水平活套控制要點(diǎn)

馬 輝

在冷連軋、連續(xù)酸洗、鍍鋅等生產(chǎn)線上，為保證在入口段或出口段更換物料時生產(chǎn)工藝段能夠繼續(xù)生產(chǎn)，在入口段和工藝段間設(shè)置有水平活套裝置，其主要任務(wù)是儲存帶材物料，并且保證同前后設(shè)備之間張力的穩(wěn)定，以維持生產(chǎn)的連續(xù)性。正常工作時，活套入口速度v1等于出口速度v2，活套車不動，電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)需要充套時，v2＞v1，放套時則反之。在整個生產(chǎn)過程中帶材張力應(yīng)保持不變。

1 套量控制

1.1 放套控制

在生產(chǎn)線入口段停機(jī)時，為保證工藝段繼續(xù)生產(chǎn)，此時由活套放出帶鋼來供料。由于活套出口段直接和工藝段相接，所以其速度需和工藝段速度相協(xié)調(diào)，一般情況下活套放套速度應(yīng)由工藝段生產(chǎn)速度控制，為了避免活套被拉空而損壞活套，控制系統(tǒng)需要周期地計算活套存儲量，計算周期一般 100～300 ms。

式中，LREAL1—活套內(nèi)實(shí)際尚有的帶鋼長度，通過實(shí)時計算獲得（m）；LMIN1—活套最小儲量，自動化系統(tǒng)設(shè)定（m）；LSAVE1—保證活套安全留有的裕量（不能完全放完），由自動化系統(tǒng)設(shè)定（m）；L1—尚可以放出的帶材長度（m）；LDEC1—由活套出口段目前運(yùn)行的速度減速至零速時所需的長度（m）；β1—活套減速度（m/s2）。

當(dāng)L1＞LDEC1時，活套可正常完成放套功能。當(dāng)L1≤LDEC1時，必須向工藝段發(fā)出停車指令，停止放套。

1.2 充套控制

當(dāng)生產(chǎn)線入口段已做好投入工作的準(zhǔn)備時，入口段應(yīng)該以能達(dá)到的最高速度完成快速充套，使活套具有最大儲存量。和放套過程一樣，充套時需要實(shí)時計算尚可充入的帶材長度，避免活套充套過量而損壞活套設(shè)備。

式中，LREAL2—活套內(nèi)目前已經(jīng)充套完成的帶材長度，通過實(shí)時計算獲得（m）；LMAX—活套能充入的最大帶材長度，由自動化系統(tǒng)設(shè)定（m）；LSAVE2—保證活套安全留有的裕量（不能完全充滿套），由自動化系統(tǒng)設(shè)定（m）；L2—尚可以充入活套的帶材長度 （m）；LDEC2—由活套入口段目前充套的速度減速至工藝段目前運(yùn)行速度時活套充入帶材的長度（m）；β2—活套減速度（m/s2）。

當(dāng)L2>LDEC2時，活套可正常完成充套任務(wù)。當(dāng)L2≤LDEC2時，必須向入口段發(fā)出降速指令，入口段速度降至V2，和工藝段速度一致，停止充套。

2 張力控制[1]

由于活套電機(jī)的轉(zhuǎn)角正比于活套車的水平移動距離，隨轉(zhuǎn)角加大，水平位移量也加大，帶鋼被拉緊，下垂量減小，張力加大。因此，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩也正比于電機(jī)轉(zhuǎn)角，屬于彈性張力系統(tǒng)。從表面上看，要使帶鋼保持張力恒定，只需要對活套電機(jī)施加固定的轉(zhuǎn)矩給定，即活套的驅(qū)動控制器只需要轉(zhuǎn)矩環(huán)，不需要速度環(huán)，就可以實(shí)現(xiàn)張力恒定的控制任務(wù)。但在實(shí)際工作中，當(dāng)完成充放套任務(wù)后，盡管電機(jī)轉(zhuǎn)矩保持不變，但電機(jī)仍將來回轉(zhuǎn)動，使帶材產(chǎn)生一松一緊的抖動現(xiàn)象，即產(chǎn)生柔性振蕩。該現(xiàn)象嚴(yán)重時將可能造成斷帶，甚至損壞設(shè)備。

通過對處于振蕩過程中的帶材進(jìn)行受力分析，將帶材張力F3分解為兩個方向：垂直分量F1和水平分量F2。設(shè)帶材重力為G，帶材下垂高度為d，L為帶材最低點(diǎn)至活套車距離，則有

電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

當(dāng)電機(jī)角速度ω增加時，轉(zhuǎn)角θ增大，活套車前移，L加大，d減小，α角減小，此時若要保持帶材張力不變，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL將加大。盡管負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL和轉(zhuǎn)角θ之間是非線性關(guān)系，但通過采用小信號增量，即經(jīng)過小信號線性化后，它們之間的關(guān)系可以近似表示為：

式中，K1—線性化比例系數(shù)。

通過上面公式，我們可以將活套車近似看成彈性系數(shù)為K的彈性負(fù)載。對于彈性負(fù)載，電機(jī)運(yùn)動方程可表示為：

式中，J—水平活套的機(jī)械慣量。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩實(shí)際值保持恒定時，則小信號增量方程為：

故可得出：

可以看出活套車的運(yùn)動方程是無阻尼振蕩方程，該系統(tǒng)產(chǎn)生柔性振蕩不可避免。

下面我們以直流傳動控制系統(tǒng)為例，說明在實(shí)際應(yīng)用中如何克服柔性振蕩[2]。該系統(tǒng)只有轉(zhuǎn)矩環(huán)工作，速度環(huán)正常工作時處于飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩給定為限幅值。要想克服柔性振蕩，則可引入附加轉(zhuǎn)矩給定ΔT：

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時v1-v2=ω，ΔT為0。

振蕩時

所以，引入ΔT后，活套車的運(yùn)動方程

可見，該運(yùn)動方程是含有Δθ的一階微分項(xiàng)，是具有阻尼的二階運(yùn)動方程，活套車的柔性振蕩被抑制。

3 斷帶保護(hù)功能[3]

每當(dāng)開始生產(chǎn)前，先要進(jìn)行上料和穿帶，此時水平活套處于單動工作狀態(tài)，與其前后設(shè)備無聯(lián)系，調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)是有轉(zhuǎn)速環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)的雙環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，通過點(diǎn)動和爬行來完成上述任務(wù)。開始生產(chǎn)時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入聯(lián)動工作狀態(tài)，水平活套通過爬行把帶材繃緊，在水平活套和前后S輥間逐步建立起張力，然后帶材速度隨生產(chǎn)線加速至工作速度，此時的調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)是只有轉(zhuǎn)矩環(huán)的張力控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出控制。生產(chǎn)結(jié)束前，水平活套和前后S輥帶張力一同降速至停止，系統(tǒng)仍處于聯(lián)動工作狀態(tài)，調(diào)速系統(tǒng)只有轉(zhuǎn)矩環(huán)。

上述工藝過程要求水平活套調(diào)速系統(tǒng)能夠在轉(zhuǎn)速控制和張力控制系統(tǒng)之間平滑切換。

在生產(chǎn)過程中如果發(fā)生斷帶，張力突然消失，由于此時轉(zhuǎn)速環(huán)不工作，張力控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩環(huán)將維持電動機(jī)轉(zhuǎn)矩不變，則由張力轉(zhuǎn)矩變成加減速的動態(tài)轉(zhuǎn)矩會造成水平活套突然加速，直至飛車損壞設(shè)備。因此需要增加斷帶保護(hù)。

通過轉(zhuǎn)矩給定控制張力的調(diào)速系統(tǒng)是由轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)ATL和轉(zhuǎn)速外環(huán)ASR構(gòu)成的雙環(huán)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是張力控制的轉(zhuǎn)矩給定信號不是直接送至ATL輸入，而是從轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR正限幅T*max輸入（見圖 1）。

單動時，附加轉(zhuǎn)速給定n*=0，ASR限幅值為固定值，調(diào)速系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)雙環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)都工作，由于張力尚未建立，所以水平活套的轉(zhuǎn)速等于其給定值，直至完成上料及穿帶任務(wù)。穿帶完成后，系統(tǒng)發(fā)出聯(lián)動指令，附加轉(zhuǎn)速給定n*按5%～10%的比例施加到ASR輸入，水平活套電動機(jī)低速爬行，慢慢繃緊帶材。在帶材繃緊后，受張力牽制電動機(jī)爬不動，轉(zhuǎn)速n＜n*，ASR正向飽和并退出控制，此時ATL的轉(zhuǎn)矩給定輸入T*等于ASR的正限幅值T*max，從而實(shí)現(xiàn)從轉(zhuǎn)速控制到張力控制的平滑切換，張力大小通過改變T*max來控制 (ASR的負(fù)限幅仍為固定值)。在聯(lián)動期間，主轉(zhuǎn)速給定n*按滿足帶材以線速度V移動所需的電動機(jī)轉(zhuǎn)速來設(shè)定，因此在整個生產(chǎn)過程 (加速、穩(wěn)速及減速)中都是n*－n≈0，靠n*維持ASR正飽和，調(diào)速系統(tǒng)按張力控制模式工作。

圖1 通過轉(zhuǎn)矩給定控制張力調(diào)速系統(tǒng)框圖

如果在工作中發(fā)生斷帶事故，水平活套電動機(jī)突然加速，在轉(zhuǎn)速升高5%～10%后，n*－n=0，ASR退出飽和并恢復(fù)控制，調(diào)速系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)速控制模式，轉(zhuǎn)矩給定T*減小，轉(zhuǎn)速被限制在n=n*，不會發(fā)生飛車事故。

監(jiān)測ASR是否飽和的信號還可用作發(fā)出“斷帶”聯(lián)鎖信號的依據(jù)之一，如果在聯(lián)動期間，張力已建立 (張力大于門檻值)，發(fā)現(xiàn)ASR退出飽和且能維持一定時間后便可判斷發(fā)生“斷帶”事故。這里延時時間很重要，可以避免因轉(zhuǎn)速信號抖動而誤發(fā)“斷帶”信號（見圖2）。

圖2 轉(zhuǎn)速信號判斷斷帶信號框圖

此外，也可以根據(jù)水平活套電機(jī)轉(zhuǎn)矩實(shí)際值T的變化量作為斷帶信號判斷的依據(jù)。正常工作狀態(tài)下調(diào)速系統(tǒng)ASR處于飽和工作狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩實(shí)際值T等于轉(zhuǎn)矩給定T*，即轉(zhuǎn)矩實(shí)際值T保持恒定。當(dāng)發(fā)生斷帶故障時，由于ASR退出飽和工作狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩實(shí)際值T不再等于轉(zhuǎn)矩給定T*，兩者之間將產(chǎn)生一個較大的偏差值。通過對這個偏差值作比較判斷，當(dāng)偏差值大于一定閾值時，就可判斷發(fā)生斷帶故障。和依據(jù)轉(zhuǎn)速信號判斷一樣，也需要增加延時環(huán)節(jié)，否則會因轉(zhuǎn)矩信號抖動而發(fā)生誤判斷（見圖3）。

圖3 轉(zhuǎn)矩信號判斷斷帶信號框圖

4 結(jié)語

實(shí)踐證明，在引入ΔT信號和斷帶信號判斷邏輯控制后，活套系統(tǒng)柔性振蕩現(xiàn)象得到有效控制，斷帶事故大為減少，生產(chǎn)設(shè)備得到有效保護(hù)。

[1]西門子公司．SIMOREG DC Master 6RA70全數(shù)字直流調(diào)速裝置．

[2]馬小亮．高性能變頻調(diào)速及典型控制系統(tǒng)．機(jī)械工業(yè)出版社．2010．

[3]天津電氣傳動設(shè)計研究所．電氣傳動自動化技術(shù)手冊．機(jī)械工業(yè)出版社．2005 ．