熱軋立輥與平輥軋機(jī)間張力控制策略研究

李 偉 武振威 姜旭東 于洪喜 焦玉林 劉曉宇

(首鋼遷安鋼鐵有限責(zé)任公司 河北遷安064404)

熱軋立輥與平輥軋機(jī)間張力控制策略研究

李 偉①武振威 姜旭東 于洪喜 焦玉林 劉曉宇

(首鋼遷安鋼鐵有限責(zé)任公司 河北遷安064404)

隨著終端用戶對(duì)帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，與產(chǎn)品質(zhì)量和成品精度相關(guān)的控制技術(shù)有效應(yīng)用顯得尤為重要。帶鋼成品寬度控制的核心在于粗軋立輥軋機(jī)的精確控制。立輥?zhàn)杂蓮埩刂萍夹g(shù)(free tension control簡(jiǎn)稱FTC)控制技術(shù)基于引入從轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出到輸入的負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的平滑，達(dá)到對(duì)軋件版型的工藝控制。

質(zhì)量 自由張力控制 轉(zhuǎn)矩

1 引言

現(xiàn)代冶金工業(yè)的型材、棒線材和板帶材軋制生產(chǎn)中，普遍采用了張力控制技術(shù)用以改善產(chǎn)品的質(zhì)量，尤其是在板、帶材連軋生產(chǎn)中，張力控制技術(shù)的飛速發(fā)展例如帶鋼熱連軋生產(chǎn)上精軋機(jī)多機(jī)架間張力控制技術(shù)、精軋機(jī)組的活套張力厚度控制技術(shù)，帶鋼成品寬度控制的核心在于粗軋立輥軋機(jī)的精確控制，中間坯在熱軋粗軋過(guò)程中，立輥與平輥間的張力控制會(huì)影響到成品寬度精度。

2 熱軋生產(chǎn)線粗軋區(qū)域工藝設(shè)備概況

熱連軋生產(chǎn)線是冶金行業(yè)重要生產(chǎn)線之一，熱軋生產(chǎn)線大部分機(jī)械裝置由交流調(diào)速電機(jī)所驅(qū)動(dòng)，而調(diào)速方式又以變頻調(diào)速方式為主。因此交流變頻調(diào)速裝置在熱軋電氣裝置占有極其重要的地位。對(duì)于主要電機(jī)驅(qū)動(dòng)的且需要調(diào)速的機(jī)械設(shè)備有：粗軋區(qū)側(cè)壓機(jī)SSP、粗軋機(jī)主機(jī)上下輥、低速和高速電動(dòng)壓下裝置、立輥主機(jī)、立輥輥縫調(diào)整裝置、飛剪主傳動(dòng)、精軋機(jī)主傳動(dòng)以及全軋線板坯或帶鋼運(yùn)輸輥道等設(shè)備。

粗軋機(jī)的布置兩架粗軋機(jī)，其中R2為一架四輥可逆水平軋機(jī)，軋機(jī)前帶E2立輥軋機(jī)。軋制工藝流程一般采用R1/R2 1+5道次的往復(fù)半連續(xù)式軋制。E2立輥軋機(jī)的作用主要控制板卷的寬度，同時(shí)也起著對(duì)準(zhǔn)軋制中心線的作用。水平輥機(jī)架和立輥機(jī)架的壓下行程由計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行設(shè)定，速度設(shè)定也按一定程序進(jìn)行控制。

圖1 熱軋工藝設(shè)備流程示意圖

由于立輥與水平輥形成連軋關(guān)系，為了補(bǔ)償水平輥輥徑變化及適應(yīng)水平輥壓下量的變化，所以要求立輥必須能進(jìn)行調(diào)速。立輥軋機(jī)采用上傳動(dòng)的形式，電機(jī)通過(guò)萬(wàn)向接軸式連接軋輥。

圖2 粗軋?jiān)O(shè)備流程示意圖

遷鋼公司1580熱軋線粗軋區(qū)域，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)采用的TMEIC-50交流變頻裝置，基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)與電氣傳動(dòng)系統(tǒng)采用Tosline-S20光纖通訊。軋線基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)由日本TMEIC公司開(kāi)發(fā)、調(diào)試，硬件系統(tǒng)采用日本東芝V-3000系列控制器搭建完成，Tosline-S20 網(wǎng)絡(luò)主要用于控制與傳動(dòng)設(shè)備之間的通信。它是通過(guò)配置在遠(yuǎn)程機(jī)架上的SN322模塊與軋線的主傳動(dòng)和輔傳動(dòng)系統(tǒng)建立通信連接。通過(guò)這種連接就可以使基礎(chǔ)自動(dòng)化控制器與傳動(dòng)設(shè)備建立通信，控制器的速度設(shè)定發(fā)送給傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)裝置的速度反饋和裝置狀態(tài)返回到控制器。

圖3 粗軋區(qū)電控系統(tǒng)示意圖

3 立輥與平輥軋機(jī)間的張力控制策略

帶鋼在立輥與平輥間軋制過(guò)程中，由于金屬流動(dòng)或軋機(jī)間的速差，立輥與平輥間會(huì)形成一定程度的張力。軋機(jī)間張力的大小和張力的實(shí)時(shí)波動(dòng)會(huì)對(duì)中間坯的寬度控制造成一定影響。對(duì)軋機(jī)間的張力進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制，保證軋鋼過(guò)程中軋機(jī)間張力的穩(wěn)定，可有效減小立輥轉(zhuǎn)矩的劇烈波動(dòng)并能在一定程度上改善中間坯寬度的控制精度。立輥與平輥軋機(jī)間的張力控制策略主要有兩種方式：一種為電機(jī)下垂(Droop)控制模式；一種為自由張力控制(FTC)模式。

3.1 立輥電機(jī)下垂(Droop)控制

電機(jī)下垂控制，是負(fù)轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)囊环N，是專用于多臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載的場(chǎng)合，以使多臺(tái)變頻器達(dá)到負(fù)荷的均勻分配。有了下垂控制特性后，隨著負(fù)載的增加可以使電動(dòng)機(jī)速度下垂變化，最終使負(fù)荷平滑。

圖4 下垂控制應(yīng)用

Droop的轉(zhuǎn)速表達(dá)式：

n=k-ΔM

與之對(duì)應(yīng)恒轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速表達(dá)式：

n=k

式中n—電機(jī)轉(zhuǎn)速；k—常數(shù)；ΔM—變化的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

例如六臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)六臺(tái)電動(dòng)機(jī)的輥道傳送板坯，如圖4所示，當(dāng)某臺(tái)變頻器的負(fù)載較重時(shí)，該變頻器就根據(jù)下垂控制功能設(shè)定的參數(shù)，降低電機(jī)速度，進(jìn)而保證轉(zhuǎn)矩的平滑。

變頻器拖動(dòng)負(fù)載的效果必須符合現(xiàn)場(chǎng)的負(fù)載要求和環(huán)境的需要，但是由于負(fù)載的多樣性，必須設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)來(lái)保證變頻器能適應(yīng)這些負(fù)載的要求。當(dāng)平輥和立輥不同的傳動(dòng)單元傳輸和加工同一板坯時(shí)，當(dāng)一臺(tái)電機(jī)的速度增加時(shí)，巨大的負(fù)載將會(huì)施加于這臺(tái)電機(jī)上，同樣的相對(duì)于其他電機(jī)的負(fù)載就會(huì)減少。相反的,如果一臺(tái)電機(jī)的速度下降, 施加于其他電機(jī)的負(fù)載將會(huì)上升，下垂功能通過(guò)降低速度給定值去均衡負(fù)載，通過(guò)PLC的不同給定進(jìn)行修正變化。傳動(dòng)與自動(dòng)化的增益變量通過(guò)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

Droop=TR×DroopGAINT×(-Z)×G

式中TR—由速度控制器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩值(其大小跟速度給定和反饋相關(guān))；

DroopGAINT—Droop增益(PLC系統(tǒng)控制)；

G—轉(zhuǎn)化常數(shù)(系統(tǒng)變量轉(zhuǎn)化有關(guān))。

3.2 立輥與平輥軋機(jī)間的自由張力控制(FTC)

為了保證帶鋼在立輥和平輥間軋制過(guò)程中的系統(tǒng)協(xié)調(diào)性更加穩(wěn)定，一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)在平輥和立輥間引入了自由張力控制功能FTC(Free Tension Control)。該功能通過(guò)HMI畫(huà)面手動(dòng)設(shè)定目標(biāo)張力值Tmrsf(可靈活調(diào)整設(shè)定值)，根據(jù)理論算法推導(dǎo)的張力計(jì)算公式獲得軋鋼過(guò)程中立輥軋機(jī)與平輥軋機(jī)間的實(shí)時(shí)張力Tm，利用PI調(diào)節(jié)器鎖定張力偏差對(duì)立輥軋機(jī)的速度設(shè)定進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)立輥軋機(jī)速度的變化來(lái)修正立輥與平輥軋機(jī)間張力的大小，實(shí)現(xiàn)不間斷的在線調(diào)節(jié)立輥和平輥間張力Tm的功能，最終效果使其盡可能逼近畫(huà)面設(shè)定的目標(biāo)張力值Tmrsf，使得立輥軋機(jī)的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在平穩(wěn)范圍內(nèi)。

立輥與平輥建立張力后，實(shí)際張力值Tm是通過(guò)下式計(jì)算得出的，公式反映了軋制力與轉(zhuǎn)矩間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)轉(zhuǎn)矩的變化獲得張力的變化。立輥——平輥建張后的張力實(shí)時(shí)計(jì)算的過(guò)程：

式中TM—檢測(cè)的張力(MPa)；GOM—立輥無(wú)張力時(shí)的軋制轉(zhuǎn)矩(kN·m)；POM—立輥無(wú)張力時(shí)的軋制力(kN)；GM—立輥軋制轉(zhuǎn)矩(kN·m)；PM—立輥軋制力(kN)；AM—立輥和平輥間帶鋼橫斷面(m2)；RM—立輥半徑(m)。

上式中GOM與POM為立輥帶載且平輥不帶載階段立輥軋機(jī)的轉(zhuǎn)矩鎖定值和軋制力鎖定值。公式的本質(zhì)就是通過(guò)鎖定立輥帶載且平輥不帶載階段的軋制力和轉(zhuǎn)矩值，對(duì)立輥單獨(dú)帶載狀態(tài)的基礎(chǔ)值進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)平輥軋機(jī)帶載，并與立輥建立起張力后，立輥的轉(zhuǎn)矩必然受到平輥的影響，張力值的大小實(shí)際上就是在評(píng)估值基礎(chǔ)上得出的與立輥轉(zhuǎn)矩變化量相對(duì)應(yīng)的一個(gè)正比函數(shù)關(guān)系式。

獲得實(shí)時(shí)張力后，系統(tǒng)會(huì)在線判斷張力實(shí)際值與目標(biāo)設(shè)定值之間的差值，通過(guò)拉氏變換，利用PI控制器對(duì)立輥速度進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)修正立輥速度獲得穩(wěn)定的張力值。

式中VFTC—修正值(m/s)；TMREF—目標(biāo)張力(MPa)；α、β—增益；S—拉普拉斯常數(shù)。

速度補(bǔ)償值的大小和快慢可以通過(guò)調(diào)節(jié)公式中的α、β增益系數(shù)來(lái)調(diào)整。

圖6 立輥FTC控制流程圖

3.3 立輥FTC控制時(shí)序

在FTC控制模式下，當(dāng)板坯跟蹤到達(dá)立輥入口區(qū)域時(shí)，F(xiàn)TC功能具備投入條件，立輥軋機(jī)帶載后，鎖定立輥帶載且平輥不帶載階段的立輥軋機(jī)軋制力和轉(zhuǎn)矩值，對(duì)立輥單獨(dú)帶載狀態(tài)的軋制力和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行采樣獲取基礎(chǔ)值；當(dāng)平輥軋機(jī)帶載后， 獲得立輥軋機(jī)實(shí)時(shí)軋制力和轉(zhuǎn)矩值，與采樣基礎(chǔ)值對(duì)比完成軋機(jī)間張力計(jì)算，對(duì)比畫(huà)面的設(shè)定張力值，利用PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)立輥轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)張力偏差值的微補(bǔ)償。

4小結(jié)

圖7的曲線中看到，在E2立輥帶載且R2軋機(jī)不帶載的時(shí)候，程序?qū)α⑤亙蓚?cè)的轉(zhuǎn)矩和軋制

圖7 FTC功能投入后的張力效果圖

圖8 Droop功能投入后的效果圖

力進(jìn)行采樣鎖定。當(dāng)R2軋機(jī)帶載后，延時(shí)0.5s，待立輥轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定后，開(kāi)始進(jìn)行FTC的恒張力控制，當(dāng)立輥的實(shí)際張力小于目標(biāo)張力，也就是立輥轉(zhuǎn)矩大于鎖定值，F(xiàn)TC的速度補(bǔ)償值為負(fù)值，減小立輥速度來(lái)減小立輥轉(zhuǎn)矩，提高立輥與平輥間的張力。直到立輥的張力穩(wěn)定在設(shè)定值附近，立輥轉(zhuǎn)矩才會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)固定值附近。

當(dāng)立輥的速度發(fā)生較大變化，整個(gè)變化過(guò)程中立輥的轉(zhuǎn)矩同樣會(huì)發(fā)生較大變化，這個(gè)過(guò)程中張力的計(jì)算就會(huì)失真，不能真實(shí)反映張力值。待升速結(jié)束后，由于張力補(bǔ)償值的存在，立輥的轉(zhuǎn)矩會(huì)出現(xiàn)短期波動(dòng)。為了避免這種情況的發(fā)生，我們?cè)诹⑤伹袚Q速度過(guò)程中的FTC補(bǔ)償值增益調(diào)小，待立輥?zhàn)兯俳Y(jié)束后再重新投入補(bǔ)償，從而避免了失真的張力值對(duì)立輥的速度影響。

圖8的曲線中看到，當(dāng)R2軋機(jī)帶載后，延時(shí)0.5s，開(kāi)始進(jìn)行立輥Droop功能的控制，立輥Droop增益值由自動(dòng)化下發(fā)到傳動(dòng)系統(tǒng)中，傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)立輥電機(jī)轉(zhuǎn)矩來(lái)控制立輥與平輥間張力調(diào)節(jié)，使得立輥轉(zhuǎn)矩平滑。

[1]唐謀鳳.現(xiàn)代帶鋼熱連軋機(jī)自動(dòng)化[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1986.

[2]王宏波.多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)控制[J].煤礦現(xiàn)代化，2009.

[3]馬凈,左寧寧,劉琴等.熱連軋寬度自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].伺服控制,2008.

TensionControlStudyBetweenEdgerandFlatinHotStripMill

Li Wei Wu Zhenwei Jang Xudong Yu Hongxi Jiao Yulin Liu Xiaoyu

(Shougang Qian′An Iron & Steel Co., Ltd, Qian′an 064404)

As the strip product quality requirements which users foucs on is increasing, and the effective application of control technology of product quality and product precision is very important. The strip product width control lies in the accurate control of edger in rough rolling. edger roll free tension control technology (free tension control referred to as FTC) control technique based on the introduction of the speed regulator output to a negative feedback to control the torque smoothly to control the process of strip width.

Quality Free tension control(FTC) Torque

李偉，男，1982年出生，畢業(yè)于河北科技大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師，從事電氣自動(dòng)化工作方面的研究

TG335.11

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.05.002

2014-05-13)