SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要 ：国内某热轧厂的主轧线控制系统采用日本TMEIC 公 司NV 系列PLC。整个换辊过程是通过顺控程序进行控制，实现 了快速自动换辊。通过对顺控程序的分解及研究， 优化合并了一 些换辊顺控步骤， 同时对信号反馈判断程序进行了合理优化， 保 证了顺控程序有效执行，缩短了自动换辊时间。另外，对现场设 备进行了改善， 也保证了自动换辊的稳定性。
关键词 ：自动换辊,顺控程序,步序,优化,稳定性
精轧每天换辊达到 10 次以上，因此，缩短换辊时间和提高稳定性对产线提高产量有着举足轻重的作用。攻关前， 精轧自动 换辊时间为 15 分钟(F1 抛钢至 F1 咬钢间隔时间)，严重制约着 产能的进一步释放。此外，由于设备原因，自动换辊时常中断， 只能切换为手动换辊。这不仅换辊时间长， 而且操作工人力投入 大。有时由于人工确认不到位或设备不稳定，导致换辊延时，严 重时造成板坯推废。换辊问题对生产组织有很大的影响。针对 换辊存在的问题， 需要采取一系列的攻关措施， 以缩短自动换辊 时间及提高换辊稳定性。
1 换辊系统主要设备的组成
换辊是一个设备综合动作的过程，多种设备需要按顺序动 作执行，才能完成换辊。一个完整的换辊过程涉及以下设备动 作 ：HGC 缸、上阶梯垫、上支撑辊平衡缸、工作辊弯辊平衡缸、 下支撑辊提升 / 下降缸、下阶梯垫、接轴抱紧缸、工作辊卡板缸、 入口导卫、出口导卫、入口刮板、出口刮板、活套、换辊小车。此 外还包括各种液压执行机构， 例如电磁阀、比例阀和伺服阀。
2 换辊控制系统的组成
2.1 控制系统硬件组成
控制系统采用日本TMEIC 公司的NV 系列PLC， 主要包括 ： 电源模块 PS891、CPU 板卡 PU866、TC-NET 通讯板卡 TG823、 以太网通讯板卡EN811、数字量输入板卡DI934、数字量输出板 卡DO934、脉冲输入模块PI924、线性传感器输入模块TP912M、 模拟量输入模块AI938、模拟量输出模块AO934 等。
2.2 传感器组成
换辊过程中涉及诸多传感器信号反馈。主要传感器包括以 下 ：用于判断设备动作到位的接近开关，例如接轴抱紧和工 作辊卡板打开 / 关闭的接近开关 ;用于测量上下阶梯垫位置、 HGC缸位置和上支撑辊位置的磁尺 ;用于测量工作辊弯辊上升 和下降到位的压力传感器 ;用于测量刮板移入移出的压力开关，用于测量小车位置和活套位置的编码器等等。
2.3 控制系统网络组成
现场传感器通过硬线与各类型IO 板卡连接，PLC 与PLC之 间，PLC 与扩展板卡之间，PLC 与操作台子站通过TC-NET 通 讯，PLC与传动系统之间通过PROFIBUS 网通讯，PLC与工程师 站以及HMI之间通过以太网通讯。
3 换辊系统现状
随着产能的不断提高，对换辊时间的缩短和稳定性有着更 高的要求。目前运行过程中，换辊时间长，自动换辊稳定性差， 需要对自动换辊过程进行深入的研究分析，发现其中的问题并 予以攻关解决。
自动换辊的顺序控制步骤以及存在哪些问题需要进行研究 分析。
3.1 自动换辊顺控步序及辊缝标定主要连锁条件
换辊计时规则是F1 抛钢至F1 咬钢的时间，期间包括轧机标 定。原程序设计自动换辊分为六大步序 ：①换辊准备 ;②上辊 落下 ;③抽旧辊 ;④平台横移 ;⑤装新辊 ;⑥旧辊回磨辊间。 其中主要是换辊准备、上辊落下、抽旧辊、装新辊、轧机标定步 序的优化能缩短换辊时间。在每一大步又分为若干小步序， 具体 如下。
换辊准备。CVC 归零→主轴对位(同步并行 HGC 缸快开→ 活套提升→ 出口刮板、入口导位抽出→入口刮板、出口导位抽 出) →关闭工作辊冷却水→工作辊平衡→结束。
上辊落下。上支撑辊、上工作辊下降→上阶梯垫窜到 0垫→ 上支撑辊上升(同步并行上工作辊平衡) →上支撑辊平衡→上工 作辊上升→下支撑辊提升→下阶梯垫窜到 0 垫→下支撑辊下降 →换辊小车去 E13 位(同步并行下接轴抱紧关闭 →下工作辊夹 紧板打开) →换辊小车钩子落下→换辊小车去 E11 位→上工作 辊下降→结束。
抽旧辊。上接轴抱紧关闭→上工作辊夹紧板打开→换辊小 车去E7 位→换辊小车去E8 位(同步并行换辊小车钩子抬起) → 换辊小车到E6 位→结束。
装新辊。换辊小车钩子落下→换辊小车去 E12 位→上工作 辊夹紧板关闭→上接轴打开→上工作辊上升→换辊小车去 E13 位→下工作辊夹紧板关闭→下接轴抱紧打开→换辊小车钩子提 升→换辊小车去E11 位置→下支撑辊上升→下阶梯垫窜到轧钢 位→下支撑辊下降→上工作辊平衡→上支撑辊下降(同步并行工作辊下降) →上阶梯垫窜到轧钢位→上支撑辊上升→上支撑 辊平衡→入口刮板、出口导位插入→ 出口刮板、入口导位插入→ 活套落下→结束。
辊缝标定主要连锁条件 ：轧机转车连锁、CVC 零位信号、 工作辊弯辊信号、辊缝伺服连锁。
3.2 自动换辊顺控步序和连锁存在的问题
通过多专业共同探讨，结合统计的各换辊步序时间以及实 际运行中存在的问题， 对换辊顺控步序进行深入分析后， 发现主 要存在的问题有 ：①多处换辊步序串行顺序运行，造成换辊时 间太长，可以改为同步运行，解决此问题是缩短换辊时间的关 键。②个别换辊步序重复或无意义，可以取消。③个别信号反馈 判断程序可以取消， 不影响实际设备动作。④一些信号反馈容易 丢失，导致连锁条件不满足，造成自动换辊步序中断，被迫切换 至手动换辊。
3.3 现场设备存在的问题
产线投产运行 12 年来，很多机械设备磨损老化，精度超标。 另外， 就是基于当时的设备供应商技术有限， 很多设备在设计上 存在缺陷，不满足实际运行要求。经过多年的维护经验积累，发 现换辊设备有以下主要问题。
(1) 换辊接近开关支架和挡铁锈蚀严重，导致接近开关信号 不稳定。
(2) 导卫移入、移出接近开关安装位置空间太过狭窄，不利 于处理开关问题。
(3) 上支撑辊平衡缸磁尺长期未投入，缺乏维护，基本都已 失效，上支撑辊位置一直采用压力信号检测， 导致换辊时间延长。
(4) 弯窜集成缸技术落后， 故障率高。
(5) 接轴抱紧缸维护力度不够，设备间隙超标，导致接近开 关信号丢失。
(6) 换辊轨道磨损大或者工作辊辊座滑靴磨损大，导致装辊 不能正常装入。
(7) 横移平台经过一段时间运行后，由于设备的损耗，会出 现横移平台上的轨道与固定轨道不对齐，造成小车运行过程中 跳电。
(8) 换辊接近开关和活套编码器本体故障率高，设计之初的 选型不满足实际要求。
(9) 机顶端子箱和换辊坑端子箱安装位置不合理，生产期间 轧机周围水汽大，加之端子箱老化密封不严，水汽长期大量侵 入，造成端子箱内部端子腐蚀严重， 致使控制和反馈信号丢失。
(10) 下支撑辊提升压力传感器受小车动力电缆干扰，导致 压力波动， 造成换辊中断。
(11) 阀台的电磁阀、比例阀、伺服阀尾线插头是分体式的， 水 汽容易侵入腐蚀接线柱， 造成换辊过程中设备无法动作的故障。
(12) 换辊小车滑环接触不良，换辊小车信号丢失频繁，维 护力度投入大。另外换辊小车卷筒电缆在线运行时间太长， 多处 出现折断的问题， 造成信号丢失。
(13) 传感器尾线路由不规范，尾线容易被刮破、挤断，造成信号丢失。
4 程序优化实施方案
通过对各换辊步序的分解以及自动化、机械、液压、操作等 专业的要求， 在保证设备安全的前提下， 最大限度合并优化换辊 步序， 连锁条件和反馈信号判断程序。实施了如下程序优化。 4.1 优化换辊准备顺控步序、连锁条件和反馈信号判断程序
(1) 部分顺序动作的设备，即使同时动作也并无干涉，顺控 步序优化为同步运行。
(2) CVC 归零耗时偏长。根据实际情况，优化程序控制参 数，优化后 CVC 归零时间大大降低。
(3) CVC归零后，偶尔零位信号丢失造成换辊顺控中断或辊 缝标定连锁条件不满足。主要原因 ：一是随着设备的磨损，CVC 窜辊缸间隙变大，超出原程序设计的APC精度值。二是由于长 期运行，CVC液压缸存在内泄，导致 CVC液压缸溜位。于是优化 CVC零位信号判断程序， 保证在换辊时 CVC零位信号不丢失。
(4) 由于设备间隙变大，换辊过程中偶尔会发生主轴定位完 成信号丢失， 造成自动换辊顺控中断， 于是对主轴定位完成信号 判断程序进行优化。即使接近开关检测信号丢失， 也不会导致主 轴定位完成信号丢失。
(5) 由于接近开关本体或是机械框量问题导致工作辊夹紧 板关闭位信号丢失， 造成换辊准备连锁条件不满足。于是对换辊 准备连锁程序进行优化，即使该信号丢失也不影响换辊准备的 进行， 避免上述问题导致自动换辊不能开始的问题。
4.2 优化上辊落下顺控步序、连锁条件和反馈信号判断程序
(1) 在上辊落下顺控步序中，部分顺序动作的设备，即使同 时动作也并无干涉， 顺控步序优化为同步运行。
(2) 下支撑辊提升到位信号采用压力传感器检测。当 7 架轧 机同时进行下支撑辊提升动作时， 由于用油量大， 液压压力会有 波动，有时压力瞬间波动至很低，导致提升到位信号丢失，造成 下阶梯垫窜垫中断。针对此种情况，经过计算，优化程序中的压 力阈值， 并采取滤波手段， 避免下支撑辊提升信号丢失。
(3) 在工作辊下夹紧板打开的过程中，由于夹紧板液压缸卡 阻，偶尔出现工作辊下夹紧板无法打开的情况。于是优化程序， 借助小车外力撞击， 使得工作辊下夹紧板顺利打开， 同时保证设 备安全运行。
(4) 原程序中上阶梯垫从工作垫位置窜回零垫位置的某个连锁 条件无意义。取消该连锁条件后， 换辊时间缩短且设备运行安全。
(5) 换辊小车到达E13 位后下降钩子，正常时钩子瞬间就下 降到位，挂上辊座。但是有时由于新购钩子电动缸备件差异性 大，钩子下降慢，此时换辊小车到E13 位后已撤销功能，小车由 于反向作用力会稍微往后退一下， 导致钩子没有挂上辊座。于是 优化程序， 使得换辊小车钩子能正常挂上辊座。
(6) 上支撑辊位置检测实现磁尺信号与压力信号互相切换。 正常采用磁尺信号，当磁尺出现故障后，从HMI 画面一键切换 至压力信号， 保证自动换辊的稳定性。
4.3 优化平台横移顺控和连锁程序
原程序设计，F1-F7换辊小车全部后退至E6 位后，需要人工 确认小车的实际位置， 然后手动点击操作平台横移。在运行过程 中，由于小车位置编码器出现错误，导致小车实际位置不准，加 之人工确认不到位， 出现了换辊小车卷筒电缆被切断的故障。于 是改造并优化程序，在E6 位置增加一个检测信号，实现双检测 信号， 保证设备安全， 然后改为自动触发平台横移。
4.4 优化装新辊顺控步序、连锁条件和反馈信号判断程序
(1) 在装新辊阶段部分顺序动作的设备，即使同时动作也并 无干涉， 顺控步序优化为同步运行。另外部分换辊顺控动作实际 意义不大， 经过论证取消多余的换辊顺控步序。
(2) 装入下辊后，换辊小车在退至E11 位置后，才能执行下 支撑辊提升动作。但是偶尔由于惯性或阻力影响， 换辊小车不能 正确退至E11 位置范围以内，导致换辊连锁条件不满足，自动换 辊中断。优化此处程序， 换辊小车退至某一位置后面即可满足换 辊连锁条件。
(3) 原程序设计装新辊结束后，需要手动选上F1-F7 工作辊 弯辊，偶尔由于操作工忙于其它工作，忘记手动操作，导致后续 辊缝标定连锁条件不具备，造成换辊延时。程序优化后，装新辊 结束时自动选上工作辊弯辊。
4.5 优化辊缝标定顺控和连锁程序
(1) 在生产过程中，曾经发生过带钢扎入 F1 工作辊与刮水 板缝隙的故障，造成严重堆钢故障。为了保证轧制稳定，操作工 需要在每次换辊标定时确认刮板是否贴上工作辊，此过程全部 是操作工手动操作摆辊缝和开关工作冷却水， 导致换辊延时。因 此，对此处程序进行优化F1、F2标定完成后，辊缝自动预摆。在 F1、F2 辊缝清零时，自动关闭工作辊冷却水，待辊缝摆位完成 后，自动打开工作辊冷却水。以上动作实现全自动，既保证了操 作工确认刮板状态， 同时也避免换辊延时。
(2) 标定时，程序中HGC 缸压下速度设定有限幅值，仔细 研究设备特性，适当增大了HGC 缸压下速度限幅值，缩短了标 定时间。
(3) 工作辊窜辊零位信号偶尔丢失，导致标定连锁条件不满 足。优化程序为在标定过程中，忽略工作辊窜辊零位信号，即使 该信号丢失， 也不影响工作辊标定的进行。
(4) 原程序设计，标定开始前需要手动操作点击打开F1-F7 工作辊冷却水 ;手动关闭工作辊冷却水卸荷阀。优化程序后， 标 定开始时自动打开 F1-F7 工作辊冷却水 ;自动关闭工作辊冷却 水卸荷阀。
(5) 由于设备在线运行年数较长，两侧辊缝偏差精度已不满 足原程序设计要求，偶尔出现标定失败的情况。综合各方面的使 用要求，优化两侧辊缝偏差精度限幅值， 保证辊缝标定顺利完成。
5 设备改善
针对现场的设备问题，逐一进行解决。基于长期的维护经验，加之与国内先进生产线进行对标， 实施了一系列的设备改善 措施。
(1) 对锈蚀严重的接近开关支架和挡铁全部更换。
(2) 导卫移入、移出接近开关的安装位置由导卫下方迁移至 操作侧，方便解决开关问题。改善前，空间狭窄，更换开关只能 等待检修时才能实施。改善后， 利用换辊时间就能完成开关更换 任务。同时改造接近开关信号检测方式， 由上表面水平式改为侧 面垂直检测， 保证了信号的稳定性。
(3)上支撑辊平衡缸磁尺全部恢复，纳入正常的设备管理体系。
(4) 弯窜集成缸改造为固定块型式的设备，运行稳定，故障 率大大降低。
(5) 对接轴抱紧缸逐一更换下线修复，保证功能精度。同时 改造接近开关信号检测方式， 由水平式改为垂直式， 即使接轴抱 紧缸有间隙， 也不影响信号检测。
(6) 对磨损较大的换辊小车轨道和工作辊辊座滑靴进行更 换，然后进行试装辊调整。
(7) 对错位的横移平台， 及时处理调整， 使得横移平台对齐。
(8) 设计时接近开关选型为 IFM 分体插头式，虽然更换方 便，但是此型开关不适应于热轧高温、高湿的环境，插头处的 插针容易腐蚀，造成信号不稳定，于是重新选型为 IFM 一体式 接近开关，耐用抗腐蚀。另外活套编码器原始选型，防水等级 太低，容易进水损坏，造成故障停机，借鉴其它产线经验，改为 NSD 的活套编码器， 稳定可靠。
(9) 对轧机机顶端子箱和换辊坑端子箱进行改造。机顶端子 箱位置由轧机入出口改至操作侧和传动侧布置，辊坑端子箱取 消，并且更换电缆和阀台插头尾线、更换锈蚀严重的电缆桥架。
(10) 规范下支撑辊压力传感器的接线和路由，电缆更换为 带屏蔽线的电缆， 并且做好屏蔽线接地， 然后重新铺设新路由。
(11) 阀台的电磁阀、比例阀、伺服阀的尾线插头更换为一 体式密封型号的备件。另外对阀台加强通风， 降低水汽的聚集。
(12) 通过咨询换辊小车滑环相关设备厂家，重新选型，选 择滑环接触密实，运行稳定的滑环设备，同时对F1-F7 换辊小车 的卷筒电缆进行统一更换。通过以上措施的实施， 保证了换辊小 车顺稳运行。
(13) 规范传感器尾线路由，增设穿线管、卡套，固定尾线， 避免尾线被刮破、挤断。
6 结语
通过优化自动换辊顺控步序、控制程序、信号反馈判断程序 以及对现场设备的改善，换辊时间缩短了 5.5min。同时换辊稳定 性也提高了，大大降低了由于换辊问题导致的板坯推废次数和故 障停机时间，保证了生产的顺稳。快速自动换辊提高了产线作业 率，保证了产线达产、达效顺利实现， 创造了可观的经济效益。
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