熱連軋帶鋼系統(tǒng)中電動(dòng)活套的應(yīng)用

孟慶鉑，李慶元，李丙楠，劉 翔，李 朕

(1.天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院，天津 300380；2.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180；3.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301)

熱連軋帶鋼系統(tǒng)中電動(dòng)活套的應(yīng)用

孟慶鉑1，李慶元2，李丙楠3，劉 翔2，李 朕1

(1.天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院，天津 300380；2.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180；3.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301)

在熱連軋系統(tǒng)軋制過程中，帶鋼易產(chǎn)生堆疊和拋頭甩尾現(xiàn)象，帶鋼的張力過大則會(huì)造成斷帶，從而有可能引發(fā)財(cái)產(chǎn)和生命雙重重大事故?；钐鬃詣?dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效調(diào)節(jié)整條帶鋼在軋制過程中的張力，保證軋制的平穩(wěn)進(jìn)行。文中以某公司熱連軋帶鋼廠的1 700 mm熱軋帶鋼自動(dòng)化生產(chǎn)線為例，對(duì)軋制過程中活套的工作原理進(jìn)行研究，并建立了帶鋼張力和活套力矩控制計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合仿真與實(shí)際調(diào)試對(duì)熱連軋工藝中活套控制問題做了深入的分析，實(shí)現(xiàn)了活套自動(dòng)控制。

活套控制；張力；角度閉環(huán)

0 引 言

隨著軋鋼設(shè)備、技術(shù)、工藝的不斷發(fā)展，帶鋼的成品率與產(chǎn)品質(zhì)量在不斷提升。本項(xiàng)目是對(duì)某鋼鐵公司一條熱連軋系統(tǒng)進(jìn)行改造，同時(shí)更新傳統(tǒng)系統(tǒng)。對(duì)活套的傳動(dòng)系統(tǒng)改造是整套系統(tǒng)改造的重要環(huán)節(jié)之一，這可以加強(qiáng)對(duì)帶鋼板型的控制，減少堆鋼、減少軋輥壓力，有利于厚度控制，軋制出各種薄厚的產(chǎn)品拓寬產(chǎn)品規(guī)格。為增加效益、開發(fā)完善各項(xiàng)技術(shù)功能、減少廢品、提高產(chǎn)量與成材率以及減少故障停機(jī)時(shí)間，對(duì)活套控制系統(tǒng)進(jìn)行改造十分必要。

1 活套種類

目前主流的常見活套有以下三種：

1.1 電動(dòng)活套

電動(dòng)活套采用低慣量、低轉(zhuǎn)速的直流變力矩電動(dòng)機(jī)，通過傳動(dòng)裝置(經(jīng)減速器傳動(dòng)或無減速器直接傳動(dòng))帶動(dòng)活套臂和活套輥繞擺軸擺動(dòng)，在堵轉(zhuǎn)情況下力矩可調(diào)。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、操作與調(diào)節(jié)方便、堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)，反應(yīng)響應(yīng)時(shí)間短、張力波動(dòng)小、控制精度高，但電氣控制系統(tǒng)略顯復(fù)雜，造價(jià)稍高。適用于帶鋼生產(chǎn)線，文中研究的就是這種活套。

1.2 氣動(dòng)活套

與電動(dòng)活套裝置相比，其擺軸慣量較小，需要一套氣源處理裝置為其提供動(dòng)力，維護(hù)與檢修工作量大、壓力調(diào)節(jié)精度差、調(diào)節(jié)范圍小，同時(shí)在一個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)中要迅速連續(xù)地得到兩種壓力(迅速升起要高壓、正常張力要低壓)較為困難。因此，其在熱連軋機(jī)上很少使用。

1.3 液壓活套

液壓活套的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為液壓缸，由伺服閥驅(qū)動(dòng)，由于液壓系統(tǒng)慣性小、工作比較平穩(wěn)，所以液壓活套裝置的動(dòng)態(tài)性能好，但若封閉不好容易漏油造成污染。液壓活套目前在我國熱連軋中較為常見，本項(xiàng)目為了節(jié)約成本，采用其原先的活套電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，未采用此方式。

工程在精軋機(jī)組設(shè)立6個(gè)電動(dòng)活套，其參數(shù)見表1，分別設(shè)置在精軋2號(hào)至7號(hào)機(jī)架的入口側(cè)，維持恒定張力軋制，使金屬秒流量平衡?；钐纵佈b置由活套擺臂、活套輥、活套支持器、減速控制裝置、緩沖器及活套傳動(dòng)電機(jī)組成。活套最大張力為330 kN，最大工作角為60°，可實(shí)現(xiàn)間接張力閉環(huán)控制。

表1 活套電機(jī)參數(shù)

2 活套控制與參數(shù)設(shè)定

在熱連軋機(jī)組中，為保證成品質(zhì)量，以成品機(jī)架即最末機(jī)架為基準(zhǔn)機(jī)架，保持其速度不變并作為基準(zhǔn)速度設(shè)定，其前面機(jī)架速度根據(jù)金屬秒流量相等的原理自動(dòng)按比例設(shè)定，在軋制過程中主傳動(dòng)的調(diào)速自動(dòng)控制是與活套進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)行，各架軋機(jī)的速度隨活套的調(diào)節(jié)信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)，依次按逆軋制方向?qū)ζ淝懊娴母鳈C(jī)架速度級(jí)聯(lián)控制。當(dāng)下游機(jī)架咬鋼后，活套開始起套，此時(shí)要準(zhǔn)確反饋下游機(jī)架的咬鋼速降，以便加上必要的動(dòng)態(tài)速度補(bǔ)償來達(dá)到恒定的活套起套量。根據(jù)活套臂上升角度控制活套上升速度，開始時(shí)應(yīng)快速起套，而當(dāng)活套角達(dá)到預(yù)定角度的80%時(shí)，以慢速升套。落套時(shí)，如落套過早，將使相當(dāng)長(zhǎng)一段帶尾由于失張而變厚；如落套過晚，又可能造成帶尾上翹。常采用活套帶尾補(bǔ)償技術(shù)，即在帶尾離開前一機(jī)架時(shí)將活套角降低，同時(shí)緩慢減小張力，以使帶鋼離開本機(jī)架前活套能較快地落回初始位置，通過優(yōu)化調(diào)節(jié)使活套帶鋼張力穩(wěn)定。

一個(gè)帶鋼張力控制高效的活套控制系統(tǒng)，必須建立在角度閉環(huán)與張力控制混合功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，單純投入某一個(gè)功能，將對(duì)軋制過程產(chǎn)生不良影響。在起套的過程中，張力控制尚未投入，此時(shí)從起套的初始階段后立即進(jìn)入角度閉環(huán)，主傳動(dòng)速度動(dòng)態(tài)速降恢復(fù)，帶鋼與活套輥接觸，則應(yīng)投入張力控制功能，活套張力控制的目的在于維持恒定小張力軋制。張力控制，首先根據(jù)預(yù)設(shè)張力，在給定的活套角度下計(jì)算活套力矩電流給定值。套量變化使活套角度變化，隨之實(shí)際活套角反饋后，又將計(jì)算此刻的張力力矩和重力力矩，再折算出新合力矩電流設(shè)定值。

活套輥采用直流電機(jī)控制，活套角度的檢測(cè)來自活套系統(tǒng)機(jī)械側(cè)絕對(duì)值編碼器，起套輥的起落由機(jī)架的咬鋼和拋鋼信號(hào)控制，同時(shí)根據(jù)實(shí)際的軋制工藝可以在自動(dòng)化二級(jí)操作臺(tái)人為干預(yù)。

2.1 速度給定與轉(zhuǎn)矩限幅

從自動(dòng)化方面來說，每個(gè)活套控制系統(tǒng)都是一個(gè)雙輸入、雙輸出的多變量控制系統(tǒng)，以上游機(jī)架的軋機(jī)電機(jī)速度和活套電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩為輸入變量，被控輸出變量是活套角度θ再通過自動(dòng)化方面的PI調(diào)節(jié)器將速度給定傳輸給傳動(dòng)系統(tǒng)。

根據(jù)上述公式將角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為傳動(dòng)系統(tǒng)所需要的速度給定信號(hào)，同時(shí)這也是圖2中系統(tǒng)的最外環(huán)。

圖1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖

圖1為傳動(dòng)系統(tǒng)中典型的雙閉環(huán)調(diào)速，也是圖2中系統(tǒng)的速度環(huán)和電流環(huán)的構(gòu)成。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)作為經(jīng)典的調(diào)速系統(tǒng)，這里就不再一一贅述。圖2中各項(xiàng)參數(shù)選取采用西門子最優(yōu)。

另一方面是帶鋼張力，將此帶鋼張力與活套輥重力進(jìn)行力矩合成得到電機(jī)所需力矩，電機(jī)力矩M為張力力矩與重力平衡力矩之和，是活套輥擺角θ和張力T的函數(shù)，即M=f(θ,T)，之后以限幅的形式傳輸給傳動(dòng)系統(tǒng)。

需要指出的是，張力T與活套角度θ相互影響，當(dāng)活套角度θ變化時(shí)，如活套電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩按函數(shù)M=f(θ)變化，則可保證張力T的恒定。

2.2 參數(shù)設(shè)定

對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)來說，接收自動(dòng)化速度給定進(jìn)行速度響應(yīng)，同時(shí)接收自動(dòng)化給予的轉(zhuǎn)矩限幅，將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩限定在計(jì)算范圍內(nèi)以防止起套超調(diào)過大造成拉鋼。

傳動(dòng)系統(tǒng)本身為一個(gè)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，同時(shí)自動(dòng)化采集活套位置角度信號(hào)，與活套給定角度形成角度閉環(huán)，整體如圖2所示。

圖2 活套傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

以3號(hào)活套為例，額定電壓UN=220V，額定電流IN=275A，額定轉(zhuǎn)速nN=25r/min，額定功率PN=75kW。通過測(cè)量，得到該電機(jī)電阻Ra=0.136Ω，電感La=20.48mH，將活套擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)側(cè)為J=2 634kg·m2。內(nèi)環(huán)電流環(huán)PI參數(shù)采用6RA70裝置自行優(yōu)化出的參數(shù)：電流調(diào)節(jié)器P增益P155=3.67，電流調(diào)節(jié)器積分時(shí)間P156=100ms。

自動(dòng)化通過PI調(diào)節(jié)將速度給定傳輸給傳動(dòng)系統(tǒng)，這個(gè)速度給定實(shí)際上有著較大的滯后，以至于在空載運(yùn)行時(shí)活套角度響應(yīng)會(huì)有很大的超調(diào)。在帶載過程中，為了抑制過大的超調(diào)避免造成拉鋼，自動(dòng)化除了給傳動(dòng)系統(tǒng)速度給定之外，同時(shí)會(huì)為傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)定電流限幅值。自動(dòng)化通過機(jī)架間張力與活套設(shè)定角度計(jì)算出此時(shí)在形成微張力時(shí)電機(jī)所需的轉(zhuǎn)矩，將此轉(zhuǎn)矩值轉(zhuǎn)換為電流限幅值傳輸給傳動(dòng)系統(tǒng)。在起套過程中，由于活套的快速響應(yīng)，會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)與帶鋼接觸，在與帶鋼接觸后，由于電流限幅起作用，電機(jī)無法產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)矩，帶鋼張力在垂直方向的分解量會(huì)極好的抑制活套超調(diào)，從而使得活套系統(tǒng)既可以快速響應(yīng)又不會(huì)產(chǎn)生過大的超調(diào)在穿帶時(shí)造成拉鋼。

基于上述的控制思路，傳動(dòng)系統(tǒng)在速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器調(diào)試過程中將響應(yīng)速度作為主要指標(biāo)，允許系統(tǒng)產(chǎn)生相對(duì)較大的超調(diào)。通過調(diào)試，6RA70系統(tǒng)速度環(huán)PI參數(shù)為：速度調(diào)節(jié)器P增益P225=4，速度調(diào)節(jié)器積分時(shí)間P226=600ms。由于現(xiàn)場(chǎng)活套電機(jī)在調(diào)試過程中已經(jīng)連接機(jī)械設(shè)備并且難以拆卸，只有60°的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，無法做高速響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，只能通過仿真得到波形以作參考，如圖3所示。

圖3 活套電機(jī)啟動(dòng)仿真波形

通過波形可以看出，從0速到基速0.3s可以完成響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間滿足0.5s的技術(shù)要求，同時(shí)超調(diào)16%；對(duì)速度進(jìn)行積分，可以測(cè)出活套從0°～60°的響應(yīng)時(shí)間為300ms左右。當(dāng)然，以上作為仿真結(jié)果必然會(huì)與實(shí)際存在著差距，但依然具有指導(dǎo)意義。由于活套機(jī)械主要由活套擺臂、活套輥組成，對(duì)于電機(jī)來說相當(dāng)于一個(gè)大慣性彈性負(fù)載，如果電機(jī)調(diào)節(jié)過程中有振蕩發(fā)生將難以消除，因此，在速度調(diào)節(jié)器積分時(shí)間選定時(shí)應(yīng)選擇一個(gè)較大的積分時(shí)間，犧牲了調(diào)節(jié)時(shí)間，消除了二階系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時(shí)的振蕩。

3 結(jié)束語

圖4為此熱連軋系統(tǒng)中1號(hào)活套實(shí)際角度與張力設(shè)定值的波形圖，可以看出，活套角度由13°～26°的響應(yīng)時(shí)間為76ms，滿足生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)整個(gè)調(diào)節(jié)過程僅經(jīng)歷了一次超調(diào)，并無產(chǎn)生任何振蕩，與仿真的結(jié)果基本吻合，達(dá)到了預(yù)期控制效果。

圖4 活套實(shí)際應(yīng)用中的波形

此處的張力值為自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)定張力值，也可以看作是實(shí)際張力值。由于在帶鋼生產(chǎn)過程中實(shí)際張力值是無法實(shí)時(shí)測(cè)量的，所以自動(dòng)化在控制使用的張力值都是模型系統(tǒng)根據(jù)活套輥高度、機(jī)架間距離、活套自重、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等得到的計(jì)算值。

對(duì)比兩圖可以看出，活套角度隨張力的給定實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)保證了張力在整個(gè)軋制過程中無太大的波動(dòng)，使得整個(gè)軋制過程得以平穩(wěn)進(jìn)行。

文中以實(shí)際項(xiàng)目為例，闡述了電動(dòng)活套傳動(dòng)部分在調(diào)試過程中的調(diào)試思路。本項(xiàng)目根據(jù)機(jī)械特性、自動(dòng)化的控制方式提出允許超調(diào)、消除振蕩的控制思路，以此來設(shè)定參數(shù)并達(dá)到了預(yù)期效果，滿足了生產(chǎn)需求。需要指出的是，不同的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、不同的自動(dòng)化控制方式會(huì)對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)提出不同的要求，控制思路不是一成不變的，需要根據(jù)實(shí)際情況來選定參數(shù)方案。

[1] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2] 顧春雷，陳 忠.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)與Matlab仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

The Application of Electric Looper in Hot Rolling Strip Control System

MENG Qing-bo1, LI Qing-yuan2, LI Bing-nan3, LIU Xiang2, LI Zhen1

(1.Zhonghuan Information College Tianjin University of Technology, Tianjin 300380, China;2.Tianjin Research Institute of Electric Science Co.,Ltd., Tianjin 300180, China;3.Tianjin Pipe Group Corporation, Tianjin 300301,China)

In the hot rolling process, the strip is easy to produce stacking and throwing first flick phenomenon, strip tension is too large will cause broken belt, may lead to property and lives a double major accidents. The application of looper automation control system can effectively regulate the tension of the whole strip during rolling, to ensure the smooth rolling of. This paper takes 1700mm hot strip automatic production line of a company's hot rolling strip mill as an example, make research on the working principle of looper in rolling process, and established mathematical models of strip tension and looper torque control calculation, for hot rolling process Looper control problems did in-depth analysis combining simulation and actual debugging, to achieve a target of looper automatic control.

Looper control; Tension; Angle closed-loop

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.12.018

2015-11-05

2015-11-15

孟慶鉑(1980- )，男，天津市人，天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院，中國電子學(xué)會(huì)會(huì)員，工程師、技師，碩士，研究方向?yàn)橹悄軆x器設(shè)備控制、工業(yè)心理學(xué)。

TM921.1

A

1009-3230(2015)12-0053-04