Концепция построения САР натяжения стальной полосы одноклетьевого реверсивного стана холодной прокатки

Ключевые слова:

Реверсивная прокатка, натяжение стальной полосы, толщина проката, регулятор натяжения, скорость прокатки, электропривод клети, электропривод моталки.

Постановка задачи

Непрерывный процесс прокатки на одноклетьевом реверсивном стане определяется процессами обработки металла давлением (ОМД) в реверсивной клети с целью обеспечения требуемой толщины проката и взаимосвязью между моталками и клетью через прокатываемую полосу. Вследствие этого между технологическим процессом (ТП) прокатки, системой многодвигательного электропривода и элементами конструкции стана имеются взаимосвязи, определяющие систему стана как единое целое.

Рассмотрим параметры, характеризующие ТП прокатки стальной полосы в клети: F_пр – сила прокатки;
M_пр – момент прокатки; T_м,i, T_м,i – натяжения в промежутках до и после клети; γ – коэффициент вытяжки проката;
R_k – катающий радиус валков клети, R_м – радиус моталки; V_м,i, V_м,i – скорости входа и выхода полосы из клети; H_м,i, H_м,i – толщина проката до и после клети; Р_л – реологические свойства стальной полосы; b,h – геометрические размеры ленты (ширина и высота); К_ж – жесткость клети (коэффициент упругости); М_{эм i} – электромагнитный момент двигателя; w_i – скорость вращения двигателя. На основании системного анализа, объединив все используемые параметры, введем обобщенный вектор состояния, характеризующий процесс производства ПП для i-ой клети:

Анализ влияния этих параметров на процесс прокатки полосы показывает его неоднозначность. Но можно выделить три группы параметров: проекционные X^ʼ_n, возмущающие X^ʼ_f и управляющие X^ʼ_U.

Проекционные параметры или остаются неизменными, или незначительно изменяются в процессе работы стана:

В процессе проведения технологии часть параметров вектора X^ʼ_n, такие как R_k, b, h, К_ж, Р_л изменяются, действуя возмущающим образом на ТП, и выступают факторами нестационарности процесса прокатки, что приводит к необходимости корректировать начальную настройку стана.

В процессе прокатки профиля в системе стана могут действовать различные возмущения. К основным из них относят возмущения: F_пр, M_пр, T_м,i, T_м,i, V_м,i, V_м,i, H_м,i, H_м,i, которые проявляются в системе управления электроприводом моталок и клети, и образуют вектор возмущений, представленный в виде:

Эти параметры связаны между собой. Физические особенности, лежащие в основе этих взаимосвязей можно свести к следующему. Изменение натяжения (сжатия) проката, возникающие под влиянием тех или иных возмущений, вызывают изменение давления металла на валки в зоне очага деформации (прокатки): при увеличении натяжения уменьшается давление металла на валки, и, наоборот, при уменьшении натяжения давление увеличивается.

Поскольку механическая система валки – клеть характеризуется определенной степенью упругости (жесткость клети), то изменение давления металла на валки приводит к изменению высоты калибра в данной клети, т.е. при неизменном положении нажимных винтов прокат, выходящий из валков, изменяется в зависимости от приращения натяжения в промежутках до и после моталки. Одновременно вследствие этого меняются скорости входа и выхода проката из клети (в валки) V_м,i, V_м,i, что оказывает в свою очередь влияние на режим натяжения полосы. Следовательно, момент сопротивления технологической операции, приложенный к валкам, зависит от степени изменения толщины рабочего тела в клети, а также от переднего и заднего натяжений до и после моталки. Поэтому изменение натяжений полосы вызывает изменение скорости вращения двигателя в соответствие со степенью жесткости его механической характеристики.

Скорость входа и выхода рабочего тела из клети определяется не только скоростью вращения валка и степенью деформации, но и опережением и отставанием рабочего тела, последние, в свою очередь, являются функцией натяжения полосы и величины обжатия. Поэтому, стабилизация натяжения ленты является основным фактором получения проката высокого качества. Потеря натяжения, так и его чрезмерная величина, приводит к аварийным режимам.

Основными энергосиловыми параметрами процесса являются F_пр, M_пр, T_м,i, T_м,i, поэтому необходимо организовать регулирующие связи по натяжению для компенсации возмущений со стороны электропривода прокатной клети, с целью обеспечения необходимого натяжения полосы. А поскольку в объекте измеряемыми являются электромеханические параметры многодвигательного привода M_эм, w_i то вектор управляющих параметров будет следующим:

Тогда, с учетом вышеприведенного анализа, структурная схема связей по параметрам, характеризующих процесс получения проката в электроприводной клети будет следующей (рис.1).

Как видно из рис.1, непрерывный процесс реверсивной прокатки, является многомерным объектом управления и относится к виду многосвязных электромеханических систем, т.к. он рассматривает систему электроприводов клети и моталок как составную часть ТП прокатки и единое целое с непрерывным станом во всем многообразии явлений и процессов прокатки стальной полосы. В этой структуре многосвязная электромеханическая система выступает как регулирующий орган процесса, распределяющий управление на создание усилий изменения толщины по длине стальной полосы. А главной задачей управления натяжением полосы будет организация регулирующих связей по основным параметрам процесса с целью компенсации возмущающих воздействий со стороны системы электропривода и гидронажимного устройства.

Методика решения задачи

Для понимания процесса регулирования натяжения приведем структурную схему математической модели натяжения с компенсацией возмущения по скорости прокатки (рис.2).

На рис.2 пунктирной линией отмечены блоки, представляющие характеристику модели натяжения (динамическая характеристика флуктуаций натяжения), а все остальные – физические явления, происходящие в процессе прокатки.

Используя данную структурную схему, опишем возникновение текущих изменений натяжения во время процесса прокатки и работу канала компенсации флуктуаций натяжения. Сначала моталка, вместе с катушкой ускоряется под действием величины T_b, которая пропорциональна значению тока двигателя от регулятора тока для образования скорости V_м моталки. Скорость моталки V_м возмущается изменением скорости ΔV рабочего тела изза изменения натяжения на входной и выходной сторонах стана и/или из-за вариаций толщины рабочего тела, которые вызывают дисбаланс скорости через сумматор. Затем, это значение интегрируется в разницу удлинений Δl в продольном направлении рабочего тела, откуда в блоке 2 вычисляется изменение напряжения натяжения Δε. Умножив это значение на bH, получим обратное изменение натяжения ΔT_b, которое сравнивается на сумматоре со значением натяжения T_b для получения величины отклонения. Моталка управляется этим отклонением так, чтобы скомпенсировать влияние ΔV. Изменение натяжения ΔT_b конвертируется в блоке 6 в изменение удлинения Δl_r. Полученное значение усиливается в K_t раз для получения величины Δl_c, с помощью которой и происходит компенсация высокочастотных флуктуаций натяжения рабочего тела. Таким образом, переходный процесс происходит намного быстрее, так как на него не влияет инерционность моталки.

Выше сказанное можно сформулировать в виде структуры (рис.3), отражающей концепцию регулирования натяжения стальной полосы между клетью и моталкой.

Из структуры следует, что система управления натяжением полосы со стороны моталки является трехконтурной. Внешний контур – регулятор натяжения полосы, а система электропривода моталки стандартная, двухконтурная, реализована по принципу подчиненного регулирования. В системе управления организован канал компенсации возмущения по изменению скорости прокатки. Компенсация заключается в вычислении собственной частоты флуктуаций натяжения вдоль рабочего тела и определении коэффициента компенсации, сглаживающего эти флуктуации. Сигнал компенсации корректирует сигнал обратной связи по натяжению полосы, а также корректирует сигнал управления на перемещение сервозадвижки гидронажимного устройства (ГНУ) валков клети в системе регулирования толщины полосы.

Список использованной литературы

1. Дружинин Н.Н. Непрерывные станы, как объект автоматизации. — М.: Металлургия, 1975. — 336 с.
2. Афанасьев В.С. Автоматизированный электропривод в прокатном производстве: Уч. для вузов. — М.: Металлургия, 1977. — 280 с.