СИСТЕМА ВЫЧИСЛЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МАССЫ ДВИЖУЩЕЙСЯ ПОЛОСЫ

Полезная модель относится к системам вычисления теоретической массы движущейся полосы наматываемой в рулон при прокатке металла на непрерывных станах, а также и в других производствах, где требуется контролировать теоретическую массу продукции.
Известно устройство для измерения теоретической массы материала [А.С. СССР №560146, МКИ: G01G 17/02, 1977 г.], содержащее мерильный ролик, охватываемый полосой металла, датчик импульсов, задатчик веса, генератор импульсов, блок сравнения, счетчики, вычислительный блок, измеритель длины, блок формирования останова, исполнительный орган, схему управления, узел ввода величины упреждения и задатчик величины упреждения.
Недостатком устройства является низкая точность вычисления теоретической массы металла вследствие использования мерильного ролика охватываемого полосой. В устройстве существенна погрешность при измерении длины в результате износа мерильного ролика, поскольку уменьшается его радиус, кроме того, имеет место проскальзывание движущейся полосы относительно ролика в переходных режимах.
За прототип принята система вычисления теоретической массы полосы, содержащая датчик толщины полосы, аналого-цифровой преобразователь, вычислитель среднего значения толщины полосы, счетчик импульсов, задатчик импульсов, подсистему управления скоростью стана, подсистему управления режущим механизмом [А.С. СССР №1235575, МКИ: В21В 37/00, 1986 г].
Недостатком существующей системы является низкая точность вычисления теоретической массы металла вследствие использования мерильного ролика охватываемого полосой, изменяющего свой радиус из-за износа ролика при контакте с металлом.
Техническим результатом является повышение точности вычисления теоретической массы движущейся полосы, за счет исключения из системы мерильного ролика и применения импульсного датчика числа оборотов моталки, а также вычисления
отклонения значения толщины полосы от номинального значения, вычисления отклонения массы текущего витка и суммы отклонений масс витков.
Технический результат достигается тем, что система вычисления теоретической массы движущейся полосы, содержащая датчик толщины полосы, аналого-цифровой преобразователь, вычислитель среднего значения толщины полосы, счетчик импульсов, задатчик импульсов, подсистему управления скоростью стана, подсистему управления режущим механизмом, согласно полезной модели, система дополнительно содержит импульсный датчик числа оборотов моталки, счетчик числа оборотов, вычислитель текущего радиуса моталки, вычислитель длины текущего витка, вычислитель текущего значения массы витка, вычислитель отклонения толщины полосы от номинального значения, вычислитель отклонения массы витка от номинального значения, счетчик-сумматор текущих длин витков, счетчик-сумматор текущих масс витков, счетчик-сумматор текущих отклонений масс витков от номинального значения, вычислитель оставшейся длины полосы, блок-задатчик теоретической массы рулона, вычислитель заданной длины полосы в рулоне, вычислитель теоретической массы, вычислитель разности заданной длины полосы в рулоне и суммарного значения текущих значений длин витков, первый и второй компараторы, при этом счетчик числа оборотов своим входом связан с входом счетчика импульсов и выходом датчика числа оборотов, а своим выходом соединен с вторым входом вычислителя среднего значения толщины полосы, выход которого связан с входами вычислителя текущего радиуса моталки, вычислителя отклонения толщины полосы от номинального значения и вычислителя текущего значения массы витка второй вход, которого соединен с выходом вычислителя текущего радиуса моталки и входом вычислителя длины текущего витка, выход которого связан с входами счетчика-сумматора текущих длин витков и вычислителя отклонения массы витка от номинального значения второй вход, которого связан с выходом вычислителя отклонения толщины полосы от номинального значения, а выход вычислителя отклонения массы витка от номинального значения соединен с входом счетчика-сумматора текущих отклонений масс витков от номинального значения выход, которого подсоединен к входу вычислителя теоретической массы второй вход, которого связан с выходом счетчика-сумматора текущих масс витков вход, которого соединен
с выходом вычислителя текущего значения массы витка, первый компаратор своими входами соединен с выходами вычислителя теоретической массы и блоком-задатчиком теоретической массы рулона, а выходом с подсистемой управления режущим механизмом, выход блока-задатчика теоретической массы рулона подсоединен к входу вычислителя заданной длины полосы в рулоне, выход которого связан с одним из входов вычислителя разности заданной длины полосы в рулоне и суммарного значения текущих значений длин витков, второй вход, которого связан с выходом счетчика-сумматора текущих длин витков, а выход вычислителя разности связан с одним из входов второго компаратора второй вход, которого подключен к выходу вычислителя оставшейся длины полосы, а выход второго компаратора связан с подсистемой управления скоростью стана.
Таким образом, предложенная полезная модель позволит повысить точность вычисления теоретической массы движущейся полосы за счет исключения из системы мерильного ролика и применения импульсного датчика числа оборотов моталки, а также вычисления отклонения значения толщины полосы от номинального значения, вычисления отклонения массы текущего витка и суммы отклонений масс витков.
На функциональной схеме показана система вычисления теоретической массы движущейся полосы.
i
i
Система включает в себя толщиномер 1 (например, радиоизотопный) выходом соединенный с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 2, выход которого соединен с вычислителем 3 среднего значения толщины полосы. Система содержит также импульсный датчик числа оборотов моталки 4 (ДИ) выходом связанный со счетчиком импульсов 5. Выход блока 5 связан с входом запуска АЦП 2. Второй вход счетчика импульсов 5 соединен с задатчиком импульсов 6. Выход импульсного датчика числа оборотов моталки 4 (ДИ) связан также с входом счетчика числа оборотов моталки 7, выход которого подключен ко второму входу вычислителя 3 среднего значения толщины полосы h. На схеме показаны летучие барабанные ножницы 8, а также рулон 9, в который наматывается полоса. Выход вычислителя 3 среднего значения толщины h, соединен с вычислителем отклонения толщины полосы от номинального значения 10 (Δh), выход которого связан с одним из входов
i
р
i
теор
теор
p
теор
зад
зад
н
н
i
i
i
i
p
зад
i
р
ост
вычислителя отклонения массы витка 11 (Δm). В системе присутствует счетчик-сумматор отклонений масс витков 12 (ΔМ), вход, которого связан с блоком 11 (Δm), а выход с вычислителем теоретической массы 13 (M). Второй вход вычислителя теоретической массы 13 (M) подсоединен к выходу счетчика-сумматора масс витков 14 (М). Выход блока 13 (M) связан с одним из входов первого компаратора 15. Вторым входом первый компаратор 15 связан с выходом блока-задатчика теоретической массы 16 (М) рулона, а так же входом вычислителя заданной длины в рулоне 17 (L). Выход первого компаратора 15 связан с входом подсистемы управления летучими ножницами 18. Система включает в себя вычислитель текущего радиуса рулона 19 (r), входом соединенный с выходом вычислителя среднего значения толщины полосы 3. Выход вычислителя текущего радиуса моталки 19 (r) подключен на входы вычислителя длины текущего витка 20 (L) и вычислителя текущего значения массы витка 21 (m). Выход блока 20 (L) связан с входами вычислителя отклонения массы витка от номинального значения 11 (Δm) и счетчика-сумматора текущих длин витков 22 (L), выход которого соединен с первым входом вычислителя разности заданной длины полосы в рулоне и суммарного значения текущих длин витков 23 (ΔL). Вторым входом блок 23 (ΔL) связан с выходом вычислителя заданной длины полосы в рулоне 17 (L). Выход вычислителя текущего значения массы витка 21 (m) подключен на вход счетчика-сумматора масс витков 14 (М). Также система содержит вычислитель оставшейся длины полосы 24 (L), выход которого соединен с входом второго компаратора 25. Выход второго компаратора 25 соединен с входом подсистемы управления скоростью стана 26. Второй вход второго компаратора 25 подсоединен к выходу вычислителя разности заданной длины полосы в рулоне и суммарного значения текущих длин витков 23 (ΔL).
Система работает следующим образом.
Движущаяся полоса, проходя через барабаны 8 летучих ножниц, наматывается моталкой в рулон 9. Импульсный датчик 4 (ДИ) числа оборотов формирует импульсы
i
н
б
i
i
i
н
i
i
н
i
ном
h
ном
i
i
i
i
i
р
p
р
теор
теор
р
p
зад
теор
прямоугольной формы. Толщиномер 1 измеряет толщину полосы и формирует аналоговый сигнал на вход аналого-цифрового преобразователя 2. Система настроена таким образом, что оцифровка аналогового сигнала толщины осуществляется десять раз на длине одного витка полосы, наматываемой в рулон 9. В счетчик импульсов 5 с задатчика импульсов 6 записывается число равное , где N - число прямоугольных импульсов, формируемых импульсным датчиком 4 за один оборот моталки 9. При достижении числа импульсов в счетчике 5 равного  происходит запуск АЦП 2, оцифрованное значение помещается в память вычислителя среднего значения толщины полосы 3. Одновременно с этим счетчик числа оборотов моталки 7 считает импульсы датчика 4 (ДИ) и фиксирует момент, когда оборот моталки 9 завершен, при этом на выходе счетчика 7 формируется сигнал, запускающий блок 3 на вычисление среднего значения толщины полосы на одном обороте моталки h. В блоке 19 (r) происходит вычисление текущего радиуса рулона по формуле ,где r - радиус гильзы моталки; h - средняя толщина полосы за один виток. Блок 20 (L) вычисляет длину текущего витка по выражению L=2·π·r, a блок 21 (m) массу текущего витка m=2·π·r·B·h·ρ, где B - ширина полосы; ρ - плотность стали. В блоке 10 (Δh) происходит вычисление отклонения номинального значения толщины h от среднего значения по формуле Δ=h-h. Блок 11 (Δm) вычисляет отклонение массы текущего витка по формуле Δm=Δh·B·L·ρ, а блок 12 (ΔМ) суммирует эти отклонения . Блок 22 {L) суммирует длины текущих витков , а блок 14 (M) суммирует массы текущих витков согласно выражения . В блоке 13 (M) вычисляется теоретическая масса полосы с учетом отклонений ее толщины от номинального значения M=M+ΔM. В первом компараторе 15 происходит сравнение двух величин: заданного оператором значения теоретической массы М в блоке 16 и вычисляемой системой в блоке 13 величины M. В случае их равенства
выдается сигнал в подсистему 18 управления летучими ножницами 8, далее происходит рез полосы.
ост
раб
рез
ост
зам
зад
ост
рез
В блоке 24 (L) рассчитывается длина полосы которую нужно еще намотать в рулон 9, но при этом необходимо начать торможение стана с рабочей скорости V до скорости реза V. Таким образом, блок 24 (L) вычисляет длину по выражению , где А - допустимое замедление стана. Блок 17 (L) рассчитывает заданную длину рулона при известной заданной массе по формуле. Вычислитель 23 (ΔL) производит расчет разности заданной длины и суммы длин текущих витков рулона согласно выражения . Во втором компараторе 25 сравниваются L и ΔL, если величины равны, то выдается сигнал в подсистему управления скоростью стана 26 для начала его замедления до скорости реза V.
За счет внедрения полезной модели повысится точность вычисления теоретической массы движущейся полосы.
Введем обозначения:
н
r - радиус нового ролика;
Lн - длина окружности нового ролика;
u
L - длина окружности изношенного ролика.
н
н
н
Примем радиус нового ролика равным r=0,1 м, тогда длина окружности L=2πr=6,28·0,1=0,628 м.
Примем, что уменьшение радиуса ролика произошло на 0.002 м, тогда длина окружности изношенного ролика составит:
u
н
L=2·π(r·0,998)=6,28·0,0998=0,626744 м.
Подсчитаем, к какой погрешности приведет износ ролика в расчете на 1000 метров полосы. Обозначим:
н
N - количество оборотов нового ролика;
u
N - количество оборотов изношенного ролика.
пр
Количество оборотов нового ролика на длине полосы L=1000 м составит:
(об.).
Количество оборотов изношенного ролика:
(об.).
u
н
Разность между ΔN=N-N составляет 3.2 оборота, тогда длину неучтенной полосы можно вычислить следующим образом:
неучт
u
ΔL=ΔN·L=3,2·0,626744=2,0055≈2 м.
Неучтенная масса полосы на длине 1000 м составит:
неучт
неучт
Δm=ΔL·ρ·Β·h=2·7850·1·0.001=15.7 кг,
где ρ - плотность стали;
В - ширина полосы;
h - толщина полосы.
Из выше приведенных расчетов видно, что известная система, использующая мерильный ролик для измерения длины, вычисляет теоретическую массу движущейся полосы с существенной погрешностью. Предлагаемая полезная модель позволяет избежать погрешности за счет исключения мерильного ролика из системы и применения импульсного датчика числа оборотов моталки. Кроме того, модель позволяет определить, каким образом проводилась прокатка - с экономией металла (прокатка на ″минус″) или нет.
теор
Рассмотрим пример расчета теоретической массы М полосы разработанной системой при следующих параметрах:
зад
- заданное значение массы М=15000 кг;
ном
- номинальная толщина проката h=0,001 м;
- ширина полосы В=1 м;
i
- текущая средняя толщина полосы на выходе стана равна h=0,00099 м и постоянна на протяжении формирования рулона (прокатка велась на ″минус″);
раб
- рабочая скорость прокатки V=20 м/с;
pез
- скорость реза полосы V=2 м/с;
зам
2
-допустимое замедление стана А=1 м/с;
б
- начальный радиус рулона r=0.32 м;
3
- плотность стали ρ=7850 кг/м.
В результате расчета получили:
теор
р
зад
ocт
Δh=0,00001 м; М=14848,9 кг; ΔМ=150 кг, заданная длина полосы в рулоне равна L=1910 м. Оставшаяся длина полосы в рулоне с которой необходимо начать торможение стана составила L=198 м. Теоретическая масса полосы в рулоне с заданной длиной полосы (что важно для заказчика) набирается за 523 оборота моталки. При отклонении текущего значения толщины от заданного на Δh=0,00001 м в меньшую сторону (что допускается по ГОСТу), при той же длине полосы в рулоне имеет место экономия металла в размере 150 кг.
Таким образом, вычисление отклонения значения толщины полосы от номинального значения, вычисление отклонения массы текущего витка и суммы отклонений масс витков позволяет определить, каким образом велась прокатка полосы: с экономией металла (прокатка на ″минус″) или нет.