冷轧机五辊张紧装置被动辊测速功能开发.pdf

第 2 期文章编号院 1006-4079 渊2023冤 02-0058-04内蒙古孟营子银多金属矿成矿条件及找矿前景分析我国环境影响评价的研究进展及存在问题2023 年 6 月四川有色金属Sichuan Nonferrous Metals作者简介院 王进良 渊1974-冤袁 男袁 硕士遥 主要从事轻金属冶金及加工技术管理方面的工作遥公司铝板带加工冷轧机五辊张紧装置位于冷轧机入口（图1），其主要功能是在轧制生产过程中将带材导入机架内，并在轧制甩尾过程中提供后张力。五辊张紧装置15#辊没有驱动装置，在轧制生产过程中依靠辊子与带材之间的摩擦力进行旋转，因此常被称为被动辊。若被动辊辊子轴承润滑不畅或损坏，会致使带材和辊子之间产生较大的速度差，当速度差过大时，容易引起铝带材表面擦划伤，从而影响产成品的表面质量，严重者会导致轧机断带起火，造成设备安全运行事故。因此，实时监测被动辊的运行状态就显得非常重要。1 应用现状行业内冷轧机主要设计制造商有中色科技、西马克等，其五辊张紧装置结构方案都不提供被动辊测速功能，投运后若再加装编码器没有足够的安装空间，且成本较高。因此，设计一种便于安装、成本低的测速装置非常必要。对于研发冷轧机五辊张紧装置被动辊测速装置，现在主要有以下几种代表性研究思路：1.1 接近开关邓重一研究的接近开关应用原理咱1暂，主要优点冷轧机五辊张紧装置被动辊测速功能开发王进良，陈昌亮，李宝锋渊 河南中孚实业股份有限公司袁 河南郑州451200冤摘 要：本文研究了铝板带冷轧机五辊张紧装置被动辊没有设计安装编码器情况，在旋转不畅时可能引起带材擦划伤，甚至造成断带起火，提出实时监测被动辊运行状态的重要性。通过研究突破高速计数器模块技术壁垒，采用接近开关和一阶低通滤波器数字模型和差分求导方法，可实现被动辊的准确测速，从而实现产品表面质量及设备安全运行稳定。关键词：冷轧机；五辊张紧；接近开关；一阶低通滤波；差分求导中图分类号：TG335.56文献标志码：ADevelopment of Passive Roll Speed Measuring Munction of Five Roll Tension Device of Cold RollingMillWANG Jinliang,CHEN Changliang,LI Baofeng(Zhongfu Industrial Co.,Ltd.,Zhengzhou 451200 China冤Abstract:This paper studies the passive rolls of the five-roller tension device of the aluminum strip cold rollingmill is not designed installation encoders,which may cause strip scratch or strip broken to fire when the rotation isnot smooth.The importance of real-time monitoring of the operation state of the passive rolls is proposed.Throughthe research and breakthrough of the technical barrier of the high-speed counter module,adopts the proximityswitches and the digital model of the first-order low-pass filter and the differential derivation method,theaccurate speed measurement of the passive rolls can be realized,so as to realize the surface quality of the productsand the safe and stable operation of the equipment.Key words:cold rolling mill;five roller tensioning;proximity switch;first order low pass filter;differentialderivation窑58窑第 2 期冷轧机五辊张紧装置被动辊测速功能开发是其尺寸小、成本低、安装简单等，被广泛应用于工业控制系统中，缺点是测量精度相对较低。1.2接近开关测速仪杨超武、包勇超等研究的接近开关测速仪咱2暂设计原理是将机械结构和电气控制系统相结合，开发基于接近开关的测速仪。具体为设计一个具有n个缺口的套圈跟随减速机输出轴旋转，控制系统记录单位时间内的脉冲数，从而计算出减速机输出端的转速。缺点是受制于PLC控制器的扫描周期，在测量对象转速较高时，部分脉冲信号可能丢失，从而影响装置的测量精度。1.3 感应测速齿盘王子豪、王晓罡等人员研究的接近开关感应测速齿盘咱3暂，其原理是将信号接入三菱PLC高速计数器模块，从而实现水轮发电机转速的冗余测量。缺点是该方法需要用到高速计数器端口，普通的I/O模块具有一定的局限性。1.4 三相传感测速刘殷等基于接近开关的马达旋转角度及速度测量的研究咱4暂，其原理是将3个接近开关分别作为A、B、Z相传感器接入高速计数器模块，A、B相用于检测旋转方向，Z相用于计数，用低价的接近开关较好地实现了旋转设备的双向测速。2 研究目的综合分析现有五辊张紧装置结构的研究方向，结合实际生产现状，本着节约经济、安装方便、趋利除弊的开发思路，在不增加测速齿盘和高速计数器模块等装置的情况下，通过设计一种简便易行的改造措施，有效解决行业内普遍存在的五辊张紧装置被动辊无法测速的问题，有效减少因五辊装置问题引发的异常停机和经济损失，以较低投入成本实现较大的经济效益。3 理论基础采用接近开关原理，利用PLC程序的计数器指令，通过求导、数字化低通滤波降噪等方式，编程使功能模块自动运行得到不同时刻的棍子线速度，设置扫描周期和滤波时间，采用固定装置的进出瞬时速度求均值得出棍子精准转速，通过模块预制报警等功能，即可达到五辊张紧装置各个被动辊瞬时速度远程显示，帮助生产操作人员及时了解被动辊运行状态，及时发现辊子异常状况。4 设计模型以直径为240mm的五辊张紧装置被动辊为对象，设计一个半圆形机械挡块，安装在被动辊辊子端面上，作为准确测定起始转速的测定对象（图1），接近开关固定在机械挡块侧面。辊子每旋转一周，可采集到一个上升沿信号和一个下降沿信号。图1 五辊张紧装置结构示意图图 2感应装置示意图5 工作机理在PLC程序中调用计数器指令，编程使得计数窑59窑第 2 期冷轧机五辊张紧装置被动辊测速功能开发器在轧机运行时使能，在信号上升沿计数值加1，当轧机停止运行时，计数值清零。由于辊子每转一周，计数器加1，所以可将脉冲计数值变化速率作为辊子的转速,单位为。理论上，通过求解计数值的变化速率（即导数）即可得到辊子转速，如公式(1)所示。（1）而事实上，在不使用中断功能的前提下，PLC读取外部输入信号存在不同程度的滞后现象，故将感应挡块设置为半圆形而非一个感应点。又因这种滞后会影响计数值变化速率而产生不同程度的波动，故将这种波动称为噪声。为了降低这种噪声对测速精度的影响，首先将计数值经过一阶低通滤波器咱5 暂（LowPassFilter,LPF）做滤波处理，建立数理模型如下：（2）其中：k表示采样时间；k-1表示上一时刻的采样时间；C（k）表示k时刻滤波器接收的计数值；Cf（k）为k时刻经滤波处理后的计数值；Ts为程序扫描周期；Tf为滤波时间。k时刻的辊子转速可通过近似求导公式（3）求得：（3）设辊子直径为d，单位为（mm）则辊子的线速度(m/min)可通过公式（4）求得：（4）将公式封装为功能块f，该功能块的函数表达式如公式所示，功能块输入变量分别为轧机运行状态（Running），接近开关输入信号（Switch_In），辊子直径（Roll_Dian,mm），输出为转速(Vout,m/min)。其中，当Running为1时，功能块内部的计数器在Switch_In上升沿时加1，计数值经滤波和求导后，结合辊子直径，计算出辊子线速度，经Vout输出，具体如下式所示：Vout=f（Running,Switch_In,Roll_Dian,Filter_Tine（5）(注：上式满足当为0时，计数器清零)在PLC中分两次调用功能块f，并将两次结果分别定义为fp和fN，程序扫描周期设为40ms，滤波时间设为5s。将接近开关的输入信号直接与fp的输入管脚Switch_In连接，将接近开关的输入信号取反后再与fN的输入管脚Switch_In连接。这样，即可利用接近开关的上升沿和下降沿信号，分别测得辊子速度Vp和VN，再进一步求其平均值，即可得到相对准确的辊子速度。最后将测得的辊子速度显示到人机界面（HMI），并提供报警功能，方便操作人员及时发现辊子机械故障，避免不必要的设备事故及经济损失。6 实际效果比对如图3所示，五辊张紧装置其中两根被动辊利用本文开发的一阶低通滤波差分求导法测速与激光测速、偏导编码器测速等方法的状态数据对比，可得到如下结论：图 3 偏导辊编码器测速和激光测速效果对比（1）一阶低通滤波差分求导法所测两辊测量数据标准差分别为1.461m/min和1.494m/min，约2r/min，相比其他方法，更能准确反映实际运行状况，且两辊测量数据标准差非常接近，表明同步两辊测速的准确性。（2）从图3可以明显看出，一阶低通滤波差分求导法所测数据的图像变化更活跃，数据最大误差百分比为1.72%，更能够较好的反映出被动辊的运行状况。而其他方法测量数据虽然平稳，精密度较高，但并不能准确、真实反映被动辊的实际运行状况。7 结论从如上分析可知一阶低通滤波差分求导法相比其他测速方法具有如下优势：渊下转第65页冤窑60窑第 2 期渊上接第60页冤（1）模型相对简单，容易实现，便于安装，对生产现场要求较低，便于实施。（2）突破局限于某一特定PLC品牌的限制及高速计数器模块技术壁垒，无需使用行业内普遍使用的解码器或相对复杂的测速齿盘，投入成本较低且经济效果明显，便于推广应用。（3）采用一阶低通滤波器做滤波处理，突破PLC噪声因素干扰，更能反映被动辊实时运行状态，大大提高测量数据的可靠性。（4）有效避开PLC控制器在测量对象转速较高时，部分脉冲信号可能丢失而影响测量精度的现象，大大提高测量数据的真实性。（5）实际运行图像及数据分析结果可以看出，该方法所测数据更符合生产实际，数据相对准确、真实，更能够起到指导生产、预警事故的作用。综上所述，一阶低通滤波差分求导法突破了特定PLC、高速计数器、复杂的测速齿盘等技术限制，以较低的成本投入被动辊测速改造，提高了冷轧机设备安全运行可靠性，有效降低了设备故障率，提高了生产效率。因此，一阶低通滤波差分求导法测定五辊张紧装置被动辊的转速，具有较强的实用性和较高的推广应用价值。参考文献：1邓重一.接近开关原理及其应用 J.自动化博览,2003,(5):35-38.2杨超武,包勇超,李文,等.一种新型接近开关测速仪的设计 J.重型机械,2018,(2):43-45.3王子豪,王晓罡.接近开关在基于PLC控制的水轮发电机测频中的应用 J.小水电,2020,(3):47-49.4刘殷.基于接近开关的马达旋转角度及速度测量研究 J.仪表技术,2020,(8):34-36.5郑慧,缪曙霞,张伟方,等.一种基于定点运算的数字低通滤波器设计 C.2014中国汽车工程学会年会,2014:580-583面清晰，粉末亚晶尺寸小，颗粒直径属于纳米级。（2）还原温度和氢气流量对钨粉比表面和粒径会产生较大的影响，降低温度或提高氢气流量可以使钨粉粒度更细，而氢气流量变化对粒度的影响大于温度。（3）由超细钨粉转化为超细碳化钨时，粉末颗粒呈现长大趋势，BET粒径增幅平均达到110%，制备的碳化钨粒度分布均匀，粉末颗粒的团聚数量比钨粉更少，分散性好，粉末的亚晶尺寸小。（4）用试验超细粉末制备的超细合金样品晶粒均匀，基本性能达到超细合金要求，表明双向进氢回转炉工艺可以提供优质的超细硬质合金原料。参考文献：1姜平国,肖义钰.氧化钨氢还原机理研究进展 J.中国有色金属学报,2022,（2）:520-528.2喻相标,肖杰.蓝钨氢还原制备钨粉工艺研究 J.有色金属科学与工程，2021,（3）:235-41.3张莹莹,周武平,王铁军.细颗粒钨粉团聚和消除方法的研究 J.粉末冶金工业,2018,（5）:11-16.4毛善文,尹超.原始WC粉末粒度分布及球磨时间对超细硬质合金微观结构的影响 J.硬质合金,2019,36（2）:126-1335姚兴旺,郝立伟.APT原料粒度分布对WC粉和超细晶硬质合金性能影响 J.江西化工,2018,（6）:122-126.6张璐,陆必志,徐涛.超细WC制备关键技术及评价方法研究的新进展 J.硬质合金,2019,36（6）:460-471.7阳冬元.蓝钨在回转还原炉中的氢还原 J.硬质合金,2003,（1）:16-19.8徐志昌,张萍.流态化技术与超细钨粉 J.中国钨业，1994,（12）:15-20.9陈杉杉.高性能超细WC粉质量影响因素探讨 J.硬质合金,2019,36（5）:337-344.10张华民,蒋福海,陈贵华.粉体分散方法对细WC生产过程中粒度变化的影响 J.四川有色金属,2021,（4）:31-35图8 合金SEM院 10000X渊a冤3#曰渊b冤5#曰双向同时进氢回转炉制备超细钨粉质量分析窑65窑