢头部定位计算方法后，由于计算过程采用带钢头部产生的冲击信号和夹送辊，主卷筒的速度等可以准确测量并且不易受干扰的信号。可以有效克服传统的计算方法中现场的热金属检测器和光电检测元件易受现场各种干扰的缺点，准确的检测出带钢头部的实际位置，为踏步控制过程中的助卷辊的动作时序提供精确的信号，提高卷取的稳定性和可靠性。同时也可以减少现场设备的维护量和维护时间，为作业线高效率生产提供保障。

附图说明

图1为卷取机工艺设备布置结构图；

图2为传统带钢头部定位计算方法流程图；

图3为本发明一种实施例的带钢头部定位计算方法流程图；

图4为卷筒和夹送辊的位置示意图。

图中：

1-机前侧导板，2-上夹送辊，3-下夹送辊，4-1号助卷辊，5-2号助卷辊，6-3号助卷辊，7-主卷筒。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

卷取机工艺设备布置结构图如图1所示，包括机前侧导板1、上夹送辊2、下夹送辊3、1号助卷辊4、2号助卷辊5、3号助卷辊6、主卷筒7。其中，机前侧导板1安装在地面固定台架上，上夹送辊2、下夹送辊3、1号助卷辊4、2号助卷辊5、3号助卷辊6和主卷筒7作为单元设备安装分别在卷取机主体机架上。

如图3所示，本发明热连轧卷取机的自动踏步系统带钢头部定位计算方法包括以下步骤：

S1、带钢进入夹送辊的咬钢信号的采集。

带钢头部卷取的跟踪是从带钢头部进入夹送辊开始，在卷取准备完成后，夹送辊的辊缝设定略小于实际带钢厚度，同时以超过带钢的速度运转，具体速度由二级数学模型发出。所以当带钢头部高速进入夹送辊时，由于带钢头部的冲击作用，上下夹送辊的负载电流产生一个跳变，这个跳变信号就表示带钢头部已经进入夹送辊。所以，可以取该跳变信号作为踏步控制过程的初使化信号。在带钢进入夹送辊后，上夹送辊转为压力控制，按预先设定的压力紧密压靠在带钢表面，在带钢的作用下使上下夹送辊和带钢速度同步。

S2、卷取张力建立前带钢头部位置的定位计算。

带钢头部跟踪定位一直持续到踏步过程结束，在卷筒张力建立后，且自动踏步圈数达到预设值后，带钢头部跟踪定位过程结束，卷取机进入恒张力卷取工作状态。

从卷取机的踏步过程来分析，带钢头部跟踪定位的目的就是要精确跟踪带钢头部在卷筒上各个时刻的运动位置，从而进一步计算助卷辊的踏步时序。在这里，通过采用通过卷取机前下夹送辊的线速度来计算通过夹送辊的带钢长度，从而得到带钢头部的准确位置。其中，下夹送辊的线速度可以根据安装在电机轴上的脉冲编码器信号和下夹送辊的辊径计算得到。为了消除辊径因磨损等原因造成的误差，所以必需要采用经压靠校正后的辊径作为计算值。线速度的计算公式如下述公式(1)所示：

$v_{\mathrm{RPB}}=\frac{\pi \times D_{\mathrm{RPB}}\times n}{i}---\left(1\right)$

其中，v_RPB为卷取机下夹送辊的线速度RPB，单位为米/秒(m/s)；D_RPB为校正后的下夹送辊辊径，单位为米(m)；n为下夹送辊电机的转速，单位为转/秒(revs/s)；i为下夹送辊电机和下夹送辊之间的齿轮比。

在计算出下夹送辊线速度的基础上，就可以通过下面的公式(2)计算通过夹送辊的带钢长度：

$L=v_{\mathrm{RPB}}\times t_r+\frac{\pi \times D_{\mathrm{RPB}}}{i}{\int }_{t=0}^{t}n\times \mathrm{dt}=V_{\mathrm{RPB}}\times t_r+\frac{\pi \times D_{\mathrm{RPB}}}{i}\underset{k=1}{\overset{q}{\Sigma }}\frac{\mathrm{\Delta n}\left(k\right)}{n_0}---\left(2\right)$

其中，Δn(k)为可编程逻辑控制器控制程序执行的两次扫描周期间所述脉冲编码器增加的脉冲个数；n₀为下夹送辊电机旋转一周后编码器增加的脉冲个数；q为在接受到带钢头部冲击信号后可编程逻辑控制器控制程序的扫描次数；t_r为滞后补偿时间；t为带钢头部通过夹送辊所经历的时间，t＝0表示带钢头部冲击夹送辊的冲击信号检测到的时刻；dt表示在该时间内对时间t的微分函数。

在实际的现场环境中，由于检测和信号传输的有一定程度的滞后，所以在计算中要附加一个滞后补偿时间t_r，以保证带钢计算长度的精度，该值可以手动进行调整。

在带钢头部穿过夹送辊后，需要计算带钢头部到达卷筒的时刻和带钢头部在卷筒上的位置，这里以带钢头部到达卷筒的第一圈为起始点来计算，设带钢头部接触到卷筒时刻卷径为R1，根据R1和卷筒直径和带钢厚度的几何关系可以得到公式(3)如下：

$R_1=\frac{D_0}{2}+h_0---\left(3\right)$

其中：D₀为卷筒的测量直径；h₀为来料带钢的厚度。

根据附图4所示的卷筒和夹送辊的位置示意图的几何关系，在控制程序中可以计算出夹送辊坐标轴和卷筒与带钢接触切点的带钢长度L，此时，卷筒的上的带钢卷径为R₁，计算公式(4)如下：

L＝r×α+L₁            (4)

其中，α为带钢在下夹送辊上的包角；r为下夹送辊的半径；L₁为带钢在下夹送辊和卷筒上的切线长度；

根据几何关系，包角α的计算公式(5)如下：

$\alpha =\mathrm{Arctg}\left({h/L}_0\right)-\mathrm{Arc}\sin (\frac{R_1-r}{L_0}\times \frac{1}{\sqrt{1+{\left({h/L}_0\right)}^2}})---\left(5\right)$

其中，h为下夹送辊和卷筒圆心的垂直距离；L₀为下夹送辊和卷筒圆心的水平距离。

L₁的计算公式(6)如下：

L₁²＝(h-R₁×cos(α)+r×cos(α))²+(L₀+R₁sin(α)-r×sin(α))²    (6)

因此，带钢头部在卷筒上的角度可以用下面的公式(7)来计算：

$\theta \left(t\right)=\frac{L\left(t\right)-r\times \alpha -L_1}{R_1}-(\frac{\pi }{2}-\alpha )---\left(7\right)$

θ和α用弧度来表示。

θ是以图4中的Y轴为起点的顺时针开始计算的带钢头部旋转的角度，顺时针是带钢的旋转方向，那么，在带钢旋转到第N圈的时候，旋转角度θ可以由下面的公式计算出：

$\theta \left(t\right)=\frac{L\left(t\right)-r\times \alpha -L_1-2\times \pi \times (N-1)[(R_0+\frac{h_0}{2})+\frac{\mathrm{Max}(0,N-2)}{2}\times h_0]}{R_1+\frac{h_0}{2}+(N-1)h_0}-(\frac{\pi }{2}-\alpha )$

其中，N表示带钢卷上的圈数，在L(t)≥r×α+L₁的时候，N＝1。L(t)表示带钢长度L随时间t变化的长度值。R₀表示钢卷内圈的初始卷径，也就是主卷筒扩展后的实际直径。

在L(t)≥r×α+L₁的时候，N＝1。所以，在每次的时候，N的圈数就加1。

S3、卷取张力建立后带钢头部位置的定位计算。

在张力形成后，带钢头部角度的跟踪可以按照下面的方法计算：

卷筒张力建立后，带钢被卷筒张紧。因此，因此，在张力形成后，可以采用卷筒编码器的脉冲数来继续计算带钢头部在卷筒的角度位置β。此时，以前面下夹送辊计算的角度位置为初始角度θ作为起始点来开始计算，计算公式如公式(8)所示。在AJC的踏步控制完成后结束计算。

$\beta \left(t\right)=({\theta }_{\mathrm{init}}+\frac{2\pi }{r_{\mathrm{man}}}\frac{\mathrm{\Sigma \Delta n}\left(k\right)}{n_o})\left[\mathrm{mod}2\pi \right]---\left(8\right)$

在上式中，β(t)为带钢头部在卷筒上的随时间而变化的位置值；θ_init为从夹送辊跟踪计算出来的带钢头部位置；r_max为卷筒电机的齿轮比；n₀为卷筒电机编码器每圈的脉冲数；Δn(k)为卷筒电机旋转所产生的脉冲数。

通过以上的计算公式，就可以计算出带钢头部在卷筒的各个时刻的准确位置。在此基础上，结合各个助卷辊的实际机械位置，就可以进一步计算每个助卷辊的踏步时间和开闭动作的时序，控制助卷辊的踏步动作。

以上所述，仅为本发明的一部分具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明实施例的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。