专利名称：用于调节拉力和压力的方法以及相应的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种用于调节多机架热轧机的方法，尤其涉及一种没有力传感器的多机架轧机。所述方法尤其适用于消除当对产品进行轧制时产品所受到的干扰拉力和压力，所述产品可以是棒、板或金属型材。
众所周知，轧制操作不可避免地导致某种程度的和被轧制的金属变形有关的尺寸的改变。这主要是由于轧制力和转矩、被轧制的产品的温度以及摩擦系数在轧制期间不是被精确地保持常数的缘故。由于控制轧制工艺的方法，使得不能完全消除不精确性，例如瞬时速度中存在的小的改变。还存在由轧机的驱动系统的不完善而引起的振荡或者确实由于所用工具的磨损而造成的干扰。轧制数量中的变化和被馈入轧机的产品的尺寸的改变也造成最终产品的尺寸分布变劣。由于所有这些干扰，由对轧机的各个机架的轧制方案而确定的参考拉力不能被遵守。这使得在位于机架之间的间隔中的产品的那些部分存在拉力或压力。
在连续的轧制过程中，尤其当产品被插入机架时以及当每个机架的预先调节的速度不合适时，便在和多个相继的机架接触的产品中出现拉力或压力。如果下游机架具有拉上游机架的趋势，则在机架之间的产品受到拉力，如果上游机架具有通过产品推动下游机架的趋势，则产品受到压力。离开上游机架的产品的速度Vsn-1和其进入随后的下游机架的速度Ven的差值产生应力Δτ，其通过虎克定律表示，并被定义如下Δτ=E∫(Ven-Vsn-1)dtL]]>
其中Δτ是在两个机架之间的金属受到的拉力或压力的改变，L是机架之间的距离，E是杨氏模数。
当标号为n-1的上游机架的出口速度Vsn-1和标号为n的相继的机架的入口速度Ven不平衡时，则在机架之间的间隔内的金属中的应力改变，两个机架中每个机架的操作点向着一个平衡点移动，在所述平衡点上游机架的出口速度等于相继机架的入口速度。众所周知，这个改变使得被轧制金属的厚度改变，并使得两个相关机架的滑差(slip)改变。产生一种现象借以使轧制过程成为自稳定的，但是这种现象对产品的尺寸公差和所需的轮廓不利。
在轧制期间当产品在其整个长度上不完全均匀并在相关的截面与/或硬度中存在变化时，例如由于温度的改变而引起的改变，拉力和压力也出现在和多个相继机架接触的产品中。因而，进入机架n-1的产品的硬度的改变在离开所述机架时引起截面的改变，并且引起下游滑差的改变，因而导致金属从机架输出的速度的改变。
为了克服这些缺点，目前具有应用于多机架轧机的控制系统，其包括用于监视机架之间的各个间隔中的牵引力的装置，其中对逐个机架单独调节轧制转矩对轧制力的比。这种调节要求具有传感器，特别是价格昂贵的轧制力传感器，难于安装和维修，并构成潜在的导致崩溃的原因。此外，需要传感器的方法并不总是可以应用的，尤其是在用于生产棒或槽钢的轧机中，其中极少装有这种传感器。
因而本发明提供一种用于计算和调节加工热金属产品的多机架轧机系统中的拉力和压力的方法。
按照本发明的特征，从产品被送入轧机的各个机架时的初始状态开始，在所述产品到达其下游的一个机架的时刻，便在产品通过的每个机架上测量转矩，存储测量的值作为参考值，并且使进行测量的机架从速度调节转换为转矩调节。产品被送入的最后一个机架作为位于其上游的所有其它机架的速度控制机架，通过改变其速度，借以能够保持转矩等于其参考转矩。
在每个机架进行估算的牵引转矩和0牵引力时的轧制转矩的连续更新，估算的机架之间的牵引力值使得能够把这些值调节到按照轧制方案预先确定的值。这使得能够在最小的机架间牵引力的条件下进行轧制，如许多轧机操作者建议的那样。
按照本发明的特征，从参考转矩测量值被存储作为轧制参考值的时刻起，便使用下式表示的轧机机架之间的牵引力的分布密钥(distribution key)ΔCT,i=ΔCi-λiΣλiS0Riri]]>其中ΔCT，i按照其符号相应于在轧机的n个机架当中序号为i的机架的牵引力或压力的改变；Ri和ri是第i个机架的工作半径和减少比；S0相应于由机构看的测量的阻力转矩改变(ΔCi)(ΔCi.ri)并除以杠杆臂(ΔCi.ri/Ri)的和，其中ΔCi是第i个机架的阻力转矩Ci相对于存储的参考转矩的改变；如果S0.ΔCi的积为负，或者如果S0.ΔCi的积为正，并且在处理第一机架时测量的作为通过第二机架的速度的函数的阻力转矩的改变ΔCi的偏差超过一个可参数化的门限，或者如果S0.ΔCi的积为正，同时测量的阻力转矩ΔCi-1的改变大于第二可参数化的门限，并且所述测量的作为通过机架i，其中i＞1，的速度的函数的阻力矩的改变ΔCi-1的偏差小于第三可参数化的门限时，则λi等于0；或者如果S0.ΔCi的积为正，如果涉及第一机架并且测量的作为通过第二机架的速度的函数的阻力矩的改变ΔCi的偏差小于第四可参数化的门限，或者涉及的机架是其它机架，并且测量的阻力矩的改变ΔCi-1小于第五可参数化的门限，或者作为通过机架i，其中i＞1，的速度的函数的所述阻力矩的改变ΔCi-1的偏差大于第六可参数化的门限，则λi等于ΔCi。
本发明还提供一种用于控制加工热金属的多机架轧机的系统，其中机架被处于至少一个公共监控单元的控制下的编程的逻辑控制单元控制，所述系统的特征在于，其包括能够使其执行上述的方法的硬件和软件装置。
下面结合附图
详细说明本发明的特征和优点。
本发明唯一的附图是多机架轧机的方块图。
附图所示的轧机假定是用于加工金属产品B的热轧机。例如，其可以加工丝，或型材，或棒，或条，或板。该轧机一般由多个相继设置的机架构成，在轧机入口由机架11表示机架1，在轧机出口的机架是1n，中间的机架只示出12和1i，每个机架分别由一对轧辊表示。
机架的轧辊按照常规方式由电机驱动，每个电机在相应的控制单元2，例如单元21，22，2i或2n的控制下。这些单元本身是控制系统的一部分，在控制系统中，这些控制单元在至少一个监控单元3的控制下。所述控制和监控单元可以是编程的逻辑型的，并且它们以处理器为核心，各种存储器和专用接口和处理器相连，特别是用于控制机架并用于供操作人员操纵轧机。包括硬件和软件的这些元件的结构和功能是本领域技术人员熟知的，此处只说明和本发明相关的部分。
如上所述，本发明的方法试图以协调的方式消除干扰拉力和压力，其中对轧机机架的电动机采取措施，同时使用由各个机架产生的转矩作为参考，从而使得当所述产品通过每个机架时，在轧制的产品中获得“最小牵引力状态”。
控制这种连续运行以便获得最小牵引力具有两个优点首先可以在产品中保持恒定的最小应力，借以改善质量；其次能够使机架被调整的级数减少，借以避免由于初始的产品不合格而造成浪费。在产品被插入机架时并在产品的整个长度上施加控制。
在这种情况下，在插入时的最小牵引力控制基于使用转矩存储装置，其中假定轧制转矩CL的值是已知的。
按照常规方式，该值可以从下式确定Jdωdt=K.Φ.I-CL-CP]]>其中I是在机架的电动机中的感应电流，Φ是电动机中的感应磁场，ω是电动机的角速度，J是在电动机轴上看时的转动惯量，K是转矩系数，Cp是机械损失转矩。
电动机中的感应作用根据测量的电动机的转速ω被重构。轧制转矩被表示为CL=ωbaseMax(ω,ωbase)CNINI-Jdωdt-CP]]>其中CN和IN分别代表电动机的额定转矩和额定电流。
机架的轧制转矩可以在速度改变单元中被实时地计算，所述速度改变单元可以被包括在机架的控制单元中。在这种情况下，机架的轧制转矩可以由在速度级的出口获得的参考转矩Cm以及测量的速度获得。
然后，按下式计算轧制转矩CLCL=CM-J.dωdt-CP]]>对参考转矩进行的滤波用于使转矩和速度信号转换成相位，从而改变确定轧制转矩的精度。
下面参照附图所示的轧机的头两个机架说明转矩存储装置的例子。该装置基于一种初始状态，在此状态下，两个机架的电动机按照速度被调节，所述调节以常规方式实现，例如利用本申请人的SYCONUM型速度改变单元。
在由机架11轧制的产品进入机架12之前立即测量机架11的轧制转矩。此时在机架11的上游或下游没有牵引力或压力。用这种方式确定的转矩值作为初始参考值被存储，供相继的轧制期间使用。
在进行测量和相应的存储之后，机架11的电动机被从速度调节转换为转矩调节。产品一穿入机架12，根据速度调节的机架12作为机架11的前导机架，而机架11此时则用这种方式修改自身的速度，使得保持其转矩等于参考转矩。
在机架内产品的存在由存在“机架内产品”信号表示。该信号由机架的速度改变单元在没有速度瞬变的情况下在瞬时轧制转矩大于恒定的或者根据被轧制的产品而确定的门限值时产生，或者在发生速度瞬变的情况下在一个预定的时间长度内瞬时轧制转矩大于一个预定的门限值时产生。
用这种方式在两个机架之间实现的同步用于确保在由于机械惯性而产生的瞬变现象结束之后在机架之间的间隔内没有应力。所述同步通过考虑按照常规方式测量的机架电机的电源的电参数被获得。因此避免了当存在传感器时一般和传感器有关的执行问题和稳定性问题。
该装置是非常敏感的，使得由下游机架产生的牵引力的改变将引起机架中的轧制转矩的大的改变。
一旦在头两个机架之间的间隔中没有牵引力存在，便能够对第三个机架重复上述的操作，如此下去，直到完成对所有的机架的操作。按照顺序每个机架控制位于其上游的机架，直到由下一个机架进行的控制结束。
当要求产品在机架之间的间隔中应当处于一定量的牵引力或压力之下时，也可以使用这样的转矩存储装置，在这种情况下，在产品到达机架1i+1之前立即存储的机架1i的转矩值C0，i被修正，使其加上一个所需数量的牵引力或者压力，使得C0，i成为C0.i-Ti,i+1.Riri]]>其中Ti，i+1是机架之间牵引力或者压力的值，这取决于其正负号，Ri和ri是机架1i的工作半径和减少比。
还采取措施用于存储在轧制产品时由转矩存储装置对任何给定的机架产生的相对于由操作者确定的或者由轧制方案确定的额定初始参考值的速度校正量，从而校正要被轧制的下一个产品的所述参考值，如果各个产品是均匀的话。这使得轧机的各个机架能够根据在轧制开始时进行的校正对自身进行训练。
不过，在其余的轧制操作期间，在插入阶段期间转矩存储装置的使用最好不保持这种形式，使得不是所有的转矩变化都被认为是机架之间牵引力的变化。
这样，所有有关的机架的转矩都是可以调节的，而不仅仅是最后一个控制速度的机架，但是这不是在插入阶段期间被保持恒定的阻力转矩。只有相应于机架的牵引转矩的一部分转矩被调节。本发明的特征在于，提供一种用于高精度地估算机架之间的各个牵引力的值的装置。被调节的牵引力值一般相应于接近于0即没有牵引力的一个值，但是也可以相应于其它所需的值。
对于任何的机架i，当产品刚一进入机架i+1并且机架i+1的阻力转矩变得稳定时，便发生从插入阶段向正常轧制阶段的转换，因为冲击性的瞬变已经结束。
应当注意，在轧机中工作的最后一个机架被用作控制所有位于上游的其它机架的速度的机架。因此在最后一个机架发生的速度的任何变化必须被级联地反映到位于其上游的其它机架上，这通过一种用于调节机架之间的速度比的装置实现。
这种装置的用途是在插入产品的各个阶段期间以及在作为一个整体的轧机的加速期间控制每个机架的轧制输出，其被设计用于通过对每对机架中的上游的一个施加作用确保两个相继级例如级11和1i+1之间的转速比保持恒定。
为此，速度比例调节器装置在机架1i被转换为转矩调节时在被轧制的产品到达机架1i+1的入口之前的瞬间存储机架1i-1和1i的转速的比(ωi-1/ωi)0作为其参考值，以便使这一参考值在轧制期间被后一个机架利用。
机架1i的速度在被轧制的产品插入机架1i+1时因为转矩的调节而被自动修改，并且其启动位于其上游的机架1i-1的速度校正，其值为ΔVi-1=(ωi-1ωi)0.ΔVi]]>此时位于其上游的轧机的所有机架在对每个驱动装置进行的速度比调节的作用下都相继地保持同步。
在正常轧制期间，该原理仍然保持有效。机架i和i+1之间的牵引力通过对机架i的速度进行调节而被调节，并且如前所述，此时上游的所有机架在对每个驱动装置进行的速度比调节的作用下相继保持同步。
用于估算在机架之间的所有牵引力的算法起源于以下的原因起初假定在输入给入口机架1i以及在轧机的出口机架1n输出的产品中没有拉力或压力，并且假定0牵引力时轧制转矩是恒定的，并且在每个级中的阻力转矩的改变只由于机架之间的牵引转矩的变化产生的。则对于轧机的各个机架可以确定以下的关系
其中ΔCi是机架1i的阻力转矩相对于存储的转矩的改变，Ti按其符号是机架之间的拉力或压力，Ri和ri是机架1i的工作半径和减少比。
这些关系使得可以建立以下的公式Σi=1nCi.riRi=(0-T1)+(T1-T2)+..+(Ti-1-Ti)+..+(ΔTn-2-ΔTn-1)+(ΔTn-1-0)=0]]>
当由机架的电机转矩直接测量时，所述机架的轧制转矩由两个分量构成，即相应于0牵引力时的轧制转矩分量和相应于有牵引力或有压力时的转矩分量。其可以被表示为CL=CL,0+(Tin-Tout)Rr]]>其中CL是由机架的电动机看的轧制转矩，CL，0是由电动机看的在0牵引力时的轧制转矩，Tin和Tout分别是在相关的机架的入口和出口机架之间的拉力或压力。
两个分量的第一个分量相应于在没有来自机架的上游或下游的任何的牵引力或压力时要由机架电机提供的转矩。这些分量的第二个具有根据需要增加或减小要由相关的机架的电机提供的转矩的效果。
当在机架之间的拉力或压力的变化和被轧制的产品的硬度或温度相关，或者和所述产品的尺寸误差相关时，则上述关系变成
这些关系给出以下的公式Σi=1nΔCi.riRi=Σi-1nΔCL,0,i.riRi=S0]]>其中S0相应于由机构看的轧制转矩改变(ΔCi)(Ci，ri)并除以杠杆臂(ΔCi.ri/Ri)的和。
这使得能够实时地计算信号S0，因为所有的阻力转矩都可以得到，或者由转矩表直接读出，或者通过根据对每个电机进行的并使得可在电机的控制单元中得到的电气测量确定电机转矩而间接地得到。
还可以确定给定机架的阻力转矩的改变，即变为0牵引力轧制转矩CL，0，i，或者在机架的入口与/或出口出现拉力或压力，并且还可以确定在引起阻力转矩中的最后变化的这些可以的原因的各自的作用。
在这种情况下，这些作用的分布密钥(distribution key)可以通过以下的公式给出ΔCL,0,i=β.λi.S0.Riri]]>其中ΔCL，0，i代表机架i在0牵引力条件下轧制转矩的改变，λi由以下的算法给出，其中如果S0.ΔCi的积为负，或者如果S0.ΔCi的积为正，并且测量的作为通过第二机架的速度的函数的阻力矩的改变ΔCi的偏差超过一个可参数化的门限，或者如果S0.ΔCi的积为正，同时测量的阻力矩ΔCi-1的改变大于第二可参数化的门限，并且所述测量的作为通过机架i的速度的函数的阻力矩的改变ΔCi-1的偏差小于第三可参数化的门限，其中i＞1，则λi等于0；或者如果S0.ΔCi的积为正，如果机架是第一机架，并且测量的作为通过第二机架的速度的函数的阻力矩的改变ΔCi的偏差小于第四可参数化的门限，或者机架是其它机架，或者测量的阻力矩的改变ΔCi-1小于第五可参数化的门限，或者作为通过机架i的速度的函数的所述阻力矩的改变ΔCi-1的偏差大于第六可参数化的门限，其中i＞1，则λi等于ΔCi。
对于0牵引轧制转矩中的偏差ΔCL，0，1，多机架轧机的分布密钥可以被写成下式Σi=1nΔCL,0,i.riRi=β.S0Σλi=S0]]>其中β=1Σλi]]>这种形式是通用的，而和机架的转矩值无关。
当偏差和牵引力有关时，对于多机架轧机中的机架的分布密钥ΔCT，i等于ΔCT,i=ΔCi-λiΣλiS0Riri]]>并且下式仍然适用ΣriRiΔCT,i=0]]>此时可以从轧机的出口机架1n向回逐个机架地直到入口机架11，估算上游和下游的牵引力分别对于每个机架的电动机的总的牵引转矩的分布。
使用下面的关系进行这一计算
在机架Ti之间的牵引力与/或压力可以根据上面的关系确定。
所使用的控制系统是一种完全数字化的系统，其中在机架之间的所有的牵引力按照系统的采样周期被周期地计算。
因而，在时刻t＝n.T，其中T是采样周期，n是采样标号，可以写成下式Cmem,i(n)=Cmem,o,i+Σj=1nΔCL,o,i(j)]]>其中Cmem，0，i代表在时刻t＝0时存储的相当于输入机架i上的0牵引轧制转矩的参考转矩。
Cmem，i(n)是在时刻n.T对于机架i存储的转矩。
ΔCL，0，i(j)代表在相对于前一时刻(j-1).T的时刻t＝j.T机架i的0牵引轧制转矩的变化。
作为机架i的轧制转矩相对于在前一时刻存储的转矩的变化ΔCi(n)此时被写为ΔCi(n)＝ΔCL，0，i(n)+ΔCT，i(n)＝Ci(n)-Cmem，i(n-1)其中Ci(n)是在时刻n.T的机架i的轧制转矩。
转矩Cmem，i和转矩变化ΔCi在上面规定的每个采样时刻被计算。
然后使用分布密钥利用上述的算法计算转矩变化ΔCL，0，i和ΔCT，i。
重要的是观察到，本发明的特征在于，在轧制期间随着转矩的变化，连续地更新被存储的代表机架i的0牵引轧制转矩的参考转矩Cmem，i。
因而使机架之间的牵引转矩得到调节，然而，没有根据任何机架的总的阻力转矩进行调节。故障，例如产品的硬度或尺寸的改变，当所述故障在机架中要被发现时在阻力转矩中产生一个跃变，这使得控制系统执行本发明的方法，从而消除由于离开机架的产品的截面的变化和所述机架下游的滑差率的改变而必然出现的机架之间的拉力/压力的改变，因而逐个机架串级地进行校正。
权利要求
1.一种用于调节加工热金属产品的多机架轧机中的拉力和压力的方法，所述方法的特征在于，从产品被送入轧机的各个机架时的初始状态开始，在所述产品到达其下游的一个机架的时刻，便在产品通过的每个机架上测量转矩，存储测量的值作为参考值，并且使进行测量的机架从速度调节转换为转矩调节，并且产品被送入的最后一个机架作为位于其上游的所有其它机架的速度控制机架，通过改变其速度，借以使得保持转矩等于其参考转矩。
2.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于，从参考转矩测量值被作为轧制参考值存储的时刻起，便使用下式表示的轧机机架之间的牵引力的分布密钥(distribution key)ΔCT.i=ΔCi-λiΣλiS0Riri]]>其中ΔCT，i按照其符号相应于在轧机的n个机架当中序号为i的机架的牵引力或压力的改变；Ri和ri是第i个机架的工作半径和减少比；S0相应于由机构看的测量的阻力转矩改变(ΔCi)(ΔCiri)并除以杠杆臂(ΔCi.ri/Ri)的和，其中ΔCi是第i个机架的阻力转矩Ci相对于存储的参考转矩的改变；如果S0.ΔCi的积为负，或者如果S0.ΔCi的积为正，并且在处理第一机架时测量的并作为通过第二机架的速度的函数的阻力转矩的改变ΔCi的偏差超过一个可参数化的门限，或者如果S0.ΔCi的积为正，同时测量的阻力转矩ΔCi-1的改变大于第二可参数化的门限，并且所述测量的作为通过机架i，其中i＞1，的速度的函数的阻力矩的改变ΔCi-1的偏差小于第三可参数化的门限时，则λi等于0；或者如果S0.ΔCi的积为正，当涉及第一机架并且测量的作为通过第二机架的速度的函数的阻力矩的改变ΔCi的偏差小于第四可参数化的门限时，或者当涉及的机架是其它机架，并且测量的阻力矩的改变ΔCi-1小于第五可参数化的门限时，或者作为通过机架i，其中i＞1，的速度的函数的所述阻力矩的改变ΔCi-1的偏差大于第六可参数化的门限，则λi等于ΔCi。
3.一种用于控制加工热金属的多机架轧机的系统，其中机架被处于至少一个公共监控单元的控制下的编程的逻辑控制单元控制，所述系统的特征在于，其包括能够完成以下功能的硬件和软件装置在产品通过的每个机架处测量转矩的值，并在所述产品到达其下游的下一个机架的时刻进行所述测量；当产品到达下游的下一个机架时使通过所述产品的机架从速度调节转换为转矩调节；以及启动产品最后通过的机架使其作为位于其上游的所有其它机架的速度控制机架。
全文摘要
在金属产品(B)通过的每个机架(文档编号B21B37/52GK1260251SQ00100948
公开日2000年7月19日 申请日期2000年1月11日 优先权日1999年1月11日
发明者约瑟夫·施维特 申请人:阿尔斯托姆公司