電解脫脂清洗生產(chǎn)線電控系統(tǒng)的張力控制

李愛英，關(guān)朋，劉亞偉（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300180)

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電解脫脂清洗生產(chǎn)線電控系統(tǒng)的張力控制

李愛英，關(guān)朋，劉亞偉
（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300180)

摘要：介紹了電解脫脂生產(chǎn)線電氣傳動控制系統(tǒng)的張力控制，系統(tǒng)的入口S輥、出口S輥張力采用歐拉數(shù)學(xué)模型控制?？梢匀藶樵O(shè)置歐拉系數(shù)修改張力設(shè)定值，以滿足不同的材料對張力的要求。在系統(tǒng)中加入了Droop（軟化）功能，在啟動、加減速、停車時各輥電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速在動態(tài)中保持同步，避免了當(dāng)負(fù)載波動時，因帶材速度突變造成帶材的拉拽、松帶和打滑現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：電解脫脂生產(chǎn)線；S輥張力控制；同步控制

在冷軋帶鋼生產(chǎn)線中，采用電解脫脂工藝，對低碳鋼帶材進(jìn)行電解脫脂清洗，當(dāng)鋼帶通過加熱的堿性溶液的電解槽時，電極及鋼帶表面會釋放大量氧氣和氫氣，并對鋼帶表面油膜產(chǎn)生乳化，達(dá)到電化學(xué)除油或電解脫脂。在油膜被乳化后經(jīng)過洗刷、水洗、熱風(fēng)干燥后，鋼帶表面達(dá)到除油和清洗的目的，獲得高品質(zhì)的冷軋帶材。電解脫脂線生產(chǎn)線由機(jī)械設(shè)備、電解清洗液循環(huán)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。

脫脂線工藝流程為：帶鋼鋼卷經(jīng)上卷小車上料開卷→入口液壓剪→帶頭焊機(jī)焊接→入口張力輥→預(yù)清洗裝置、電解清洗裝置、熱水清洗裝置處理→熱風(fēng)吹掃→出口張力輥→出口液壓剪→轉(zhuǎn)向輥→EPC自動糾偏→卷取機(jī)→成品下料，圖1為帶鋼脫脂線工藝流程圖。

圖1　脫脂線工藝流程Fig.1 The process of degreasing production line

1　電氣控制系統(tǒng)配置及描述

該脫脂線電氣控制系統(tǒng)由10 kV電源母線供電，配置1臺3繞組整流變壓器。電氣傳動系統(tǒng)由開卷電機(jī)、入口S輥電機(jī)、入口、出口夾送輥電機(jī)、工藝槽驅(qū)動輥?zhàn)冾l電機(jī)、出口S輥電機(jī)和卷取電機(jī)組成。開卷機(jī)、卷取機(jī)直流傳動裝置和生產(chǎn)線上交流變頻電機(jī)所需的變頻調(diào)速系統(tǒng)用整流變壓器的1個副邊繞組，在直流傳動裝置和交流傳動系統(tǒng)進(jìn)線側(cè)增加交流電抗器進(jìn)行解耦，消除各整流裝置之間的相互影響。3臺直流電解電源共用整流變壓器的另一個副邊繞組，系統(tǒng)配置圖見圖2。

圖2　電氣傳動系統(tǒng)配置圖Fig.2 Electrical drive system configuration diagram

1.1電氣傳動控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)具有速度控制、張力控制、緊急停車控制、故障診斷和顯示報(bào)警與上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。開卷電機(jī)和卷取電機(jī)采用間接張力控制方式，通過實(shí)際卷徑值和轉(zhuǎn)矩給定值計(jì)算出張力，具有卷徑計(jì)算、動態(tài)補(bǔ)償、摩擦補(bǔ)償?shù)裙δ堋?個入口張力輥（入口S輥）、4個出口張力輥（出口S輥）和27個驅(qū)動輥由交流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動，交流變頻裝置采用公共直流母線形式供電，由一套整流單元為交流變頻傳動模塊提供直流電壓，各交流電機(jī)之間的制動能量在公共直流母線實(shí)現(xiàn)電能循環(huán)，無需制動斬波器或能量回饋單元。

入口、出口S輥采用間接張力控制，入口2個S輥均為轉(zhuǎn)矩控制，建立入口段張力。出口S輥的其它3個張力輥為轉(zhuǎn)矩控制方式，建立出口段張力。出口4#張力輥的速度作為速度控制系統(tǒng)的基準(zhǔn)速度，控制全線升速、運(yùn)行和降速。

輔助驅(qū)動輥傳動包括預(yù)清洗槽、電解清洗槽、熱水槽，3個工藝槽中有24個驅(qū)動輥，直聯(lián)變頻調(diào)速電動機(jī)，采用變頻調(diào)速運(yùn)行。

1.2自動化控制系統(tǒng)

電解脫脂線以工業(yè)計(jì)算機(jī)、可編程序控制器（PLC）及全數(shù)字交直流傳動控制系統(tǒng)為核心，構(gòu)成全分布式網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)?；A(chǔ)自動化控制系統(tǒng)由1個西門子S7-412-2DP CPU站和7個ET200遠(yuǎn)程I/O站組成，CPU與上位機(jī)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，CPU與遠(yuǎn)程I/O站、觸摸屏之間以及傳動調(diào)速裝置之間采用PROFIBUS-DP總線進(jìn)行通訊。

CPU完成開卷機(jī)、卷取機(jī)、入口、出口S輥的邏輯控制，靜態(tài)、動態(tài)力矩補(bǔ)償，建立與實(shí)現(xiàn)卷徑自動計(jì)算，全線液壓、氣動邏輯控制。完成對全線傳動系統(tǒng)速度控制，電解電源聯(lián)鎖，液位、溫度以及工藝設(shè)備、液壓、氣動系統(tǒng)的控制，圖3為自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖。

圖3　自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖Fig.3 Network configuration diagram of automatic system

作為集中監(jiān)視和操作的2臺西門子MP277觸摸屏分別放置在入口操作臺和出口操作臺上，用來設(shè)定入口段與出口段的工藝參數(shù)、設(shè)備操作、全線運(yùn)行監(jiān)視以及軋線監(jiān)控動態(tài)畫面狀態(tài)顯示，完成上卷、卸卷、入口焊縫、減速停車、速度控制，對單機(jī)進(jìn)行起、停控制。

控制室配有1臺工控機(jī)作為上位機(jī)操作站，上位機(jī)配置WinCC組態(tài)軟件，采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，完成軋制參數(shù)的顯示和開卷機(jī)、卷取機(jī)、入口與出口S輥電機(jī)電流、速度、卷徑與張力的趨勢圖，顯示生產(chǎn)過程的設(shè)定值和實(shí)際值，各電氣傳動裝置，輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，過程跟蹤，數(shù)據(jù)采集，打印各種生產(chǎn)管理報(bào)表。系統(tǒng)還擁有完善的故障診斷功能，對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行在線診斷和事故報(bào)警監(jiān)視，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維修性，有效地縮短了故障查找及停機(jī)時間。

2　張力控制

2.1 S輥的張力控制

張力按照歐拉數(shù)學(xué)模型逐級放大，使開卷機(jī)、入口S輥、各工藝輥之間、出口S輥、卷取機(jī)之間的帶鋼張力保持平衡，以滿足生產(chǎn)要求。2個入口S輥和4個出口S輥，每個輥由1臺電動機(jī)驅(qū)動，出口4#張力輥?zhàn)鳛檎麠l生產(chǎn)線的基準(zhǔn)線速度v給定，采用雙閉環(huán)速度調(diào)速系統(tǒng)。入口和出口其它5個S輥為通過轉(zhuǎn)矩給定控制張力的調(diào)速系統(tǒng)，它是由轉(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到ATL輸入，而是從轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）正限幅輸入。

通過歐拉公式計(jì)算出在S輥出口和入口張力一定的情況下，考慮軋輥不變的直徑，直接計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，作為轉(zhuǎn)矩限幅給定值，速度調(diào)節(jié)器中使用附加速度給定Δn使其工作在飽和狀態(tài)。單動時，Δn=0，這時的調(diào)速系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)雙環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；生產(chǎn)聯(lián)動時，Δn=5%～10%，Ng-Nf≈0，靠Δn維持ASR正飽和，調(diào)速系統(tǒng)按張力控制模式工作，張力大小通過改變張力轉(zhuǎn)矩給定Tt來控制。該系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩環(huán)的轉(zhuǎn)矩給定值由兩部分組成：張力轉(zhuǎn)矩給定Tt和動態(tài)轉(zhuǎn)矩給定值Td，Tt來自ASR的輸出，它是張力F與輥徑D0的乘積（見圖4）。圖4中，F(xiàn)為張力，v為線速度，D0為輥徑，Ng為轉(zhuǎn)速給定，Nf為轉(zhuǎn)速反饋，Δn為附加速度給定值。

圖4　通過轉(zhuǎn)矩給定控制張力的S輥間接張力控制環(huán)節(jié)Fig.4 Tension control of S roll with tension control by torque

2.2入口S輥的張力控制

鋼帶經(jīng)開卷機(jī)上卷后，先經(jīng)過入口S輥。鋼帶將入口2個輥?zhàn)舆B接，形成入口段張力。2個輥?zhàn)泳哂懈髯元?dú)立的傳動電動機(jī)和各自的速度、轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)。

張力分配為：出口段張力等于開卷張力與入口段張力之和。即：

式中：F3為出口段張力；Fk為開卷張力；（F1＋F2）為入口段張力之和；F1，F(xiàn)2分別為入口S輥下輥、入口S輥上輥的張力。

入口歐拉數(shù)學(xué)模型張力給定，入口總張力：

式中；K1為入口下輥歐拉系數(shù)；K2為入口上輥歐拉系數(shù)；K1，K2設(shè)定范圍1.0～2.0。

由式（2），入口開卷機(jī)張力給定：

入口下張力輥張力給定：

入口上張力輥張力給定：

式中：TM為電機(jī)轉(zhuǎn)矩；P為電機(jī)功率；Ne為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

式中：i為變速比；D0為輥徑為恒定值。入口下張力輥的張力為

入口上張力輥的張力F2S為

式中：P1S為入口下輥功率；P2S為入口上輥功率。

2臺驅(qū)動電機(jī)的額定功率不同，它們的負(fù)載始終均衡，即2臺電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)額定功率比例相同。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，可以在觸摸屏上設(shè)定入口下輥、上輥的歐拉系數(shù)K1和K2。2臺電機(jī)按相對值設(shè)定轉(zhuǎn)矩，取電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為相對值的基數(shù)，以滿足輸入段2個張力輥電機(jī)負(fù)載均衡。

2.3出口S輥的張力控制

出口1#張力輥歐拉系數(shù)= K1，2#，3#張力輥歐拉系數(shù)分別為K2，K3，歐拉系數(shù)取值1.0～1.6。出口4#張力輥為速度控制，為系統(tǒng)的基準(zhǔn)速度，F(xiàn)j為卷取機(jī)張力。

出口段S輥歐拉數(shù)學(xué)模型張力給定出口總張力：

出口卷取機(jī)張力給定：

出口1#張力輥張力給定：

出口2#張力輥張力給定：

出口3#張力輥張力給定：

與入口段張力輥一樣，出口段張力輥也要求各個電機(jī)按相對值設(shè)定轉(zhuǎn)矩，取電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為相對值的基數(shù)，以滿足輸出段各個張力輥電機(jī)負(fù)載均衡。

建張力順序：出口4#張力輥轉(zhuǎn)速給定為零，先建開卷機(jī)和卷取機(jī)張力，再建入口S輥、出口S輥張力。

卸張力順序：先卸掉入口S輥、出口S輥張力，再卸卷取機(jī)和開卷機(jī)張力，最后停4#張力輥零速給定。為保證出入口不同歐拉系數(shù)的張力關(guān)系，入口、出口均有張力限幅值，并在觸摸屏和上位機(jī)畫面上顯示。

2.4脫脂線中的Droop（軟化）特性

由于脫脂生產(chǎn)線輥與輥之間依靠鋼帶連接，多輥傳動要確保所有電機(jī)運(yùn)行時同步。在升速、降速或轉(zhuǎn)矩有突變時，為了保證脫脂生產(chǎn)線各工藝槽中軋輥電動機(jī)在動態(tài)下快速跟隨，避免各輥之間的鋼帶受前后方向力的拉拽，在軋輥電氣傳動中使用Droop功能，功能圖見圖5。

圖5　脫脂線Droop功能圖Fig.5 Droop function diagram of degreasingline

輥道交流變頻器選擇不帶轉(zhuǎn)速脈沖編碼器的矢量控制（f控制）方式，各輥道交流變頻器接受同一個速度給定信號。Droop軟化功能的輸出作為速度調(diào)節(jié)器的附加值給定，為每臺交流變頻器加上一個形成下垂特性的頻率設(shè)定值，即通過轉(zhuǎn)矩設(shè)定值的負(fù)反饋，在逆變器的頻率設(shè)定值上增加一個滑差頻率。由于下垂特性與電動機(jī)的滑差特性類同，在動態(tài)時可使電機(jī)具有快速跟隨性，避免了鋼帶在升速、降速和負(fù)載波動時，因速度突變造成鋼帶拉拽、松帶、打滑。當(dāng)使用Droop功能后，負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加到某一值，轉(zhuǎn)矩逐漸下降，當(dāng)降到所設(shè)定的百分比，即進(jìn)入“硬特性”，不再降低頻率，電機(jī)機(jī)械特性變軟，起到了平衡負(fù)載分配的作用。圖6為下垂度標(biāo)定曲線。

圖6　下垂度標(biāo)定曲線Fig.6 Say calibration curves

工藝槽中軋輥交流變頻器Droop值設(shè)定為5%～8%的設(shè)定頻率，保證逆變器控制電機(jī)的機(jī)械特性有一定的下垂，這樣可在保持速度同步的前提下，輸出轉(zhuǎn)矩相對均衡。

3　結(jié)論

本文介紹的電解脫脂生產(chǎn)線電氣傳動控制系統(tǒng)已經(jīng)在某廠成功應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)先進(jìn)，性能良好，操作簡單，維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，由于自動化程度高，大大提高了生產(chǎn)效率，降低勞動強(qiáng)度。采用歐拉數(shù)學(xué)模型張力控制使整條生產(chǎn)線鋼帶在啟動、加減速、停車和運(yùn)行中達(dá)到張力穩(wěn)定，采用Droop功能后，各電機(jī)實(shí)際速度在動態(tài)中同步性能好，在升速、降速和負(fù)載波動速度突變時，帶鋼無拉拽、松帶、打滑現(xiàn)象。

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修改稿日期：2016-01-19

Tension Control of the Electric Drive Control System Inelectrolytic Degreasing Production Line

LI Aiying，GUAN Peng，LIU Yawei
（Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）

Abstract:The tension control of the electric drive control system of electrolytic degreasing production line was introduced，the tension of inlet S roll and outlet S roll in the system was controlled by the Euler model. It can artificially set the Euler coefficient to modify the tension set value，to meet the requirements of different materials on the tension. In the system joined the droop（softening）function，in starting，acceleration and deceleration，and stopping，the actual speed of the motor in dynamic synchronized to avoid when the load fluctuation，which caused by the strip pulling and loosening and slipping by mutations in a strip speed.

Key words:electrolytic degreasing production line；S roll tension control；synchronous control

收稿日期：2015-12-02

作者簡介：李愛英（1962-），女，本科，高級工程師，Email：13920386017@163.com

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A