四辊可逆冷轧机传动电控系统设计.docx

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四辊可逆冷轧机传动电控系统设计

摘要

轧制是各种变形手段中效率高、产量大、成本低、成型精确的加工方式。

而轧机是实现金属轧制过程的设备，泛指完成轧材生产全过程的装备，包括有主要设备﹑辅助设备﹑起重运输设备和附属设备等。

从炼钢厂出来的钢坯还仅仅是半成品，必须到轧钢厂去进行热轧与冷轧后，才能成为合格的产品。

论文通过吸收和借鉴校内实训中心的四辊可逆冷轧机的先进设计理念，提出了四辊可逆冷轧机的电控系统设计方案，并总结出了电气调试方案。

完成了整个轧机电控系统的硬件方案设计以及相关器件的选型工作。

在硬件设计中，提出了PLC+变频器+电机等的闭环控制系统，从而达到变频器控制电机转速的目的。

关键词：

轧机电控系统四辊闭环

ABSTRACT

Meansallkindsofdeformationinrolling,highefficiency,largeoutput,lowcost,precisionmoldingprocessingmethods.Themillistheequipmentofmetalrollingprocess,rolledthewholeproductionprocessreferstothecompletionofequipment,includingmajorEquipment,AuxiliaryEquipment,liftingandothertransportequipmentandancillaryequipment.Outfromthesteelmillisjustthesemi-finishedbilletstobetogoforhotandcoldrollingmills,theproductscanbecomequalified.

Articlesbyabsorbandlearnthefour-campustrainingcenterrollercoldrollingmilloftheadvanceddesignconcept,putforwardafour-highreversingcoldrollingmillelectricalcontrolsystemdesign.Completionoftheentirerollingmillelectricalcontrolsystemhardwaredesignandselectionofwork-relateddevices.InthehardwaredesignisproposedsuchasPLC+inverter+motorclosed-loopcontrolsystem,soastoachievethepurposeinvertercontrolmotorspeed.

Keywords:

Rollingmill；ElectronicControlSystem；Fourroller；Closedloop

中文摘要……………………………………………………………………………Ⅰ

英文摘要……………………………………………………………………………Ⅱ

附录1

1绪论

冶金行业作为国民经济的基础产业，得到了迅速发展。

冶金行业在经历了以数量扩张为主的发展时期后，进入了加速结构调整、提高竞争力为主的新阶段。

轧机是板带材生产的主要设备，加工材由厚变薄，是由轧机来完成的。

电气控制技术具有优良的控制特性也已成为人们的共识，因此这一技术在冶金行业中得到了广泛的应用，尤其在轧钢工艺中体现的更为突出。

本次设计就是对冷轧过程中常用的四辊可逆冷轧机的电气控制系统进行设计。

1.1轧制过程自动化

可逆式轧制是指带钢在轧机上进行往复多道次的压下变形，最终获得成品厚度钢材的轧制过程。

由于四辊可逆冷轧机生产效率高，质量易于控制，轧制过程连续，易于实现自动化和机械化。

而且这种轧机产量大，生产效率高，质量易于控制，经济效益非常显著。

所以各种先进的科学成果都竞相应用于四辊可逆冷轧机的轧制过程中，大大促进了连轧过程自动化的发展。

自动化是根据检测装置与设定值的偏差，按预定方式自行调节控制量使输出稳定在设定范围的控制过程。

从工程技术部门来看，可以把过程自动化具体解释为：

在各种不同的生产过程中，采用自动检测、电动执行等自动化装置和电子计算机，组成控制系统，使各种过程变量（如成分、流量、温度、压力、张力和速度等）保持在所要求的给定值上，并在人的控制下合理地协调全部生产过程，实现稳定优质生产的一种手段。

轧制过程自动化的最终目的是提高钢材质量，用有限资源，制造高精度的钢带产品，在人力不能胜任的过程中，把人从繁重枯燥的体力劳动中解放出来，不轻易受人的情绪和技术水平的影响，稳定进行轧制过程。

实现过程自动化，可以提供质量好、性能稳定、价格合理的钢带产品，为企业生存发展提供更大的空间。

轧制自动化实际上包括对轧制过程进行计算机系统控制和对装置的自动控制两部分。

装置自动控制主要指具体设备的闭环控制，它包括拖动系统和伺服系统，使系统可以跟随设定值进行及时调节。

这种闭环控制系统加入数字调节，提高了设备控制性能，增加了通信能力。

过程计算机控制是对复杂过程运用计算机完成采集、模型计算、实时判断处理、对整个生产系统进行控制管理，这对于包括粗轧、精轧、冷却、卷取多个环节相互衔接配合的轧制生产是必不可少的，尤其在高速与高精度轧制时，更需要计算机高速精确地完成算法处理。

计算机控制内容又分为计算机配置方式、信息跟踪方式和动态在线控制算法三大部分。

1.2轧机的分类

轧钢机按轧机布置形式可以分为以下几种：

单机座轧机：

轧制从开始到结束都在同一架轧机上进行（图3.1a）。

图1.1a单机座轧机图1.1b横列式轧机

横列式轧机：

由两架或两架以上轧机横向排列组成。

横列式轧机可以是一列的，也可以是几列的（图1.1b、c）。

图1.1c横列式轧机图1.1d纵列式轧机

纵列式轧机：

由两个以上轧机纵向排列而成。

轧件依次在每个轧机中轧制一道（图1.1d）。

半连续式轧机：

由两组轧机组成，其中一组是纵列式或横列式轧机，一组是连续式轧机（图1.1e）。

连续式轧机：

由几个轧机按轧制方向顺序排成一行，轧件同时在几个轧机上轧制，并保持连轧关系，即各架轧机单位时间内的金属流量相等（见图1.1f、g）。

图1.1e半连续式轧机图1.1f连续式轧机

越野式轧机：

由两列或两列以上的纵列式轧机组合而成。

轧件依次在各个轧机轧一道（图1.1h）。

图1.1g连续式轧机图1.1h越野式轧机

布棋式轧机：

由几列纵列式与单机架轧机组成。

它形似象棋子在棋盘上的布置，故取名布棋式轧机（图1.1i）。

图1.1i布棋式轧机

按轧辊数量分类，轧机有五类，即二辊式、三辊式、四辊式、多辊式及万能式轧钢机，分述于下：

二辊式轧钢机（也叫二重式轧机）：

分为可逆式与不可逆式两种。

二辊不可逆式轧机的轧辊转动方向在轧制过程中是不变的，轧件在轧辊间只往一个方向通过，例如叠轧薄板轧机（见图1.2a）。

二辊可逆式轧机，其轧辊可以正反转，轧件可以来回轧制。

这种轧机采用直流电机驱动。

轧制钢锭的初轧机就是这种型式。

图1.2a二辊式轧钢机图1.2b三辊式轧机

三辊式轧机（也叫三重式轧机）：

轧辊转动方向固定不变，轧件从中下辊间轧过去，又从中上辊间轧过来，进行所谓的往复轧制，又称穿梭轧制。

在这类轧机中有三个轧辊直径相同的型钢轧机；有上下辊径相同而中辊较细的三辊劳特式钢板轧机（见图1.2b）。

另外，还有一种三辊轧机，它虽然也有三个轧辊，但轧件只从两个轧辊，即上、中辊或中、下辊之间轧过。

在横列式小型或线材车间的粗轧机组中，轧件依次交替从相邻机座的中、下辊和上、中辊之间通过，各机座中不承担轧钢的那一根轧辊只起传动作用。

轧件从中、下辊通过时叫下轧制线轧制，从上、中辊之间通过时叫上轧制线轧制。

为区别于一般三辊轧机，通常称这类轧机为二辊交替式轧机或盲三辊轧机。

四辊式轧钢机（也叫四重式轧机）：

其中间两个轧辊为工作辊，上下两个轧辊为支撑辊，工作辊直径比支撑辊直径小（参见图1.2c）。

四辊轧机有两种传动方式：

一种是传动工作辊，支撑辊靠摩擦带动；另一种是传动支撑辊，工作辊靠摩擦带动，前者多用于热轧钢板和较厚的冷轧钢板生产。

图1.2c四辊式轧钢机图1.2d多辊式轧钢机

多辊式轧钢机：

有六辊、八辊、十二辊、十四辊、十六辊、二十辊轧机等（见图1.2d）、用于轧制极薄带钢。

此外还有行星式轧机（见图1.2e），用于带钢、钢板生产。

图1.2e行星式轧图1.2f万能轧机

万能轧机：

其特点是带有立轧辊（见图1-2f）。

轧制时轧件可同时或先后进行上下及两侧方向的加工。

万能式轧机可分成二辊式、三辊式和四辊式的。

立轧辊安装在轧钢机的前边或后边。

轧机按轧辊布置形式及位置分类，可分为：

轧辊水平布置的轧机：

一般初轧机、型钢轧机、钢板轧机、线材轧机都属于这一类；

轧辊直立布置的轧机：

在连续式型钢及钢坯轧机、钢板轧机、带钢轧机及线材轧机中都有直立布置轧辊的机座，它专门用于轧制轧件的侧面（图1.3a）；

水平轧辊及直立轧辊混合布置的轧机：

如二辊式、三辊式万能轧机及万能式钢梁轧机的轧辊都是水平及直立混合布置的（图1.3b、c、d、e、f）；

图1.3轧辊水平及直立布置的轧机图1.4轧辊斜置的轧钢机

轧辊斜置的轧钢机：

生产无缝钢管的穿孔机、钢球轧机等都属于这一类（图1.4）；

轧辊以特殊形式布置的轧机：

如各机架轧辊互成90°，与地面成15°或者75°的线材轧机。

它取消了一般线材轧机的扭转导板，称为无扭转线材轧机。

又如轧辊按“Y”型布置的线材轧机，工作辊既自转又绕支撑辊旋转的行星轧机等。

目前,现代化四辊可逆冷轧机在围绕完善控制系统和控制工作辊凸度等方面做了大量研究开发工作，朝着大卷重、宽幅、高速度、高自动化的方向发展。

1.3四辊可逆冷轧机传动系统的电气要求

提到四辊可逆冷轧机的自动化系统，不得不首先提到传动系统，因为拥有一个稳定、可靠的传动系统，是其成功的前提条件，也是先进的自动化系统的基础。

直流电气传动具有调速性能好、控制精度高、线路简单、控制方便、过载能力较强、能承受频繁冲击负荷等优点。

因此，很长一段时间冷轧机主传动一直被直流调速系统所占领。

随着电力电子技术的发展，轧机传动系统已由先进的交流调速取代了传统的直流调速。

交流传动转动惯量小，过载能力大，加速性能好，控制精度高，大大提高了轧机传动的技术性能指标。

近年来新建轧机都采用交流传动系统（交交变频及交直交变频）。

四辊可逆冷轧机的主传动速度控制是对轧机各机架的主传动速度进行控制，以确保带钢在轧制过程中各机架的速度匹配即秒流量相等，从而确保带钢的稳定轧制。

电气传动系统作为机械能与电气能量的转换环节，应满足生产工艺的需要，同时又要适应电网的要求，实现高效率运行和高水平生产。

在选择轧机传动电机调速系统时应考虑以下因素：

满足工艺要求电机调速系统应满足轧制工艺所要求的轧制功率、转矩、转速、调速范围，根据轧制的最大负荷确定传动系统的过载能力，同时要考虑电机是否可逆运转、加速和减速时间、恒转矩和恒功率运行的范围等。

传动系统的性能指标作为电气传动系统，应考虑电机调速控制系统的性能指标、速度控制精度、转矩或电流控制的动态响应、速度控制的动态响应等。

适应电网要求选择电机调速系统时应考虑电气传动系统中电机和电力电子变换器的能量变换效率、电力电子变换器注入电网的电流谐波和功率因数是否满足电业部门的规定和要求，是否需要增加谐波与无功补偿装置。

自动化、信息化要求电气传动系统与轧机自动化系统的硬件与软件接口，其通讯接口应适应自动化网络的开放性、标准化和高性能的要求，同时应考虑电气传动系统状态信息的收集、管理、传递，具有良好的人机界面。

经济性电气传动系统的选择应考虑投资少、运行成本低、装备与系统的可靠性以及设备运行的维护和备件供应等经济因素。

随着轧制技术的不断进步，生产效率越来越高，产品质量也随之提高，主传动速度的响应和控制精度直接影响到冷轧机的生产效率和质量控制，是对带钢厚度和张力进行精细控制不可缺少的手段。

系统在速度控制方面不仅稳速精度高、动态响应快，同时在控制链路中采用了双“S”型积分环节，以避免支撑辊之间、支撑辊与工作辊之间以及工作辊与被加工材料之间产生相对运动。

1.4本设计的意义及工作

四辊可逆冷轧机是用于板带材生产的主要设备，钢材由厚变薄，是由其来完成的。

单机架四辊冷轧机分为可逆式与不可逆式两种，根据压下方式又可分为电动压下及液压压下两种。

在电气传动上，采用自动厚度控制AGC系统，控制厚度公差；采用自动准确停车系统、计算机控制系统，使轧制生产自动化；采用可控硅供电、全数字交流传动控制系统，提高速度和张力的控制精度；辅助动作采用可编程控制器（PLC）控制。

轧机作为辊道类负载，多在钢铁冶金行业，采用交流电动机变频控制，可提高设备可靠性和稳定性。

采用变频装置省去了机械制动闸，由于速度连续可调，省去了大量减速机装置，同时改善了生产环境，消除了噪声。

轧机主传动要求电气传动具有很高的动态响应和相当高的过载能力，这一领域长期以来一直被直流电动机传动所垄断。

但由于直流电动机存在换向问题，造成换向器、电刷等部件的维护工作量大增，而且直流电动机在提高单机大容量、提高过载能力、降低转动惯量以及简化维护方面都受到了很大限制，已经不能满足轧机向大型化、高速化方向的发展。

为了保证加工精度、操作安全性以及易操作性等，轧机对电气系统提出了如下要求：

轧制速度要有较高的稳定裕度，正常轧制时，轧制速度为30～60m/min可调，点动速度为5m/min，速度精度为静态±1%，轧机快速启停车时间不超过5秒。

冷轧操作时要求可以快速频繁起制动。

两侧辊缝不平衡时，可单独调整轧机任意两侧压下螺钉。

轧制方式要可逆，同时要能自动检测各器件的工作状态，以便能及时自我保护。

操作方便，并具备必要的显示功能，如轧制线速度、电流、电压、运行状态、故障显示等。

因此，为了满足上述控制要求，基本都采用PLC+变频器+电机等组成的轧机电气闭环控制系统。

采用矢量控制的变频调速方式控制主传动电机和辊道电机转度，以PLC为主控制单元使得辊道转速和主传动电机速度一致。

整套系统具有良好的调节品质，稳定可靠的性能，并且维护简单。

系统中PLC部分接受操作台命令、变频器信号以及轴编码器信号等，经分析后给出变频器运行信号，并向变频器发出模拟速度信号。

此外PLC部分还实时监控系统的运行状态，对各种故障情况进行及时的分析和处理。

同时，变频器接受到PLC发出的起/停和运行控制信号，根据给定速度模拟量的大小控制电动机运行。

本次设计主要在熟悉生产工艺和控制要求后，确定控制方案和系统硬件结构，完成轧机电控部分的硬件设计和器件参数计算及选择，参照校内实训中心的轧机完成轧机电控部分的硬件接线图的绘制。

2四辊可逆冷轧机的结构及工艺流程分析

冷轧带钢和薄板一般厚度为0.1～3mm,宽度为100～2000mm，均以热轧带钢或钢板为原料，在常温下经冷轧机轧制成材。

冷轧带钢和薄板具有表面光洁、平整、尺寸精度高和机械性能好等优点。

成卷冷轧薄板生产效率高，使用方便,有利于后续加工。

因此应用广泛,已逐渐取代同样厚度的热叠轧薄板。

冷轧带钢和薄板的产量在工业发达国家已占钢材总产量的30％左右。

而生产带钢用的四辊可逆轧机广泛应用于现代轧制工艺中。

各种冷轧产品规格和用途如表2.1所示。

表2.1各种冷轧产品规格和用途

产品

厚度（mm）

宽度（mm）

主要用途

冷轧带卷或薄板（汽车板、搪瓷板、各种冷冲板等）

0.15～3

750～2000

汽车外壳、电冰箱、洗衣机、家具、建筑结构、冷弯型钢和各种容器

镀锌板

0.25～2.5

1000～1500

屋面板、容器、包装箱、油桶

镀锡薄板

0.1～0.55

508～1100

罐头、玩具、包装箱和容器

电工薄板（硅钢片、低碳电工锅板）

0.3～1.0

750～1000

各种变压器、电机

有机涂层薄板（彩色有机涂层板和塑料涂层板）

0.2～0.55

1000～1500

车辆、建筑装饰、家具、仪器外壳、电冰箱、洗衣机

不锈钢板

0.15～3

750～1000

餐具、家具及车辆、建筑装饰

其它（低合金结构钢等钢板）

0.5～3

750～1000

各种结构件、容器、焊管原料

2.1四辊可逆冷轧机的发展和技术特点分析

现代轧机发展的趋向是连续化、自动化、专业化,产品质量高,消耗低。

60年代以来轧机在设计、研究和制造方面取得了很大的进展，使带材冷热轧机、厚板轧机、高速线材轧机、H型材轧机和连轧管机组等性能更加完善，并出现了轧制速度高达每秒钟115米的线材轧机、全连续式带材冷轧机、5500毫米宽厚板轧机和连续式H型钢轧机等一系列先进设备。

轧机用的原料单重增大，液压AGC、板形控制、电子计算机程序控制及测试手段越来越完善，轧制品种不断扩大。

一些适用于连续铸轧、控制轧制等新轧制方法，以及适应新的产品质量要求和提高经济效益的各种特殊结构的轧机都在发展中。

2.1.1四辊可逆冷轧机的发展

1980年世界上的辊身长度大于860mm的带钢冷轧机共有466台,其中可逆式四辊轧机161台，可逆式多辊轧机108台，连续式轧机197台。

中国有宽带钢冷轧机9台，其中可逆式四辊轧机4台，可逆式二十辊轧机3台，偏八辊轧机1台，连续式轧机1台。

我国拥有现代化四辊及六辊冷轧机108台，生产能力2100kt/a，二辊冷轧机约300台，生产能力450kt/a，总计冷轧板带生产能力2550kt/a。

截至2005年底，引进轧机的生产能力为1000kt/a,中国四辊轧机的生产能力为2120kt/a，二辊轧机的生产能力为380kt/a，总计冷轧板带生产能力3500kt/a。

有自制的辊宽≥800mm的四辊铝板带冷轧机约150台，其中1400mm级的达65台，占总数的43%。

2006年全国投产的冷轧机26台，形成板带生产能力725kt/a，是投产能力最多的一年。

另外，2006年在建的冷连轧生产线有2条，四辊及六辊单机架不可逆式冷轧机13台，总生产能力1750kt/a。

目前,现代化四辊可逆冷轧机在围绕完善控制系统和控制工作辊凸度等方面做了大量研究开发工作，朝着大卷重、宽幅、高速度、高自动化的方向发展。

发达国家有的冷轧机轧制带材宽度已达3500mm，最小出口厚度达0.05mm，轧制速度达40m/s，最大卷重达30t，带材厚度公差不大于1%～1.5%。

高速、高质量、高配置、高性能的过程控制系统以及高度自动化是现代化轧机控制系统的特点。

在未来一段时间，世界冷轧机的发展不会有重大的“发明创造”，而是会有许多小的进步。

国产四辊可逆冷轧机的未来发展应学习和借鉴国外轧机设计中的综合问题处理方法和描述轧机内部以及周围的卷材设计流程。

纵观世界现代化钢材轧制设备的设计、研制以及生产安装的发展趋势，我国如果要进一步提高国产钢轧制设备生产技术的整体水平，国内钢材轧制设备生产企业应适应世界的发展趋势，建立现代钢材轧制装备研制、设计、制造、生产、维护体系，将不同领域的独立的观念有机地结合到一起，生产出更现代化的轧机。

因此，我们在设计四辊可逆冷轧机时应注重以下几方面的问题：

重视四辊可逆冷轧机的一体化设计和服务

轧机的一体化设计非常重要,机械、液压和自动化系统的所有元件必须有效地调节,传感器的选用和测量装置的定位都需要考虑。

注重规模化、专业化生产,有意识地成为一个系统的提供者

今后的钢材市场要求更为严格的成品品质，同时对其生产设备的灵活适应性提出了更高的要求，作为钢材冷轧机的研制方，必须通过机械工程、液压系统、电气工程和自动化系统各领域的配合，努力提高工艺系统的功能，同用户密切合作从而形成系统合作关系，促进双方的可持续发展。

注重四顾可逆冷轧机的安全性和可靠性

工厂设备的设计在安全方面采用高标准，要求机械和电气的设计构造安全可靠；要求最佳均衡优选的安全和防护措施；要求通过机械、液压和电气自动化的密切协作来实现安全操作；要求对设备和生产过程的操作安全可靠，要求在维护和服务阶段的操作安全舒适。

提高四辊可逆冷轧机的利用率，降低能耗，努力完善工艺过程自动化系统。

从而提高四辊可逆冷轧机的利用率，降低能耗，使运行方式最佳，获得优质产品。

2.1.2四辊可逆冷轧机的技术特点

四辊可逆冷轧机技术丰富，归纳起来主要有以下特点：

机组设备布置紧凑,总体功能齐全,整机自动化程度提高

现代化四辊可逆冷轧机的轧制形式绝大数为可逆轧制，配有卷材自动运输装置。

20世纪末至21世纪初设计的机组中，同时配备了带卷自动测量和上卷自动对中装置，可实现上卸卷的自动化操作，使操作强度逐步降低，提高成品率，增加竞争能力。

轧制速度提高,单机产能增加

前些年的国产四辊可逆冷轧机，最大轧制速度由原来的300m/min提高到近800m/min。

随着板型自动控制系统的投入，最高轧制速度不断提高，达到1200m/min。

但来料厚度较大，单机产量较低，单机产能由最初的7.5kt/a提高到现在的40kt/a。

但轧制速度与国外相比，仍有一定的差距，单机产能也有较大差距。

整机国产化程度提高,设备维护方便

随着国产装备业的发展,国内配套能力进一步提高,国产冷轧机以前主要靠引进的检测元件或控制系统逐步被质优价廉的国产元件或系统代替：

如厚度自动控制系统（AGC）、带材自动纠偏控制系统（EPC）、X射线测厚仪、板型自动控制系统（AFC）等。

同时，由于国产化的提高，设备维护费用越来越经济，产品更具竞争力。

液压和润滑系统更加完善和标准化

国产四辊可逆冷轧机液压系统主要为整体泵站和分散阀台布置，轧机控制更趋于全液压化。

对伺服液压系统、弯辊伺服液压控制、厚度伺服液压控制以及上卸卷测量及液压控制系统等均广泛用于轧机控制。

电气传动系统有了比较大的发展

开卷机、卷取机和主传动电动机控制系统广泛采用全数字直流传动装置,供电全数字直流传动装置与交流传动装置相比，其优点在于造价较低，控制简单可靠、维护方便。

但确定是成本太高；交流传动与直流传动装置相比，其优点在于结构紧凑、维护量小、动态控制特性优良。

电气控制更加完善

不管是自动控制部分还是传动部分，国产现代化轧机近期发展采用三级控制系统：

即0级——自动化基础；1级——闭环控制；2级——过程控制。

装配了多个CPU中央处理单元，系统的开放性很强，用户可以自己开发和自己修改。

完善的厚度自动控制系统

其控制系统包括:

辊缝控制、前馈控制、反馈控制、弯辊力补偿及轧辊偏心补偿。

板形自动控制系统应用越来越广泛

国产板形辊及板型自动控制系统的投入使用，将代替价格昂贵的进口板型控制系统。

同时，产品质量又提高了档次。

2.2四辊可逆冷轧机的结构

图2.1四辊可逆冷轧机结构示意图

2.2.1轧机的组成硬件

四辊可逆冷轧机的主要设备有工作机座和传动装置，其结构图如2.1所示。

工作机座：

由轧辊、轧辊轴承、机架、轨座、轧辊调整装置、上轧辊平衡装置和换辊装置等组成。

轧辊：

使金属塑性变形的部件。

轧辊外形如图2.2所示。

轧辊轴承：

支承轧辊并保持轧辊在机架中的固定位置。

轧辊轴承工作负荷重而变化大，因此要求轴承摩擦系数小，具有足够的强度和刚度，而且要便于更换轧辊。

不同的轧机选用不同类型的轧辊轴承。