Регулирование толщины и натяжения полосы во входной зоне стана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Общей темой дипломного проекта является регулирование толщины и натяжения полосы во входной зоне стана. В состав дипломного проекта входят десять чертежей и пояснительная записка. На чертежах приведены схема автоматизации, структурные схемы регуляторов, функциональная схема микропроцессорного устройства, принципиальная электрическая схема взаимосвязи микропроцессорного устройства с оборудованием стана, алгоритмы, графики переходных процессов и таблица параметров эффективности капиталовложений.

В проекте была использована информация, полученная из технической документации на оборудование и средства автоматизации, из книг и журналов.

В данном проекте приведена краткая характеристика стана 2500 холодной прокатки, как объекта управления. Все датчики, непосредственно или косвенно связанные с системой автоматического регулирования толщины и натяжения полосы, рассмотрены в пояснительной записке. В общей части пояснительной записки рассмотрены структура системы автоматического регулирования толщины и натяжения полосы и реализация данной структуры при помощи комплекта микропроцессорных устройств.

Задачей специальной части дипломного проекта является синтез структуры каналов регулирования толщины и натяжения полосы во входной зоне стана. Здесь приведены и проанализированы различные варианты реализации структуры каналов регулирования толщины полосы по возмущению и по отклонению и предложены критерии оценки оптимальности структуры и параметров каналов. Для оценки эффективности каналов регулирования в проекте разработана программа математической модели входной зоны стана. Данная математическая модель включает в себя динамическую модель главного привода, модель очага деформации и динамическую модель межклетевого промежутка.

С помощью программы математической модели была проведена оценка качества контуров регулирования по переходным процессам в системе. Кроме того, на основе проведённого анализа предложены пути улучшения структуры регуляторов.

Содержание

Введение

1. Система цифрового управления толщиной и натяжением полосы на стане 2500 холодной прокатки

1.1 Производство холоднокатаного листа. Необходимость автоматизации

1.2 Описание оборудования стана. Сортамент

1.2.1 Механическое и электрическое оборудование стана

1.2.2 Характеристика прокатываемого металла

1.3 Датчики и измерительные системы

1.3.1 Система измерения толщины М2614

1.3.2 Система измерения натяжения полосы на стане 2500 ММК

1.3.3 Датчик импульсов ДИФ7М. Измерение скорости вращения привода клети

1.3.4 Датчик положения нажимных винтов ВК-3. Измерение положения нажимных винтов

1.4 Структура САРТИН

1.5 Техническая реализация САРТИН с помощью микропроцессорных устройств

1.5.1 Структура взаимосвязей комплекса САРТиН с оборудованием стана

1.5.2 Компоновка оборудования САРТиН

1.5.3 Назначение блоков и субблоков МПУ

2. Регулирование толщины полосы во входной зоне стана

2.1 Синтез структуры системы регулирования толщины полосы

2.1.1 Основные принципы регулирования толщины

2.1.2 Реализация контура регулирования по отклонению

2.1.3 Реализация контура регулирования толщины по возмущению

2.2 Взаимосвязь МПУ1 с оборудованием стана

2.3 Алгоритмическое обеспечение микропроцессорного комплекса САРТИН

2.4 Моделирование входной зоны стана

2.4.1 Математическая модель НСХП

2.4.2 Анализ результатов моделирования входной зоны стана 2500 холодной прокатки

3. Безопастность и экологичность

3.1 Опасные и вредные факторы на стане «2500» холодной прокатки

3.2 Электрозащитные средства

3.2.1 Защитное заземление

3.2.2 Защитное зануление

3.2.3 Защитное отключение

3.3 Пожарная безопасность

4. Анализ технико-экономических показателей и расчёт экономической эффективности

4.1 Правовой статус организации

4.2 Смета капитальных затрат

4.3 Производственная программа

4.4 Штатное расписание

4.5 Организация труда и заработной платы

4.5.1 Организация оплаты труда и система премирования

4.5.2 Графики выходов на работу

4.5.3 Расчёт фонда заработной платы

4.6 Калькуляция себестоимости

4.7 Расчёт прибыли

4.8 Расчёт показателей экономической эффективности капиталовложений

Заключение

Список использованных источников

Введение

Автоматизация непрерывных станов холодной прокатки необходима для улучшения качества холоднокатаного листа с целью повышения его конкурентоспособности и позволяет получать лист с параметрами, не выходящими за границы допусков. Кроме того, автоматическое регулирование позволяет получать лист в поле минусовых допусков на толщину.

Непрерывный стан холодной прокатки (НСХП) это объект со многими входными и выходными параметрами. Комплексный подход к автоматизации стана с учётом всех его взаимосвязей позволяет улучшить показатели регулирования основных параметров (толщина, натяжение). Для реализации такого регулирования необходима адекватная математическая модель.

В данной работе применена улучшенная динамическая математическая модель НСХП с учётом реального привода стана. Полученные на основе этой модели законы регулирования толщины позволяют получить достаточную точность регулирования. Благодаря большей адекватности математической модели и применению современных вычислительных средств, стало возможно произвести параметрическую оптимизацию контуров управления при помощи разработанного в данной работе программного обеспечения.

В настоящее время всё большее распространение находят цифровые системы регулирования. Цифровые системы регулирования позволяют получать многоуровневую систему, что в свою очередь позволяет на верхнем уровне (управляющая ЭВМ) рассчитывать при смене сортамента коэффициенты, входящие в уравнения закона регулирования, и быстро изменять настройки систем нижнего уровня. В работе приведена цифровая система автоматического регулирования толщины и натяжения (САРТиН) полосы конструкции ВНИИМЕТМАШ-М.

1. Система цифрового управления толщиной и натяжением полосы на стане 2500 холодной прокатки

1.1 Производство холоднокатаного листа. Необходимость автоматизации

Современным способом получения холоднокатаной продукции является рулонный способ, который обеспечивает высокую производительность как собственно прокатных станов, так и различных технологических агрегатов травления, отжига, дрессировки, нанесения покрытий, резки и др., установленных в цехе холодной прокатки, а также увеличение выхода годного. Основным агрегатом цеха холодной прокатки, определяющим его сортамент, качество продукции и производительность, является стан холодной прокатки.

Непрерывные станы холодной прокатки устанавливают в цехах большой производительности для выпуска полос и листов специализированного сортамента. Непрерывные станы отличаются от реверсивных большей степенью механизации и автоматизации: и более высокими техническими параметрами по массе рулона, скорости прокатки, мощности главного привода; производительность этих станов выше, чем у реверсивных. Непрерывные четырехклетевые станы применяют для холодной прокатки тонких полос (минимальной толщиной 0,22--0,25 мм) шириной 1370--2350 мм и массой до 30--35 т; готовая продукция в виде листов предназначается в основном для автомобильной промышленности.

В современных экономических условиях существенно повысились требования к стабильности технологического процесса, эффективности использования и надежности работы оборудования. Одним из направлений, которое дает возможность удовлетворить этим требованиям для непрерывных станов холодной прокатки (НСХП), является применение автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП). Целью АСУ ТП является стабилизация основных параметров прокатки и перестройка стана на новый сортамент.

Построение АСУ ТП выполняется по иерархическому принципу:

на нижнем (базовом) уровне АСУ ТП находятся системы управления исполнительными механизмами стана; для НСХП это системы управления скоростью вращения рабочих валков клетей, разматывателем и моталкой, системы управления нажимными механизмами, обеспечивающими изменение положения рабочих валков, а также системы управления устройствами, используемыми при регулировании планшетности полосы;

на среднем уровне находятся системы технологической автоматики, такие как комплекс САРТиН, система автоматического регулирования планшетности (САРП) полосы, система управления скоростными режимами стана (СУРС);

на верхнем уровне находятся система автоматизированной настройки (САН) стана на прокатываемый сортамент, экспертная система автоматизированной диагностики (ЭСАД) технологического процесса и оборудования стана.

Для НСХП комплекс САРТиН является основной системой технологической автоматики, и в значительной степени в зависимости от его построения и функциональных возможностей формируются все остальные системы АСУ ТП. Поэтому использование цифровых вычислительных средств при создании комплекса САРТиН позволяет, наряду с решением основной задачи комплекса -- автоматическое регулирование толщины и межклетевых натяжений полосы, обеспечить сбор, хранение на определенный период времени информации и передачу её с использованием сетевого обмена в другие системы АСУ ТП, что является необходимым условием эффективного взаимодействия систем управления станом и дальнейшего их развития.

Расход металла на единицу готовой продукции -- одна из основных технико-экономических характеристик работы любого металлургического предприятия. В прокатных цехах металлургических заводов имеются несколько путей снижения расхода металла, но наиболее важным следует считать прокатку полос в поле суженых и минусовых допусков [1]. Возможность производства металлопроката в поле суженых и минусовых допусков существенно определяется точностью его размеров и формы, а также характером и величиной поверхностных дефектов. Точность геометрических размеров полосы существенно выше при работе стана с системой регулирования толщины и натяжения полосы. Значительная часть качественных показателей, влияющих на физическую массу металлопроката регламентирована государственным стандартом и другой нормативной документацией.

Теоретическая масса листового полката есть масса, исчисленная по геометрическим размерам, предусмотренным стандартами для соответствующих видов проката. Она определяется при двухстороннем (плюсовом и минусовом) допуске -- по номинальным размерам; при одностороннем плюсовом допуске -- по номинальному размеру с прибавлением 50% величины допуска; при одностороннем минусовом -- по номинальному размеру с вычетом 50% величины допуска. При поставках металлопродукции по теоретической массе гарантируется площадь поверхности листового проката, соответствующей его количеству при заказанных толщине и ширине.

Для определения теоретической массы прокатанного металла сначала находят его общую длину, а затем умножают её на теоретическую массу единицы длинны, вычисленную на основе теоретических размеров поперечного сечения полосы, и характера допусков по ГОСТу или ТУ. Исходя из необходимости обеспечения равенства заказанной и поставляемой длинны проката (L), определяют фактическую (G_ф) и теоретическую (G_т) массы партии проката.

G_ф = L g _ф /G_т = L g _т

где g _ф и g _т -- соответственно фактическая и теоретическая массы 1м длинны проката, кг.

G_т = G_ф g _т / g _ф.(1.1)

Однако, в настоящее время, отгрузка проката по теоретической массе практически не ведётся, поэтому выгоднее стало проводить прокатку в поле плюсовых допусков. Это снижает время прокатки одного рулона, и как следствие, снижаются затраты электроэнергии.

1.2 Описание оборудования стана. Сортамент

1.2.1 Механическое и электрическое оборудование стана

Для получения при холодной прокатке тонких полос с гладкой поверхностью и точными размерами толщины (по ширине и длине полосы) валки и рабочая клеть должны характеризоваться значительной жесткостью [2]. С этой целью применяют четырехвалковые станы с опорными валками большого диаметра и станинами закрытого типа. Для возможности «выкатки» тонких полос валки должны иметь минимально возможный диаметр, определяемый прочностью шейки прокатного валка при передаче крутящего момента.

Рабочие и опорные валки изготовляют из кованой легированной стали со шлифованными бочками. Твердость (по Шору) бочки валков: рабочих 95..105 и опорных 50--60. Рабочие клети в непрерывном стане располагают на расстоянии 5м. Рабочие валки каждой клети снабжены приводом от двух электродвигателей постоянного тока мощностью 2x2800 кВт с регулированием скорости в широких пределах.

Рулоны протравленной полосы устанавливают при помощи мостового крана или электрокара (с рычажным захватом) на транспортер и поочередно подают их к разматывателю стана. Валки всех клетей вначале вращаются с заправочной скоростью (0,5-1 м/с). Передний конец полосы па рулоне отгибают скребковым отгибателем, через проводковый стол подают последовательно в валки каждой клети и заправляют на барабан моталки 5. При прокатке тонкой полосы (до 0,5 мм) конец заправляют не в щель барабана, а наматывают на барабан (первые 2--3 витка) при помощи ременного захлестывателя.

С целью автоматического регулирования толщины полосы между клетями установлены ролики для измерения натяжения полосы и толщиномеры 3 (за первой и последней клетями). Между последней клетью и моталкой предусмотрен направляющий ролик. После заправки переднего конца полосы на барабан моталки скорость валков всех клетей увеличивают до максимальной рабочей скорости. Процесс прокатки рулона продолжается 5--10 мин и более в зависимости от массы рулона. Перед окончанием прокатки скорость валков уменьшают; рулон прокатанной полосы сталкивают с барабана моталки и направляют на отжиг или электролитическую очистку.

Для уменьшения усилия прокатки и возможности «выкатки» тонкой полосы в валках относительно большого диаметра в процессе прокатки на полосу подают смазку (масляную эмульсию).

Непрерывный четырехклетевой стан «2500» предназначен для холодной прокатки травленых горячекатаных полос, смотанных в рулоны массой до 30 т [3].

В состав оборудования четырехклетевого стана входят:

приёмный конвейер,

подъёмный рольганг с толкателем,

установка центрирующих и прижимного роликов,

барабанный разматыватель со скребковым отгибателем, с правильно-подающими роликами 2;

четыре рабочие клети с проводковой арматурой, приводами и механизмами перевалки опорных валков;

задаватель,

моталка с прижимным роликом,

захлёстыватель,

сниматель рулонов,

отводящий конвейер,

конвейер-накопитель.

Разматыватель предназначен для правильной установки рулонов относительно продольной оси стана, поворота рулона в положение, обеспечивающее возможность захвата наружного конца полосы, задачи его в подающие ролики и создания натяжения между разматывателем и первой клетью во время прокатки.

Разматыватель состоит из:

консольного барабана с приводом,

цилиндра упора,

цилиндра для зажима рулона на барабане и зажима сегментов барабана,

подающих роликов с отгибателем и прижимным роликом,

гидравлического цилиндра прижимного ролика.

Основные характеристики разматывателя приведены в табл. 1.1.

Рабочие клети стана предназначены для осуществления процесса холодной прокатки полос, т.е. для удержания в определённом положении опорных и рабочих валков, возможности их перемещения в вертикальной плоскости, вращения валков и восприятия усилий, возникающих во время прокатки.

Таблица 1.1. Основные характеристики барабана разматывателя

Характеристика	Величина
Наибольшая скорость разматывателя	7,57 м/с
Создаваемое натяжение полосы	5,5 т
Диаметр барабана в разжатом состоянии	840 мм
Диаметр барабана в сжатом состоянии	730 мм
Число оборотов барабана	58..181 об./мин.
Длинна бочки барабана	2300 мм

Все четыре рабочие клети стана одинаковы по конструкции размерам. Каждая клеть состоит из следующих основных узлов:

двух станин, скреплённых между собой траверсой,

комплекта рабочих и опорных валков с подушками,

нажимного устройства,

механизма уравновешивания,

проводковой арматуры,

главного привода рабочих валков,

механизма для смены опорных валков,

устройства для смены рабочих валков.

Рабочие и опорные валки -- основной инструмент при прокатке. Они размещаются в окнах станины, причем вертикальные оси рабочих валков смещены относительно вертикальных осей опорных валков на 10 мм в направлении прокатки. Основные характеристики валков приведены в табл.1.2.

Таблица 1.2. Характеристика прокатных валков

Тип валка	Размеры бочки, мм	Марка стали	Твёрдость по Шору
	диаметры	Длинна
Рабочий	470..500	2500	9Х2МФ, 9Х2	85..105
Опорный	1410..1500	2400	Бандаж-9ХФ Ось-45ХИМ	45..89

Подшипники рабочих валков -- четырёхрядные, тип ЦКБ 1817.

Подшипники опорных валков -- жидкостного трения с диаметром втулки 1120 мм, шириной 840 с упорным узлом качения.

Подушки рабочего валка со стороны привода находятся свободно в гнёздах подушек опорных валков, а со стороны перевалки закреплены стропами, удерживающими валки от осевого смещения.

Подушки нижнего опорного валка неподвижны и опираются на специальные обоймы, помещенные в выемках на нижних плоскостях станины и подушках. Подушки верхнего опорного валка перемещаются под действием нажимных винтов и системы гидроуравновешивания. Осевые смещения валков устраняются закреплением подушек опорных валков со стороны перевалки стопорными планками. Наибольшее давление металла на валки -- 3500 т.

Нажимное устройство -- предназначено для изменения зазора между валками путём перемещения верхних валков и состоит из двух нажимных винтов с гайками, глобоидальных редукторов и двух электродвигателей. Основные характеристики нажимных винтов приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3. Основные характеристики нажимных винтов

Характеристика	Величина
Наружный диаметр нажимного винта	560 мм
Шаг резьбы нажимного винта	12 мм
Максимальный ход нажимного винта, ограниченный командоаппаратом	0,33..0,66 мм/с
Электродвигатель: Тип мощность число оборотов	П-133-8КС 330 кВт 1000..1300 об/мин.
Общее передаточное число от электродвигателей к нажимному винту	1:605

Главный привод рабочих валков предназначен для передачи крутящего момента от двигателя к рабочим валкам. Каждый валок приводится во вращение от индивидуального двигателя через редуктор и шпиндельное устройство, табл. 1.4.

Моталка предназначена для создания натяжения между четвёртой клетью и барабаном моталки и сматывания полосы в рулон. Моталка состоит из барабана с приводом, откидной опоры, прижимного ролика для зажима конца полосы.

Скорость наматывания до 21 м /с

Натяжение полосы до 16 т

Диаметр барабана моталки800 мм

Таблица 1.4. Характеристики основных двигателей

Место установки	Тип электродвигателя	Мощность в кВт	Скорость вращения, об/мин	Количество, шт.	Передаточное число редуктора
Рабочая клеть №1	2П2х2800	2х2800	300..500	2	1,163
Рабочая клеть №2	То же	То же	То же	2	1,0
Рабочая клеть №3	--	--	--	2	0,74
Рабочая клеть №4	--	--	--	2	0,621

1.2.2 Характеристика прокатываемого металла

Подкатом для стана холодной прокатки служит травленная горячекатаная полоса с подрезной кромкой, с промасленной поверхностью, смотанная в рулон. Толщина подката 1,5..5 мм, ширина 1250..2350 мм. Внутренний диаметр рулона 730..830 мм, наружный до 1950 мм. Максимальная масса рулона 30т. Подкат должен соответствовать требованиям СТП-101-85 на горячекатаную полосу в рулонах для стана 2500 холодной прокатки.

На стане прокатывается полоса из следующих марок стали: 08ю, 08кп, 08пс по ГОСТ 9045-80, 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 15кп, 15пс, 15, 20кп, 20пс, 20, 25 с химическим составом по ГОСТ 1050-74, Ст0, Ст1, Ст2, Ст3 (кипящий, полуспокойный и спокойный металл) с химическим составом по ГОСТ 380-71 и аналогичных марок сталей по техническим условиям и государственным стандартам.

Толщина подката в зависимости от требуемой толщины и ширины холоднокатаной полосы и марки стали приведена в табл. 1.5.

Таблица 1.5. Сортамент проката

Ширина подката, мм	Марки сталей	Толщина подката, мм	Толщина холоднокатаных полос, мм
1250..1600	08ю, 08Фкп, 08кп..20кп, 0..3кп, 08..20пс, 0..3пс	2,0 2,2 2,5 2,8 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0	0,6 0,7..0,75 0,8..0,95 1,0..1,2 1,4..1,5 1,6..1,8 1,8..2,1 2,2..2,3 2,4..2,5
1601..2350	08ю 08Фкп, 08..20кп, 0..3кп 08..20пс, 0..3пс	2,0 2,2 2,5	0,6..0,7 0,8 0,9..1,1
1250..2350	10..25,0..3	2,8 3,0 3,5 4,0 4,5	1,2..1,3 1,4..1,6 1,7..1,8 1,9..2,1 2,2..2,5

Толщина холоднокатаной полосы варьируется в пределах 0,6..2,5 мм, ширина 1250..2350 мм, внутренний диаметр холоднокатаного рулона -- 800 мм, наружный диаметр до 1950 мм. Масса холоднокатаного рулона -- 30т.

По размерам, допускаемым отклонениям по толщине, ширине, плоскостности, телескопичности холоднокатаные рулоны должны соответствовать требованиям: ГОСТ 9045-80, ГОСТ 16523-70, ГОСТ503-71, ГОСТ 19904-74, ГОСТ 19851-74 и др. государственных стандартов и технических условий.

1.3 Датчики и измерительные системы

1.3.1 Система измерения толщины М2614

Измерительное устройство М2614 предназначено для определения толщины или массы единицы площади для листовых материалов. Основное исполнение системы измерения толщины состоит из блока обработки, блока связи с процессором и зонда.

Принцип измерения основан на ослаблении -излучения, исходящего от радиоактивного источника полосой, рис.1.2. Это ослабление зависит от массы единицы площади (S) измеряемого материала.

S = h , (1.2)

где h - толщина полосы;

- её плотность.

Детектором излучения является ионизационная камера. При подаче напряжения на ионизационную камеру возникает ток через рабочее сопротивление с температурной стабилизацией, величина которого зависит от интенсивности падающего излучения.

Основное исполнение системы измерения толщины состоит из блока обработки, блока связи с процессором и зонда. Расстояние между блоком обработки и блоком связи с процессором может составлять до 200 м.

С помощью выдвигающего устройства измерительная головка и излучатель (оба смонтированы на скобе) могут двигаться в поперечном положении относительно полосы или совсем выводиться с места измерения.

Из соотношения (1.2) следует, что для калибровки любого прибора измерения массы единицы площади в единицах толщины необходимо предполагать наличие постоянной плотности металла. Получаемый детектором излучения электрический сигнал, однако, не является линейным, но в зависимости от вида излучения более или менее подчиняется экспоненциальной зависимости, т. е. для сигнала измерительной головки с измеряемым материалом приближенно можно считать:

где -- коэффициент ослабления излучения.

Калибровка прибора осуществляется однократно при помощи нескольких, распределённых по диапазону измерения проб измеряемого материала (калибровочный поглотитель). Далее по точкам определяется нелинейное соотношение толщины измеряемого материала и сигнала детектора. Калибровочная функция описывает связь между выходным напряжением измерительной головки и толщиной. Калибровочная функция зависит от измеряемого материала, излучателя измерительной головки и ширины измерительного зазора.

В работе [4] показано, что для большинства марок сталей калибровочная функция изменяется незначительно. Переходить на другую калибровочную функцию необходимо в том случае, когда в химический состав стали входят элементы с атомной массой, значительно отличающейся от атомной массы железа ( например ванадий).

Полное соответствие с калибровочной характеристикой, определённых с помощью образцовых фольг достигается в том случае, если измеряемый материал направлен по середине измерительного зазора. Чтобы достигнуть спокойного и свободного от колебаний прохождения полосы в измерительном зазоре, необходимо предусмотреть направляющие и противоколебательные валки рядом с измерительным зазором.

С помощью настройки компенсируется естественное уменьшение интенсивности излучения, обусловленного факторами дрейфа, а также влияние на измеряемое значение загрязнения измерительного зазора.

Для уменьшения колебаний измеряемых значений, возникающих в результате статистического характера распада ядра, система содержит два цифровых фильтра, действующих в режиме измерения. После первого фильтра сигналы отправляются на регулятор (линейный выход) и контроль превышения допусков. Сигналы устройства цифровой индикации проходят через второй фильтр. Фильтры можно установить на временные характеристики, которыми обладает инерционное звено первого порядка или на адаптивные алгоритмы, т.е. каждое значимое изменение влияет на параметр алгоритма.

В объём поставки зондов входят следующие элементы:

Измерительная головка с комплектующими деталями (например кабели, набор инструментов);

Излучающая головка с комплектующими деталями ( кабели, набор инструментов);

Источник излучения;

Контрольный поглощатель.

Основные технические данные:

Электропитание: измерительная головка

постоянное рабочее напряжение -- 20..28 В;

потребление тока -- макс 120 мА;

до 10 мин. -- 300 мА;

излучающая головка

постоянное рабочее напряжение -- 20..28 В.

Основная погрешность измерения < 0,5 %;

Охлаждение:

Род воды -- эксплуатационная вода или фильтрованная промышленная вода.

Давление -- мин 98,1 кПа;

Расход 50..83

Сдувание: давление воздуха 294..490 кПа, расход .

1.3.2 Система измерения натяжения полосы на стане 2500 ММК

Для измерения натяжения полосы в каждом межклетевом промежутке на стане 2500 холодной прокатки установлен однороликовый измеритель натяжения, в котором используется магнитоанизотропный датчик давления ДМ-5806 конструкции ВНИИАЧермета.

Тензометрический роликовый измеритель установлен с определённым превышением над уровнем прокатки, благодоря чему он испытывает вертикальное усилие, пропорциональное величине измеряемого натяжения. Это усилие воспринимается двумя датчиками, встроенными в опоры тензоролика. Зависимость, связывающая это усилие с натяжением полосы имеет вид:

,

где L = 5000 мм -- расстояние между осями стана

l₁=2400 мм -- расстояние от оси предыдущей клети до оси тензоролика;

Q -- суммарное вертикальное усилие на тензоролик (т.с);

Т -- натяжение полосы;

-- превышение ролика над уровнем прокатки.

В настоящее время установлены следующие превышения роликов:

в первом межклетевом промежутке -- 60 мм;

во втором межклетевом промежутке -- 60 мм;

в третьем межклетевом промежутке -- 70 мм.

Принцип действия датчика основан на изменении магнитной анизотропии феромагнитного материала его преобразователя под действием механических усилий. Преобразователь выполнен из железо- хром- алюминиевого сплава, имеет две перпендикулярные обмотки: первичную обмотку возбуждения и двухсекционную со средним выводом, вторичную измерительную обмотку. При приложении усилия во вторичной обмотке возникает ЭДС, пропорциональная приложенному усилию.

Цилиндрический стальной корпус меньше высоты преобразователя, что предохраняет при эксплуатации от механических повреждений и перегрузок. С торцов корпус закрыт стальными мембранами. Полость внутри датчика залита компарундом, обеспечивающим герметичность обмоток датчика.

Основные технические характеристики датчика ДМ-5806 [5]

Диапазон изменения усилия, кН -- 1,0..50,0;

Допустамая погрешность, % -- 1,0;

Нелинейность выходной характеристики, % -- 1,5;

Перегрузочная способность, % -- 150;

Постоянная времени, с -- 0,02.

Сигналы с датчиков после обработки (усиления, вапрямления, фильтрации) суммируются и поступают на показывающий прибор и в регулятор натяжения полосы. Использование двух датчиков в каждом межклетевом промежутке исключает погрешность при перемещении полосы вдоль валков, а также повышает надёжность схемы измерения натяжения. Для исключения нелинейности в начальной части характеристики производится предварительное поджатие датчиков.

Питание первичных датчиков осуществляется переменным напряжением 7,2 В частоты 50Гц, снимаемые с понижающих трансформаторов Тл, Тп. Это напряжение создаёт ток возбуждения в первичной обмотке 2..2,2 А (сопротивления первичной обмотки различных датчиков колеблются в диапазоне 15%). При меньшем токе возбуждения увеличивается нелинейность характеристики датчика. ЭДС, наводимая во вторичной обмотке датчика поступает на вход двухполупериодного выпрямителя, собранного на ОУ. Выходной сигнал левого и правого каналов измерения натяжения в межклетевых промежутках через делитель поступают на сумматор. Напряжение с выхода сумматора подаётся на показывающий прибор и используется в САРТи Н.

1.3.3 Датчик импульсов ДИФ7М. Измерение скорости вращения привода клети

Датчик импульсов фотоэлектрический предназначен для преобразования угловой скорости вращения вала в частоту следования импульсов, пропорциональную этой скорости. В рассматриваемом обьекте датчик импульсов установлен на каждом двигателе главного привода клети [6].

Основные характеристики:

Количество каналов -- 2;

Выходной сигнал -- две последовательности однополярных положительных прямоугольных импульсов с уровнем, В:

« логического 0» -- не более 0,6,

«логической 1» -- 9,6..14,4;

Количество импульсов на один оборот вала --1440;

Сдвиг фаз между последовательностями импульсов первого и второго каналов во всём диапазоне рабочих температур, градусов -- 9030

Скважность импульсов в обоих каналах во всём диапазоне рабочих температур -- 20,3;

Сопротивление нагрузки -- 330..2000 Ом;

Собственная угловая погрешность угловых минут, не более -- 6,7;

Питание датчика от двух источников постоянного тока 24В.

По принципу действия Датчик ДИФ7М представляет собой фотоэлектронное устройство, у которого световой поток излучателя, модулируясь механическим модулятором, преобразуется в электрические импульсы, количество которых пропорционально угловому перемещению вала датчика.

Датчик ДИФ7М смонтирован в лоток из алюминиевого сплава в корпусе, который закрывается литой крышкой, закреплённой четырьмя болтами.

Модулятор датчика состоит из вращающегося модуляционного диска и неподвижной маски. Модуляциооный диск выполнен из органического стекла, крепится прижимным кольцом к фланцу, напрессованному на вал датчика. По окружности модуляционного диска нанесены радиальные непрозрачные штрихи

Маска модулятора укреплена на поворотной рамке, которая установлена на оси кронштейна регулирующегося регулировочным винтом и фиксируется двумя винтами. Все фотоизлучатели и фотоприемники датчика установлены в цилиндрических каналах П-образного текстолитового держателя. В прямоугольный паз держателя входит край диска-модулятора и неподвижная маска, расположенные параллельно друг другу. При работе датчика диск модулятор вращается относительно неподвижной маски в зазоре между двумя светодиодами и фотодиодами. Усилитель датчика выполнен в виде каркаса с лицевой панелью, на которой закреплён держатель свето- и фоторезисторов.

1.3.4 Датчик положения нажимных винтов ВК-3. Измерение положения нажимных винтов

В качестве преобразователя положения вала двигателя привода нажимных винтов применён фазовый метод преобразования вращающегося трансформатора в цифровой код. Принцип действия преобразователя заключён в измерении временного интервала, соответствующего разнице фаз опорного напряжения и выходного напряжения фазовращателя, заполненного импульсами стабильной частоты.

Данный первичный преобразователь используется в системе электрической синхронизации нажимных винтов СНВ-3. Сигнал о положении нажимных винтов передаётся из данной системы в САРТиН.

В качестве первичных датчиков угла поворота механизма используются датчики ВК-3 на синусоидальных косинусоидальных вращающихся трансформаторах типа ВТ-5. Для повышения точности в датчике применена система грубого и точного отсчётов с механическим редуктором между вращающимися трансформаторами. Вращающиеся трансформаторы (ВТ) представляют собой индукционные электрические машины, у которых выходное напряжение является функцией входного напряжения и угла поворота. В преобразователе вращающиеся трансформаторы используются в режиме фазовращателя с двухфазным питанием. В этом случае на первичные (статорные) обмотки подается два синусоидальных напряжения, одинаковые по амплитуде и свинутые по фазе на 90 .

Напряжения синусной и косинусной роторных обмоток имеют вид:

где -- напряжение питания статорных обмоток;

-- частота напряжения питания;

-- угол поворота ротора.

При равенстве амплитуд получим:

В идеальном случае на выходе фазовращателя наводится напряжение постоянной амплитуды, фаза которого линейно связана с углом поворота.

Погрешность реального фазовращателя определяется асимметриями питающих напряжений по фазе и по амплитуде, а также асимметрией самого вращающегося трансформатора. Степень влияния асимметрий напряжения питания в двухфазных вращающихся трансформаторах можно значительно уменьшить, применив двойное симметрирование. Под двойным симметрированием имеется в виду такая схема включения ВТ, работающего в режиме фазовращателя, когда на две первичные обмотки подаётся двухфазное напряжение а ко вторичной обмотке подключён R-C контур. R-C контур настраивается таким образом, что квадратурные напряжения синусной и косинусной обмоток сдвигаются на угол /4 в противоположные стороны и выходное напряжение имеет вид:

При анализе влияния неравенства амплитуд и отклонений от 90 угла сдвига фаз напряжений питания датчика для фазовращателя с двойным суммированием получено, что амплитуда выходного напряжения зависит от отклонений по фазе и по амплитуде, но фаза выходного напряжения U_вых. зависит только от угла поворота , т. е. основная техническая характеристика фазовращателя-- линейность изменения: фаза выходного напряжения как функция угла поворота ротора СКТВ -- не нарушается. Ошибка такого фазовращателя имеет составляющую, зависящую от угла поворота только второго порядка малости.

В фазовращателях с двойным симметрированием, несмотря на малое изменение линейности от нестабильности амплитуды и сдвига фаз питающих напряжений, возможно возникновение систематической ошибки, когда вся характеристика преобразователя смещается параллельно самой себе. Для устранения этой ошибки опорное напряжение U_оп берётся также с R-C контура, подключенного непосредственно на напряжение питания.

Преобразование угла поворота в цифровой код осуществляется по принципу: угол -- фаза -- временной интервал -- код. Преобразование временных интервалов в код основано на принципе подсчёта импульсов высокой частоты в интервале времени от момента перехода через ноль синусоиды опорного напряжения до момента перехода через ноль синусоиды выходного напряжения датчика от отрицательной к положительной полуволне. Число импульсов N, соответствующего одному измерению, представляет собой одно дискретное значение фазы:

,

где -- цена одного импульса в мин. угл.

Значение определяющее дискретность преобразования, равно:

мин. угл.

вычислено для двухотсчётного шестнадцатиразрядного преобразователя.

Питание статорных обмоток датчика осуществляется от усилителя мощности УМ012 с частотой f=500 Гц. Опорное и выходное напряжение поступает на компараторы через фазосдвигающие цепочки R-C и развязки гальванические. Компараторы формируют короткие импульсы в моменты перехода входной синусоиды через ноль от отрицательной к положительной полуволне. Далее сигнал опорного компаратора попарно поступает на соответствующие входы триггеров на выходе которых формируются временные интервалы, пропорциональные фазовому сдвигу. Сигнал с выходов триггеров поступает на разрешающие входы счётчиков 1-го и 2-го каналов на счётные входы (Т) которых поступают импульсы генератора тактовых импульсов 2мГц. В качестве сигналов используется программируемый таймер КР580ВИ53.

Для вычисления аналогового сигнала положения сначала вычисляется цифровой десятичный код положения НВ. Вычисленные коды передаются по шине данных на входы параллельных интерфейсов и далее на входы цифро-аналоговых преобразователей.

1.4 Структура САРТиН

Структурная схема системы автоматического регулирования толщины (САРТ), черт. ДЭ 2102 021 0 98 00 00 ВО 01, в основном совпадает с традиционной, используемой в действующих комплексах САРТиН. Данная структура получена на основе линейной математической модели НСХП [7]. Управляющие воздействия регуляторов толщины, кроме направленных на НМ первой клети, осуществляют согласованное изменение скорости вращения рабочих валков и положения НМ соответствующих клетей. Такое управление имеет место в каналах регулирования толщины как по отклонению, так и по возмущению.

Коэффициенты усиления в каналах регулирования толщины с воздействием на скорость валков известны в зависимости от условий прокатки априорно с высокой точностью (равны единице при управлении в относительных величинах) [8]. Это является прямым следствием закона постоянства секундного объема металла, проходящего через клети стана. В каналах с воздействием на положение НМ коэффициенты усиления зависят от технологических коэффициентов, которые могут существенно меняться для различных условий прокатки и с нужной точностью априорно не известны, поэтому практическая реализация полученных структур требует использования в каналах управления устройств адаптации.

Коррекция коэффициентов усиления в каналах управления скоростью вращения рабочих валков с целью сохранения неизменным общего коэффициента передачи объекта обеспечивается простым видом адаптивных систем -- пассивными самонастраивающимися системами.

Коэффициент усиления в этих каналах регуляторов толщины изменяется прямо пропорционально скорости прокатки и обратно пропорционально толщине полосы. Для чего ранее в аналоговых системах традиционно на входе ставился делитель, где отклонение толщины делилось на задание толщины полосы, а на выходе канала регулятора ставился умножитель, на котором управляющее воздействие на скорость валков умножалось на скорость соответствующей клети.

Для адаптации коэффициентов усиления в каналах регулирования толщины с воздействием на перемещение НМ необходимо использовать активные самонастраивающиеся системы, которые выполняют контролируемые изменения коэффициентов усиления каналов управления в зависимости от текущей, а не только априорной информации. Автономное и инвариантное управление станом при работе каналов регулирования толщины должно сохранять неизменными межклетевые натяжения полосы. Исходя из этого, можно синтезировать адаптивные устройства в каналах регулирования, формирующие коэффициент усиления при управлении НМ, необходимый для обеспечения условия автономности и инвариантности. Если управляющие воздействия в каналах регулирования толщины на изменение скорости вращения рабочих валков и положение НМ согласовать по величине и по темпу, то изменение межклетевого натяжения остается минимальным. Для САРТ в каналах управления положением НМ 2-4 клетей используются адаптивные устройства. Эти устройства состоят из двух умножителей и пропорционально-интегрального звена. Сигнал на выходе этого звена зависит от управляющего воздействия и отклонения натяжения и определяет коэффициент усиления в канале управления НМ.

Для формирования коэффициента усиления в каналах регулирования толщины с воздействием на НМ первой клети применить подход, рассмотренный выше невозможно. Натяжение полосы перед клетью имеет небольшую величину, поэтому в каналах управления на НМ первой клети используется традиционный регулятор толщины по отклонению, который работает по сигналу измерителя толщины за первой клетью стана.

Эффективность первой клети может быть существенно повышена путем установки перед этой клетью дополнительного измерителя толщины, который через канал по возмущению обеспечивает перемещение нажимных механизмов данной клети и отработку разнотолщинности подката. Использование двух измерителей толщины дает возможность автоматически установить требуемые коэффициенты усиления в каналах управления нажимным механизмом первой клети первой клети.

Отработка разнотолщинности с помощью САРТ, осуществляется каналами по отклонению и по возмущению. От измерителя толщины за первой клетью управление направлено на перемещение нажимных механизмов первой клети через канал по отклонению и на согласованное изменение скорости вращения рабочих валков первой клети и перемещение нажимных механизмов второй клети через канал по возмущению.

Каналом по отклонению измеренная разнотолщинность отрабатывается в валках первой клети, при этом функция регулятора W_Н11. должна быть выбрана такой, чтобы обеспечить устойчивость процесса регулирования с учетом транспортного запаздывания полосы от валков первой клети до измерителя толщины за первой клетью. В каналах регулирования толщины по отклонению комплекса САРТиН используются алгоритмы управления с компенсацией влияния транспортного запаздывания на устойчивость процесса прокатки (формируется искусственная обратная связь на время перемещения полосы от валков клети до измерителя толщины). Каналом по возмущению разнотолщинность измеренная ИТ1 отрабатывается в валках второй клети. При этом в канале реализуется алгоритм задержки сигнала управления на время перемещения полосы от ИТ1 до валков второй клети и адаптации коэффициента усиления в канале управления нажимным механизмом второй клети.

Если в канале по возмущению скорость отработки разнотолщинности определяется быстродействием привода рабочих валков и нажимных механизмов, то в канале по отклонению скорость отработки разнотолщинности существенно зависит от транспортного запаздывания полосы и меньше, чем в канале по возмущению. Однако настройка стана на заданный режим обжатий осуществляется только каналами по отклонению.

От измерителя толщины за второй клетью отработка разнотолщинности каналом по отклонению осуществляется в валках второй клети путем изменения скорости вращения рабочих валков первой клети и согласованного перемещения нажимных механизмов второй клети. При этом в алгоритм канала заложена компенсация влияния транспортного запаздывания и адаптация коэффициента усиления в канале управления нажимными механизмами второй клети, кроме этого в алгоритме данного канала и в каналах последующих регуляторов для выработки управляющего воздействия на скорость валков используется интегральный закон.

Для канала регулирования толщины, работающего от измерителей толщины за четвёртой клетью, используются те же алгоритмы управления. Отличие состоит в том, что в реальной системе от измерителя толщины ИТ3 в канале по отклонению управляющие воздействия направлены на изменение скорости рабочих валков третьей и четвёртой клети, а в канале по возмущению на изменение скорости рабочих валков четвёртой клети. Это сокрощает количество входов на первые клети без существенного влияния на качество регулирования.

Структурная схема системы автоматического регулирования натяжения (САРН) показана на рис. 1.5 и черт. ДЭ 2102 021 0 98 ВО 02. Регулирование каждого межклетевого натяжения полосы выполняется каналом, воздействующим на перемещение НМ клети последующей к межклетевому промежутку. В канале предусмотрена зона нечувствительности около 5%, которая позволяет использовать свойство самовыравнивания стана.

После зоны нечувствительности сигнал управления поступает на интегральное звено W_S, с помощью которого осуществляется фильтрация высокочастотного переменного сигнала изменения натяжения, и затем суммируется с сигналами управления сформированными каналами регулирования толщины, на рис. 1.5 не показаны.

Перевод отработки возмущений, действующих на стане, во входную зону выполняется каналом регулирования, воздействующим на изменение скорости вращения рабочих валков предыдущей к межклетевому промежутку клети.

В канале нет зоны нечувствительности, управление осуществляется по интегральному закону W_N1.

При значительных изменениях межклетевого натяжения, которые имеют место в основном при заправке и выпуске концов рулона, вступает в работу канал с зоной нечувствительности около 20% с пропорционально-интегральным законом управления W_N2, действующий на скорости вращения рабочих валков предыдущих клетей для первого и второго межклетевых промежутков и последующую клеть для третьего.

В дальнейшем для данного канала будет использоваться название -- "канал отсечки", а для предыдущего канала - "канал без зоны".

1.5 Техническая реализация САРТиН с помощью микропроцессорных устройств

Микропроцессорный комплекс САРТиН является третьим поколением систем, которые реализованы на четырёх клетевом стане 2500 холодной прокатки. Первый комплекс САРТиН был введен в эксплуатацию непосредственно после пуска стана и проработал до 1981 г., затем заменен на более совершенный, как по своим структурным решениям, так и в аппаратном исполнении с применением выпускавшейся электронной промышленностью элементной базы "Спектр АДС". К настоящему времени данный вариант комплекса САРТиН устарел морально и физически, что и потребовало его замены.

1.5.1 Структура взаимосвязей комплекса САРТиН с оборудованием стана

Комплекс САРТиН предназначен для автоматического поддержания заданной толщины полосы на выходе стана и обеспечения стабильности технологического процесса за счет прокатки полосы с заданным уровнем межклетевых натяжений. Для этого в комплекс имеются системы автоматического регулирования толщины во входной и выходной зонах стана, и системы автоматического регулирования натяжения полосы в каждом межклетьевом промежутке [9].

Технологическая отладка микропроцессорного комплекса САРТиН на непрерывном стане «2500» холодной прокатки была проведена в следующем составе: две системы автоматического регулирования толщины полосы и три системы автоматического регулирования межклетевых натяжений.

Первая система регулирования толщины работает во входной зоне стана от измерителя толщины полосы за первой клетью, вторая система регулирования толщины работает на выходе стана от измерителя толщины полосы за четвёртой клетью, черт. ДЭ 2102 021 0 98 00 00 С3. Кроме этого, в составе поставленного оборудования комплекса САРТиН предусмотрена возможность реализации систем регулирования толщины полосы перед первой клетью, за второй и третей клетями стана при условии установки измерителей толщины.

Системы регулирования межклетевых натяжений полосы работают от измерителей натяжения, которые установлены в каждом межклетевом промежутке стана.

Системы регулирования комплекса САРТиН реализованы на четырех микропроцессорных устройствах (МПУ), которые имеют одинаковое аппаратное и программное обеспечение.

Комплекс САРТиН формирует управляющие воздействия на изменение скорости вращения рабочих валков и положение нажимных механизмов (НМ) всех клетей стана. Максимальное изменение скорости от каналов автоматического регулирования толщины и натяжения полосы находится в пределах 10 её текущего значения, перемещение НМ клетей находится в пределах 1,0 мм и уменьшается для клетей, которые ближе к выходу стана, а также для сортамента менее 1мм по толщине, НМ первой и второй клетей могут перемещаться вниз до 2 мм от системы обжима концов рулона.

Нажимными механизмами на стане являются электромеханические винты, в комплексе предусмотрены выходы, которые могут быть использованы для управления короткоходовыми гидравлическими нажимными устройствами, последние существенно эффективнее электромеханических винтов при автоматическом управлении.

Для суммирования сигналов управления на скорость вращения рабочих валков клетей от систем регулирования (или в дальнейшем для краткости регуляторов) комплекса САРТиН и для коррекции этих сигналов в зависимости от величины скорости валков в составе комплекса используется система выхода регуляторов (СВР), позиция 3г.

Ниже даны структурные схемы регуляторов комплекса САРТиН, из которых видно как распределены регуляторы по МПУ, а также взаимосвязи МПУ с оборудованием стана.

Система автоматического регулирования толщины полосы за первой клетью стана, которая обозначается РТ1, реализована в МПУ1,позиция 3в. Кроме этого здесь предусмотрены входы для реализации системы регулирования толщины в валках первой клети по сигналу измерителя толщины полосы перед первой клетью стана, обозначение этой системы РТ0. Однако следует сразу отметить, что эффективность этой системы существенно зависит от быстродействия НМ1, поэтому без гидравлических нажимных устройств её использование не имеет смысла.

По сигналу измерителя толщины, позиция 3а, который установлен за первой клетью стана, в системе измерения толщины, позиция 3б, формируется сигнал отклонения толщины полосы «H₁» от её заданного значения «H₁₀». Сигналы «H₁» и «H₁₀» подаются на входы МПУ1 /РТ1/, где в РТ1 по отклонению толщины «H₁», толщине полосы «H₁₀» и скорости прокатки «V₁» производится расчет двух управляющих воздействий:

1) первое управляющее воздействие направлено на изменение положения НМ первой клети (канал по отклонению), отклонение толщины отрабатывается в валках первой клети, выходной сигнал этого канала обозначен: «ток упр. НМ1»;

2) второе управляющее воздействие направлено на изменение скорости вращения рабочих валков первой клети (канал по возмущению), отклонение толщины отрабатывается в валках второй клети, выходной сигнал канала -- изменение скорости клети V₁.

Если сигнал «H₁» показывает, что толщина полосы больше (меньше) задания «H₁₀», то управляющий сигнал канала по отклонению направлен на перемещение НМ1 вниз (вверх), управляющий сигнал канала по возмущению «V₁» направлен на замедление (разгон) рабочих валков первой клети.

Ниже изложены основные особенности формирования управляющих сигналов в каналах по отклонению и по возмущению.

Так как измеритель толщины установлен на некотором расстоянии от первой клети, то результат управляющего воздействия на НМ1 от регулятора будет измерен толщиномером через время, которое зависит от скорости прокатки, т.е. с некоторым запаздыванием, что может привести к неустойчивой работе регулятора для различных условий прокатки. Поэтому алгоритм управления в канале по отклонению выполнен так, чтобы обеспечить компенсацию влияния транспортного запаздывания на устойчивость процесса управления. Кроме этого в данном канале имеется зона нечувствительности, которая зависит от задания толщины, и фильтр высокочастотной составляющей «H₁», что дает возможность сократить количество включений НМ1 при небольших отклонениях толщины от задания.

Канал по возмущению обеспечивает сопровождение измеренного отклонения толщины полосы от измерителя толщины за первой клетью до валков второй клети, после чего выдается управляющий сигнал на изменение скорости вращения рабочих валков первой клети, таким образом, отклонение толщины отрабатывается в валках второй клети. Управляющее воздействие формируется в соответствии с законом постоянства секундного объема металла, находящегося в стане, для этого высчитывается величина относительного отклонения толщины «H₁», которая запоминается в оперативной памяти канала на время перемещения полосы от измерителя ИТ1 до валков второй клети, и равна относительному изменению скорости вращения рабочих валков первой клети «V₁». Далее в СВР этот сигнал преобразуется в абсолютное изменение скорости валков «V₁».