轧机推床调试阶段问题分析

郑 健 李久慧

(鞍钢集团工程技术有限公司 辽宁鞍山114021)

1 课题背景及意义

本课题来自于某新建中板厂粗轧机入口推床的调试阶段所遇到的问题。在调试阶段遇到情况如下:推床的推头前进或后退时偶尔出现推头突然开始剧烈的前后高频振动。

中板轧机推床(侧导板)是用来将轧件准确地导向至轧机中心线上进行轧制而设置在轧机前后的一种装置。考虑到轧件的弯曲、滑动等因素，设定的侧导板宽度要稍宽于钢板宽度。推床调整精度的优劣对轧机的板形控制起重要作用。另一方面，此调试问题的分析涉及到了机械、液压及电气控制等多方面内容，虽然问题简单，但对于日后无论从设计研发还是从现场调试方面来讲都是有一定的参考和借鉴意义。

2 原理介绍

2.1 机械设备介绍

轧机推床采用液压驱动齿轮齿条式。它主要由推板、推杆、齿轮箱体、齿轮和齿条、液压缸等部件组成。液压缸驱动推床箱体上齿条，上齿条通过齿轮轴实现一侧推板的两个推杆机械同步，两侧推板液压同步。位于轧线两侧的推床通过中间的一根导向槽机械控制两推板的同步对中运动，通过液压缸内置的传感器可以测出推床的开口度，同时还可以测出板坯的实际最大外廓宽度值。推床的对中和回程分别由两个布置在辊道两侧的带有内置式位移传感器的液压缸带动齿轮、齿条、推杆来实现推床的开合。两侧推床推头同步采用液压同步的控制方式(见图1)。

图1 推床装配图

技术参数:

推床推板推力:400kN;推床开口度:1550 ～5400mm;推板移动速度:150 ～300mm/s(单侧);推板长度:9000mm;推床开口度设定精度:±2mm;推床测宽精度:±1mm;推拉缸:4 ×φ160/φ120 ×2000mm;工作压力:16MPa

2.2 液压介绍

2.2.1 技术参数

油箱容积:V=12000L;系统流量:Q=1500L/min;系统压力:P=18MPa;工作介质:ISOVG46;系统清洁度:NAS6 级

2.2.2 设备组成

油箱:1 台;恒压变量轴向柱塞泵:7 台(6 用1 备);循环过滤泵装置(螺杆泵):2 台(1 用1 备);蓄能器装置(4×63L);板式冷却器、过滤器装置、压力继电器、电磁溢流阀、单向阀、微型软管、压力表等。

控制单元:轧机前机后推床、导板升降缸、接轴卡紧缸、工作辊轴端挡板缸、支承辊轴端挡板缸、工作辊换辊横移缸、工作辊换辊旋转轨道缸、支承辊换辊车行走油马达、上接轴平衡缸、下接轴平衡缸、除鳞箱液压缸等。

图2 推床LP 液压阀组

2.2.3 伺服系统

由此液压阀组原理图和控制要求可知，推床的液压控制系统为伺服控制。

电液伺服系统又称电液控制系统，是以电气信号输入、以液压信号为输出构成的闭环控制系统。由于是电气和液压的结合，此系统可以充分发挥二者的优势。电气信号便于测量、转换、放大、处理和校正;而液压信号输出功率大、速度快，且其执行机构具有惯量小等优点。所以二者相结合所组成的电液控制系统具有控制精度高、响应速度快、信号处理灵活、输出功率大、结构紧凑、重量轻等优点。

液压伺服系统是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，同时，输出功率大幅度地放大。液压伺服系统的工作原理方框图如图3。

图3 伺服系统图

伺服阀采用MOOG 公司的D663Z4305KP03JXNF6VSX2－A 型伺服比例控制阀。阀芯的行程范围对应电流为4 至20mA。中位时电流为12mA。20mA 相当于阀口100%全开。

2.3 电控系统

2.3.1 电控硬件

可编程控制器S7－400 是具有中高档性能的PLC，采用模块化无风扇设计，适用于对可靠性要求极高的大型复杂的控制系统。

2.3.2 电控软件

STEP7 编程软件用于SIMATIC S7、M7、C7 和基于PC的WinAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。STEP7 具有以下功能:硬件配置和参数配置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。

控制策略(狭义地也称控制算法)是机电一体化系统的控制器的核心。在系统设计中选用合适的控制策略是成功调试机械设备的重要保证。控制策略以自动控制理论为基础，可划分为传统控制策略、现代控制策略和智能控制策略。

本系统采用PID(比例—积分—微分)控制。PID 算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，而且其配置几乎最优。其中，比例(P)代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反应迅速。积分(I)代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统静态特性。微分(D)在信号变化时有超前控制作用，代表了将来的信息。在过程开始时强迫过程进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。

图4 PID 控制器原理图

图5 闭环方框图

闭环控制系统(closed-loop control system)的工作原理为反馈控制原理或偏差调节原理，这种控制系统通过负反馈控制，因而具有自动纠正偏差的能力，可获得相当高的控制精度。但系统存在稳定性问题，而且高精度和稳定性的要求是矛盾的。电控制器(比例放大器，俗称放大板)在开环控制系统中，用于驱动和控制电液比例控制元件的电—机械转换;在闭环控制系统中除了上述作用外，还要承担反馈检测器的检测放大和校正系统的控制性能。因此，电控制器的功能直接影响系统的控制性能，它的组成应与电—机械转换器的型式相匹配，一般都具有控制信号的生成、信号的处理、前置放大、功率放大、测量放大、反馈校正、颤振信号发生及电源变换等基本组成单元。它包括电位器、斜坡发生器、阶跃函数发生器、PID 调节器、反向器、功率放大器、颤振信号发生器，或用可编程序控制器等。由于比例电磁铁可以在不同的电流下得到不同的力(或行程)，可以无级地改变压力、流量，因此，电—机械转换器是电液比例阀的关键元件。

3 调试阶段

3.1 联合调试前期

3.1.1 单体机械设备调试

安装符合《轧机机械设备工程安装验收规范》GB50386－2006 中的相关规定。单体机械设备试运转符合《机械设备安装工程施工及验收通用规范》GB50231－2009 中的相关规定。

3.1.2 单体液压设备及管路调试

安装及试运转符合《轧机机械设备工程安装验收规范》GB50387－2006 中相关规定。

3.1.3 电气设备调试

调试符合《电气设备安装工程施工及验收规范》YBJ217 中相关规定。

3.2 联合调试(出现问题阶段)

推床的推头在无负载运行前进或后退时偶尔出现推头突然开始剧烈的前后高频振动。在调试主机HMI 界面上，液压缸内置位移传感器的模型上出现了毛刺。显示为如图6 所示。

图6 位移传感器模型在HMI 界面图

此工程粗、精轧机共计7 套推床设备，前面描述的情况只出现在粗轧机入口操作侧，其它位置推床均无此情况发生。

3.3 处理问题

1)检测液压缸内置位移传感器是否损坏;

2)检测液压缸内置位移传感器电气接线;

3)检测LP 液压系统液压油清洁度;

4)管路上放气阀打开，给管路放气;

5)重新给液压缸内置位移传感器接一根电气接线(明线)。

经过以上处理达到标准后，仍然有此现象发生。

根据以上排查后原因应该发生在放大器及电气控制上。虽然此处的PLC 程序是与其它几个推床的程序相同，但是由于伺服阀的制造精度及配套放大板的调试均有其自身的特性，因此针对于每个伺服阀都应该根据实际情况相应地调节参数。

在西门子STEP7 中程序中PID 控制器功能块主要有FB41、FB42 和FB43，主要用到的是FB41“CONT_C”实现连续控制。所以检查应该先从这段程序开始。

4 总结

无论对于单一的机械设备、液压阀还是STEP7 程序及参数来说都可能是没有问题或是正确的，但是当它们组合在一起，并进行调试时，不可而知的问题就会发生，有时甚至是很小、很微不足道的一个参数，就可能改变整个系统的功能。所以，从设计或是编程时，就要多考虑其它专业的问题。

［1］孙本荣，王有铭，陈瑛.中厚钢板生产［M］.北京:冶金工业出版社，1995.

［2］成大先.机械设计手册(第五版)［M］.北京:化学工业出版社，2008.

［3］刘杰，赵春雨，宋伟刚. 机电一体化技术基础与产品设计［M］.北京:冶金工业出版社，2008.

［4］柳洪义，罗忠，王菲. 现代机械工程自动控制［M］. 北京:科学出版社，2008.

［5］宋锦春，苏东海，张志伟.液压与气压传动［M］.北京:科学出版社，2008.