1450mm冷連軋機(jī)雙活套及軋機(jī)入口張力控制系統(tǒng)

梁秀霞，張培楠

（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

1 引言

冷軋帶鋼生產(chǎn)中，張力控制的好壞決定著生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性及成品帶鋼的質(zhì)量。典型的張力控制分為間接張力控制和直接張力控制。間接張力控制常用于開(kāi)卷、卷取、活套的控制；直接張力控制則用于精度較高的帶張力傳感器的張力控制系統(tǒng)，機(jī)架間的張力控制采用直接張力控制［1］。文中所設(shè)計(jì)的1450mm 6輥5機(jī)架冷連軋機(jī)已于2011年6月正式投產(chǎn)，其活套控制系統(tǒng)采用間接張力控制。在活套的控制系統(tǒng)中，上、下層活套在保證張力相對(duì)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)位置同步。上、下層活套位置同步是通過(guò)調(diào)整上、下層活套內(nèi)的帶鋼張力實(shí)現(xiàn)的，此時(shí)為保證軋機(jī)入口張力，需通過(guò)軋機(jī)入口張力輥對(duì)軋機(jī)入口張力進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整，以保證軋制過(guò)程中的穩(wěn)定性。

隨著數(shù)字電路及微處理器技術(shù)的發(fā)展，全數(shù)字傳動(dòng)裝置現(xiàn)已普及，由可編程控制器PLC進(jìn)行邏輯處理及相關(guān)運(yùn)算后控制相關(guān)的傳動(dòng)裝置，既滿(mǎn)足了控制的精確性又實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)。上、下層活套及軋機(jī)入口張力輥電機(jī)采用西門(mén)子6RA70全數(shù)字直流傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)張力控制及活套間的位置同步。

2 張力控制原理

2.1 間接張力控制

間接張力控制依靠相關(guān)數(shù)學(xué)模型、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及人工調(diào)整實(shí)現(xiàn)，其控制精度低于直接張力控制，但其成本稍低，在開(kāi)卷、卷取、活套等工況下，利用間接張力控制便可滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要。常用的間接張力控制有2種：一種是利用傳動(dòng)裝置的電流環(huán)，直接控制力矩給定；另外一種是在實(shí)際給定線速度的基礎(chǔ)上附加一給定值，使速度環(huán)飽和，控制電流環(huán)的轉(zhuǎn)矩限幅，輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩電流，從而達(dá)到控制張力的目的。

2.2 直接張力控制

直接張力控制即反饋控制，利用張力傳感器測(cè)得的實(shí)際張力，將其與給定張力比較，其偏差經(jīng)張力調(diào)節(jié)器輸出后控制相應(yīng)設(shè)備，使得實(shí)際張力跟隨給定張力。直接張力控制適用于對(duì)張力控制精度比較高的場(chǎng)合［2］。冷連軋機(jī)中，一般用于軋機(jī)入口及機(jī)架間張力控制。軋機(jī)入口張力一般采用調(diào)轉(zhuǎn)矩調(diào)張的方式控制，機(jī)架間張力一般采用調(diào)速調(diào)張與調(diào)輥縫調(diào)張兩者結(jié)合的方式進(jìn)行張力調(diào)節(jié)。

3 雙活套張力控制

3.1 雙活套設(shè)備組成

入口活套為上、下兩層水平活套，由2臺(tái)活套牽引小車(chē)，2臺(tái)直流電機(jī)組成。電機(jī)與齒輪箱連接，齒輪箱帶動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)鋼絲繩牽引活套小車(chē)移動(dòng)，上、下層活套均有4層套量可供使用，套車(chē)有效行程均為80m，有效套量640m。為了保證鋼絲繩能對(duì)正卷筒槽，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中設(shè)有鋼繩對(duì)中裝置，引導(dǎo)鋼絲繩對(duì)正卷筒槽。

上、下層活套電機(jī)型號(hào)Z4－400－39，功率550 kW，電樞電壓440V，電樞電流1347A，轉(zhuǎn)速750 r／min，勵(lì)磁電壓315V，勵(lì)磁電流16.4A。直流調(diào)速裝置采用西門(mén)子公司的6RA70全數(shù)字直流傳動(dòng)裝置，型號(hào)6RA7013－6DV62，功率單元采用北京京整意安機(jī)電設(shè)備有限公司的BZDM系列產(chǎn)品，型號(hào)為BZDM2K1RGS。

3.2 雙活套工藝過(guò)程分析

上、下層活套可單獨(dú)工作，也可同時(shí)運(yùn)行。上層或下層活套其中一層由于故障禁止運(yùn)行，此時(shí)故障活套電機(jī)分閘，抱閘抱緊，另外一層活套建張可保證機(jī)組正常運(yùn)行。兩層同時(shí)建張運(yùn)行時(shí)，既要保證上、下層活套張力運(yùn)行的穩(wěn)定性，以防活套內(nèi)帶鋼跑偏，又要保證兩層活套間牽引活套小車(chē)的位置同步，嚴(yán)禁出現(xiàn)一層活套套車(chē)位置處于滿(mǎn)套位置，另一層處在空套的位置。上、下層活套間的位置同步通過(guò)兩層間的張力差去調(diào)節(jié)?；钐椎膹埩o定為張應(yīng)力給定，根據(jù)二級(jí)跟蹤中焊縫的位置及來(lái)料帶鋼寬度、厚度經(jīng)程序運(yùn)算后自動(dòng)進(jìn)行張力的給定。

3.3 雙活套控制系統(tǒng)組成及功能

冷連軋機(jī)中，入口活套是機(jī)組的重要組成部分，入口活套的正常運(yùn)行是機(jī)組連續(xù)作業(yè)的前提條件。

1450mm 6輥冷連軋機(jī)組，由2臺(tái)西門(mén)子CPU412－2DP，2臺(tái)意大利Ansaldo的AMS控制器組成全線的控制系統(tǒng)。西門(mén)子CPU負(fù)責(zé)入口段主令及相關(guān)邏輯、軋機(jī)段變頻輔傳，液壓從站的控制。AMS控制器實(shí)現(xiàn)活套、軋機(jī)段及出口段的相關(guān)控制。

活套控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)HMI監(jiān)控、西門(mén)子PLC、Ansaldo AMS過(guò)程控制以及西門(mén)子傳動(dòng)系統(tǒng)4部分組成。活套張應(yīng)力設(shè)定、位置設(shè)定由操作人員在上位機(jī)HMI上輸入，HMI顯示活套張力，活套存儲(chǔ)量以及電機(jī)的轉(zhuǎn)度、轉(zhuǎn)矩、故障報(bào)警代碼等。

3.4 雙活套張力控制實(shí)現(xiàn)

在活套張力控制系統(tǒng)中，活套數(shù)學(xué)模型是該控制環(huán)節(jié)的關(guān)鍵?；钐纂姍C(jī)轉(zhuǎn)矩由慣量力矩、摩擦力矩、帶鋼彎曲力矩和活套張力力矩4部分組成［3］。由原理可知，慣量力矩與摩擦力矩需根據(jù)電機(jī)、齒輪箱減速比以及卷?yè)P(yáng)機(jī)計(jì)算出固定損失力矩系數(shù)Kf、與速度的一次方成正比的摩擦系數(shù)Kp、與速度的二次方成正比的摩擦系數(shù)Kpp和卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jo。因此這些系數(shù)的求解為慣量力矩和摩擦力矩補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。如圖1所示為活套電機(jī)慣量力矩與摩擦力矩測(cè)試。

圖1 活套電機(jī)摩擦力矩與慣量力矩測(cè)試Fig.1 Loss and inertia calculation test of looper motor

圖1中，C1，C2，C3，C4，C5分別為加速及勻速運(yùn)行區(qū)間電機(jī)轉(zhuǎn)矩平均值：C1，C4，C5分別為低速、高速、中速時(shí)的平均轉(zhuǎn)矩；C2為加速段速度區(qū)間［ω1＋10%×（ω4－ω1），ω1＋25%×（ω4－ω1）］區(qū)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)矩；C3為加速段速度區(qū)間［ω1＋75%×（ω4－ω1），ω1＋90%×（ω4－ω1）］內(nèi)的平均轉(zhuǎn)矩。

由摩擦力矩公式：

式中：TH為摩擦力矩；Kf為固定摩擦力矩；Kp為與速度的一次方成正比的摩擦系數(shù)；Kpp為與速度的二次方成正比的摩擦系數(shù)。

由式（1）可以看出，需確定摩擦力矩公式中的3個(gè)常數(shù)變量。分別取低速、高速、中速3種狀態(tài)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。摩擦力矩參數(shù)采樣的過(guò)程中，必須保證速度恒定。

由于恒速過(guò)程中力矩平衡，電機(jī)所出轉(zhuǎn)矩與摩擦轉(zhuǎn)矩相等，可得出：

從而推導(dǎo)出：

電機(jī)測(cè)試中計(jì)算的結(jié)果得出速度的二次方影響系數(shù)Kpp很小，速度的二次方摩擦轉(zhuǎn)矩相對(duì)于固定摩擦轉(zhuǎn)矩和速度一次方成正比的摩擦轉(zhuǎn)矩可以忽略不計(jì)，由此摩擦力矩公式簡(jiǎn)化為

由低速ω1升速至高速ω4的加速過(guò)程中完成慣量的測(cè)試。慣量力矩可由初始加速段圖1中C2部分與低速段C1中的力矩差得到。慣量力矩可由加速結(jié)束段圖1中C3部分與高速段C4中的力矩差得到。慣量值TJ為慣量力矩1與慣量力矩2的平均值。由此可得出慣性力矩計(jì)算公式為

式中：TI為慣量力矩；Jo為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Acc為電機(jī)加速度；D為卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒直徑，G為齒輪箱減速比。

彎曲力矩補(bǔ)償由理論公式得出：

式中：TB為帶鋼彎曲力矩；Y為帶鋼屈服強(qiáng)度；T為帶鋼厚度；W 為帶鋼寬度。

張力力矩計(jì)算公式為

式中：TF為張力力矩［4］；TensR 為上層或下層活套內(nèi)帶鋼張力給定。

活套的正方向?yàn)榭嚲o鋼帶的方向。活套位置同步力矩在下節(jié)論述，此時(shí)不考慮活套位置同步力矩，電機(jī)側(cè)的力矩給定為

活套總力矩給定TM直接作為西門(mén)子6RA70裝置的轉(zhuǎn)矩限幅，活套的速度給定為實(shí)際線速度的基礎(chǔ)上附加一額外速度給定，使得速度環(huán)飽和，電流環(huán)輸出實(shí)際的力矩給定值，以達(dá)到間接張力控制的目的。如圖2所示，為上、下層活套電機(jī)電流運(yùn)行情況。

圖2 上、下層活套建張電流Fig.2 Tension current of up and down layer loopers

圖2中，基本為直線的為下層活套電流，一定范圍內(nèi)為直線有斜坡上升的曲線為上層活套。電流的變化帶動(dòng)張力的變化，電流變化是由于雙層活套間位置同步調(diào)節(jié)所致。

4 雙活套位置同步控制

活套內(nèi)帶鋼存儲(chǔ)量由卷?yè)P(yáng)機(jī)上記長(zhǎng)絕對(duì)值編碼器信號(hào)經(jīng)計(jì)算獲得。編碼器型號(hào)為AVM 58N－011K1A0GN－1213。

使用單獨(dú)的上層或下層活套時(shí)，稱(chēng)使用的活套為在線活套，不工作的活套為離線活套。離線活套電機(jī)分閘，抱閘抱緊，在線活套控制與常規(guī)活套控制方法相同，在此不做過(guò)多介紹。

上、下層活套同時(shí)在線時(shí)，需保證活套內(nèi)帶鋼張力的相對(duì)穩(wěn)定性以及活套間位置同步。上、下層活套間的位置同步通過(guò)兩層間的張力差去調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過(guò)程框圖如圖3所示。

圖3 活套間位置同步調(diào)節(jié)框圖Fig.3 Synchronous regulation diagram of looper position

活套的位置同步力矩補(bǔ)償與上節(jié)中張力總力矩之和作為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩限幅給定，從而達(dá)到控制活套張力的目的。上、下層活套位置跟隨情況如圖4所示。

圖4 活套間位置同步曲線Fig.4 Position synchronous curves between loopers

5 軋機(jī)入口張力控制

5.1 軋機(jī)入口設(shè)備組成

活套出口有2對(duì)張力輥，分別為2＃張力輥和3＃張力輥，軋機(jī)入口張力計(jì)進(jìn)行軋機(jī)入口張力的檢測(cè)。

2＃張力輥電機(jī)2臺(tái)，型號(hào)為Z4－225－31，功率132kW，電樞電壓440V，電樞電流328A，轉(zhuǎn)速1500r／min，勵(lì)磁電壓315V，勵(lì)磁電流6.86A。3＃張力輥電機(jī)2臺(tái)，型號(hào)為Z4－280－3，功率315 kW，電樞電壓440V，電樞電流768A，轉(zhuǎn)速1500r／min，勵(lì)磁電壓315V，勵(lì)磁電流6.86A。直流調(diào)速裝置均采用西門(mén)子公司的6RA70全數(shù)字直流傳動(dòng)裝置。

5.2 軋機(jī)入口張力控制實(shí)現(xiàn)

由于入口上、下層活套位置調(diào)整，以致活套張力是波動(dòng)的，為保證軋機(jī)入口張力恒定，利用軋機(jī)入口張力計(jì)與2＃，3＃張力輥構(gòu)成張力閉環(huán)控制系統(tǒng)。2＃，3＃張力輥4組裝置，根據(jù)其容量自動(dòng)進(jìn)行負(fù)荷平衡分配。2＃，3＃張力輥轉(zhuǎn)矩限幅給定由2部分組成：開(kāi)環(huán)張力給定與閉環(huán)調(diào)節(jié)部分。開(kāi)環(huán)張力給定為軋機(jī)入口張力與入口活套張力根據(jù)運(yùn)算后得出，閉環(huán)調(diào)節(jié)部分為軋機(jī)入口張力給定與張力計(jì)反饋信號(hào)的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出后的值［5］。張力輥的摩擦力矩、慣性力矩及帶鋼彎曲力矩模型與活套模型相似，在此不做過(guò)多說(shuō)明。經(jīng)閉環(huán)控制后，軋機(jī)入口張力如圖5所示。

圖5 軋機(jī)入口實(shí)際張力Fig.5 Mill entry actual tension

6 結(jié)論

本文基于間接張力控制與直接張力控制基本原理，設(shè)計(jì)雙活套張力控制系統(tǒng)，就活套間位置同步問(wèn)題提出控制方案。實(shí)踐表明生產(chǎn)過(guò)程中活套內(nèi)帶鋼運(yùn)行穩(wěn)定，兩活套間位置實(shí)現(xiàn)了很好的跟隨效果。就活套間位置調(diào)節(jié)引起軋機(jī)入口張力波動(dòng)問(wèn)題，提出軋機(jī)入口張力閉環(huán)控制。從軋機(jī)入口張力實(shí)際運(yùn)行曲線上可以看出，穩(wěn)態(tài)軋制時(shí)軋機(jī)入口張力波動(dòng)為±2%，加、減速過(guò)程中張力波動(dòng)在±4%范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期的工藝要求，保證了軋機(jī)入口張力的穩(wěn)定性，滿(mǎn)足了生產(chǎn)需求。

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