包鋼鍍鋅開卷機張力控制系統(tǒng)的研究

李東明

（包鋼集團公司薄板坯連鑄連軋廠自動化部，內(nèi)蒙古 包頭014010）

包鋼鍍鋅開卷機張力控制系統(tǒng)的研究

李東明

（包鋼集團公司薄板坯連鑄連軋廠自動化部，內(nèi)蒙古 包頭014010）

本文主要介紹了包鋼薄板廠鍍鋅線開卷機的工藝技術(shù)特點，開卷機的機械配置及開卷機張力控制技術(shù)的研究。著重介紹了開卷機的控制系統(tǒng)組成，詳細介紹了開卷機卷經(jīng)計算、速度計算、靜阻轉(zhuǎn)矩的計算、動態(tài)轉(zhuǎn)矩的計算，以及開卷機張力設(shè)定轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩的計算，并結(jié)合以上數(shù)據(jù)的計算，詳細分析了開卷機的間接張力控制過程。最后分析開卷機張力在實際生產(chǎn)中存在的問題和處理方法。

張力控制；開卷機；轉(zhuǎn)矩計算；張力轉(zhuǎn)化

包鋼薄板廠熱鍍鋅生產(chǎn)線是包鋼第一條鍍鋅生產(chǎn)線，由奧鋼聯(lián)公司設(shè)計，產(chǎn)品主要應(yīng)用于建筑和家電行業(yè)。其中開卷機是鍍鋅生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備，按工藝順序也是第一個設(shè)備。主要功能是把鋼卷打開，提供入口區(qū)域的張力，為入口區(qū)域的順利運行起關(guān)鍵作用。在開卷過程中，機組速度恒定，隨著鋼卷卷徑不斷減小，開卷機電機的轉(zhuǎn)速不斷增大，同時保證開卷機和1#張緊輥直接的張力始終保持不變。由于開卷機動態(tài)慣性比較大，在加減速過程中必須保證帶鋼張力相對平穩(wěn)。如果發(fā)現(xiàn)張力波動，如張力過小，會造成鋼卷松卷以及層間竄動，損壞帶鋼；如張力過大，就會把帶鋼拉斷或損壞設(shè)備。因此對于開卷機而言，張力控制是核心技術(shù)，也是難點。包鋼薄板廠鍍鋅線開卷機的張力控制采用間接恒張力控制的方式。

1 開卷機區(qū)域設(shè)備及工藝介紹

鍍鋅的原料卷通過運卷小車上到開卷機上，2個開卷機交替運行，例如1#開卷機開卷，將帶鋼運到剪子處，切完帶頭后，再將帶運到并線夾送輥處等待，這時是2#開卷機在正常運行，當2#開卷機的卷運行完后，2#開卷機的帶尾運到焊機處，1#開卷機的帶頭也運到焊機，焊機將兩卷焊接上后，開卷機先建立靜張力，在起線入口區(qū)域運行。

2 開卷機張力控制的設(shè)計

開卷機有兩種運行模式：第一種為點動模式的速度控制，用于設(shè)備正反轉(zhuǎn)點動或者傳動操作時幾個設(shè)備的聯(lián)合點動；第二種為入口區(qū)域焊接完成后運行的張力控制模式，以適當?shù)膹埩ΡＷC入口區(qū)域機組的平穩(wěn)運行，入口運行啟動時從速度控制模式轉(zhuǎn)為張力控制模式。

開卷機間接張力控制系統(tǒng)，采用檢查開卷機電機速度方法，計算開卷機的卷徑，通過開卷機的卷直徑和張力設(shè)定值計算開卷機電機的轉(zhuǎn)矩，進而通過變頻器調(diào)速裝置控制電動機的電樞電流，以達到控制張力的目的。系統(tǒng)由卷徑計算、轉(zhuǎn)速給定計算、轉(zhuǎn)矩給定計算、轉(zhuǎn)矩補償計算、速度調(diào)節(jié)器、電樞電流調(diào)節(jié)器等模塊組成。

2.1 卷徑計算

在間接恒張力控制系統(tǒng)中。卷徑D是一個非常重要的參數(shù)，直接影響著對張力的控制。在開卷的整個過程中卷徑一直在減小，所以需要在線實時地對其進行計算，計算公式如下：

D=v／(Pi×n)

式中：n為開卷機實際轉(zhuǎn)速，可根據(jù)電動機上增量編碼器的測得信號換算和減速箱的速比算出，n作為變頻器轉(zhuǎn)速反饋輸入；v為帶鋼運行的線速度，取自1#張緊輥1#輥電機的速度（入口機組的速度）。為保證計算結(jié)果正確，系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有卷徑限幅最小卷徑為508mm，最大卷徑為1900mm。

在機組速度為0或未加載張力時，是無法用以上原理計算卷徑的。為確保系統(tǒng)正常工作，就需設(shè)定卷徑初始值。此初始值由系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定為帶鋼的最大卷徑限幅D=1900mm，第一用于建立靜張力(機組速度為O)時計算n和M，第二用于穿帶時，開卷機與夾送輥（或卷取機）聯(lián)合點動（未加載張力）計算n。

2.2 速度給定計算

開卷機的給定是通過入口區(qū)域主線速度給定計算的，入口區(qū)域主線速度是通過整個線的速度給定根據(jù)爐區(qū)延伸率計算得出的。通過入口區(qū)域主線速度給定、開卷機卷徑和減速機齒輪比計算出開卷機的角速度，給到變頻器上。計算公式為：

AngSp=(LinSp×GearR×1000)/(Diam×PI)

AngSp：開卷機電機角速度(rpm)

LinSp：入口區(qū)域線速度設(shè)定值（m/min）

Diam：開卷機的實際卷徑（mm）

PI：圓周率

從公式也可以看出，隨著卷運行卷徑越來越小，電機的角速度就越來越大。

2.3 開卷機轉(zhuǎn)矩相關(guān)的計算

2.3.1 靜阻轉(zhuǎn)矩的計算

開卷機在勻速運行時所有機械必然存在滑動摩擦力，同時旋轉(zhuǎn)也會形成風的阻力。其中滑動摩擦力主要包括電樞和鋼卷等旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的阻力。在程序中靜阻轉(zhuǎn)矩叫“l(fā)osstorque”計算公式為：

Loss_Tq=Ppro×N±PFix

Ppro:開卷機的摩擦系數(shù)

N：開卷機的轉(zhuǎn)速

PFix:轉(zhuǎn)矩摩擦補償值

其中開卷機的摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)矩摩擦補償值是在調(diào)試時測量出來的，都為常數(shù)。當速度為正值時，加上轉(zhuǎn)矩摩擦補償值；當速度為負值時，減去轉(zhuǎn)矩摩擦補償值。1#開卷機的轉(zhuǎn)矩摩擦補償值為44.537。

從公式可以看出，速度越高，靜阻轉(zhuǎn)矩越大。

2.3.2 動態(tài)轉(zhuǎn)矩的計算

開卷機處于加速運行時，整個系統(tǒng)都會沿著電機旋轉(zhuǎn)方向運動并產(chǎn)生角加速度，角加速度與旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動慣量的乘積就是所需的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，也叫轉(zhuǎn)動慣量。程序中轉(zhuǎn)動慣量（inertiatorque）的計算公式是：

Inertia_Tq=[（PI×D×W×（D_E－D_I））÷(32×G)+Pd2]×（2×G×ACC）×Eff÷D_E

PI:圓周率

D_E:開卷機的卷的外徑

D_I:開卷機的卷的內(nèi)徑

Pd2:轉(zhuǎn)動慣量系數(shù)

G：開卷機減速機齒輪比

Acc：加速度（m/s2）

Eff：開卷機的機械效率

通過公式可以看出，開卷機的加速度越大，所需的動態(tài)轉(zhuǎn)矩就越大，開卷機的內(nèi)徑是不變的，開卷機卷的外徑越大，所需的動態(tài)轉(zhuǎn)矩就越大。

2.3.3 開卷區(qū)張力值轉(zhuǎn)化為電機轉(zhuǎn)矩

開卷區(qū)張力設(shè)定值一般是通過二級計算后設(shè)定的，也可以手動輸入。張力設(shè)定值通過轉(zhuǎn)化變?yōu)殚_卷機電機的轉(zhuǎn)矩，通過電機的轉(zhuǎn)矩控制張力。張力轉(zhuǎn)化為電機轉(zhuǎn)矩的公式：

TensT=(TensR×10)×Diam/(1000×GearR)

TensR:張力設(shè)定值（DaN）

Diam：開卷機卷徑（mm）

GearR：開卷機電機齒輪比

2.4 開卷機張力控制分析

開卷機運行分為兩種模式，一種是點動或聯(lián)動時的速度控制，另外一種是正常運行的間接張力控制。

2.4.1 點動和聯(lián)動時速度的控制

點動和聯(lián)動時，開卷機區(qū)域不產(chǎn)生張力，此時只是一個速度控制。不過除了速度的主給定，還有一個附件轉(zhuǎn)矩給定，主要是平衡摩擦和加減速時的動態(tài)損耗，就是將前面計算的靜阻轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩兩個的和賦值給附件轉(zhuǎn)矩，給到變頻器上，保證開卷機速度穩(wěn)定。

2.4.2 開卷機間接張力的控制

開卷機間接張力主要是通過負轉(zhuǎn)矩限幅實現(xiàn)的。變頻器通過速度給定與速度反饋比較給到速度調(diào)節(jié)器上，速度設(shè)定就為入口區(qū)域的主設(shè)定，跟入口區(qū)域主的速度輥1#張緊輥1#輥的速度設(shè)定一樣，速度調(diào)節(jié)器計算完成后給到轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器上。由于沒有給附件轉(zhuǎn)矩，這時就相對于沒有給定摩擦和加減速時的補償，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器就是一個飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器之后是轉(zhuǎn)矩限幅。由于開卷機產(chǎn)生的張力是向后的，跟開卷機速度方向相反，所有對張力的控制只是對負轉(zhuǎn)矩限幅作限制，正轉(zhuǎn)矩不限制為100%。負轉(zhuǎn)矩限幅包括兩個部分，一部分為通過張力設(shè)定計算出的轉(zhuǎn)矩值，另一部分為開卷運行時損耗的補償轉(zhuǎn)矩即附件轉(zhuǎn)矩，將兩部分的值相加就為負轉(zhuǎn)矩限幅，通過負轉(zhuǎn)矩限幅后經(jīng)過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制變頻器輸出，從而控制開卷機的張力。因為只是通過張力設(shè)定值去控制電機的轉(zhuǎn)矩，沒有采用張力反饋，所有這種控制不是閉環(huán)控制，即為間接張力控制。

[1]張啟富,劉邦津.黃建中.現(xiàn)代鋼帶連續(xù)熱鍍鋅[M].冶金工業(yè)出版社，2007.846～869.

[2]姚錫祿.變頻器控制技術(shù)與應(yīng)用[M]．福建科學技術(shù)出版社．2005,20～35.

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