4. Виды петлевых устройств

Существует несколько видов петлевых устройств, которые отличаются друг от друга, в основном, способом заправки полосы (горизонтальные (рис. 2) или вертикальные (рис. 3)), количеством петель для накопления полосы металла и возможным запасом полосы.

Рис. 2. Петлевое устройство горизонтального типа, с четырьмя петлями.

Рис. 3. Петлевое устройство вертикального типа.

Непрерывность процесса прокатки достигается именно за счет запаса полосы в петлевом устройстве. Так при отсутствии запаса полосы в петлевом устройстве средняя часть стана будет вынужденно простаивать. В связи с этим, информация о длине полосы металла в петлевом устройстве является необходимым компонентом для эффективной работы технологов стана непрерывной прокатки.

Неправильные показания и расчет запаса полосы в петлевом устройстве могут привести как к появлению дефектов у обрабатываемой полосы, так и к аварийным ситуациям. Негативные последствия может вызвать также и неточное определение положения сварного соединения, так при подходе шва к первой клети стана необходимо своевременное снижение скорости прокатки. Следовательно, нужно точно рассчитать скорость движения шва на различных участках головной части стана, а также определить координату местоположения шва от стыкосварочной машины до первой клети стана.

5. Методы определения положения сварного шва

Основным методом определения положения сварного соединения является нанесение различных меток на полосу и дальнейшее считывание их в процессе прокатки. Считывание может быть как контактным, так и бесконтактным. Метки в районе шва можно наносить с помощью флуоресцирующего или фосфоресцирующего вещества, лакокрасочного изоляционного покрытия и магнитного порошка. Кроме того, индикация может осуществляться радиоактивным методом и фотоследящим устройством. Индикация с помощью фотоследящего устройства (иначе называемая оптическим методом) предполагает предварительное пробивание отверстия в районе шва. Именно этот метод используется в существующей системе слежения за сварным швом, на базе датчиков ИКО-1 и ИКО-2.

Для вычисления запаса полосы в петлевом устройстве используется кодовый датчик КД-4МК (установленный на валу привода тележек петлевого устройства).

6. Выводы по технологической части

В технологической части были рассмотрены следующие теоретические положения:

1. Краткая характеристика технологического процесса пятиклетевого стана холодной прокатки 1700;

2. Виды сварных соединений и методы определения положения сварного шва;

3. Описание конструкции и принцип работы петлевого устройства, а так же виды петлевых устройств.

2. Специальная часть

1. Назначение и описание работы существующей системы слежения за координатой сварного шва.

Система слежения за координатой сварного шва входит в состав АСУТП стана 1700 и предназначена для автоматического выполнения следующих задач:

• определение запаса полосы металла в петлевом устройстве;

• отслеживание положения сварных швов и дефектов полосы в петлевом устройстве;

• выдача сигнала в систему управления замедлением стана при прокатке участка полосы, содержащего сварной шов или дефект; (выдача управляющего воздействия в систему управления)

Входная информация системы слежения за координатой сварного шва

Информация от датчиков, расположенных в головной части стана:

• Информация от кодового датчика КД-4МК, установленного на валу привода тележек петлевого накопителя, которая необходима для расчета запаса полосы в петлевом устройстве.

Кодовый датчик КД-4МК реализует функции преобразования угла поворота вала привода тележек петлевого накопителя в двоичный код и контроля достоверности считываемого кода [20].

Выходной сигнал датчика КД-4МК – параллельный двоичный нормальный код.

Для осуществления контроля достоверности информации на выходе датчика формируется два контрольных разряда в виде дополнения до четности или нечетности выходного цифрового кода.

Разрешающая способность датчика составляет 13 разрядов при номинальной цене единицы наименьшего разряда кода – 2⁰48'45''.

Датчик КД-4МК состоит из входного вала, на котором закреплен кодовый диск младших разрядов (с 1 по 7) и через редуктор кодовый диск старших разрядов (с 8 по 13). Кодовые диски для младших и старших разрядов одинаковы и выполнены из оптического стекла с нанесенной на него специальной шкалой (рис. 4).

Рис.4. Кодовый диск датчика КД-4МК.

Рис.5. Датчик КД-4МК.

С одной стороны каждого диска установлено два блока фотодиодов, с другой – два блока светодиодов (рис. 5). При вращении входного вала датчика, вращаются кодирующие диски. Диск младших разрядов вращается с входным валом со скоростью 1:1. Диск старших разрядов вращается с входным валом со скоростью 1:64. Поток инфракрасного света, излучаемый светодиодами, проходит сквозь не закрашенные участки кодирующего диска, попадает на светочувствительные площадки фотодиодов, образуя фототоки. Фототоки с фотодиодов поступают в электрическую схему датчика, которая формирует выходной двоичный код и контрольные разряды.

• Информация от индикатора контрольных отверстий ИКО-1, которая необходима для определения прохождения сварного шва, полученного на агрегатах непрерывного травления металла, и информация от ИКО-2, которая необходима для определения прохождения всех сварных швов,

Индикатор контрольных отверстий ИКО-5 предназначен для выявления сквозных контрольных отверстий в полосе металла и выдачи об этом сигнала в систему слежения за металлом [18].

Выходной сигнал ИКО-5 – сигнал в виде замыкания нормально открытых контактов встроенного реле. Длительность сигнала равна 0,2с ± 0,1с.

ИКО-5 состоит из осветителя, фотоприемника и блока управления (см. рис.6). Осветитель состоит из десяти светодиодов, излучающих в инфракрасной области, и шести линз.

Рис.6. Датчик ИКО-5.

Светодиоды расположены в фокальной плоскости линз и смещены относительно их центра на расстояние, равное четверти диаметра. Благодаря такому расположению светодиодов каждая линза, за исключением крайних, формирует два наклонных световых пучка, а вся контролируемая плоскость полосы освещена одновременно двумя световыми потоками. Поэтому при выходе из строя любого из светодиодов световой поток через контрольное отверстие не исчезает, а уменьшается лишь в 2 раза и будет зарегистрирован фотоприемником. Фотоприемник состоит из десяти фотодиодов и пяти линз. Фотодиоды расположены относительно линз так же, как светодиоды в осветителе, благодаря чему световой поток через контрольное отверстие регистрируется сразу двумя фотодиодами. При показанном на рис.6 положении контрольного отверстия световой поток через него проходит от двух светодиодов (4-го и 7-го) и регистрируется двумя фотодиодами

(3-м и 8-м).

Световой поток, зарегистрированный фотодиодами, преобразуется в электрические импульсы частотой 5 кГц. После усиления и формирования импульсы попадают на накопительный счетчик и далее на компаратор. При поступлении импульсов на вход накопительного счетчика напряжение на его выходе начинает увеличиваться пропорционально количеству поступивших импульсов. При достижении величины напряжения на выходе накопительного счетчика, равного напряжению уставки компаратора, последний срабатывает и запускает одновибратор. Напряжение уставки выбрано из расчета срабатывания компаратора при поступлении на вход накопительного счетчика не менее восьми импульсов. Сигнал с выхода одновибратора длительностью 0,2 с. поступает в блок управления на базу выходного транзистора. Транзистор открывается, и реле срабатывает. Нормально открытые контакты реле замыкаются, тем самым регистрируя прохождение контрольного отверстия.

• Информация от импульсных датчиков ПДФ-5, установленных на валу натяжного устройства и на валу ролика натяжения. Данная информация необходима для расчета длины полосы, выбранной из петлевого накопителя.

Импульсный датчик ПДФ-5 предназначен для преобразования угла поворота вала натяжного устройства или ролика натяжения в число импульсов и угловой скорости вала в частоту следования импульсов [21].

Выходные сигналы датчика – две серии импульсов по двум раздельным каналам (рис. 7). Также предусмотрен нулевой импульс в прямом и инверсном виде. Число импульсов на оборот в каждой серии равно 1000. Скважность импульсов 2±0,2. Импульсы двух серий Б1 и Б2 сдвинуты друг относительно друга на 90±20 электрических градусов. (При вращении вала по часовой стрелке импульсы Б2 отстают от импульсов Б1). Каждая серия импульсов выходных сигналов представлена в прямом и инверсном виде. Длительность фронтов импульсов не более 1 мкрс. Максимальная частота импульсов 100 кГц.

Действие датчика ПДФ-5 основано на появлении фототока в приемнике излучения под влиянием падающих на него лучей. Основные детали считывающего узла датчика: подвижный растровый диск, укрепленный на валу датчика; неподвижный индикаторный диск, закрепленный в корпусе; светодиоды и фотодиоды (рис. 8).

Вращаясь, растровый диск в паре с индикаторным диском создает обтюрационное растровое сопряжение. Ширина штрихов на дисках одинакова и равна , где t – шаг растра. Штрихи индикаторного диска перед фотодиодом первого канала сдвинуты на (180 электрических градусов) относительно штрихов перед вторым фотодиодом этого же канала. Точно такой же сдвиг осуществлен на индикаторном диске и для второго канала. Штрихи для первого и второго каналов на индикаторном диске разнесены таким образом, что обеспечивают сдвиг разных каналов на 90 электрических градусов. Для формирования выходного сигнала в одном канале датчика используются два фотодиода, освещаемые одним светодиодом. В нулевом канале используется один фотодиод.

Рис.7. Выходные сигналы импульсного датчика ПДФ-5.

Рис.8. Конструкция считывающего узла датчика ПДФ-5:

С0, С1, С2 – светодиоды; Ф0, Ф1, Ф1^’, Ф2, Ф2^’ – фотодиоды.

• Информация от системы измерения массы на единицу площади «ROBOTRON 24 024» служит для бесконтактного определения массы на единицу площади или толщины ленточных или листовых материалов при непрерывном изготовлении по радиометрическому методу просвечивания. Используется для непрерывного технологического контроля, а также в качестве датчика регулирующих сигналов в рамках автоматизации процесса.

Основное исполнение системы измерения массы на единицу площади «ROBOTRON 24 024» состоит из шкафа «75 187» с блоком обработки измеряемых величин «23 186» и блока электропитания «23 187», прибора управления «23 188» и зонда «М 7200».[19]

Рис. 9. Конструкция системы измерения массы на единицу площади.

При измерении просвечиванием излучатель и измерительная головка находятся соответственно на противоположных сторонах измеряемого материала. В качестве эффекта измерения используется абсорбция излучения радионуклида, происходящая в результате взаимодействия с атомами измеряемого материала. Масса на единицу площади m_A представляет собой произведение толщины d и плотности :

Электрический сигнал, получаемый детектором излучения, однако не является линейным, но более или менее точно подчиняется экспоненциальной функции:

где  - коэффициент ослабления массы, характерный для измеряемого материала (зависит от сортамента металла).

Предоставляемые измерительной головкой сигналы после аналого-цифрового преобразования обрабатываются встроенной микроЭВМ. В зависимости от установки измеряемое значение рассчитывается либо в виде действительного значения, либо после сравнения заданного и действительного значений в виде абсолютного или относительного отклонения от заданного значения.

Система измерения имеет три независимых друг от друга аналоговых выхода с диапазонами от 0 до +10В или от -10 до +10В, в зависимости от настройки.

• Информация о наличии на полосе дефекта, которая необходима для регистрации дефекта полосы. Оператор на пульте управления разматывателями или пульте управления стыкосварочной машиной визуально определяет проходящий участок полосы, содержащий дефект, и сигнализирует об этом, нажимая на кнопку “Дефект полосы”.

Выходная информация системы слежения за координатой сварного шва.

1. Команды “Нормальный останов” и “Так держать” в систему управления режимами стана при управлении замедлением стана. По команде “Нормальный останов” скорость стана снижается, по команде “Так держать” – скорость не изменяется.

2. Информация для системы визуализации технологических параметров: значение текущего запаса полосы в петлевом устройстве, значение текущего положения сварных швов и дефектов и др.

Функциональная схема существующей системы слежения за координатой сварного шва представлена в Приложении Б.

Описание работы системы слежения за координатой сварного шва.

Алгоритм работы системы слежения за координатой сварного шва представлен на следующем рисунке. Данный алгоритм выполняется циклически и непрерывно.

Рис.10. Алгоритм работы системы слежения за координатой сварного шва.

Расчет текущего запаса полосы в петлевом устройстве (блок 3)

В начале каждого нового цикла алгоритма рассчитывается текущий запас полосы в петлевом устройстве.

Запас полосы в петлевом устройстве – длина полосы между стыкосварочной машиной и первой клетью стана. Расчет производится на основании выходного кода датчика КД-4МК.

Известно, что одному обороту вала привода тележек петлевого накопителя соответствует:

• изменение запаса полосы в петлевом устройстве на 126,7 метров;

• изменение выходного кода датчика на 128 единиц.

Следовательно, вес младшего разряда датчика равен м.

Текущий запас полосы в петлевом устройстве вычисляется по формуле

, (2.1)

где – текущий запас полосы в петлевом устройстве, м.;

= 0,99 м. – масштабный коэффициент перевода значения из кода в метры;

– текущий код на выходе датчика;

– код на выходе датчика при минимальном запасе полосы в петлевом устройстве;

– минимальный запас полосы в петлевом устройстве, м.

Регистрация травильного шва (блоки 4 и 5)

Травильный шов – это сварной шов, получаемый при сварке рулонов на агрегатах непрерывного травления металла, после которых рулоны поступают на стан 1700.

Условия для регистрации травильного шва:

1. Наличие сигнала от датчика ИКО-1. При прохождении контрольного отверстия в полосе металла через датчик, последний формирует сигнал и передает его в систему слежения за металлом. После сигнала от ИКО-1 в переменную S₁ записывается значение запаса полосы в петлевом устройстве

, (2.2)

где – запас полосы в петлевом устройстве в момент срабатывания датчика ИКО 1, м.;

– текущий запас полосы в петлевом устройстве, рассчитанный по формуле (2.1), м.

2. Отсутствие сигнала “Сварка рулонов”. Датчик ИКО-1 срабатывает не только при прохождении контрольного отверстия, но и в промежутке между задним и передним концами полос. Это происходит при заправке концов полос в стыкосварочную машину на заправочной скорости. Когда происходит сварка, выдается битовый сигнал “Сварка рулонов” из контроллера стыкосварочной машины. Так как травильный шов обычно расположен ближе к середине рулона, то в этот момент скорость механизмов головной части стана равна рабочей скорости, что означает отсутствие сигнала “Сварка рулонов”. Поэтому, если будет получен сигнал “Сварка рулонов”, то срабатывание ИКО-1 игнорируется и регистрации травильного шва не происходит, а в дальнейшем будет зарегистрирован сварной шов стана 1700 (в блоке 9).

3. После сигнала от ИКО-1 и отсутствия сигнала “Сварка рулонов” участок полосы с травильным швом должен пройти стыкосварочную машину и попасть в петлевое устройство (т.е. пройти не менее 25 м.). При каждом новом цикле алгоритма проверяется условие

, (2.3)

где – текущий запас полосы в петлевом устройстве, рассчитанный по формуле (2.1), м.;

– запас полосы в петлевом устройстве в момент срабатывания датчика ИКО-1, рассчитанный по формуле (2.2), м.;

– длина выбранной полосы из петлевого устройства, м.

рассчитывается следующим образом. Используя выходные импульсы датчика ПДФ-5, определяется угол поворота барабана натяжного устройства или ролика натяжения: 1000 выходных импульсов датчика на один оборот барабана. Диаметр барабана равен 1,2 м., поэтому, подсчитывая число импульсов датчика, пришедших за время t (время выполнения одного цикла алгоритма), определяем длину полосы, выбранной из петлевого устройства за это время

, (2.4)

где – длина полосы, выбранной из петлевого устройства, м.;

D = 1,2 м. – диаметр барабана натяжного устройства или ролика

натяжения;

– коэффициент передачи между оборотами датчика и барабана

(подбирается вручную);

– приращение числа импульсов датчика за время t.

Следующая регистрация травильного шва возможна только через 25 метров полосы. Если все условия выполнены, будет зарегистрирован травильный шов. Регистрация травильного шва происходит следующим образом: в оперативной памяти контроллера имеется массив из 9 элементов (массив швов). В элемент массива записывается структура, содержащая три поля:

• число, соответствующее типу шва (травильному шву

присваивается тип 3);

• значение расстояния от шва до первой клети целого типа;

• значение расстояния от шва до первой клети типа с плавающей

точкой.

Начальное расстояние от травильного шва до первой клети рассчитывается по формуле

, (2.5)

где – расстояние от травильного шва до первой клети, м.;

– текущий запас полосы в петлевом устройстве, рассчитанный по формуле (2.1), м.;

– длина выбранной полосы из петлевого устройства, рассчитанная по формуле (2.4), м.;

= 30 м. – расстояние от датчика ИКО-1 до стыкосварочной машины.

Регистрация дефекта полосы (блоки 6 и 7)

Дефект полосы – дефект травления полосы (перетрав, недотрав), полученный на агрегатах непрерывного травления, или механический дефект (загиб, надрыв и др.).

Условием для регистрации дефекта полосы является наличие сигнала при нажатии оператором кнопки “Дефект полосы”. Регистрация дефекта аналогична регистрации травильного шва: в следующий свободный элемент массива (или в свободный первый элемент) записывается структура, содержащая три поля: тип шва (дефекту полосы присваивается тип 4), значение расстояния от дефекта до первой клети целого типа и типа с плавающей точкой. Начальное расстояние от дефекта полосы до первой клети приравнивается значению запаса полосы в момент получения сигнала “Дефект полосы”, т.е.

, (2.6)

где – расстояние от дефекта полосы до первой клети, м.;

– текущий запас полосы в петлевом устройстве, рассчитанный по формуле (2.1), м.

После сигнала “Дефект полосы” в петлевое устройство должно быть набрано не менее 20 метров полосы. Это необходимо, чтобы не допустить многократную регистрацию одного и того же дефекта при долго нажатой кнопке или дребезге контактов. Следующая регистрация дефекта возможна только через 20 метров пройденной полосы. При каждом новом цикле алгоритма проверяется условие

, (2.7)

где – текущий запас полосы в петлевом устройстве, рассчитанный по формуле (2.1), м.;

– расстояние от дефекта полосы до первой клети, рассчитанное по формуле (2.6), м.;

– длина выбранной полосы из петлевого устройства, рассчитанная по формуле (2.4), м.

Регистрация сварного шва (блоки 8 и 9)

Сварной шов – шов, полученный при сварке концов полос на стане 1700.

Условия для регистрации сварного шва:

1) Наличие сигнала “Сварка рулонов” из контроллера стыкосварочной машины, после которого в переменную S₂ записывается значение запаса полосы в петлевом устройстве

, (2.8)

где – запас полосы в петлевом устройстве после сигнала “Сварка рулонов”, м.;

– текущий запас полосы в петлевом устройстве, рассчитанный по формуле (2.1), м.

2) После сигнала “Сварка рулонов” необходимо, чтобы место сварки концов полос было заправлено в петлевое устройство не меньше, чем на 20 метров. При “тяжелом” сортаменте металла (например, при большой разнице толщин свариваемых полос) или при неполадках в работе стыкосварочной машины оператор вынужден вырезать некачественный шов и сваривать концы полос заново. Поэтому после заправки в петлевое устройство 20-ти метров полосы можно считать, что сварной шов не будет выбран обратно и переварен.

, (2.9)

где – текущий запас полосы в петлевом устройстве, рассчитанный по формуле (2.1), м.;

– запас полосы в петлевом устройстве, рассчитанный по формуле (2.8), м.;

– длина выбранной полосы из петлевого устройства, рассчитанная по формуле (2.4), м.

Если все условия выполнены, будет зарегистрирован сварной шов. Регистрация сварного шва аналогична регистрации травильного шва и дефекта: в элемент массива записывается структура, содержащая три поля: тип шва (сварному шву присваивается тип 2), значение расстояния от сварного шва до первой клети целого типа и типа с плавающей точкой.

Начальное расстояние от сварного шва до первой клети рассчитывается по формуле

, (2.10)

где – расстояние от сварного шва до первой клети, м.;

– текущий запас полосы в петлевом устройстве, рассчитанный по формуле (2.1), м.;

– длина выбранной полосы из петлевого устройства, рассчитанная по формуле (2.4), м.

Стоит отметить еще одну особенность, связанную с работой ССМ на стане: при подготовке рулонов к сварке с обеих сторон ССМ делаются петли полос для обеспечения плотного и точного совмещения концов. По окончании сварки, в зависимости от различных причин, эти петли могут либо сбрасываться вперед в петлевое устройство, либо вытягиваться назад на разматыватель. Поэтому точность определения начального положения сварного шва невелика (порядка ± 2…5 метров в обе стороны). Точное положение сварного шва определяется по сигналу с датчика ИКО-2.

Расчет текущего положения шва и дефекта в петлевом устройстве (слежение за швами и дефектами) (блок 10)

Слежение за швами и дефектами в петлевом устройстве начинается после их регистрации и заканчивается после сигнала от датчика ИКО-2 (для травильных и сварных швов). Слежение за дефектами в петлевом устройстве заканчивается, когда расстояние от дефекта до первой клети уменьшится до 13,4 м. После этого начинается слежение за швами и дефектами в клетях стана.

Слежение заключается в следующем: при регистрации шва (дефекта) рассчитывалось его начальное положение в петлевом устройстве (расстояние от шва (дефекта) до первой клети). После этого при каждом новом цикле алгоритма рассчитывается текущее положение швов (дефектов) по формуле

, (2.11)

где – расстояние от шва (дефекта) до первой клети, рассчитанное по формуле (2.5) (для травильного шва) или (2.6) (для дефекта полосы) или (2.10) (для сварного шва) м.;

– длина выбранной полосы из петлевого устройства, рассчитанная по формуле (2.4), м.

Таким образом, уменьшая на расстояние между швом (дефектом) и первой клетью стана, получаем текущее положение шва (дефекта).

Вся информация от датчиков установленных в головной части стана поступает в ПЛК SIEMENS SIMATIC S7-400, где происходит ее обработка и выдача управляющего воздействия в систему управления скоростью.