Quelle Nummer 088
Rubrik 28 : TECHNIK Unterrubrik 28.01 : BUECHER
SIEMENS-ZEITSCHRIFT
KLAUS KOOPMANN UND HELMUT FERNER
REGELUNG UND AUTOMATISIERUNG VON SCHERENLINIEN IN
GROBBLECHWALZWERKEN, S. 24-29
SIEMENS-ZEITSCHRIFT 46 HEFT 1, 1972
001 Regelung und Automatisierung von Scherenlinien in
002 Grobblechwalzwerken. Die in Grobblechwalzwerken
003 hergestellten Bleche mit Gewichten bis zu 25 t werden nach dem
004 Abkühlen in den Scherenlinien besäumt und geteilt. Alle vom
005 Schnittprogramm für ein Blech vorgegebenen Sollwerte der Breite
006 und der einzelnen Teillängen sind sehr genau einzuhalten. Das bis
007 zu 40 mm dicke Blech kann nur im Stillstand geschnitten werden;
008 daher ist es zum nächsten Schnitt in kürzester Zeit um den
009 Betrag der Besäumlänge bzw. Schnittlänge
010 vorzuschieben. Diese Betriebsweise bedingt eine große Anzahl von
011 Arbeitsspielen in der Stunde. Eine technisch und wirtschaftlich
012 günstige Lösung setzt voraus, daß die technologischen Kenndaten
013 und die Antriebsmotoren zum Bewegen und Schneiden des Bleches
014 sorgfältig bestimmt werden. Analoge und digitale Regelkreise
015 sowie eine automatische Ablaufsteuerung ermöglichen großen
016 Durchsatz und genaues Schneiden der Bleche. Aufbau und
017 Wirkungsweise der Anlage. Die mechanische Ausrüstung einer
018 Scherenlinie umfaßt als wesentliche Anlagenteile (Bild 1):
019 thr Rollgänge zum Transport der Bleche, Treibapparate
020 mit je vier Rollen zum schnellen Positionieren der Bleche für den
021 Besäumschnitt, Längsteilschnitt und
022 Querteilschnitt, Dirigiervorrichtungen und
023 Lichtrichtanlagen zum Ausrichten der Bleche vor den Scheren,
024 Doppelscheren zum beidseitigen Besäumen und
025 Einfachscheren zum Längsteilen und Querteilen,
026 Verfahrantriebe zum Positionieren der Scheren und
027 Treibapparate entsprechend der Blechbreite. Im ersten
028 Arbeitsgang wird das aus dem Walzwerk kommende Blech in der
029 Doppelbesäumschere (DBS) gleichzeitig auf beiden Seiten
030 besäumt. Wenn die Anlage mit einer Längsteilschere ausgerüstet
031 ist, werden Längsschnitt und Besäumschnitt
032 gleichzeitig ausgeführt. Zufuhrrollgänge bringen die zu
033 verarbeitenden Bleche mit Geschwindigkeiten bis zu 2 m (Formel) zur
034 Schere. Vor dem Einführen in die Doppelbesäumschere ist das
035 Blech auszurichten und zu prüfen, ob die Sollbreite auf der
036 gesamten Länge vorhanden ist. Wenn das vorangegangene Blech den
037 Bereich der DBS verlassen hat, werden die Schere und die
038 zugehörigen Treibapparate auf die neue Sollbreite eingestellt.
039 Anschließend wird das Blech besäumt. Zwei mit gleichbleibender
040 Drehzahl umlaufende Exzenterwellen bewegen die Obermesser der
041 Doppelbesäumschere. Je nach Ausführung der Schere werden die
042 beiden Exzenterwellen mechanisch oder elektrisch im
043 Winkelgleichlauf gehalten, damit keine Querkräfte auf das Blech
044 wirken können. Die Messer führen bei jedem Hub auf beiden
045 Seiten einen Besäumschnitt bis zu einer Länge 1,4 m aus.
046 Schrottmesser teilen den auf beiden Seiten anfallenden
047 Saumstreifen nach jedem Besäumschnitt. Die Konstruktion von
048 Doppelbesäumscheren läßt bis zu 30 Schnitte in der Minute zu.
049 Bei geöffneten Messern wird das Blech über die vor und hinter
050 der DBS angeordneten Treibapparate um die Länge eines
051 Besäumschnitts (Besäumlänge) vorgeschoben. Bei diesem
052 Arbeitsspiel sind Geschwindigkeiten bis zu 2 m (Formel) und
053 Beschleunigungen von 3 m (Formel) möglich. Beim Längsteilen sind
054 Längsteilschere und Doppelbesäumschere im Winkelgleichlauf zu
055 halten, damit sichergestellt ist, daß beide Scheren gleichzeitig
056 schneiden. Das fertig besäumte Blech wird über den
057 Abfuhrrollgang abtransportiert. Im zweiten Arbeitsgang wird das
058 besäumte Blech quergeteilt. Der Zufuhrrollgang zur
059 Querteilschere bringt das Blech bis zu dem Treibapparat vor der
060 Schere. Zu jedem Schnitt ist das Blech mit dem Treibapparat
061 entsprechend der vorgegebenen Schnittlänge schnell und genau zu
062 positionieren. In der Querteilschere bewegen (Abb.) zwei
063 Exzenterwellen das Obermesser. Phasenverschobene
064 Exzenterbewegungen sorgen für eine annähernd gleichbleibende
065 Schnittkraft während der Schnittzeit. Zu jedem Schnitt startet
066 die Schere aus ihrer Ausgangsstellung. Die Enddrehzahl der
067 Exzenterwellen muß vor dem Auftreffen des Obermessers auf dem
068 Blech erreicht sein. Nach einer vollen Umdrehung der
069 Exzenterwellen wird die Schere wieder in der Ausgangsstellung
070 stillgesetzt. Unmittelbar nach dem Schnitt bringt der
071 Abfuhrrollgang die geschnittene Blechtafel aus dem Bereich der
072 Scherenlinie heraus. Wenn die Öffnung zwischen Obermesser
073 und Untermesser groß genug geworden ist, kann der
074 Treibapparat das noch nicht geschnittene Blech wieder beschleunigen
075 und erneut stillsetzen, sobald ein Weg entsprechend der
076 vorgegebenen Schnittlänge zurückgelegt ist. Eine Besonderheit
077 stellt die aus Doppelbesäumschere und Querteilschere bestehende
078 Scherenkombination dar. Bei dieser platzsparenden Anordnung
079 beträgt der Abstand beider Scheren nur einige Meter. Der
080 Querteilschnitt kann nur ausgeführt werden, wenn das Blech zum
081 Besäumschnitt stillgesetzt ist. Der Vorschub zum Besäumschnitt
082 ist, abhängig von der vorgegebenen Schnittlänge, so zu steuern,
083 daß vor einem Teilschnitt ein bestimmter Mindestwert nicht
084 unterschritten wird. Bestimmen der Antriebsmotoren zum
085 Bewegen der Bleche. Zum Vorschieben des Bleches zwischen zwei
086 Schnitten der Doppelbesäumschere ist nur die durch den Freiwinkel
087 und die Exzenterdrehzahl bestimmte Zeit verfügbar. Es besteht
088 daher die Aufgabe, in einer vorgegebenen Zeit t einen
089 vorgeschriebenen Weg s zurückzulegen. Setzt man einen
090 trapezförmigen Verlauf der Geschwindigkeit als Funktion der Zeit
091 voraus, so gilt allgemein für die benötigte Zeit, abhängig vom
092 zurückzulegenden Weg s, von der Endgeschwindigkeit v
093 und der Beschleunigung a: (Formel). Gleichung (1),
094 nach v aufgelöst, ergibt: (Formel). Der rechte Ausdruck
095 unter der Wurzel darf höchstens gleich 1 werden; daher ist für
096 den Grenzfall der Dreieckkurve im v-t-Diagramm
097 die kleinstmögliche Beschleunigung: (Formel) und die größte
098 Geschwindigkeit (Formel). Zum Bestimmen der Leistung und der
099 Drehmomente für die Antriebsmotoren der Rollgänge und Treiber
100 muß von dem quadratischen Mittelwert der Beschleunigungskraft (Formel)
101 ausgegangen werden. Vernachlässigt man die Reibungskraft, so
102 wird der Effektivwert der Kraft (Formel) zum Beschleunigen der Masse
103 m während des Arbeitsspiels T durch Gleichung (5)
104 bestimmt: (Formel). Mit (Formel) und (Formel) kann Gleichung (5) wie folgt
105 angeschrieben werden: (Formel). Für das Drehmoment und die Leistung
106 des Motors gilt: (Formel) (Formel). Für das Produkt va gibt es
107 ein Minimum. Zum Bestimmen des Minimums wird Gleichung (2)
108 mit a multipliziert, nach a differenziert und gleich
109 Null gesetzt: (Formel). Gleichung (9), nach a aufgelöst,
110 ergibt: (Formel). Nach den Gleichungen (2) und (10) gilt: (Formel).
111 Nach den Gleichungen (10) und (11) ergeben sich mit den
112 Grenzwerten (Formel) und (Formel): (Formel) und (Formel). Für das Drehmoment und
113 die Leistung ergeben sich die Beziehungen: (Formel) und (Formel). Werden
114 Geschwindigkeit und Beschleunigung optimal festgelegt, dann
115 können bei nur um 12,5 % größerer Beschleunigung 8 %
116 Drehmoment und 31 % Leistung eingespart werden. Aus der
117 Masse des Bleches, den Massenträgheitsmomenten aller sich
118 drehenden Teile, den Rollendurchmessern und den Kenndaten für
119 Geschwindigkeit und Beschleunigung werden die Drehzahlen (Formel) und
120 die erforderlichen Drehmomente (Formel) an den Antriebswellen bestimmt.
121 Nach einem an anderer Stelle beschriebenen Rechenverfahren für
122 Beschleunigungsantriebe sind die optimalen Nennmomente und die
123 Getriebeübersetzungen der Antriebsmotoren für die Rollgänge und
124 Treibapparate zu ermitteln. Bestimmen der Antriebsmotoren zum
125 Schneiden der Bleche. Die Scheren zum Besäumen arbeiten im
126 Durchlaufbetrieb mit gleichbleibender Drehzahl. Wenn die
127 Exzenterwellen mechanisch gekuppelt sind und die Drehzahl nicht an
128 die Blechdicke angepaßt werden muß, können Drehstrom-
129 Schleifringläufermotoren zum Antrieb von Doppelbesäumscheren
130 eingesetzt werden. Ist eine Anpassung der Drehzahl erforderlich,
131 so können je nach Steuerbereich Gleichstrommotoren mit Anker
132 steuerung und Feldsteuerung oder Drehstrom-
133 Schleifringläufermotoren mit unsynchroner Stromrichterkaskade
134 verwendet werden. Scheren mit nicht mechanisch gekuppelten
135 Exzenterwellen sind mit Gleichstrommotoren und einer
136 Winkelgleichlaufregelung ausgerüstet. Das erforderliche
137 Nennmoment der Antriebsmotoren ergibt sich aus dem quadratischen
138 Mittelwert des auf die Motorwelle bezogenen Schnittmoments
139 während einer Umdrehung der Exzenterwelle, das Stoßmoment
140 (Kippmoment) richtet sich nach dem Höchstwert des Schnittmoments.
141 Längsteilscheren werden ebenfalls mit gleichbleibender Drehzahl
142 betrieben. Das Problem des Winkelgleichlaufs zwischen einer
143 Längsteilschere und einer Doppelbesäumschere läßt
144 sich am einfachsten mit Gleichstrommotoren an der Längsteilschere
145 lösen. Zum Auslegen der Antriebsmotoren einer Längsteilschere
146 gelten die oben angestellten Überlegungen für Besäumscheren.
147 Die Querteilscheren arbeiten im Start-Stopp-Betrieb mit
148 bis zu 1000 Arbeitsspielen in der Stunde. Die Arbeitsweise der
149 Querteilschere erfordert zwar keine einstellbare Drehzahl, aber
150 die hohe Schaltfrequenz und die Energiebilanz lassen doch den
151 Einsatz von Gleichstrommotoren zweckmäßig erscheinen. Da der
152 Beschleunigungsvorgang und der Verzögerungsvorgang einen
153 beträchtlichen Anteil am Effektivmoment während eines
154 Arbeitsspiels haben, kommen nur Motoren mit einem günstigen
155 Verhältnis von Massenträgheitsmoment zum Nennmoment in Betracht.
156 Aus der Zeit t, die für ein Arbeitsspiel zur
157 Verfügung steht, kann nach Gleichung (11) die optimale
158 Winkelgeschwindigkeit (Drehzahl) für eine Umdrehung der
159 Exzenterwellen bestimmt werden. (Formel). Nach Gleichung (10) gilt
160 für die optimale Winkelbeschleunigung: (Formel). Aus diesen
161 Gleichungen lassen sich folgende Werte für die Winkel ableiten:
162 (Formel). Der quadratische Mittelwert des auf die Motorwelle bezogenen
163 Drehmoments für Beschleunigung, Schnitt und Verzögerung
164 während eines Arbeitsspiels von Start zu Start bestimmt das
165 Nennmoment der Antriebsmotoren. Das Stoßmoment richtet sich
166 nach dem während eines Arbeitsspiels auftretenden Höchstwert des
167 Drehmoments. Bestimmen der Verfahrantriebe. Die Leistung
168 der Verfahrantriebe zum Positionieren der Scheren,
169 Lichtrichtanlagen und Treibapparate richtet sich nach der
170 Stellgeschwindigkeit und den Reibungskräften im mechanischen
171 System. Bei hohen Anforderungen an die Stellgeschwindigkeit,
172 die Stellzeit und die Genauigkeit werden Gleichstrommotoren, in
173 den übrigen Fällen Drehstrommotoren verwendet. Beim Einsatz
174 von Drehstrommotoren in Verbindung mit Wegregelungen ist zu
175 beachten, daß nach dem Abschalten des Motors der Bremsweg
176 kleiner sein muß als die gewählte Einheit der Wegabbildung.
177 Diese Forderung läßt sich bei entsprechender Wahl der
178 Geschwindigkeit mit polumschaltbaren Motoren, Feingangmotoren
179 oder 6-Hz-Steuerungen erfüllen. Speisung und
180 Regelung. Die Gleichstrommotoren der Treibapparate,
181 Rollgänge, Teilscheren und Verfahrantriebe werden über
182 Thyristor-Umkehrstromrichter in kreisstromführender
183 Kreuzschaltung gespeist und mit elektronischen Bausteinen des
184 Systems Transidyn geregelt. Die einzelnen Speisegruppen
185 der Rollgangmotoren sind mit EMK-Regelungen und geregelten
186 Feldstromversorgungen ausgestattet, damit ein guter Gleichlauf mit
187 den drehzahlgeregelten Treibapparaten erzielt wird. Entsprechend
188 der augenblicklichen Lage der Bleche werden die Rollgangmotoren
189 den verschiedenen Speisegruppen über die Ablaufsteuerung
190 zugeordnet. Je nach Anzahl der von einer Gruppe zu speisenden
191 Motoren werden die EMK-Istwert-Bildung und die
192 Verstärkung des EMK-Reglers angepaßt. Dadurch ist
193 unabhängig von der Belastung der Speisegruppen eine
194 gleichbleibende Güte der Regelung gewährleistet. Den
195 Drehzahlregelungen der Treibapparate sind digitale Wegregelungen
196 zum Positionieren der Bleche überlagert. Die Wegeinheit der
197 Wegregelungen beträgt 1 cm für den Vorschub zum Besäumschnitt
198 und 1 mm für den Vorschub zum Querteilschnitt. Die
199 Oszillogramme (Bilder 2 und 3) zeigen die Wirkungsweise der
200 Wegregelung. Bei den Scherenkombinationen besorgen die
201 Treibapparate vor und hinter der Doppelbesäumschere den Vorschub
202 für den Besäumschnitt und Querteilschnitt.
203 Entsprechend der Schnittlänge geht einem Querteilschnitt
204 mindestens ein Vorschub zu einem Besäumschnitt voraus. Aus
205 diesem Grund wird die Wegregelung für den Teilschnitt der
206 Wegregelung für den Besäumschnitt überlagert. Die
207 drehzahlgeregelten Querteilscheren sind mit Wegregelungen für die
208 Ausgangsstellung des Obermessers ausgerüstet. Mechanisch nicht
209 gekuppelte Doppelbesäumscheren erfordern Einzelspeisung und
210 Einzel regelung, wenn ein guter Winkelgleichlauf vom
211 Stillstand aus erzielt werden soll und ein beim Schnitt
212 auftretender Winkelfehler schnell auszuregeln ist. Zum Festlegen
213 der Winkellagen der Exzenterwellen sind Wegregelungen für die
214 Ausgangsstellung beider Scherenhälften erforderlich. Den
215 Drehzahlregelungen ist eine digitale Winkelgleichlaufregelung
216 überlagert. Diese Regelung wird auch für den Winkelgleichlauf
217 zwischen einer Besäumschere und Längsteilschere
218 eingesetzt. Der Leitantrieb ist in jedem Fall die
219 Doppelbesäumschere, da diese auch mit Drehstrom-
220 Schleifringläufermotoren ausgerüstet sein kann. Alle
221 Verfahrantriebe sind zum Entlasten des Personals im allgemeinen
222 mit digitalen Wegregelungen ausgestattet, die bei Antrieben mit
223 Gleichstrommotoren einer Drehzahlregelung überlagert sind. (Abb.)
224 Der Übersichtsschaltplan (Bild 4) einer ausgeführten
225 Scherenkombination enthält die wichtigsten Antriebe mit den
226 zugehörigen Regelkreisen. Automatische Ablaufsteuerung.
227 Für die Steuerung des gesamten Ablaufs, d. h. für die
228 Befehlsvorgabe an die Steuerungen und Regelungen der Antriebe,
229 sind Indikatoren auf induktiver oder optischer Basis erforderlich.
230 Die Indikatoren erfassen ein in den Scherenbereich einfahrendes
231 Blech und verfolgen es, bis dessen Teilstücke den Abfuhrrollgang
232 verlassen haben. Die Sollwerte, wie Schnittlänge,
233 Bleichbreite, Probenlänge und Schrottlänge und
234 gegebenenfalls Temperaturbereich sowie Längenzuschläge
235 und Breitenzuschläge für das Schnittprogramm, werden über
236 Rechner, Lochkarten oder über eine Tastatur in einen
237 elektronischen Zwischenspeicher gegeben. Aus dem Speicher werden
238 während des Programmablaufs die Werte abgerufen. Messerspalte
239 und die Hubzahl der Besäumschere und Längsteilschere
240 werden abhängig von der automatisch gemessenen oder manuell
241 vorgegebenen Blechdicke eingestellt. Mit Hilfe eines Simulators
242 können für Prüfzwecke (Abb.) (Abb.) und Einstellzwecke das
243 Ablaufprogramm und die Bewegung eines Bleches nachgebildet werden,
244 ohne daß ein Indikator betätigt wird. Die Steuerung ist so
245 aufgebaut, daß die Befehle für die einzelnen Antriebe getrennt
246 gebildet werden. Dadurch bestehen ein geringer gegenseitiger
247 Informationsaustausch zwischen den einzelnen Antrieben und somit
248 klare Trennlinien, die der einfachen Wartung der Anlage
249 entgegenkommen. Am Beispiel eines Ablaufdiagramms (Bild 5)
250 für eine Scherenkombination werden die Einzelheiten der Steuerung
251 näher erläutert. Bereich 1: Das Blech wird vor der
252 Besäumschere mit Hilfe der Dirigiervorrichtung und der
253 Lichtrichtanlage manuell ausgerichtet und die Lage der vorgesehenen
254 Besäumschnittlinien geprüft. Nachdem die Besäumschere und die
255 Treibapparate auf Blechbreite positioniert sind, wird das Blech
256 in den Treibrollenbereich gefahren. Eine Breitenmeßeinrichtung
257 überwacht während des Besäumens fortlaufend die Breite des
258 Saumstreifens und stoppt gegebenenfalls den Vorschub des Bleches,
259 um ein Beschädigen der Besäumschere und der Treibapparate zu
260 verhindern. Bereich 2: Die oberen Treibrollen vor der
261 Besäumschere werden abgesenkt. Die DBS arbeitet im
262 Durchlaufbetrieb. Wenn sich die Scherenmesser außerhalb des
263 Schnittwinkels befinden, wird das Blech vorgeschoben. Der
264 Schnittwinkel der Besäummesser ist bei dünnen Blechen kleiner
265 als bei dicken. Dies hat zur Folge, daß der Start des
266 Vorschubs bei dünnen Blechen vorverlegt und bei gleichbleibender
267 Besäumlänge die Hubzahl der DBS erhöht werden kann. Bereich
268 3: Nachdem alle vorgesehenen Schnittlängen für ein Blech, der
269 Arbeitsfolge entsprechend, in den elektronischen Speicher
270 eingegeben und die Werte für Blechbreite und Temperaturbereich
271 überprüft wurden, kann mit dem vollautomatischen Ablauf begonnen
272 werden.
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