20輥軋機板形輥驅(qū)動方案研究

侯文武

（銅陵金威銅業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244001）

1 引言

20輥精軋機是本公司板帶材成品軋制的關(guān)鍵設(shè)備，由于設(shè)備問題未完成最終調(diào)試，控制功能尚未完善；其中板形輥的傳動控制在生產(chǎn)過程中表現(xiàn)出與帶材不同步及速度波動等問題，造成帶材表面劃傷及張力波動，嚴重影響到軋機的產(chǎn)量及帶材質(zhì)量。本文通過對其控制原理的分析研究，找出其存在問題，通過改變板形輥的控制方式及補償轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化，達到板形輥的同步和穩(wěn)定運行。

2 板形輥控制原理分析

ABB公司Stressometer板形輥測量的基本原理是基于測量帶材的張力施加在每個區(qū)域的徑向力。圖1表明帶材以一定的包角和張力包覆測量輥的情況，有：

式中：s為帶材張力；r為測量輥半徑；μ為摩擦系數(shù)；α為包角。

圖1 帶材拖動轉(zhuǎn)矩原理圖Fig.1 Strip drag torque schematic diagram

在帶材的最大拖動轉(zhuǎn)矩Mvmax的作用下，測量輥跟隨帶材轉(zhuǎn)動。在軋制過程中，為避免兩者之間的滑動造成帶材表面劃傷，測量輥的摩擦轉(zhuǎn)矩與加速轉(zhuǎn)矩之和應(yīng)不大于帶材的最大拖動轉(zhuǎn)矩。由于板形輥的轉(zhuǎn)動慣量較大，一般都采用驅(qū)動裝置傳動。

測量輥的摩擦轉(zhuǎn)矩受軸承、密封、空氣阻力等因素影響，而加速轉(zhuǎn)矩與測量輥的轉(zhuǎn)動慣量與角加速度的乘積有關(guān)。在實際應(yīng)用中，由于板形輥的轉(zhuǎn)動慣量較大，在小張力軋制及加減速的過程中，帶材與板形輥之間的相對滑動是可能存在的，因此，需要使用輔助驅(qū)動裝置以增加一定的轉(zhuǎn)矩，使得所需轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩不超出帶材的最大拖動轉(zhuǎn)矩。

初步設(shè)想，可通過有效的速度調(diào)節(jié)控制測量輥的速度來避免產(chǎn)生滑動；然而，只有絕對的同步才能防止滑動，但由于帶材速度的測量精度和交流驅(qū)動裝置動態(tài)響應(yīng)時間的影響，絕對的同步是做不到的。輔助驅(qū)動的策略是建立摩擦轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩的模型，并應(yīng)用與測量輥連接的電機產(chǎn)生這些轉(zhuǎn)矩的瞬時值相等的補償轉(zhuǎn)矩。

某些情況下，測量輥與帶材不相接觸，僅采用轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方式是不可行的，因為僅采用轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)將會產(chǎn)生很大的速度誤差。通過在速度調(diào)節(jié)方式下增加調(diào)節(jié)死區(qū)，在死區(qū)（低于最小拖動轉(zhuǎn)矩）范圍內(nèi)，很小的速度誤差產(chǎn)生限幅轉(zhuǎn)矩增加，較大的速度誤差產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩。這樣可使得測量輥的速度快速改變以盡可能達到同步速度，在測量輥與帶材接觸的瞬間減小滑動。

綜上所述，速度和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)都是需要的，圖2為典型的電機控制原理圖。

圖2 軋機板形輥驅(qū)動控制原理圖Fig.2 Flatness roll drive control schematic diagram

3 存在的問題及分析

3.1 張力、卷徑波動原因分析

20輥軋機的板形輥的驅(qū)動控制采用西門子FM458控制，其速度給定通過光纖傳送到6SE70交流變頻器，在軋機軋制過程中，經(jīng)常表現(xiàn)出帶材劃傷及張力、卷徑波動的現(xiàn)象。上述板形輥的驅(qū)動方案在大部分軋機上均有應(yīng)用，其速度設(shè)定值取自于帶速測量的專用編碼器或激光測速儀，假如獲取的帶材速度是真實可靠的，上述驅(qū)動控制方案是可行的。

因軋機AGC控制系統(tǒng)的需要，本公司20輥軋機配置2臺激光測速儀用于帶材速度的非接觸測量，并將其測量的帶材速度值作為板形輥的速度給定值。由于帶材表面油污及振動原因，激光測速儀在使用過程中表現(xiàn)出低速波動及跳動現(xiàn)象，如圖3所示。由于卷取機上料卷的卷徑是通過帶材線速度和其芯軸的旋轉(zhuǎn)速度計算而得，當(dāng)激光測速儀獲取的帶材速度出現(xiàn)波動時，勢必造成卷徑波動，進而造成張力波動。

圖3 激光測速儀帶材速度信號波形圖Fig.3 Strip speed signal waveforms from laser speedmeter

3.2 與帶材不同步原因分析

在穩(wěn)態(tài)時，如圖4所示，通過板形輥電機編碼器測得的線速度v1與激光測速儀測得的帶材線速度v2相差約0.009～0.010m／s。由于采用6SE70驅(qū)動系統(tǒng)及光纖網(wǎng)絡(luò)，其不同步的原因可能是由于軸承摩擦、溫度變化等原因，造成驅(qū)動裝置的補償模型不精確所致。

圖4 穩(wěn)態(tài)軋制帶材速度信號波形圖Fig.4 Strip speed signal waveforms during rolling

當(dāng)激光測速儀輸出速度信號失真，出現(xiàn)異常波動時，也是導(dǎo)致板形輥速度不同步的原因之一。

4 驅(qū)動方案的優(yōu)化

4.1 控制模型優(yōu)化

由于激光測速儀輸出的帶材速度存在波動，因此在軋制過程中采用激光測速儀輸出的帶材速度作為板形輥變頻器的速度給定，勢必導(dǎo)致一系列問題，采用上述速度控制模型將難以達到控制要求。

板形輥控制的最終目標(biāo)是跟隨帶材轉(zhuǎn)動，只要驅(qū)動裝置在加減速及穩(wěn)態(tài)過程中所提供的附加轉(zhuǎn)矩能夠克服摩擦轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩，只要3種轉(zhuǎn)矩的疊加值在帶材施加與板形輥的最大拖動轉(zhuǎn)矩之內(nèi)，即可保證板形輥與帶材的同步。

基于上述控制方案，并結(jié)合板形輥的控制需要，對其驅(qū)動裝置的控制方案予以優(yōu)化，其控制模式如圖5所示。

圖5 改進的板形輥驅(qū)動控制原理圖Fig.5 Improved flatness roll drive control schematic diagram

1）在非軋制狀態(tài)下，采用原有的控制方案：由于板形輥的速度給定值來自于PLC，不存在波動及干擾問題；變頻器的速度控制器的限幅值為100%。

2）在軋制狀態(tài)下，板形輥變頻器的速度給定設(shè)為零，其速度控制器的輸出限幅也設(shè)為零，這樣相當(dāng)于轉(zhuǎn)速環(huán)不起作用。變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩包括加減速轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩，只要加減速轉(zhuǎn)矩模型和摩擦轉(zhuǎn)矩模型準(zhǔn)確，變頻器提供的轉(zhuǎn)矩與加減速及摩擦轉(zhuǎn)矩之和在帶材的拖動轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，即可達到同步的目的。

4.2 摩擦轉(zhuǎn)矩模型優(yōu)化

圖6 板形輥空氣阻力轉(zhuǎn)矩補償圖Fig.6 Air resistance torque compensation of flatness roll

板形輥空氣阻力轉(zhuǎn)矩補償圖如圖6所示。由于測量輥的摩擦轉(zhuǎn)矩受軸承、密封、空氣阻力等因素影響，因此，影響板形輥摩擦轉(zhuǎn)矩的因素包括軸承的潤滑狀況、環(huán)境溫度及板形輥轉(zhuǎn)速等，其中軸承的潤滑狀況、環(huán)境溫度與板形輥的靜摩擦有關(guān)，在一定的條件下相對穩(wěn)定，而空氣阻力主要與板形輥轉(zhuǎn)速有關(guān)。通過實際測量，獲得板形輥轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩補償量之間的關(guān)系。

5 運行結(jié)果分析

通過修改驅(qū)動控制模型及轉(zhuǎn)矩補償模型的優(yōu)化，板形輥的線速度與帶材速度差減小2.5～3倍，實測兩者速差為0.003～0.004m／s，實測曲線如圖7所示。同時，將卷取機料卷卷徑計算所需的帶材線速度取自板形輥編碼器，避免激光測速儀輸出的帶材速度波動導(dǎo)致卷徑的跳動以及張力的跳動，減少停機及斷帶故障的發(fā)生，有效地提高了軋制的產(chǎn)量及成品率。

圖7 改進后的速度信號偏差Fig.7 Speed signal deviation after improvement

6 結(jié)論

通過對可逆軋機板形輥控制的工藝要求及其控制原理分析的基礎(chǔ)上，提出板形輥速度與帶材速度不同步及張力波動的原因。并通過對原有板形輥傳動控制方案的改進及補償轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化，提高了板形輥與帶材的同步度，解決了卷徑跳動及張力波動問題，提高了軋機運行的穩(wěn)定性，從而有效地提高了帶材的表面質(zhì)量及產(chǎn)量。

［1］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［2］西門子公司.Application Module FM 458－1DP－User Manual［Z］.2004.

［3］ABB公司.Commissioning Manual of ACS 800for Stressometer［Z］.2005.

［4］西門子公司.SIMOVERT MASTERDRIVES使用大全［Z］.2004.