森吉米爾20輥可逆冷軋機(jī)交流控制系統(tǒng)

王亞杰，郭甜，王福星，趙文靜，齊懷軒

（天津電氣傳動設(shè)計(jì)研究所有限公司，天津300180）

1 引言

ZR23WF-19 是20 輥可逆式森吉米爾冷軋機(jī)，具有適合大壓下量的整體框架，在軋制薄帶和超薄帶具有獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠達(dá)到一個更好的公差范圍。 在不銹鋼、有色金屬、合金領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注，并得到廣泛應(yīng)用。 某材料公司為了完善自身產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)滿足生產(chǎn)的需要引進(jìn)20 輥森吉米爾可逆冷軋機(jī)，主要生產(chǎn)尺寸及平直精度較高的合金。 該軋機(jī)傳動系統(tǒng)采用西門子S120變頻器控制。

2 森吉米爾軋機(jī)簡介

森吉米爾軋機(jī)不同于4 輥軋機(jī)和其他形式的多輥軋機(jī)，它們最根本的區(qū)別就是輥系的不同設(shè)計(jì)導(dǎo)致軋制力的分配方式不同。 具有以下特點(diǎn)。

1）森吉米爾20 輥軋機(jī)工作輥軋制力通過中間輥傳遞到多點(diǎn)支撐背襯輥?zhàn)罱K傳遞到軋機(jī)剛體機(jī)座。

2）森吉米爾20 輥軋機(jī)是整體結(jié)構(gòu)，中間輥系空間是由整體軋機(jī)中掏空高精度加工出來的，所以這種輥系設(shè)計(jì)保證了工作輥在長度方向和垂直方向具有很高的強(qiáng)度，撓度降低到最小，帶材軋制過程中在長度和寬度上達(dá)到很小的厚度公差范圍。

3）森吉米爾20 輥軋機(jī)由于特殊的支撐結(jié)構(gòu)，能夠使用直徑極其小的工作輥。 結(jié)果是這種軋機(jī)和經(jīng)典軋機(jī)比起來，軋制力更小、軋制和軋機(jī)偏差更小。 相應(yīng)地，中間輥的退火次減少，并且使快速更換工作輥成為可能。

4）通過旋轉(zhuǎn)背襯輥偏心軸，背襯軸承相對于牌坊的位置能夠得到改變，從而精確控制工作輥之間的距離。 這是基礎(chǔ)的控制動作，能夠?qū)崿F(xiàn)輥的快速、平行和非常精確的定位。

3 交流傳動控制系統(tǒng)

3.1 傳動設(shè)備

3.1.1 整流電源模塊

SLM 新一代回饋整流單元整流通過二極管完成，再生反饋時，通過IGBT 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)換流并提供100%連續(xù)再生能量反饋。 當(dāng)傳動系統(tǒng)處于再生工作狀態(tài)時，直流回路電壓增加，IGBT 導(dǎo)通，將能量回饋至電網(wǎng)。

在計(jì)算電源模塊的容量時，考慮到20 輥主電機(jī)、前后張力卷取機(jī)與上卷段、下卷段的開卷機(jī)、收卷機(jī)不會同時工作，還考慮到前后張力卷取機(jī)的工作狀態(tài)（一個處在電動狀態(tài)，另一個處在發(fā)電狀態(tài)）。 計(jì)算電機(jī)用電總?cè)萘俊芇MC 為

選擇西門子800 kW，1 700 A智能整流模塊6SL-3330-6TE41-7AA0。

3.1.2 變頻調(diào)速模塊

SINAMICS S120 DC/AC 多機(jī)傳動變頻調(diào)速模塊具有以下特點(diǎn)：1）控制單元CU320 與電機(jī)模塊分開，它們之間通過drive-cliq 電纜連接。 1 臺控制單元可以連接多臺電機(jī)模塊。 所有的電機(jī)模塊的控制和調(diào)節(jié)都在控制單元中實(shí)現(xiàn)，方便調(diào)試；2）外部的開關(guān)量輸入輸出或者模擬量輸入輸出都可以通過擴(kuò)展的模塊連接到控制單元中，方便在PC 中查看各個量的狀態(tài)；3）整個控制回路從輸入給定到變頻器輸出，都圖形化在控制單元中，各個環(huán)節(jié)一目了然，直觀地對控制狀態(tài)進(jìn)行了解；4）根據(jù)電機(jī)優(yōu)化流程，很方便對電機(jī)進(jìn)行辨識和矢量控制優(yōu)化，節(jié)約時間提高調(diào)試效率；5）S120中的DCC 使用圖形化編程，可以和裝置內(nèi)部參數(shù)連接，擴(kuò)展了控制功能，方便實(shí)現(xiàn)工藝的控制。

3.1.3 傳動系統(tǒng)配置

傳動系統(tǒng)電機(jī)配置如表1所示。 在可逆冷軋系統(tǒng)中，主機(jī)與前后卷取機(jī)張力控制的穩(wěn)定性和精度對整個生產(chǎn)線產(chǎn)品的質(zhì)量、板型、厚度等產(chǎn)品參數(shù)的影響是至關(guān)重要的。 尤其是在小張力段，此時帶材的厚度已經(jīng)很薄，張力的波動對產(chǎn)品精度的影響更為明顯，結(jié)合生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，經(jīng)嚴(yán)格論證得出以下配置。

1）主軋機(jī)電機(jī)功率為315 kW。 主機(jī)前后配備2 輥擦拭器，當(dāng)帶材從軋機(jī)穿出時將表面的工藝潤滑油刮去，將工藝潤滑油留在軋機(jī)內(nèi)。

2）前、后張力卷取電機(jī)功率為315 kW （張力控制范圍為9～100 kN，大張力段）以及55 kW（張力控制范圍為2～12 kN，小張力段）。

表1 傳動系統(tǒng)電機(jī)配置Tab.1 Configuration of drive motor system

3）2 臺電機(jī)交替工作完全滿足2～100 kN 的張力范圍。 如果卷取機(jī)選擇電機(jī)為單電機(jī)315 kW，在2 kN 張力段，張力電流與電機(jī)額定電流的比值為2.2%，幾乎接近電機(jī)的空載電流，如此小的電流，控制系統(tǒng)本身已經(jīng)無法保證控制精度，更不能保證其穩(wěn)定性。 所以在小張力段用1 臺大的電機(jī)（315 kW）時，保證帶材的張力控制精度，是完全沒有保障的。 如果在小張力段將張力電機(jī)切換為55 kW，張力電流/額定電流的比值為12.5%，這樣保證張力控制精度沒有問題，且其他電氣參數(shù)也較為合理。 所以，采用前、后張力卷取電機(jī)選擇一大（315 kW）一?。?5 kW），加雙進(jìn)單出減速機(jī)配置。

4）主機(jī)入口和出口側(cè)裝有測速偏導(dǎo)輥和非接觸式激光測速，兩種測速方式可以選擇使用，方便維修。 前后配備非接觸式X 射線測厚儀，將帶材實(shí)際厚度反饋給AGC 控制系統(tǒng)。 ABB 張力計(jì)測量實(shí)際張力，測量范圍2～100 kN，用于直接張力控制，保證張力的穩(wěn)定，安裝在主機(jī)前后。

5）上卷段電機(jī)功率為45 kW。 配備對中裝置一套，測量開卷機(jī)帶材邊緣部分，并反饋到開卷機(jī)上做軸向調(diào)節(jié)，確保帶材始終在中心位置。 激光測徑安裝在開卷機(jī)前，保證卷徑正確，便于張力控制。

6）下卷段電機(jī)功率為37 kW。配備激光測徑，裝于開卷側(cè)。

3.1.4 網(wǎng)絡(luò)配置

SIMOTION-D435 主要負(fù)責(zé)傳動系統(tǒng)與PLC之間的數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理，比如控制字、狀態(tài)字、速度給定、張力設(shè)定值以及一些返回狀態(tài)等，由D435 統(tǒng)一發(fā)送和接收，而后分配給各個CU320 控制單元。卷徑計(jì)算和直接張力控制以及控制邏輯和連鎖都在裝置中通過S120 中的DCC 實(shí)現(xiàn)。 DCC 是專為SINAMICS 變頻器提供的一種可編程環(huán)境，用圖形化的語言通過編程來完成特定的工藝。 在此項(xiàng)目中，DCC 輸入輸出量比如張力給定、卷徑實(shí)際值等都使用相對量，所以在使用之前首先要標(biāo)定。

3.2 控制系統(tǒng)

3.2.1 卷徑計(jì)算

卷徑計(jì)算的準(zhǔn)確與否直接影響著張力控制的穩(wěn)定性和精度。

對于卷取機(jī)有：

式中：v2為計(jì)算帶鋼線速度，m/s；Dact為實(shí)際卷徑，m；n 為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min；i 為機(jī)械減速比。

偏導(dǎo)輥線速度：

式中：v1為帶鋼實(shí)際線速度，m/s；D0為偏導(dǎo)輥輥徑，m；n 為偏導(dǎo)輥實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min。

卷取過程中在任何時刻2 個線速度應(yīng)該是相等的，即v1=v2。假設(shè)計(jì)算得到線速度v1和實(shí)際線速度v2有差值，那么卷徑就在不斷的增加或減少，所以整個卷取的過程是一個在初始卷徑基礎(chǔ)上卷徑積分的過程，2 個速度差值的積分就是實(shí)際的卷徑。 只要有合適的積分器就可以完成卷徑的計(jì)算。 卷徑計(jì)算器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DCC 卷徑計(jì)算器Fig.1 The calculator of diameter DCC

“卷徑設(shè)定”為高電平時，可以把初始卷徑值設(shè)定到卷徑實(shí)際值，卷徑實(shí)際值在此基礎(chǔ)上增加或者減??；“最大卷徑”和“最小卷徑”限制計(jì)算器的卷徑輸出值在合理的范圍之內(nèi)；當(dāng)電機(jī)速度或者實(shí)際線速度小于最小值時，卷徑保持，不計(jì)算。計(jì)算出的卷徑值會進(jìn)行合理性校驗(yàn)，如果驗(yàn)證不合理之處，則對其進(jìn)行校正。 每個掃描周期內(nèi)卷徑的變化不會超過其最大變化量ΔDmax，可以以此進(jìn)行卷徑變化的校驗(yàn)。 ΔDmax公式如下：

式中：ΔDmax為每個掃描周期內(nèi)卷徑最大變化量，m；TOL 為調(diào)節(jié)因子；n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速值，r/min；i 為減速比；WTH 為材料厚度，m；TA為采樣時間，s。

3.2.2 張力控制

張力控制分為直接張力控制系統(tǒng)和間接張力控制系統(tǒng)。 直接張力控制系統(tǒng)需要張力傳感器，通過張力閉環(huán)來控制轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速。 間接張力控制系統(tǒng)不需要張力傳感器，而是根據(jù)張力設(shè)定值計(jì)算轉(zhuǎn)矩給定，通過轉(zhuǎn)矩限幅來控制張力。 間接張力控制雖然穩(wěn)定，但是由于各種摩擦和電機(jī)本身效率很難保證精度。 直接張力精度比間接張力要高，但是易出現(xiàn)穩(wěn)定問題，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)以間接張力為基礎(chǔ)，做好摩擦補(bǔ)償，加減速補(bǔ)償?shù)龋瑥埩﹂]環(huán)只用來微調(diào)轉(zhuǎn)矩或者轉(zhuǎn)速。 張力控制流程見圖2所示。

圖2 張力控制流程Fig.2 The process of tension control

考慮影響張力的主要因素有：

式中：TM為卷取電機(jī)電動轉(zhuǎn)矩；TF為卷取電機(jī)張力力矩；Th為摩擦力矩；TI為慣量力矩。

摩擦力矩補(bǔ)償和慣量力矩補(bǔ)償在后續(xù)環(huán)節(jié)中說明，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，先投入間接張力給定觀察直接張力的反饋值，如果兩值相差超過間接張力給定值5%，可以用系數(shù)調(diào)整間接張力給定值，使差值縮小，而后投入直接張力PI調(diào)節(jié)器。DCC 中有專門的PI 調(diào)節(jié)器，可以用來做張力調(diào)節(jié)。 直接張力PI 調(diào)節(jié)器要保證調(diào)節(jié)的快速性，但是又不能造成張力波動震蕩，據(jù)此調(diào)整P，I 系數(shù)的值。 PI 調(diào)節(jié)器的輸出調(diào)節(jié)量要做限幅，一般在5%～10%之間。如果調(diào)節(jié)量太大，調(diào)節(jié)器深度飽和，一旦張力波動很容易斷帶。

3.2.3 摩擦補(bǔ)償

DCC 中有20 斷點(diǎn)的PLI20 多段線，可以用來做摩擦曲線的設(shè)計(jì)。 摩擦補(bǔ)償在間接張力控制時是必要的，直接張力控制時，為了保證張力控制的調(diào)節(jié)量盡可能在一個小的范圍內(nèi)，也是需要做的。 摩擦補(bǔ)償與電機(jī)軸速度和減速機(jī)溫度有密切關(guān)系，在測量摩擦補(bǔ)償時，可以先使電機(jī)工作一段時間，減速機(jī)溫度上升后，測量出的補(bǔ)償值會更準(zhǔn)確。 摩擦補(bǔ)償?shù)臏y量如下：通過S120 中控制面板加速電機(jī)，曲線記錄速度調(diào)節(jié)器的輸出穩(wěn)態(tài)值，作為摩擦補(bǔ)償值。 分別記錄從速度0 r/min到最高轉(zhuǎn)速共10 個點(diǎn)的值，繪制PLI20 摩擦補(bǔ)償曲線。 圖3為某速度值時摩擦補(bǔ)償記錄。

圖3 摩擦補(bǔ)償曲線Fig.3 Frictional compensation curves

圖3中，速度調(diào)節(jié)器輸出值的穩(wěn)態(tài)值即為此速度下摩擦補(bǔ)償值。

3.2.4 加減速轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償

當(dāng)電機(jī)加減速的時候，需要補(bǔ)償一個加速或者減速轉(zhuǎn)矩，這個補(bǔ)償稱為加減速轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償，以保證加減速時實(shí)際張力維持在一穩(wěn)定值。加減速轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償是由dv/dt 與電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的乘積組成的。dv/dt 值可以從系統(tǒng)的斜坡函數(shù)發(fā)生器中取得，重要的是電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的獲取。 電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量分為固定轉(zhuǎn)動慣量和動態(tài)轉(zhuǎn)動慣量。固定轉(zhuǎn)動慣量即電機(jī)帶空卷筒時的飛輪力矩，動態(tài)轉(zhuǎn)動慣量為隨鋼卷直徑變化的飛輪力矩。

GD2變化及慣量力矩補(bǔ)償計(jì)算公式如下：

式中：GD2為全部飛輪轉(zhuǎn)矩，N·m2；GD20為固定部分飛輪轉(zhuǎn)矩，N·m2；ρ 為帶鋼密度，kg·m3；W 為帶鋼寬帶，m；v 為軋制線速度，m/s；D 為鋼卷直徑，m；D0為鋼卷空卷筒直徑，m；T1為加減速轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償。

加減速補(bǔ)償曲線如圖4所示。

圖4 加減速補(bǔ)償曲線Fig.4 Deceleration compensating curves

3.2.5 斷帶保護(hù)

在生產(chǎn)過程中如果發(fā)生斷帶，張力突然消失，由于此時速度環(huán)不工作，轉(zhuǎn)矩限幅維持電機(jī)轉(zhuǎn)矩不變，張力轉(zhuǎn)矩變成加減速轉(zhuǎn)矩，造成電機(jī)突然加速，非常危險，此時系統(tǒng)要判斷出已斷帶，發(fā)急停命令，使電機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩限幅制動停車。在間接張力控制系統(tǒng)中，可以用張力給定值與轉(zhuǎn)矩實(shí)際值進(jìn)行比較做出斷帶判斷。 此項(xiàng)目中，可以用張力實(shí)際值取代轉(zhuǎn)矩實(shí)際值，這樣判斷更準(zhǔn)確，在DCC 中可以實(shí)現(xiàn)此控制功能。 控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 斷帶信號控制結(jié)構(gòu)Fig.5 The control structure of strip breakage

在建張和張力已到達(dá)限幅條件下，當(dāng)張力設(shè)定值與張力實(shí)際值差值超過25%最大張力值時，斷帶條件滿足，延時500 ms 發(fā)出斷帶信號。

4 結(jié)論

該軋機(jī)在試生產(chǎn)過程中，張力穩(wěn)定，加減速張力波動在±2%之內(nèi)，已成功軋制出0.05 mm×300 mm 超薄合金，帶材厚度偏差±0.001 mm，且板型良好，可以滿足高端客戶的需求，交流控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到客戶的要求。

[1] 馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 天津電氣傳動設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動自動化技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3] 趙元國.軋鋼生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備操作與自動化控制技術(shù)實(shí)用手冊[M].香港：中國科技文化出版社，2005.