軋機(jī)推床調(diào)試階段問題分析

鄭 健 李久慧

(鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司 遼寧鞍山114021)

1 課題背景及意義

本課題來自于某新建中板廠粗軋機(jī)入口推床的調(diào)試階段所遇到的問題。在調(diào)試階段遇到情況如下:推床的推頭前進(jìn)或后退時(shí)偶爾出現(xiàn)推頭突然開始劇烈的前后高頻振動(dòng)。

中板軋機(jī)推床(側(cè)導(dǎo)板)是用來將軋件準(zhǔn)確地導(dǎo)向至軋機(jī)中心線上進(jìn)行軋制而設(shè)置在軋機(jī)前后的一種裝置?？紤]到軋件的彎曲、滑動(dòng)等因素，設(shè)定的側(cè)導(dǎo)板寬度要稍寬于鋼板寬度。推床調(diào)整精度的優(yōu)劣對(duì)軋機(jī)的板形控制起重要作用。另一方面，此調(diào)試問題的分析涉及到了機(jī)械、液壓及電氣控制等多方面內(nèi)容，雖然問題簡(jiǎn)單，但對(duì)于日后無論從設(shè)計(jì)研發(fā)還是從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方面來講都是有一定的參考和借鑒意義。

2 原理介紹

2.1 機(jī)械設(shè)備介紹

軋機(jī)推床采用液壓驅(qū)動(dòng)齒輪齒條式。它主要由推板、推桿、齒輪箱體、齒輪和齒條、液壓缸等部件組成。液壓缸驅(qū)動(dòng)推床箱體上齒條，上齒條通過齒輪軸實(shí)現(xiàn)一側(cè)推板的兩個(gè)推桿機(jī)械同步，兩側(cè)推板液壓同步。位于軋線兩側(cè)的推床通過中間的一根導(dǎo)向槽機(jī)械控制兩推板的同步對(duì)中運(yùn)動(dòng)，通過液壓缸內(nèi)置的傳感器可以測(cè)出推床的開口度，同時(shí)還可以測(cè)出板坯的實(shí)際最大外廓寬度值。推床的對(duì)中和回程分別由兩個(gè)布置在輥道兩側(cè)的帶有內(nèi)置式位移傳感器的液壓缸帶動(dòng)齒輪、齒條、推桿來實(shí)現(xiàn)推床的開合。兩側(cè)推床推頭同步采用液壓同步的控制方式(見圖1)。

圖1 推床裝配圖

技術(shù)參數(shù):

推床推板推力:400kN;推床開口度:1550 ～5400mm;推板移動(dòng)速度:150 ～300mm/s(單側(cè));推板長(zhǎng)度:9000mm;推床開口度設(shè)定精度:±2mm;推床測(cè)寬精度:±1mm;推拉缸:4 ×φ160/φ120 ×2000mm;工作壓力:16MPa

2.2 液壓介紹

2.2.1 技術(shù)參數(shù)

油箱容積:V=12000L;系統(tǒng)流量:Q=1500L/min;系統(tǒng)壓力:P=18MPa;工作介質(zhì):ISOVG46;系統(tǒng)清潔度:NAS6 級(jí)

2.2.2 設(shè)備組成

油箱:1 臺(tái);恒壓變量軸向柱塞泵:7 臺(tái)(6 用1 備);循環(huán)過濾泵裝置(螺桿泵):2 臺(tái)(1 用1 備);蓄能器裝置(4×63L);板式冷卻器、過濾器裝置、壓力繼電器、電磁溢流閥、單向閥、微型軟管、壓力表等。

控制單元:軋機(jī)前機(jī)后推床、導(dǎo)板升降缸、接軸卡緊缸、工作輥軸端擋板缸、支承輥軸端擋板缸、工作輥換輥橫移缸、工作輥換輥旋轉(zhuǎn)軌道缸、支承輥換輥車行走油馬達(dá)、上接軸平衡缸、下接軸平衡缸、除鱗箱液壓缸等。

圖2 推床LP 液壓閥組

2.2.3 伺服系統(tǒng)

由此液壓閥組原理圖和控制要求可知，推床的液壓控制系統(tǒng)為伺服控制。

電液伺服系統(tǒng)又稱電液控制系統(tǒng)，是以電氣信號(hào)輸入、以液壓信號(hào)為輸出構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于是電氣和液壓的結(jié)合，此系統(tǒng)可以充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)。電氣信號(hào)便于測(cè)量、轉(zhuǎn)換、放大、處理和校正;而液壓信號(hào)輸出功率大、速度快，且其執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有慣量小等優(yōu)點(diǎn)。所以二者相結(jié)合所組成的電液控制系統(tǒng)具有控制精度高、響應(yīng)速度快、信號(hào)處理靈活、輸出功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

液壓伺服系統(tǒng)是使系統(tǒng)的輸出量，如位移、速度或力等，能自動(dòng)、快速而準(zhǔn)確地跟隨輸入量的變化而變化，同時(shí)，輸出功率大幅度地放大。液壓伺服系統(tǒng)的工作原理方框圖如圖3。

圖3 伺服系統(tǒng)圖

伺服閥采用MOOG 公司的D663Z4305KP03JXNF6VSX2－A 型伺服比例控制閥。閥芯的行程范圍對(duì)應(yīng)電流為4 至20mA。中位時(shí)電流為12mA。20mA 相當(dāng)于閥口100%全開。

2.3 電控系統(tǒng)

2.3.1 電控硬件

可編程控制器S7－400 是具有中高檔性能的PLC，采用模塊化無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，適用于對(duì)可靠性要求極高的大型復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

2.3.2 電控軟件

STEP7 編程軟件用于SIMATIC S7、M7、C7 和基于PC的WinAC，是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。STEP7 具有以下功能:硬件配置和參數(shù)配置、通信組態(tài)、編程、測(cè)試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等。

控制策略(狹義地也稱控制算法)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制器的核心。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用合適的控制策略是成功調(diào)試機(jī)械設(shè)備的重要保證。控制策略以自動(dòng)控制理論為基礎(chǔ)，可劃分為傳統(tǒng)控制策略、現(xiàn)代控制策略和智能控制策略。

本系統(tǒng)采用PID(比例—積分—微分)控制。PID 算法蘊(yùn)涵了動(dòng)態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在和將來的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。其中，比例(P)代表了當(dāng)前的信息，起糾正偏差的作用，使過程反應(yīng)迅速。積分(I)代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)靜態(tài)特性。微分(D)在信號(hào)變化時(shí)有超前控制作用，代表了將來的信息。在過程開始時(shí)強(qiáng)迫過程進(jìn)行，過程結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過渡過程。

圖4 PID 控制器原理圖

圖5 閉環(huán)方框圖

閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的工作原理為反饋控制原理或偏差調(diào)節(jié)原理，這種控制系統(tǒng)通過負(fù)反饋控制，因而具有自動(dòng)糾正偏差的能力，可獲得相當(dāng)高的控制精度。但系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題，而且高精度和穩(wěn)定性的要求是矛盾的。電控制器(比例放大器，俗稱放大板)在開環(huán)控制系統(tǒng)中，用于驅(qū)動(dòng)和控制電液比例控制元件的電—機(jī)械轉(zhuǎn)換;在閉環(huán)控制系統(tǒng)中除了上述作用外，還要承擔(dān)反饋檢測(cè)器的檢測(cè)放大和校正系統(tǒng)的控制性能。因此，電控制器的功能直接影響系統(tǒng)的控制性能，它的組成應(yīng)與電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器的型式相匹配，一般都具有控制信號(hào)的生成、信號(hào)的處理、前置放大、功率放大、測(cè)量放大、反饋校正、顫振信號(hào)發(fā)生及電源變換等基本組成單元。它包括電位器、斜坡發(fā)生器、階躍函數(shù)發(fā)生器、PID 調(diào)節(jié)器、反向器、功率放大器、顫振信號(hào)發(fā)生器，或用可編程序控制器等。由于比例電磁鐵可以在不同的電流下得到不同的力(或行程)，可以無級(jí)地改變壓力、流量，因此，電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器是電液比例閥的關(guān)鍵元件。

3 調(diào)試階段

3.1 聯(lián)合調(diào)試前期

3.1.1 單體機(jī)械設(shè)備調(diào)試

安裝符合《軋機(jī)機(jī)械設(shè)備工程安裝驗(yàn)收規(guī)范》GB50386－2006 中的相關(guān)規(guī)定。單體機(jī)械設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)符合《機(jī)械設(shè)備安裝工程施工及驗(yàn)收通用規(guī)范》GB50231－2009 中的相關(guān)規(guī)定。

3.1.2 單體液壓設(shè)備及管路調(diào)試

安裝及試運(yùn)轉(zhuǎn)符合《軋機(jī)機(jī)械設(shè)備工程安裝驗(yàn)收規(guī)范》GB50387－2006 中相關(guān)規(guī)定。

3.1.3 電氣設(shè)備調(diào)試

調(diào)試符合《電氣設(shè)備安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》YBJ217 中相關(guān)規(guī)定。

3.2 聯(lián)合調(diào)試(出現(xiàn)問題階段)

推床的推頭在無負(fù)載運(yùn)行前進(jìn)或后退時(shí)偶爾出現(xiàn)推頭突然開始劇烈的前后高頻振動(dòng)。在調(diào)試主機(jī)HMI 界面上，液壓缸內(nèi)置位移傳感器的模型上出現(xiàn)了毛刺。顯示為如圖6 所示。

圖6 位移傳感器模型在HMI 界面圖

此工程粗、精軋機(jī)共計(jì)7 套推床設(shè)備，前面描述的情況只出現(xiàn)在粗軋機(jī)入口操作側(cè)，其它位置推床均無此情況發(fā)生。

3.3 處理問題

1)檢測(cè)液壓缸內(nèi)置位移傳感器是否損壞;

2)檢測(cè)液壓缸內(nèi)置位移傳感器電氣接線;

3)檢測(cè)LP 液壓系統(tǒng)液壓油清潔度;

4)管路上放氣閥打開，給管路放氣;

5)重新給液壓缸內(nèi)置位移傳感器接一根電氣接線(明線)。

經(jīng)過以上處理達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，仍然有此現(xiàn)象發(fā)生。

根據(jù)以上排查后原因應(yīng)該發(fā)生在放大器及電氣控制上。雖然此處的PLC 程序是與其它幾個(gè)推床的程序相同，但是由于伺服閥的制造精度及配套放大板的調(diào)試均有其自身的特性，因此針對(duì)于每個(gè)伺服閥都應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況相應(yīng)地調(diào)節(jié)參數(shù)。

在西門子STEP7 中程序中PID 控制器功能塊主要有FB41、FB42 和FB43，主要用到的是FB41“CONT_C”實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制。所以檢查應(yīng)該先從這段程序開始。

4 總結(jié)

無論對(duì)于單一的機(jī)械設(shè)備、液壓閥還是STEP7 程序及參數(shù)來說都可能是沒有問題或是正確的，但是當(dāng)它們組合在一起，并進(jìn)行調(diào)試時(shí)，不可而知的問題就會(huì)發(fā)生，有時(shí)甚至是很小、很微不足道的一個(gè)參數(shù)，就可能改變整個(gè)系統(tǒng)的功能。所以，從設(shè)計(jì)或是編程時(shí)，就要多考慮其它專業(yè)的問題。

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