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摘要 ：本文以某钢厂的宽厚板矫直机为例，详细介绍了机 架、液压压下装置、弯辊及平衡装置以及辊盒及边辊装置的工作 原理和结构特征。同时，还介绍了矫直机基础自动化、传动控制 以及压下APC位置闭环控制的原理，并且介绍了HMI 人机操作 和L2 矫直机模型自动计算和设定的功能。
关键词 ：矫直机,传动,矫直模型
矫直机是中厚板生产线重要设备，其直接决定了钢板的质 量，本文以某钢厂热矫直机为例， 详细介绍其组成及工作原理。
1 设备组成、工作原理与结构特征
热矫直机设备主要由预应力机架、液压压下装置、弯辊及平 衡装置、辊系装置、机架辊装置、接轴抱紧装置、换辊装置、主 传动装置、平台及梯子等部分组成。
1.1 机架
热矫直机采用组合焊接式预应力机架，由两个上横梁、两片 立柱、一个底座、4 根高强度拉杆等部分组成，立柱内侧设有耐磨 衬板，底座上设计有落氧化铁皮用的通孔。整个机架承受全部矫直 力。预应力机架的特点是重量轻， 刚性好， 便于拆装、运输、安装。
1.2 液压压下装置
液压压下装置由 4 套独立的HAGC 液压缸组成，由高压伺 服系统为压下液压缸提供工作压力，使上弯辊横梁及上辊系沿 机架内侧的滑板上下移动，达到辊缝调整的要求 ;每套液压缸 均采用液压伺服系统控制， 操作灵活且容易实现超载保护， 四个 主压下液压缸承受全部的矫直力。4套HAGC液压缸可以进行单 独或同步调整，可实现上辊系沿轧线方向及沿矫直辊轴向的倾 动。每个液压缸都设有压力传感器及位移传感器， 可以在矫直过 程中对辊缝及矫直力的大小形成闭环控制。根据待矫钢板厚度、 宽度、材料及原始曲率快速设定其辊缝大小， 辊缝控制在所有矫 直阶段都有效， 可在整个钢板矫直过程中使辊缝保持恒定， 同时 可以补偿机架的弹跳变化，从而保证了钢板有良好的矫直质量。 高精度的位移传感器(MTS) 保证了工作辊缝的精确调整，并通 过位移传感器实现压下装置的极限位置保护。为了满足热矫直 机的工艺要求，矫直机的最大压下速度 10mm/s，最大抬升速度 15mm/s， 辊缝开口度能达到450mm。
1.3 弯辊及平衡装置
弯辊及平衡装置由液压弯辊装置、液压平衡装置以及液压 锁紧装置等组成。
液压弯辊装置 ：由一台弯辊液压缸、缓冲弹簧、左右两半活 动上受力架、偏心轴、芯轴、摆杆、拉杆、中间轴等组成。弯辊液 压缸通过弯辊机构推动左右两半活动上受力架绕中间轴转动，与上受力架相连的左右两半上辊座同时转动，使左右两侧的支 承辊形成凸起或凹下的形状， 实现上辊系的预弯辊动作。由液压 弯辊装置实现上辊系的预弯辊设定以后， 在矫直过程中， 通过矫 直力的作用， 使上矫直辊产生弹性挠曲变形， 紧靠在支承辊形成 的凸起或凹下的曲线上， 实现弯辊矫直的功能。
平衡装置 ：由固定在机架上的一组平衡液压缸组成。平衡装置 的作用是平衡上辊系装置和弯辊及平衡装置自身的重量，使上辊系 装置和上受力架跟随压下装置一同上下移动，并消除压下装置与上 受力架在矫直力方向上的间隙， 以免钢板进入矫直机时发生冲击。
液压锁紧装置 ：由固定在上受力架上的8个液压锁紧缸组成。 换辊过程中如需松开上辊系，液压锁紧缸上腔通油，使上受力架与 上辊系脱开。液压锁紧装置的特点是锁紧力大而且均匀，可快速脱 开和锁紧， 操作简单可靠、方便， 为快速换辊节省了辅助时间。
1.4 辊系装置
辊系装置由矫直辊装置、支承辊装置、上辊座、下辊座等组成。
矫直辊装置 ：矫直辊按上排 5 根下排 6 根的排列形式 ;其 中下排辊含入口辊、出口辊两根(以下简称边辊)。上矫直辊两 端轴承座是通过螺栓和碟形弹簧与上辊座相连，碟形弹簧仅平 衡上矫直辊及轴承座的自重 ;矫直力是由支承辊轴承座承受的。 下矫直辊辊身在碟形弹簧作用下靠紧下支承辊辊面，下排的两 边辊可以单独升降调整，以利于钢板咬入和矫直钢板最终残余 曲率。矫直辊轴头采用花键传动，为了方便对辊，在矫直辊轴头 增加了导向柱段和导向锥段， 并且花键的端部被倒尖。
8支承辊装置 ：除边辊外的每根矫直辊下面(上面) 均设有 8 根支承辊，每根边辊下面设有4根支承辊，支承辊轴线与矫直辊轴 线间隔交错布置 ;矫直辊轴承与支承辊轴承润滑均采用油气润滑。
8 上辊座 ：上辊座包含有两半上辊座架，上排矫直辊装置、 上排支承辊装置固定在上辊座内，该装置通过液压锁紧装置使 其与弯辊及平衡装置紧紧连成一体 ;弯辊时，两半上辊座架随 两半活动上受力架绕中间轴转动，使左右两侧的支承辊形成凸 起或凹下的形状， 矫直辊在矫直力的作用下紧贴在支承辊上， 实 现弯辊矫直功能。矫直力通过上辊座、上受力架装置、液压压下 装置， 最终传递到机架上。上辊座底部与上受力架装置在对应位 置开有多个矩形孔， 以便迅速带走钢板上方的热气流， 降低支承 辊轴承座的温度。换辊时， 通过液压锁紧装置使上辊座与上受力 架装置快速脱开， 以实现上、下辊系的整体快速换辊。
8 下辊座 ：下辊座是一个整体的辊座架，下排矫直辊装置、 下排支承辊装置、边辊装置等装配在下辊座上。下辊座与机架底 座在对应位置开有多个矩形孔，以利于矫直过程中脱落的氧化 铁皮顺利地落入地沟。下辊座下面装有四个换辊车轮， 在机架底座的对应位置上装有四个辊系抬升液压缸， 需要换辊时， 辊系抬 升液压缸伸出， 托起辊系， 车轮可以在机架底座和机外换辊台架 上滚动，以实现上、下辊系的整体快速换辊。换辊完成后，辊系 抬升液压缸缩回，辊系下降，下辊座落在机架底座上，矫直力通 过下辊座传递到机架底座上面。
1.5 机架辊装置
机架辊装置位于机架入口和出口侧，每侧 1 根机架辊，布置 在矫直辊与辊道之间，用于连接辊道和矫直机，顺利导入、导出 钢板， 入口和出口分别采用 1 台独立的齿轮电机传动 ;机架辊的 轴承采用油气润滑。
1.6 接轴抱紧装置
接轴抱紧装置是由上下层横梁、液压马达、同步轴、螺旋千 斤顶、抱紧液压缸等组成。它能保证在换辊时旧辊系被抽出后， 所有的万向接轴得到可靠的固定，以保证新辊系推入矫直机时， 顺利地整体插入万向接轴花键套筒。
1.7 换辊装置
换辊装置是由换辊液压缸、换辊下车、换辊台架等组成 ;换 辊装置用于把需要更换的上、下辊系拖出矫直机，并把新的上、 下辊系推进矫直机内。换辊时上、下辊系可以整体快速更换，也 可以单独更换下辊系。
2 电气系统
2.1 基础自动化系统
本系统采用 1 台TIA-1518 PLC 完成热矫直机及附属设备的 压下APC 控制、主电机速度及同步控制，换辊控制，机组顺序逻 辑控制， 轧件位置跟踪， 基础自动化控制。
控制范围 ：矫直机主传动设备、矫直机换辊装置、矫直机前 后辊道(矫直机矫直钢板时控制权限在矫直机PLC)、入口 / 出 口边辊调整，矫直机介质系统(包括液压站、润滑站、油气润滑 站、干油站等)。
控制内容 ：①矫直机主电机速度及同步控制、负荷平衡控 制 ;②矫直机压下辊缝位置APC 及同步控制 ;③矫直机上辊系 倾斜控制 ;④矫直机负载压下压力补偿 ;⑤矫直机主传动速度 与前后输送辊道速度同步控制 ;⑥矫直机主电机接轴定位控制 ; ⑦矫直机的换辊控制 ;⑧矫直机介质系统控制 ;⑨矫直机参数 显示(电流、转矩、速度、压力、开口度等) ;⑩矫直机参数设定;⑪故障报警 ;⑫与轧机和超快冷等控制系统通讯。
2.2 主电机速度及同步控制、负荷平衡控制
由于在矫直过程中钢板会产生塑性变形，为保证矫直的顺利 进行，各个矫直辊间需要保持一定的微张力。控制系统通过采用 速度控制 + 负荷平衡控制相结合的方式，依据物料跟踪信息，使 得在矫直过程中没有接触钢板的矫直辊处于速度控制模式下， 而 接触到钢板的矫直辊自动进入负荷平衡控制模式下， 保证在矫直 过程中各个矫直辊的负荷分配均匀， 从而实现矫直的顺利进行。
2.3 矫直机压下辊缝APC及同步控制
控制系统采用波形发生器+位置闭环的控制模式实现矫直机压下辊缝的APC 控制，通过将阶跃的位置给定变化变换为按 照设定加速度和设定速度以及最短定位时间计算的实际位置给 定曲线。实际位置给定与位置反馈进行比较和PI 调节产生最终 速度给定。在实现快速定位的同时减少对设备的冲击， 在外部参 数发生变化时仍能实现可靠工作。在压下过程中， 控制系统实时 监视各个压下缸的位移，当出现不同步时动态调整各个压下缸 的速度实现各缸同步控制。
2.4 矫直机上辊系倾斜控制
通过分别控制各个压下缸的位置，实现上辊系倾斜控制。此 时压下缸仍处于位置闭环和同步控制方式。
(1) 矫直机负载压下压力补偿控制。矫直机在负载压下过程 中，控制系统实时监视各个压下缸的负载压力及变化情况， 一旦 超出预设值则报警，同时压下切换到带压力补偿的位置控制模 式，保证设备的安全。
(2) 钢板位置跟踪。控制系统依据矫直速度和各个矫直辊的 负荷变化情况， 实时计算钢板的头部和尾部位置， 并启动相关的 控制逻辑。
(3) 矫直辊接轴定位控制。在更换矫直辊时，矫直机接轴需 要使矫直辊扁头全部处于水平方向。控制系统依据接近开关和电 机侧的编码器信号实时计算扁头的位置并控制主传动适时停车实 现接轴定位控制。弯辊的调整功能为预弯辊， 不能实现带载调整。
2.5 HMI 系统主要功能
HMI系统具有操作、参数设定、修改及显示功能，主要画面包 括 ：①操作画面 ;②参数设定画面 ;③传感器位置标定画面(含 重启PLC 的CPU后传感器报警功能) ;④压力、速度等数据实时显 示 ;⑤电压、电流、速度实时显示 ;⑥工艺流程动态显示 ;⑦事故 报警显示 ;⑧历史数据显示 ;⑨介质系统操作及运行状态显示。
3 传动方案
矫直机调速设备控制要求调速精度高，变频调速系统采用 西门子公司 S120 系列，共母线供电方案，通过配置主线路开关、 三相进线电抗器、回馈整流单元、逆变器、输出电抗器等控制元 件，将固定频率和电压的三相进线电源转换成可变频率和电压 的三相交流电输出， 满足机组变频调速要求。上述变频调速装置 将通过增量编码器实现速度闭环控制功能。
全数字交流调速控制系统具有性能好、可靠性高等特点，可 以满足各种不同的控制要求， 系统具有最佳自优化功能， 并提供 完备的监控保护和自诊断功能，同时还具有方便快捷的网络通 讯功能， 自动化系统可以通过网络对传动系统进行参数设定， 并 进行信息交换。矫直机主电机为AC690V 交流变频电机，机架辊 电机为AC380V 交流变频电机。电机的力矩分配功能可以在传动 控制器或上级PLC 内实现。矫直机主传动采用公共直流母线供 电形式，即公共整流器 +逆变器，机架辊传动采用AC/AC 单传 动变频器。整流器采用带有 100% 回馈功能的TSU 整流器(包含 原装自耦变压器及直流电抗器)。能够将制动过程中产生的能量 回馈给电网， 节省电能。
4 工艺模型控制
热矫直机工艺模型系统与热矫直机基础自动化系统和机械 设备一起构成机电一体化的专有技术。系统采用微机服务器的 体系结构， 服务器计算机采用进程调度方式， 各进程具有不同的 系统资源， 采用抢先式多任务方式调度进程， 进程之间通信采用 内存映像文件的方式进行数据交换，进程间的同步采用等待函 数和事件标识的方式实现。
4.1 系统结构与网络
所有过程机、基础自动化控制器、人机界面等都挂在一个工 业以太网上， 具备高速通讯能力。这套计算机控制系统涉及基础 自动化、过程模型设定和人机界面， 系统结构和通信管理根据板 形要求，通过模型运算，确定出满足要求的矫直规程，传给矫直 基础自动化执行设定计算的规程，实现矫直过程的计算机自动 控制。从控制方法上看， 矫直过程控制系统主要实现前馈控制和 自适应优化控制功能。具体通过跟踪、数据通讯和过程模型设定 计算三大模块来实现这两项功能。一、二级数据管理系统的核心 是矫直过程控制系统， 给出系统设定值和获取过程实测值， 跟踪 系统主要完成操作模式的选定和物料跟踪的功能，同时获取系 统报警信息， 人机界面给出人工设定值和显示实测值， 控制系统 完成伺服设定和传感器读数， 传动系统控制电机驱动， 给出电机 电流和速度报警， 操作和维修面板用于人工操作和检修。
4.2 功能描述
热矫直机工艺模型主要依据材料变形的物理学原理，在接 收到轧线二级计算机传输的板坯数据(PDI 数据) 后，根据设备 设计载荷及约束条件，完成辊缝、矫直力、矫直辊速度等参数的 设定计算及热矫直机控制区域内的物料跟踪。
热矫直机模型计算的主要设定值有 ：①辊缝位置值 ;②倾 斜值 ;③矫直力 ;④弯辊值 ;⑤边辊位置设定 ;⑥速度设定(设 定和补偿值)。
4.3 模型功能进程
预设定计算进程 ：预设定计算是指在输入预处理原始数据 的基础上完成矫直规程的提前设定。调用数据库在线调整参数 层别，获得压下调整数据，然后进行力能校核、速度计算、弹跳 补偿、咬入和预设定校验， 最终形成预设定规程。
自学习计算进程 ：采用指数平滑法计算自学习系数(矫直 力、扭矩)，提高后续钢板的预设定计算进程的预测精度。离线 仿真计算进程 ：根据矫直工艺七个限制条件建立压下量分配的 多目标优化函数， 采用了变尺度BFGS优化算法对矫直工艺进行 优化的计算， 对所有可能的矫直工艺进行全扫描， 把优化后的矫 直工艺参数存入在线模型调整参数表。
4.4 辅助功能进程
系统通讯进程 ：由HMI 界面完成主要的数据通讯功能负责 矫直机L2 系统与外界的数据通讯，通讯对象为 ：其它L2 系统、 矫直机L1 系统。
L3系统进程的通讯负责矫直控制区域内轧件的跟踪和任务调 度功能， 它是L2系统控制输入/输出信息的一个接口调度进程， 根据通讯程序接收到的通讯信息，激活各模型进程。系统诊断进程负 责L2系统的信息诊断和系统报警， 为系统维护与操作提供依据。
4.5 控制过程描述
L2级设定模型可以根据跟踪系统传送的钢板基本信息(钢 板长度、宽度、厚度、钢种和温度等)，调用在线设定模型，对辊 缝进行一次自动预设定(可人工修正)，在线给出基础辊缝、辊系 倾斜量、弯辊量、边辊调整量、速度等设定值、矫直力和矫直扭 矩等预测值。L1级负责控制执行机构，同时在矫直过程中动态调 整。在矫直跟踪系统的基础上，根据L2级的设定数据实时进行 辊缝控制、速度控制和弯辊控制等， 自动完成预设定的矫直过程。 在矫直带载情况下， 操作人员仍然可以通过HMI修正辊缝、边辊 和速度设定值，期望获得更好的板形。在道次矫直完成之后，由 操作人员根据板形情况决定是否需要再次矫直， 如果不需要则完 成本次钢板矫直， 自动系统处于下块钢板矫直的等待状态。
4.6 系统模型功能
中厚板矫直过程控制系统的主要任务是对中厚板生产线矫 直区域的设备(矫直机本体、辊道) 进行设定计算，给出合理的 控制量，使得钢板通过矫直后平直，具有均匀较小的残余应力分 布，同时使得设备能在许可的范围内正常工作。为此矫直过程控 制系统还需具备轧件跟踪、离线仿真、在线数据管理、模型自学 习等功能，服务于在线设定。过程控制系统需要从基础自动化、 过程自动化到轧件生产跟踪， 形成控制与信息管理的完整的多级 控制系统，因此中厚板矫直过程控制系统需要包括 ：跟踪系统、 L2级模型计算部分、L1级自动控制部分、人机界面和数据库。
(1) 自学习计算功能。由于矫直过程控制系统使用的计算模 型均采用理论模型或经验模型， 在实际使用中， 模型的计算偏差 主要来自于模型系数的精度及模型本身结构的偏差，通过自学 习功能将设定模型计算值与实际值进行比较，采用指数平滑法 计算自学习系数，用于后续钢的设定计算，可以使模型的计算 值精度满足过程控制的要求。矫直过程控制的自学习功能包括 ： 矫直力、扭矩等方面。
(2) 生成在线模型调整参数功能。在线设定计算和离线仿真 计算之间一个显著的区别是时间。在线设定计算必须在规定的时 间内完成所需要的所有计算，形成规程数据，而离散仿真计算基 本没有时间约束。通常认为矫直过程控制系统的计算时间应小于 1s就可以满足在线设定计算要求。由于矫直过程模拟计算的复杂 性，利用材料变形的物理学原理和几何约束条件给出的矫直理论 不能在规定的时间完成矫直工艺优化设定。因此，需要采用离线 仿真计算得到不同层别下钢板的在线模型调整参数表。
5 总结
矫直过程控制系统是中厚板生产线自动化的一个重要环节，对 于提高板形质量、稳定生产有重要意义，本文总结了矫直机液压压 下及矫直机辊系结构特征，同时介绍了矫直机PLC、传动、L2模型计算与设定原理， 为后续矫直机控制系统的研究提供参考依据。
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