鍍鋅鋼板重卷自動(dòng)控制產(chǎn)能提升研究與改造對策

李德平

（廣州JFE鋼板有限公司）

1 引言

本文以廣州某鋼廠從國外引進(jìn)的鍍鋅鋼板重卷線為背景，其生產(chǎn)線在投產(chǎn)以來很長一段時(shí)間運(yùn)行效果不是很理想，主要表現(xiàn)在產(chǎn)品的合格率較低，期間廠家多次進(jìn)行整改，雖然取得一定的效果，但是問題一直沒有得到根本性解決。

2 存在的問題和原因分析

該鍍鋅鋼板重卷生產(chǎn)線流程示意圖如圖1所示。生產(chǎn)線從表象看造成鋼板劃傷的設(shè)備主要集中在開頭機(jī)夾送輥、2#夾送輥、3#夾送輥、出口轉(zhuǎn)向輥上下輥等，而實(shí)質(zhì)原因是張力不穩(wěn)定、速度不穩(wěn)定等原因造成。下面就生產(chǎn)線運(yùn)行存在的問題進(jìn)行分析研究，提出改造措施。

圖1 鍍鋅鋼板重卷生產(chǎn)線流程示意圖

2.1 生產(chǎn)線張力不穩(wěn)定

生產(chǎn)線作業(yè)時(shí)，速度越快，整條生產(chǎn)線運(yùn)行的聲音也越大，經(jīng)檢查聲音主要來自開卷機(jī)。通過對控制程序、參數(shù)進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線的張力控制系統(tǒng)只采用簡單的閉環(huán)控制，其原理是將速度控制環(huán)PI調(diào)節(jié)器前加載該機(jī)組速度的 10%作為速度調(diào)節(jié)器的激勵(lì)值，使速度控制環(huán) PI調(diào)節(jié)器飽和，這時(shí)僅僅有電流調(diào)節(jié)器參與控制。電流環(huán)的電流（力矩）值來自 PLC給定值，控制過程中沒有對開卷機(jī)采用相應(yīng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，造成生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)張力控制精度差。

2.2 輥?zhàn)雍弯摪逯g打滑

主要表現(xiàn)在鋼板的運(yùn)行速度與生產(chǎn)線輥?zhàn)又g速度匹配精度達(dá)不到生產(chǎn)工藝要求。如圖1所示，造成劃傷的主要設(shè)備包括：開頭機(jī)夾送輥、2#夾送輥、3＃夾送輥、出口轉(zhuǎn)向輥上下輥等。經(jīng)研究分析認(rèn)為設(shè)備的控制模式不合理。例如：出口轉(zhuǎn)向輥的控制模式是采用力矩控制模式，其原理是將閉環(huán)控制中的速度控制環(huán)進(jìn)行飽和，只有電流環(huán)參與控制。在電機(jī)電流控制方式中，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩始終保持不變，速度會(huì)變動(dòng)。這種模式的力矩是恒定，速度跟隨力矩。隨著生產(chǎn)時(shí)間加長，生產(chǎn)線輥?zhàn)幽Σ料禂?shù)會(huì)越來越小，并且有時(shí)生產(chǎn)的鋼板需要進(jìn)行涂油工藝，輥?zhàn)颖砻婺Σ亮?huì)變更小。力矩控制方式在生產(chǎn)線張力大，輥?zhàn)雍弯摪逯g的摩擦力大于電機(jī)空載力矩的情況下是很好的控制方式，但是實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線速度超過50m/min時(shí)，會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，且對生產(chǎn)的鋼板在線涂油時(shí)，鋼板和棍子之間也會(huì)打滑。

2.3 開卷機(jī)電機(jī)力矩控制精度不高

廠家開卷機(jī)的控制方式是電流控制，是單一的張力控制，在控制中沒有考慮生產(chǎn)中設(shè)備存在的慣量、機(jī)械損失等因素，所以在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)張力不穩(wěn)定現(xiàn)象。開卷機(jī)控制原理圖如圖2所示。

圖2 開卷機(jī)控制原理圖

2.4 生產(chǎn)線在加減速時(shí)速度張力不穩(wěn)定

生產(chǎn)線在啟停、加減速時(shí)，鋼板速度和生產(chǎn)線工作輥?zhàn)又g劃傷嚴(yán)重，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

3 解決問題的對策

通過研究，本文從兩個(gè)方面進(jìn)行生產(chǎn)線產(chǎn)能提升的技術(shù)改造：一方面通過生產(chǎn)線穩(wěn)定性改造，達(dá)到生產(chǎn)線速度穩(wěn)定、張力穩(wěn)定，解決因輥?zhàn)雍弯摪逯g的打滑而造成鋼板劃傷的目的；另一方面從自動(dòng)化控制入手，提高自動(dòng)控制能力及自動(dòng)控制精度，簡化操作，達(dá)到生產(chǎn)線控制穩(wěn)定的目的。

3.1 生產(chǎn)線穩(wěn)定性改造對策

3.1.1 開卷機(jī)電機(jī)力矩控制精度改造

要提高開卷機(jī)力矩控制精度，需在原來單一的張力控制系統(tǒng)中，增加對設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、機(jī)械損失等因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，而實(shí)際上張力控制是對開卷機(jī)電流的綜合控制。其控制原理為：開卷機(jī)電流的控制是來自PLC電流參考值，電流參考值的計(jì)算公式如下：

其中：Iref為電流參考值；Iacc為強(qiáng)制電流值；It為張力轉(zhuǎn)矩電流值；m為機(jī)械損失電流值。生產(chǎn)線在加速或減速的時(shí)候，開卷機(jī)存在很大慣量，這個(gè)慣量給了電機(jī)一個(gè)較大電流，所以開卷機(jī)電機(jī)在加速或減速時(shí)需要在電機(jī)上增加一個(gè)強(qiáng)制電流Iacc（開卷機(jī)的慣量補(bǔ)償）來補(bǔ)償。其計(jì)算公式如下：

其中：J為慣量常數(shù)（kg.m.sec2）；GD2為慣量常數(shù)（kg.m2）；N為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)（r/min）。

張力轉(zhuǎn)矩電流It就是開卷機(jī)電機(jī)力矩值，這里開卷機(jī)的電機(jī)力矩等于機(jī)械力矩（τE=τM）。根據(jù)這一原理，其計(jì)算公式如下：

根據(jù)功能曲線補(bǔ)償機(jī)械損失，功能發(fā)生器補(bǔ)償曲線的數(shù)據(jù)是實(shí)際測量的數(shù)據(jù)，需要對不同速度 N（rpm）下的電流變化值Im進(jìn)行補(bǔ)償，在程序中對電流損失進(jìn)行速度分段補(bǔ)償。機(jī)械損失補(bǔ)償曲線如圖3所示。

圖3 機(jī)械損失補(bǔ)償曲線

3.1.2 速度穩(wěn)定性改造

前滑模塊控制模型建立是對開頭機(jī)夾送輥、1＃夾送輥、2＃夾送輥、3＃夾送輥、出口轉(zhuǎn)向輥上下輥的速度雙閉環(huán)控制模型的速度控制調(diào)節(jié)器(ASR)輸入增加前滑數(shù)學(xué)模型程序，它主要檢測生產(chǎn)線輥?zhàn)与娏鳎瑢⑾鄳?yīng)輥?zhàn)与娏髯鳛榍盎刂频拈T檻值，當(dāng)輥?zhàn)舆\(yùn)行負(fù)載電流值超過給定電流門檻值的時(shí)候?qū)⒂|發(fā)控制模塊，控制模塊將按照設(shè)定軟化值，以微分方式加載到速度調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器上，實(shí)現(xiàn)輥?zhàn)铀俣鹊奈⒄{(diào)節(jié)。這種控制方式控制響應(yīng)快、精度高。其控制方式有兩種：一般情況下是在變頻器上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，這種方式簡單，缺點(diǎn)是難維護(hù)、修改數(shù)據(jù)麻煩；而該程序采用的是在PLC上編寫前滑控制模塊程序，然后通過PROFIBUS－DP工業(yè)開放式網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到變頻器進(jìn)行控制，同時(shí)將微調(diào)數(shù)據(jù)輸入在HMI上編寫數(shù)據(jù)管理表。操作可以根據(jù)前滑控制系數(shù)生產(chǎn)的實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)據(jù)的微調(diào)，理想的前滑系數(shù)是1。實(shí)踐證明這種方法取得很好的效果，改造完成后的前后效果以出口轉(zhuǎn)向輥為例的效果曲線如圖4所示。

圖4 以出口轉(zhuǎn)向輥為例，改造完成后的前后效果圖

3.1.3 增強(qiáng)生產(chǎn)線控制信號(hào)的抗干擾改造

對于控制信號(hào)抗干擾問題在改造前，速度信號(hào)采集是從出口轉(zhuǎn)向輥下輥電機(jī)速度反饋信號(hào)編碼器進(jìn)行采集，因信號(hào)線傳輸距離遠(yuǎn)、現(xiàn)場環(huán)境差、出口轉(zhuǎn)向輥和鋼板之間的摩擦力不穩(wěn)定等，在生產(chǎn)過程中會(huì)造成速度波動(dòng)。此改造方式是：在生產(chǎn)線2＃輥的一個(gè)端部安裝一個(gè)被動(dòng)增量型編碼器，如圖 1中標(biāo)有“encoder”所示，通過平時(shí)對2＃輥的觀察和檢測，2＃輥與鋼板之間的包角大而且該輥?zhàn)邮潜粍?dòng)輥，所以輥?zhàn)优c鋼板之間速度基本同步，編碼器產(chǎn)生的脈沖當(dāng)量精度提高。改造后鋼板長度計(jì)算精度、焊點(diǎn)跟蹤精度得到很大的改善，效果明顯。

3.1.4 提高卷徑計(jì)算精度，從而達(dá)到速度的穩(wěn)定性改造

針對提高卷徑計(jì)算精度，卷取機(jī)卷徑計(jì)算采集信號(hào)在改造前，卷取機(jī)卷徑計(jì)算采集的生產(chǎn)線速度信號(hào)是從出口轉(zhuǎn)向輥下輥電機(jī)反饋編碼器進(jìn)行信號(hào)采集，同時(shí)該編碼器的信號(hào)需要提供給電機(jī)本身作為反饋信號(hào)，由于存在不穩(wěn)定因素，卷取機(jī)的卷徑計(jì)算精度不高或出現(xiàn)錯(cuò)誤，會(huì)導(dǎo)致鋼板出現(xiàn)抖動(dòng)、劃傷。經(jīng)分析將卷取機(jī)卷徑計(jì)算需要的速度數(shù)據(jù)由原來的出口轉(zhuǎn)向輥下輥電機(jī)反饋編碼器提供改成轉(zhuǎn)向輥2＃輥加裝被動(dòng)增量型編碼器提供，卷取機(jī)的速度穩(wěn)定性得到很好的解決，卷取機(jī)速度的穩(wěn)定可以確保生產(chǎn)線的張力穩(wěn)定，大大減少生產(chǎn)線鋼板的跳動(dòng)導(dǎo)致鋼板表面的劃傷。

3.2 完善自動(dòng)控制技術(shù)、簡化操作方法對策，從而達(dá)到輔助穩(wěn)定生產(chǎn)線作用

3.2.1 自動(dòng)穿帶技術(shù)改造

改造前，2＃夾送輥上輥的控制模式是速度模式；下輥的控制模式是力矩模式，而下輥的力矩控制模式的力矩給定是由上輥電機(jī)反饋電流提供，這種控制模式只有在鋼板和輥?zhàn)又g有足夠的摩擦力、鋼板和輥?zhàn)又g包角很大的情況下是一種很好的控制方式。但該生產(chǎn)線不適合，容易產(chǎn)生鋼板劃傷。改造后，將夾送輥的上、下輥都采用速度控制模式，同時(shí)在速度控制模式上增加動(dòng)態(tài)控制模型（前滑控制模型）。

3.2.2 自動(dòng)穿帶和自動(dòng)剪切樣品穩(wěn)定性改造

改造前，3＃夾送輥是單純的速度控制模式，3#夾送輥的速度給定是由2＃夾送輥上輥速度反饋信號(hào)提供。因控制方式的原因，2＃夾送輥本身的速度控制精度不穩(wěn)定，所以也會(huì)導(dǎo)致3＃夾送輥的速度控制不穩(wěn)定。改造后，3#夾送輥仍然采用速度控制模式，但是在速度控制方式中增加了軟化控制程序和前滑系數(shù)等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)補(bǔ)償。增加了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.2.3 人機(jī)界面改造

L1級(jí)機(jī)（HMI）改造前，沒有輥系管理畫面、前滑系數(shù)畫面、控制方式畫面，每次在更換輥?zhàn)訒r(shí)，因輥?zhàn)又睆接锌赡芨淖儯枰?jīng)驗(yàn)豐富的電氣技術(shù)人員在程序或變頻器中修改參數(shù)，否則很容易造成設(shè)備故障。改造后，增加以上3種畫面，一般生產(chǎn)操作工即可完成，操作簡單快捷。

4 結(jié)語

鍍鋅重卷機(jī)組采用全數(shù)字西門子控制系統(tǒng)，具有良好的開放性、兼容性，隨著自動(dòng)控制技術(shù)的深入發(fā)展，憑借該系統(tǒng)先進(jìn)、成熟、可靠的技術(shù)裝備，相信該自控系統(tǒng)將有著更為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。重卷機(jī)組改造后，產(chǎn)品質(zhì)量會(huì)因本系統(tǒng)的高效管理、先進(jìn)功能、精確控制而大大提升，并節(jié)省成本。

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