CN114130833A - 一种棒线材轧机轧制产品尺寸在线自动控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种棒线材轧机轧制产品尺寸在线自动控制系统及方法，包括轧机辊缝自动设置装置和机旁I/O箱，该I/O箱内置有PLC从站并闭环控制伺服电机；位于所述精轧机组之后的与PLC从站通信连接的测径仪，测径仪用于实时测量成品机架出口处的轧件尺寸并将轧件尺寸发送给PLC从站供PLC从站进行成品机架的闭环控制用；位于主操作室内的工程师站包括与所述PLC从站网络连接的PLC主站，主站有孔型辊缝控制模块，该孔型辊缝控制模块实现孔型辊缝控制模型的计算，得到辊缝补偿值后，结合各个轧机辊缝理论值后给出非成品机架的各个轧机的实际辊缝设定控制值。本发明实现了轧机辊缝远程闭环控制，具有精度高、稳定性好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶金轧制设备和装备，具体涉及一种棒线材轧机轧制产品尺寸在线自动控制系统及方法。
背景技术
在轧钢领域中，棒线材生产线所轧制产品(或轧件)的尺寸控制是由轧钢工人对相应轧机的辊缝(轧机内两只工作辊辊面的最小间距)进行手动调整来控制孔型(对应轧件)尺寸。普通的高线生产线上的轧机总数为28个轧机(粗轧、中轧、预精轧各6个轧机，精轧10个，共28个)，其中，高线的10个精轧机为集体传动的悬臂式轧机，预精轧机组中有4个为单独传动的悬臂式轧机；粗、中轧机组的12个和预精轧机组的2个轧机，共14个轧机为单独传动的短应力式轧机；普通的棒材生产线上一般有18个轧机(粗轧、中轧和精轧机组各6个)，棒材的所有轧机均为单独传动的短应力式轧机。对于棒材和高线的轧机辊缝调整方式，一般是人工在精轧机辊缝调整装置的扭矩输入端上用扳手进行手动辊缝调整；在粗、中轧机上是在其辊缝调整装置的扭矩输入端(辊缝调整的蜗杆力矩输入端)配置了液压马达驱动压下蜗轮进行辊缝设置调整，但这种使用液压马达驱动的方式只实现了人工在机旁I/O箱操作按键进行某一轧机的辊缝设置。在轧制生产过程中，轧件或产品尺寸的控制调整依赖人工进行调整存在一定弊端，因每位轧钢工人对轧制不同的规格、不同钢种和轧制量变化等因素所造成的轧辊孔槽磨损程度存在认识和经验上的差异，导致在生产过程中出现因轧机辊缝调整不及时、不准确使轧件料形尺寸不良引发的产品尺寸超差或轧制故障等问题经常发生，从而影响稳定、高效的生产组织。
近年来在棒材生产线和高速线材生产线所使用的短应力轧机(一般情况下，一条棒材线有18个短应力轧机、一条高线有14个短应力轧机)的辊缝调整控制方面，也出现了在短应力轧机的辊缝调整装置的扭矩输入端上安装带编码器的液压马达配置，如：中国专利CN203044521U提供了一种在辊缝调整液压马达尾部装编码器的方法，把液压马达的转动圈数进行计数，然后将信息传到机旁电气控制箱。这种方法可以实现让在机旁I/O箱进行辊缝设定的操作人员及时掌握最新调整后的辊缝值估算值，替代了需要有人在轧机旁多次测量最新辊缝的配合操作。但是，由于液压马达自身控制精度不高、响应慢等问题，导致这种装置不能满足较高精度的功能控制要求，只能在换槽或换辊等需要进行大幅度辊缝值初步设定的情况下使用。在高速线材的悬臂式精轧机组中，也有在每个悬臂轧机的辊缝调整装置的扭矩输入端上安装电机进行辊缝调整驱动的配置方式，如：中国专利CN107413861A提供的在高速线材精轧机组辊缝在线自动调节系统，在线材生产线上每台精轧机的辊缝调整装置的扭矩输入端上安装有一个伺服电机的同时，还需要在精轧机组保护箱内的每对轧辊(共10对轧辊)对应位置安装轧辊对零传感器、轧机出口测径单元等设施，才能配合伺服电机及中央数据处理单元完成对精轧机10个机架的辊缝值远程设置控制。这种方式虽然可以实现精轧机组内每个机架的辊缝远程设置控制，但是由于在精轧机组保护箱内的工况环境较差极易造成这些对零传感器、测径单元等元件频繁损坏或测量数据失准，比如精轧机保护箱内如果发生某一机架的轧件堆钢会对该机架周边的轧辊对零传感器造成冲击和高温烘烤，每一个轧机的辊环冷却水和偶数机架的滚动导位使用的混油压缩空气均会对每个轧机出口的测径单元造成信号干扰、出现测量数据失准等情况。以上这些问题造成该辊缝调节控制方法在实际使用过程中，设备维护费用高和信号干扰大、辊缝控制不稳定等弊端；中国专利CN110303054A提出的一种轧机辊缝自动调整装置及其使用方法，其实质也是在高线的悬臂式精轧机辊缝调整装置的扭矩输入端上安装驱动单元，并在其对应轧辊箱内原有的偏心轴上安装辊缝检测、角度检测、丝杆安装限位杆、限位挡块、检测齿条和齿轮等元件及电缆信号线等设施，配合辊缝调整装置上的驱动单元完成辊缝的闭环控制。这种方式同样存在需要对轧机辊箱内部进行加装检测元件改造，增加对相关设备设施进行维护和检修的难度大及费用高等问题。
以上这些发明中对轧机的辊缝自动调节或调整控制方式，均需要在对应轧辊的出口或辊箱内安装各种检测元件采集与对应轧机相关的辊缝数据来实现闭环控制，不能有效克服棒线材轧机在生产中所面临的高温烘烤(轧机中的轧件温度一般在650-1200℃之间)、冷却水喷淋(生产线上每个与参与轧制的轧辊孔槽必须使用冷却水进行喷淋冷却)、轧件冲击(轧件因故障跑出导卫或导槽，在轧机周边发生跑钢或堆钢事故)等工况特性对检测元件造成的不能稳定提供准确信号的顽疾。另外，这些发明仅实现对精轧机组或其某个轧机进行小范围、区域性的辊缝闭环控制，对粗、中轧的轧机(轧机数量在生产线上占三分之二以上)仍需要人工手动进行辊缝(轧件料形)调整，不能实现对整条棒线材生产线所轧制轧件尺寸进行长期、稳定的全自动控制功能。棒线材生产线轧制钢材的过程一般是将外形尺寸为150mm×150mm×10000mm或250mm×250mm×12000mm(宽×高×长)的钢坯加热到950-1200℃之后，逐条把钢坯用输送辊道送入轧制线。轧制线上所有轧机参与轧制的轧辊孔槽按一定间隔距离呈直线布置，并且相邻轧机的轧辊相互成90度(短应力轧机按布置形式分为水平轧机和立式轧机)，一般的棒材线有18个轧机、高线有28个轧机。这些轧机的外形尺寸大小、对应轧辊辊径及孔型从1#轧机开始往后逐渐依次减小，钢坯进入1#轧机后在每一个轧机的轧辊孔型中依次发生一次断面减小的轧制压缩变形，直到该钢坯全部从参与轧制的最后一个轧机(成品机架)的孔型中出来并得到设定的断面尺寸时即完成轧制，此时轧件(完成轧制的钢坯)温度一般650-850℃，断面尺寸为∮5.5-40mm(直径)的圆钢或螺纹钢材(高线材断面规格一般∮5.5-20mm、棒材断面规格一般∮12-40mm)。在以上轧制过程中，每一个轧机对同一轧件只进行一次轧制，与每个轧机的孔型尺寸紧密相关的辊缝值、孔槽磨损量、轧制负荷、轧机弹性变形量等参数均会跟随所轧制轧件的来料尺寸(上一机架出来的轧件断面尺寸)、温度、材质(不同化学成分的钢种)和累计轧制量(该孔槽累计过钢重量)等因素的变化而变化。所以，在生产线上根据以上相关轧制动态因素的变化，及时对每一个轧机的辊缝值进行调整、控制轧件尺寸不超差是实现稳定控制成品机架料形尺寸(产品)合格的关键所在。仅对棒线材轧机上的某几个轧机(比如仅通过测径仪的测量值对成品机架)进行辊缝闭环控制，难以实现统一、可靠的整条轧线的轧机辊缝(轧件尺寸)远程全自动闭环控制。
发明内容
本发明要解决的实际问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种通过在棒线材生产线上所有的轧机缝调整装置扭矩输入端(即蜗杆力矩输入端——轧机原有装置)加装辊缝自动控制单元，与PLC、工程师站、轧辊孔槽轧制磨损模型等组成的轧机辊缝控制系统，实现对所轧制产品外形尺寸的在线所有轧机的远程全自动闭环控制。
本发明的构思中主要有以下二个方面的特征：
(1)在棒材和高线的轧机上安装结构简单、便于维护的辊缝自动控制单元，配合相应的电气控制系统和使用方法即可实现信号稳定可靠、精度控制高的轧机辊缝远程控制。
该辊缝自动控制单元是由高精度伺服电机和减速箱组成的驱动及定位一体机，是利用伺服电机高精度的位置设定定位和实际位置反馈功能，与轧机原有的辊缝调整装置的扭矩输入轴进行连接安装(外置式安装)，并完成相关标定操作后即可实现对该轧机的辊缝设置和辊缝值测量反馈，不需要在每个轧机轧辊出口(或辊箱内)安装检测单元及相关电缆线，即可实现每个轧机的高精度闭环控制，该特征有效避免了在轧线上的轧机轧辊周边因高温、多水、易被冲击等造成维护困难、使用成本高、信号不稳定等难点，具有很高的实用性和稳定性。伺服电机本身具备接收和发出脉冲信号的功能，即伺服电机每接收到1个来自上一级PLC模块发出脉冲信号，就会旋转1个脉冲对应的角度实现位移；同时，伺服电机的轴每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲信号给上一级的编码器信号转换模块和PLC模块，程序控制系统由此可掌握对应伺服电机的轴旋转角度产生的位移量，从而实现伺服电机的轴旋转量与脉冲形成呼应的高精度闭环控制，可实现高精度的位置控制和位置反馈功能。另外，伺服电机还具备抗过载能力强(能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用)和高速性能好(一般额定转速能达到2000～3000转)，具备扭矩输出范围大的特点，选择不同功率和扭矩的伺服电机配置对应减速箱组成不同扭矩输出的辊缝自动控制单元可以满足各种棒线材轧机(比如短应力式轧机、悬臂式轧机)的辊缝调整旋转扭矩要求(从辊缝调整扭矩要求相对最大的短应力粗轧机到辊缝调整扭矩要求相对最小悬臂精轧机均可满足)，可实现同一种控制方式的经济性和高效性。
(2)在该辊缝远程控制系统中引入二级计算机的棒线材各个轧机轧辊的孔型辊缝控制模块(实现孔型辊缝控制模型计算)，实现对在轧制过程中所有相关轧机的辊缝全自动闭环控制。
所述的孔型辊缝控制模块(实现孔型辊缝控制模型计算)(或称轧件料形控制模型)，是在控制系统的二级机中把在轧制生产中因轧辊弹性变形、孔槽热膨胀和磨损量等因素不断变化导致各个轧机的轧辊孔型形状逐渐改变，所引起对应轧机的出口轧件料形变化出现尺寸超差(轧件尺寸超过轧制工艺所要求的的应许偏差范围)情况发生之前，根据控制系统程序计算和从现场采集的相关参数及时对各个轧机辊缝进行设置补偿调整，实现对各个轧机的料形尺寸的高精度控制。在轧制中，成品机架轧机辊缝的设置是结合测径仪提供的实时产品(成品机架出口的轧件)尺寸测量数据直接进行辊缝补偿设定，非成品机架的各个轧机最新辊缝的设置是由二级机孔型辊缝控制模块(实现孔型辊缝控制模型计算)叠加计算出最新的补偿值并及时进行对应轧机辊缝补偿设定，实现对整条生产线参与轧制的各个轧机的辊缝联动式自动闭环远程控制，从而确保产品质量的稳定和实现高效的生产组织。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下(用一条采用18个短应力机架的棒材生产线为例进行说明)：
所述的轧机辊缝自动设置装置，共有18套(包含粗轧6套、中轧6套和精轧6套)：每套辊缝自动控制单元是由一台高精度伺服电机和一台相匹配的行星减速箱组成的一体机。伺服电机与减速箱的一体机的输出轴与对应轧机原有的轧机缝调整装置扭矩输入端(辊缝调整的蜗杆力矩输入端)的连接采用键槽连接，并通过减速机端盖上带四个螺孔的法兰盘将其固定在轧机上。在每个短应力轧机上均有原装的蜗轮蜗杆、压下丝杆等组成的轧辊辊缝调整机构，该机构在每个轧机的传动侧和操作侧各有一个涡轮箱，两个涡轮箱的蜗杆使用联轴器连接实现同步运转(两个涡轮箱的蜗杆中心线设计在同一直线上，特殊情况时也可以拆除联轴器实现单侧涡轮箱转动)。当位于轧机传动侧的轧机缝调整装置扭矩输入端(蜗杆力矩输入端)受到外力并产生足够的扭矩时，蜗杆旋转带动传动侧和操作侧的涡轮及对应的压下丝杆转动，连接两只轧辊轴承座并带丝牙的压下丝杆(在轧机传动侧和操作侧各有一套压下丝杆)发生转动会使两辊轴承座间距发生变化，从而实现对两轧辊辊面的最小间距——即辊缝大小的调整。接收到PLC给出运转信号的伺服电机通过减速机带动轧机上的辊缝设置蜗杆旋转进行辊缝设置的同时，伺服电机内的位置编码器将最新变化的辊缝测量值反馈到PLC电控系统实现各个轧机辊缝的闭环设置控制。辊缝值变化导致棒线材轧机内两只轧辊孔槽对应形成的孔型尺寸变化，从而在生产中实现对各个轧机孔型内的轧件(或产品)外形尺寸的进行远程自动闭环控制的调整。
一种棒线材轧机轧制产品尺寸在线自动控制系统，包括所述的轧机辊缝自动设置装置，还包括：
分别位于粗轧机组、中轧机组和精轧机组的机旁I/O箱，该机旁I/O箱主要由PLC从站、伺服电机变频器、编码器转换模块组成，所述PLC从站分别与伺服电机变频器、编码器转换模块通信连接，所述伺服电机变频器与所述伺服电机3连接并控制伺服电机3转动，所述编码器转换模块与所述位置编码器连接并将伺服电机3的当前位置转换为数字量供PLC从站进行闭环控制用；
所述精轧机组包括成品出口机架和预成品机架；所述粗轧机组和中轧机组为非成品机架；
设置在所述精轧机组之后的与所述PLC从站通信连接的测径仪，所述测径仪用于实时测量成品出口机架的出口处的轧件尺寸并将轧件尺寸发送给PLC从站供PLC从站进行成品出口机架的闭环控制用；
设置在主操作室内的工程师站，所述工程师站包括PLC主站以及与PLC主站通信连接的具有人机界面(HMI)功能的上位机系统(如一级机系统，在一级机系统之上还可以设置用于实现综合监控功能的二级机系统)；
所述PLC主站与所述PLC从站采用网络连接，所述PLC主站内设置有孔型辊缝控制模块，该孔型辊缝控制模块实现孔型辊缝控制模型的计算，所述孔型辊缝控制模型计算出的辊缝补偿值后，结合生产线产品大纲中某一规格及钢种的轧制程序所对应的各个轧机辊缝理论值后给出非成品机架的各个轧机的实际辊缝设定控制值。
进一步地，对于非成品机架，所述孔型辊缝控制模型为：
在某个轧制周期内，第i号轧机辊缝最新设定值Sni为：
Sni＝S0i-△si
式中：S0i为当前设定值S0i，△si为缝补偿值的差值；
所述辊缝补偿值△si为：
△si＝dti+(dmi-dpi)×2
式中：dti是轧机轧辊的弹跳值，dmi是轧机在某个轧制周期内单只轧辊的磨损值，dpi是轧机在某个轧制周期内单只轧辊的膨胀值；
dti＝△hi(1+Qn/ki)
式中：△hi为轧机的压下量，Qn为当前所轧制的某种钢种的塑性系数，ki为轧机的轧机整体刚性系数，kmi为生产线上轧机的轧辊磨损系数；
dmi＝ki×DKi×hi×li×fi
式中：DKi为轧机轧辊直径调整系数，hi为轧机轧制力对模型影响系数，li为某一轧制周期内所轧制的轧件总长度，fi为轧机的平均轧制压力；
dpi＝Ci×(wi-wid)
式中：Ci为轧机轧辊的热膨胀系数，wi为轧机轧辊的当前温度，wid为轧机轧辊的最低温度；
wi＝wis+δiu+δid
式中：wis为该轧机轧辊轧制上一条钢的温度，δiu为该轧机轧辊温升量；δid为该轧机轧辊温降量。
进一步地，所述成品出口机架的闭环控制所需的成品出口机架的辊缝的补偿值的计算方法为：
Sn＝S0-△h
△h＝hc–H
△w＝wc-W
式中:Sn为辊缝最新设定值，S0为辊缝初始值或是当前设定值；在棒材生产线的某个轧制周期内，测径仪测量的产品尺寸在高度方向的直径为hc、宽度方向的直径为wc，H为高度方向的直径理论设定值，W为宽度方向的直径理论设定值；△h为高度方向的直径差，△w为宽度方向的直径差。
进一步地，对于预成品机架p的辊缝补偿值的计算方法为：
Snp＝S0p-△w/k
式中:Snp为参与轧制的成品机架辊缝最新设定值，S0p为辊缝初始值或是当前设定值,k为成品出口机架的轧制时的宽展系数。
一种棒线材轧机轧制产品尺寸在线自动控制中辊缝的补偿值的计算方法，所述棒线材轧机包括成品机架轧机及位于所述成品机架前面工序的非成品机架轧机，包括：
(1)成品机架包括成品出口机架与参与轧制的预成品机架p；其中
a)成品出口机架的辊缝的补偿值的计算方法为：
Sn＝S0-△h
△h＝hc–H
△w＝wc-W
式中:Sn为辊缝最新设定值，S0为辊缝初始值或是当前设定值；在棒材生产线的某个轧制周期内，测径仪测量的产品尺寸在高度方向的直径为hc、宽度方向的直径为wc，H为高度方向的直径理论设定值，W为宽度方向的直径理论设定值，△h为高度方向的直径差，△w为宽度方向的直径差；
b)参与轧制的预成品机架p的辊缝补偿值的计算方法为：
Snp＝S0p-△w/k
式中:Snp为参与轧制的成品机架辊缝最新设定值，S0p为辊缝初始值或是当前设定值,k为成品出口机架的轧制时的宽展系数；
(2)参与轧制的非成品机架i轧机的辊缝的补偿值由辊缝控制模型计算出各个轧机的辊缝补偿值后进行最新辊缝的设定控制，所述辊缝控制模型包括：
在某个轧制周期内，第i号轧机辊缝最新设定值Sni为：
Sni＝S0i-△si
式中：S0i为当前设定值S0i，△si为缝补偿值的差值；
所述辊缝补偿值△si为：
△si＝dti+(dmi-dpi)×2
式中：dti是轧机轧辊的弹跳值，dmi是轧机在某个轧制周期内单只轧辊的磨损值，dpi是轧机在某个轧制周期内单只轧辊的膨胀值；
dti＝△hi(1+Qn/ki)
式中：△hi为轧机的压下量，Qn为当前所轧制的某种钢种的塑性系数，ki为轧机的轧机整体刚性系数，kmi为生产线上轧机的轧辊磨损系数；
dmi＝ki×DKi×hi×li×fi
式中：DKi为轧机轧辊直径调整系数，hi为轧机轧制力对模型影响系数，li为某一轧制周期内所轧制的轧件总长度，fi为轧机的平均轧制压力；
dpi＝Ci×(wi-wid)
式中：Ci为轧机轧辊的热膨胀系数，wi为轧机轧辊的当前温度，wid为轧机轧辊的最低温度；
wi＝wis+δiu+δid
式中：wis为该轧机轧辊轧制上一条钢的温度，δiu为该轧机轧辊温升量；δid为该轧机轧辊温降量。
所述伺服电机和减速机一体机的选型参数可以为：
600粗轧机(6个轧机)：减速箱最大力矩：1800Nm，电机功率3000kW；
450中轧机(6个轧机)：减速箱最大力矩：1300Nm，电机功率3000kW；
350精轧机(6个轧机)：减速箱最大力矩：450Nm，电机功率2000kW。
所述的机旁I/O箱，共有三套(粗、中、精轧机组各一套)：每套机旁I/O箱内包括：PLC从站、伺服电机变频器、编码器转换模块、触摸屏和操作按钮等。
所述测径仪，是设置在精轧机组之后，没有冷却水、氧化灰尘等干扰介质适合位置的一套常规测径仪。
所述工程师站，包括一套设置在主操作室内的PLC主站、人机界面站(HMI)、一级机和二级机系统。
以上通讯连接均采用以太网通讯连接方式。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)所述的棒线材轧机轧制产品的尺寸在线闭环自动控制系统中的轧机辊缝自动设置装置，其核心是使用伺服电机的高精度位置设定和精确位置反馈的特性，实现轧机辊缝远程闭环控制，具有维护保养方便、控制响应快、精度高、稳定性好特点；
(2)所述的棒线材轧机轧制产品的尺寸在线闭环自动控制系统中的轧辊孔槽辊缝控制模型，通过与相关控制单元和电控网络组成的控制系统，不但实现了轧机辊缝设置的远程控制，还实现了棒线材各个轧机的辊缝全自动反馈闭环控制，替代常规的人工根据经验对某几架轧机辊缝进行设置的方法，可最大限度地避免人为不确定因素对生产线轧制稳定性造成的不良影响，有效解决了依靠人工手动辊缝(包括目前生产线上已实现局部区域的轧机自动辊缝)调整来控制料形尺寸过程中存在的响应速度慢、控制精度不高、信号不稳定等问题；
(3)所述的棒线材轧机轧制产品的尺寸在线闭环自动控制系统，不仅可用于棒材轧线上的所有短应力轧机进行辊缝自动闭环控制，也可以在高线的轧机(包括预精轧和精轧机的悬臂式轧机)上使用，可进一步提高轧钢厂生产线的自动化控制水平，为建立智慧工厂提供设备基础。
附图说明
图1为本发明所涉及的轧机辊缝自动设置装置(伺服电机和变速箱一体机)的示意图；
图2为本发明中棒线材生产线上某一个水平机架的短应力轧机的辊缝设置装置示意图(立式机架的短应力轧机旋转90度即可)；
图3为本发明中棒材生产线2#轧机(属于粗轧机组)为例的轧机辊缝自动设置流程图；
图4为本发明中以棒材生产线8#轧机(属于中轧机组)为例的轧机辊缝自动设置流程图；
图5为本发明中以棒材生产线15#轧机(属于精轧机组)为例的轧机辊缝自动设置流程图；
图6为本发明提供的一条由18个轧机组成的棒材生产线的产品尺寸自动控制系统的电控系统示意图；
在图1中：1-手动设置方头，2-伺服电机接线盒，3-伺服电机，4-减速箱，5-法兰盘，6-法兰盘连接螺栓孔，7-减速箱输出轴；
在图2中：3-伺服电机，4-减速箱，8-蜗杆力矩输入端，9-轧机传动侧涡轮箱，10-轧机传动侧涡杆，11-蜗杆联轴器，12-轧机操作侧涡杆，13-轧机操作侧涡轮箱，14-轧机操作侧压下丝杆，15-上辊操作侧轴承座，16-上轧辊孔槽，17-上轧辊，18-下轧辊，19-下轧辊孔槽，20-下辊操作侧轴承座，21-孔型(由两只轧辊的孔槽组成)，22-辊缝(两轧辊辊面的最小间隙)，23-下辊传动侧轴承座，24-轧机上下辊万向轴(传递扭矩给轧辊)，25-上辊传动侧轴承座，26-轧机传动侧压下丝杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明：
实施例1：轧机辊缝自动设置装置
所述的轧机辊缝自动设置装置(每个机架一套，共有18套，其中偶数轧机为立式机架、奇数轧机为水平机架)：
如图1所示，包括伺服电机3、减速机4、减速机的法兰5、法兰盘连接螺栓孔7、手动设置方头1、伺服电机接线盒2、减速机输出轴7。伺服电机3通过接线盒2用电缆与机旁I/O箱连接；伺服电机3内带有位置编码器；伺服电机3的输出轴通过减速机4的输入端锁紧毂螺丝固定，并用4颗螺栓将伺服电机壳体与减速机连接为一体机；减速机的法兰5通过螺栓孔6用螺栓与原轧机辊缝设置机构上的法兰相连接；电控系统(图中未示出)通过对应机组的机旁I/O箱内的PLC向伺服电机3发出脉冲电信号，使伺服电机3通过减速机4带动轧机上的辊缝设置蜗杆旋转进行辊缝设置，并同时伺服电机3内的位置编码器将最新变化的辊缝测量值反馈到电控系统实现闭环控制。如果辊缝自动设置装置出现故障、断电或需要人工调整干预等情况时，可人工手动用扳手旋转调整手动设置方头1，带动减速机转动手动辊缝调整设置。
如图2所示，在每个短应力轧机上均有轧机上原装的蜗杆(10和12)、压下丝杆(14和26)等组成的轧辊辊缝手动调整机构(在图2中从8到26均为轧机原有装置)，该机构在每个轧机的传动侧和操作侧各有一个涡轮箱(9和13)，两个涡轮箱对应有配套的蜗杆(10和12)使用联轴器连接11实现同步运转(两个涡轮箱的蜗杆中心线设计在同一直线上，特殊情况时也可以拆除联轴器实现单侧涡轮箱转动)。当位于轧机传动侧的蜗杆力矩输入端8(一般带连接键槽)受到人力或机械力产生的足够的扭矩时，蜗杆(10和12)旋转带动传动侧和操作侧的涡轮(9和13)及对应的压下丝杆(14和26)转动，连接两只轧辊操作侧和传动侧轴承座(15、20、23和25)并带丝牙的压下丝杆(14和26)发生转动会使两辊轴承座间距发生变化，从而实现对两轧辊辊面的最小间距——即辊缝22大小的调整，辊缝值变化导致棒线材轧机内两只轧辊孔槽对应形成的孔型21尺寸变化，从而控制在生产中从该孔型中进行轧制的轧件(或产品)外形尺寸的调整。
实施例2：棒线材轧机轧制产品尺寸在线自动控制系统
所述孔型辊缝控制模块(实现孔型辊缝控制模型计算)是由轧辊的轧制弹性变形、热膨胀变形和孔槽磨损变形三个子模型组成，这些子模型进行相互叠加计算出的辊缝补偿值后，结合生产线产品大纲中某一规格及钢种的轧制程序所对应的各个轧机辊缝理论值后给出相关各个轧机的实际辊缝设定控制值。
以16#轧机辊缝控制模型为例，在某个轧制周期内，16#轧机辊缝最新设定值Sn16(单位：mm)等于该机架辊缝初始值(来自轧制程序理论值)或是当前设定值S016与辊缝补偿值△s16的差值：
Sn16＝S016-△s16
16#轧机在某个轧制周期内的辊缝补偿值△s16(单位：mm)等于该机架辊缝弹跳值dt16、单只轧辊的磨损值dm16与单只轧辊膨胀值dp16进行叠加的结果：
△s16＝dt16+(dm16-dp16)×2
其中，dt16是16#轧机轧辊的弹跳值(单位：mm)，通过如下轧辊弹跳模型计算得出：dt16＝△h16(1+Qn/k16),式中：△h16为16#轧机的压下量；Qn为当前所轧制的某种钢种的塑性系数(可在相关资料中查取)；k16为16#轧机的轧机整体刚性系数(是所承受的力与弹跳量的比值，这里是通过专用的拉力测试平台对组装好的每台轧机与其配套的每对轧辊进行受力测试后计算确定，并将对应轧机及轧辊的指定编号与实测参数特性值输入数据库)。dm16是16#轧机在某个轧制周期内单只轧辊的磨损值(单位：mm)，通过如下轧辊孔槽磨损模型计算得出：dm16＝km16×DK16×h16×l16×f16,式中：km16为生产线上16#轧机的轧辊磨损系数；DK16为16#轧机轧辊直径调整系数；h16为16#轧机轧制力对模型影响系数；l16为某一轧制周期内所轧制的轧件总长度；fi为16#轧机的平均轧制压力。dp16是16#轧机在某个轧制周期内单只轧辊的膨胀值(单位：mm)，通过如下轧辊膨胀模型计算得出：dp16＝C16×(w16-w16d),式中：C16为16#轧机轧辊的热膨胀系数(单位：mm/℃)；w16为16#轧机轧辊的当前温度(如果其达到最高温度，按照正常轧制节奏生产后达到吸热和散热平衡的温度，一般为70℃～90℃)；w16d为16#轧机轧辊的最低温度(换辊完成后开始轧钢前的温度，一般为15℃～30℃)；w16＝w16s+δ16u+δ16d,式中w16s为该轧机轧辊轧制上一条钢的温度；δ16u为该轧机轧辊温升量；δid为该轧机轧辊温降量。
棒线材生产车间使用的各种轧机轧辊材质对应的不同磨损系数、膨胀系数和刚性系数能否进行准确优化是建立高精度数学模型的关键所在。这里结合相关理论并结合采用高精度数控轧辊磨床对下机后的各类材质轧辊磨损值和热膨胀值进行实测(测量值与所轧制的各种产品规格、钢种轧件总长度、轧制时间等参数对应记录并输入数据库)，把新建立的轧辊磨损和轧辊膨胀计算模型的计算结果与实测值进行比较,逐步对理论公式中的轧辊磨损系数和膨胀系数等参数进行不断优化；使用专用的拉力测试平台对组装好准备上线的每台轧机(包含不同配对的轧辊)进行在不同等级拉力状态下的轧机及轧辊弹跳值进行测量，并和新建立的轧机弹性变形计算模型的计算结果进行比较,不断优化所对应的理论公式中的刚性系数，使相关数学模型的计算磨损量、膨胀量、弹性变形量和实测的磨损量、膨胀量、弹性变形量之间的差值逐步趋近于零。另外，在车间的轧机和轧辊管理系统中对每台轧机、各类材质的轧辊使用不同的指定代码表示，不同的轧机及轧辊代码对应不同的轧辊磨损系数、热膨胀系数和轧机刚性系数等其他相关轧辊特性参数。当轧线上完成轧机轧辊的更换后，这些对应的代码将连同轧辊的辊径等其他信息一起被输入数据中心供数学模型计算时使用。
如图3所示，是以2#轧机(粗轧机组)为例的轧机辊缝自动设置流程图。在伺服电机运转过程中，其内置的编码器将测得的轴旋转位移量所对应的辊缝位置信息反馈给对应的机旁I/O箱内的伺服电机驱动控制模块，当轴旋转位移量达到程序设定所要求的值时PLC给出信号让伺服电机停止转动。其中，伺服电机的轴旋转单位的脉冲位移量所对应的辊缝位置变化量需要在轧机进入轧制线、更换轧辊等情况时进行标定，即通过实测该轧机辊缝在某一区间的变化量所对应的电机轴旋转位移总量，计算出该轧机辊缝值每变化0.01mm所对应的伺服电机轴需要正旋转或反旋转多少角度的脉冲值换算值。另外，在每次换辊、换槽、改品种完成之后必须进行该轧机的实际辊缝测量标定，即人工测量出某一机架的实际辊缝值(两只轧辊的最小间隙)后将该辊缝值通过机旁I/O箱的触摸屏输入PLC模块，即为PLC电控系统认可的该轧机的实际最新辊缝标定值，作为新的辊缝设置的基准参数。图4、图5中的棒材中轧8#轧机与精轧15#轧机辊缝自动设置流程图原理与上面的2#轧机相同。
所述的机旁I/O箱(粗、中、精轧机组各一套，共有三套)，如图6所示：每个机旁I/O箱内设有与每个轧机辊缝控制伺服电机对应的编码器转换模块和变频器(共6组)，用于接收对应的每个轧机辊缝位置信息，并反馈给变频器和PLC。机旁I/O箱内设有一套PLC从站、触摸屏及操作按钮，PLC从站与他们之间及与上一级之间的通信采用以太网连接。通过以上配置可实现通过机旁I/O箱对每个轧机的辊缝值显示、辊缝标定、辊缝人工定位设置、向上级PLC主站上传数据并接收执行指令等功能。
所述工程师站及测径仪，如图6所示：包括一套设置在主操作室内的PLC主站、人机界面站(HMI)、一级机、二级机系统和测径仪，相互之间的通信采用以太网进行连接。在每次新轧机上线(进入生产线参与轧制)、换辊(或换悬臂轧机的辊环)后需要对其控制单元伺服电机脉冲位移量进行标定，使PLC知道当前在线使用的该轧机辊缝每变化一个单位(比如0.01mm)需要控制对应的伺服电机轴旋转多少角度值；在每次轧机换槽、改品种重新进行辊缝设置前，需要对每个轧机的轧辊辊缝值进行标定，使PLC把当前该轧机辊缝标定值所对应的伺服电机轴的角度值作为定位控制的基准。完成相关准备后，操作人员把经确认的某一生产规格的轧制程序辊缝设定值执行下装，使各个相关轧机按对应的程序辊缝值自动完成设置；在轧制过程中，工程师站根据测径仪数据柜提供的实时测量到的产品(成品机架出口的轧件)尺寸数据，并结合二级机系统建立的各种规格和钢种对应的轧辊孔型辊缝控制模块(实现孔型辊缝控制模型计算)，及时在某一轧制的间隙时间(轧机不过钢的间隙)对相应轧机的辊缝进行精确的辊缝远程自动设置，实现所述的整条棒线材生产线各机架轧件尺寸及产品尺寸的全自动远程闭环控制。
关于脉冲位移量标定和最新辊缝值标定：每个轧机的辊缝自动控制单元在进入轧线的控制系统之前(比如：新轧机进入轧制线、更换轧辊等情况)，需要对应伺服电机的单位脉冲位移量进行标定和最新辊缝值标定。单位脉冲位移量标定是对上线轧机的辊缝控制单元伺服电机的轴每旋转某个角度所对应的该轧机辊缝变化值进行标定，并通过PLC在相关程序中计算出该轧机辊缝值每增加或减少0.01mm则对应的该伺服电机轴需要正旋转或反旋转多少脉冲角度的换算值。具体标定操作是由人工在现场对该轧机进行至少三组以上不同辊缝值的测量，并通过机旁I/O箱触摸屏或工程师站HMI的标定画面将不同测量辊缝值录入该轧机辊缝单位脉冲位移量标定程序(该输入一般由电气工程师进行操作)，即可由程序自动完成对该轧机的伺服电机单位脉冲位移量的标定，使PLC知道当前在线使用的该轧机辊缝每变化0.01mm需要对应的伺服电机轴旋转多少角度值。最新辊缝值标定是对每个轧机辊缝初值的测量和校准，需要在每次换辊、换槽、检修或改品种完成之后进行，一般分为手动标定和自动标定两种：手动标定是轧钢人员人工测量出某一机架的实际辊缝值(两只轧辊的最小间隙)后将该辊缝值通过机旁I/O箱的触摸屏输入PLC模块，系统会将该辊缝测量值作为对应轧机的最新辊缝标定值；自动标定为是将一根对应各个轧机已知直径尺寸的棒材样棒放入轧机辊缝(两只轧辊的最小间隙)内，在机旁I/O箱通过控制按键调整辊缝控制伺服电机调小辊缝使轧辊自动压靠到样棒上，当变频器检测到伺服电机转矩达到设定转矩时自动停止调小辊缝，操作工此时将该样棒已知的尺寸值通过机旁触摸屏(或通知主操作室人员在工程师站HMI上)输入PLC模块作为该轧机的最新辊缝标定值。
对于生产线上每个轧机辊缝值的远程设置控制模式，一般分为自动设置和人工设置两种：自动设定是PLC完全接收来自一级机和二级机系统内指定轧制规格及钢种的某套轧制程序，各个相关轧机的辊缝值按照该程序给定的对应值进行全自动设置；人工设置(仅在人工干预辊缝补偿调整状态下使用)是操作人员进行单机架输入设定，即经授权后在机旁操作箱从触摸屏输入需要调整的某一轧机新的辊缝值，也可以在主操作室内工程师站输入某一轧机新的辊缝设定值。当轧机辊缝控制设置系统接收到新的对应机架的辊缝设定值后，PLC以该设定值为参考值，实际辊缝位置的反馈值立即执行对相应轧机的辊缝位置实施闭环控制。最终通过所述的轧机辊缝自动调整装置和PLC等组成的控制系统对棒线材生产线上各个轧机辊缝进行远程调节来实现对轧制产品的尺寸进行在线控制。
实施例3：成品出口机架的辊缝的补偿值的计算方法为：
在棒材生产线的某个轧制周期内，如果测径仪测量的产品尺寸在高度方向的直径为hc、宽度方向的直径为wc，则其高度直径偏差值△h＝hc-H(式中的H为高度方向的直径理论设定值，单位均为mm)；其宽度直径偏差值△w＝wc-W(式中的W为宽度方向的直径理论设定值，单位均为mm)。参与轧制的成品机架18#轧机的辊缝最新设定值：Sn18＝S018-△h(式中的Sn18为18#轧机辊缝最新设定值，S018为18#轧机辊缝初始值或是当前设定值，单位均为mm)。
实施例4：参与轧制的预成品机架p的辊缝补偿值的计算方法
参与轧制的成品机架17#轧机的辊缝最新设定值：Sn17＝S017-△w/k(式中的Sn17为17#轧机辊缝最新设定值，S017为17#轧机辊缝初始值或是当前设定值,k为18#轧机的宽展系数，单位均为mm)。
实施例5：参与轧制的非成品机架i轧机的辊缝的补偿值由辊缝控制模型
在棒材生产线的某个轧制周期内，第1#—16#轧机中任意参与轧制轧机的辊缝最新设定值：Sni＝S0i-△si(式中的Sni为第i个轧机辊缝最新设定值，S0i为第i个轧机辊缝初始值或是当前设定值,单位均为mm)，具体的计算方法如发明内容中所述，在此不做赘述。
Claims (7)
1.一种轧机辊缝自动设置装置，包括轧机辊缝手动设置机构，所述轧机辊缝手动设置机构包括辊缝设置蜗杆，其特征在于，还包括伺服电机(3)、减速机(4)、减速机法兰(5)、法兰盘连接螺栓孔(7)、手动设置方头(1)、减速机输出轴(7)及PLC从站；
所述伺服电机(3)通过接线盒2用电缆与机旁I/O箱连接，伺服电机(3)内带有位置编码器；伺服电机(3)的输出轴通过减速机(4)的输入端锁紧毂螺丝固定，并用螺栓将伺服电机(3)的壳体与减速机(4)连接为一体机；减速机法兰(5)通过螺栓孔(6)用螺栓与轧机辊缝手动设置机构上的法兰相连接；PLC从站与伺服电机(3)连接并控制伺服电机(3)通过减速机(4)带动轧机上的辊缝设置蜗杆旋转进行辊缝设置，同时伺服电机(3)内的位置编码器将最新变化的辊缝测量值反馈到PLC从站实现闭环控制。
2.根据权利要求1所述的轧机辊缝自动设置装置，其特征在于，还包括手动设置方头(1)，用于在辊缝调整装置出现故障、断电或需要人工调整干预情况时，人工手动用扳手旋转调整所述手动设置方头(1)对辊缝进行设置。
3.一种棒线材轧机轧制产品尺寸在线自动控制系统，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的轧机辊缝自动设置装置，还包括：
分别位于粗轧机组、中轧机组和精轧机组的机旁I/O箱，该机旁I/O箱主要由PLC从站、伺服电机变频器、编码器转换模块组成，所述PLC从站分别与伺服电机变频器、编码器转换模块通信连接，所述伺服电机变频器与所述伺服电机(3)连接并控制伺服电机(3)转动，所述编码器转换模块与所述位置编码器连接并将伺服电机(3)的当前位置转换为数字量供PLC从站进行闭环控制用；
所述精轧机组包括成品出口机架和预成品机架；所述粗轧机组和中轧机组为非成品机架；
设置在所述精轧机组之后的与所述PLC从站通信连接的测径仪，所述测径仪用于实时测量成品出口机架的出口处的轧件尺寸并将轧件尺寸发送给PLC从站供PLC从站进行成品出口机架的闭环控制用；
设置在主操作室内的工程师站，所述工程师站包括PLC主站以及与PLC主站通信连接的具有人机界面(HMI)功能的上位机系统；
所述PLC主站与所述PLC从站采用网络连接，所述PLC主站内设置有孔型辊缝控制模块，该孔型辊缝控制模块实现孔型辊缝控制模型的计算，所述孔型辊缝控制模型计算出的辊缝补偿值后，结合生产线产品大纲中某一规格及钢种的轧制程序所对应的各个轧机辊缝理论值后给出非成品机架的各个轧机的实际辊缝设定控制值。
4.根据权利要求3所述的棒线材轧机轧制产品尺寸在线自动控制系统，其特征在于，对于非成品机架，所述孔型辊缝控制模型为：
在某个轧制周期内，第i号轧机辊缝最新设定值Sni为：
Sni＝S0i-△si
式中：S0i为当前设定值S0i，△si为缝补偿值的差值；
所述辊缝补偿值△si为：
△si＝dti+(dmi-dpi)×2
式中：dti是轧机轧辊的弹跳值，dmi是轧机在某个轧制周期内单只轧辊的磨损值，dpi是轧机在某个轧制周期内单只轧辊的膨胀值；
dti＝△hi(1+Qn/ki)
式中：△hi为轧机的压下量，Qn为当前所轧制的某种钢种的塑性系数，ki为轧机的轧机整体刚性系数，kmi为生产线上轧机的轧辊磨损系数；
dmi＝ki×DKi×hi×li×fi
式中：DKi为轧机轧辊直径调整系数，hi为轧机轧制力对模型影响系数，li为某一轧制周期内所轧制的轧件总长度，fi为轧机的平均轧制压力；
dpi＝Ci×(wi-wid)
式中：Ci为轧机轧辊的热膨胀系数，wi为轧机轧辊的当前温度，wid为轧机轧辊的最低温度；
wi＝wis+δiu+δid
式中：wis为该轧机轧辊轧制上一条钢的温度，δiu为该轧机轧辊温升量；δid为该轧机轧辊温降量。
5.根据权利要求3所述的棒线材轧机轧制产品尺寸在线自动控制系统，其特征在于，所述成品出口机架的闭环控制所需的成品出口机架的辊缝的补偿值的计算方法为：
Sn＝S0-△h
△h＝hc–H
△w＝wc-W
式中:Sn为辊缝最新设定值，S0为辊缝初始值或是当前设定值；在棒材生产线的某个轧制周期内，测径仪测量的产品尺寸在高度方向的直径为hc、宽度方向的直径为wc，H为高度方向的直径理论设定值，W为宽度方向的直径理论设定值；△h为高度方向的直径差，△w为宽度方向的直径差。
6.根据权利要求3所述的棒线材轧机轧制产品尺寸在线自动控制系统，其特征在于，对于预成品机架p的辊缝补偿值的计算方法为：
Snp＝S0p-△w/k
式中:Snp为参与轧制的成品机架辊缝最新设定值，S0p为辊缝初始值或是当前设定值,k为成品出口机架的轧制时的宽展系数。
7.一种棒线材轧机轧制产品尺寸在线自动控制中辊缝的补偿值的计算方法，所述棒线材轧机包括成品机架轧机及位于所述成品机架前面工序的非成品机架轧机，其特征在于包括：
(1)成品机架包括成品出口机架与参与轧制的预成品机架p；其中
a)成品出口机架的辊缝的补偿值的计算方法为：
Sn＝S0-△h
△h＝hc–H
△w＝wc-W
式中:Sn为辊缝最新设定值，S0为辊缝初始值或是当前设定值；在棒材生产线的某个轧制周期内，测径仪测量的产品尺寸在高度方向的直径为hc、宽度方向的直径为wc，H为高度方向的直径理论设定值，W为宽度方向的直径理论设定值；
b)参与轧制的预成品机架p的辊缝补偿值的计算方法为：
Snp＝S0p-△w/k
式中:Snp为参与轧制的成品机架辊缝最新设定值，S0p为辊缝初始值或是当前设定值,k为成品出口机架的轧制时的宽展系数；
(2)参与轧制的非成品机架i轧机的辊缝的补偿值由辊缝控制模型计算出各个轧机的辊缝补偿值后进行最新辊缝的设定控制，所述辊缝控制模型包括：
在某个轧制周期内，第i号轧机辊缝最新设定值Sni为：
Sni＝S0i-△si
式中：S0i为当前设定值S0i，△si为缝补偿值的差值；
所述辊缝补偿值△si为：
△si＝dti+(dmi-dpi)×2
式中：dti是轧机轧辊的弹跳值，dmi是轧机在某个轧制周期内单只轧辊的磨损值，dpi是轧机在某个轧制周期内单只轧辊的膨胀值；
dti＝△hi(1+Qn/ki)
式中：△hi为轧机的压下量，Qn为当前所轧制的某种钢种的塑性系数，ki为轧机的轧机整体刚性系数，kmi为生产线上轧机的轧辊磨损系数；
dmi＝ki×DKi×hi×li×fi
式中：DKi为轧机轧辊直径调整系数，hi为轧机轧制力对模型影响系数，li为某一轧制周期内所轧制的轧件总长度，fi为轧机的平均轧制压力；
dpi＝Ci×(wi-wid)
式中：Ci为轧机轧辊的热膨胀系数，wi为轧机轧辊的当前温度，wid为轧机轧辊的最低温度；
wi＝wis+δiu+δid
式中：wis为该轧机轧辊轧制上一条钢的温度，δiu为该轧机轧辊温升量；δid为该轧机轧辊温降量。
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