四輥傳動(dòng)冷軋機(jī)的速度控制及負(fù)荷平衡

高朝波，劉 悅，郝宏昭，李小娟

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

四輥冷軋機(jī)是生產(chǎn)冷軋板帶的典型機(jī)型，當(dāng)前絕大多數(shù)四輥軋機(jī)主軋輥的傳動(dòng)方式為上下工作輥通過(guò)減速箱并聯(lián)傳動(dòng)和獨(dú)立傳動(dòng)，工作輥通過(guò)減速箱并聯(lián)驅(qū)動(dòng)時(shí)對(duì)軋輥的配對(duì)有著很高的要求。而工作輥獨(dú)立傳動(dòng)時(shí)對(duì)軋輥配對(duì)要求較低但對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)控制要求較高。

某廠四輥軋機(jī)采用上下支撐輥、上下工作輥分別獨(dú)立傳動(dòng)，相對(duì)于工作輥獨(dú)立傳動(dòng)的軋機(jī)增加了支撐輥獨(dú)立傳動(dòng)系統(tǒng)，這就對(duì)主軋機(jī)各驅(qū)動(dòng)輥的速度控制和各驅(qū)動(dòng)輥之間的負(fù)荷平衡控制提出了更高的要求。為了滿足生產(chǎn)工藝的需要，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司采用速度、電流雙閉環(huán)的速度控制方式和多調(diào)節(jié)器的四輥負(fù)荷平衡控制分配扭矩。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)的組成和原理

1.1 硬件配置

軋機(jī)的自動(dòng)化系統(tǒng)中，直流傳動(dòng)控制選用派克直流調(diào)速控制器，該調(diào)速器處理器為32位微處理器，處理速度可以保證電流環(huán)和速度環(huán)算法在3.3 ms內(nèi)完成，穩(wěn)態(tài)速度精度<0.01%，還具有完善保護(hù)和靈活編程的功能。PLC選用西門子S7-400系列CPU及ET200遠(yuǎn)程站。AGC控制選用西門子FM458控制器。

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

主傳動(dòng)系統(tǒng)共選用直流驅(qū)動(dòng)器4臺(tái)驅(qū)動(dòng)四臺(tái)主電機(jī)，每臺(tái)均配置PROFIBUS-DP通訊卡，PLC系統(tǒng)通過(guò)西門子現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)及設(shè)定參數(shù)值，并讀取當(dāng)前調(diào)速驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)際參數(shù)值。人機(jī)接口HMI與PLC系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接，HMI畫面上可對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)顯示及參數(shù)設(shè)定，如：實(shí)際電流、實(shí)際轉(zhuǎn)速、張力設(shè)定、速度設(shè)定等?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

1.3 控制原理

以派克調(diào)速器為例，其典型電路圖如圖2所示。主接觸器及電機(jī)風(fēng)機(jī)接觸器的吸合依靠輸出端子“3(D5)”和繼電器 “-K701”控制?！癆8、B5、B6、B7”為電樞電流及驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)指示。 “A6、A7”端子為軋機(jī)工作輥和支承輥負(fù)荷平衡控制時(shí)的信號(hào)輸入輸出。速度反饋采用編碼器反饋。通過(guò)-SA701轉(zhuǎn)換開關(guān)的切換可實(shí)現(xiàn)“內(nèi)控外控”操作，當(dāng)切換至“內(nèi)控”時(shí)，可由控制柜柜門上的操作按鈕和數(shù)字面板控制驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行；切換至“外控”時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的控制命令由PLC系統(tǒng)通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)下達(dá)。

圖2 派克調(diào)速器電路圖

2 速度控制

軋機(jī)的線速度設(shè)定值通過(guò)S7-400 PLC計(jì)算成各驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速，并通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)下達(dá)給各驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)于主軋輥速度設(shè)定為

n=iV/(πD)

(1)

式中，n為轉(zhuǎn)速設(shè)定；i為傳動(dòng)減速比；V為軋制速度設(shè)定；D為軋輥直徑。

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為

n=(Un-Ia·Ra)/ (Ce·Φ)

(2)

式中，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Un為電動(dòng)機(jī)外施額定電壓；Ce為電機(jī)常數(shù)；Ф為電動(dòng)機(jī)磁通；Ia為電動(dòng)機(jī)電樞回路電流；Ra為電動(dòng)機(jī)電樞回路電阻。

由式(2)可知，改變Ua、Ra、Ф三個(gè)變量都可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，但電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Te=CTФIa，電樞電流不變時(shí)，隨著磁通Ф的減弱，其轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地減小。所以當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在基速以下時(shí)采用調(diào)壓調(diào)速，此時(shí)不論在高速還是低速下，電動(dòng)機(jī)都能輸出較大轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電機(jī)需要運(yùn)行在基速以上時(shí)適宜采用弱磁調(diào)速。控制框圖如圖3所示。

圖3 速度控制框圖

速度設(shè)定由PLC通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)下達(dá),速度反饋采用編碼器反饋，在速度環(huán)中速度給定和速度反饋經(jīng)過(guò)計(jì)算產(chǎn)生速度偏差值，再經(jīng)過(guò)速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算產(chǎn)生電流給定信號(hào)，電流環(huán)的輸入信號(hào)是速度環(huán)輸出的電流給定信號(hào)，電流給定信號(hào)在電流環(huán)內(nèi)經(jīng)過(guò)多個(gè)電流限幅后與電流反饋值進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，產(chǎn)生的偏差值經(jīng)過(guò)電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器輸出。

3 負(fù)荷平衡

負(fù)荷平衡控制一般有兩種方法：一是兩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間共用一個(gè)速度調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器的輸出作為兩系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的共同給定，這種調(diào)節(jié)方法響應(yīng)快，效果好，但容易產(chǎn)生扭振，適用于“剛性”連接的系統(tǒng)；二是兩系統(tǒng)各有自己的速度調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，把兩系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩差信號(hào)通過(guò)負(fù)荷平衡算法生成調(diào)節(jié)量，此調(diào)節(jié)量作為從系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器的附加給定，這種調(diào)節(jié)方法響應(yīng)慢，但有抑制扭振的能力，適用于“柔性”連接的系統(tǒng)。

該機(jī)組主軋機(jī)由四臺(tái)驅(qū)動(dòng)輥獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，選用“方法二”實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)輥之間的負(fù)荷平衡。共設(shè)計(jì)三個(gè)負(fù)荷平衡PI調(diào)節(jié)器，控制框圖如圖4所示。

主速度給定作為下工作輥的速度給定，即下工作輥為四輥軋機(jī)的速度基準(zhǔn)。調(diào)節(jié)器(1)作為機(jī)架上輥和下輥之間的負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)器，首先計(jì)算出上輥電機(jī)和下輥電機(jī)的負(fù)荷率，再經(jīng)過(guò)代數(shù)求和、死區(qū)運(yùn)算送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出值為附加給定值與主給定運(yùn)算后作為上工作輥速度給定。調(diào)節(jié)器(2)(3)為工作輥和支承輥之間的負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)器，根據(jù)工作輥和支承輥的負(fù)荷率，以工作輥速度為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)支承輥速度。如圖5所示，四段曲線為四個(gè)驅(qū)動(dòng)輥的負(fù)荷率，在投入多調(diào)節(jié)器的負(fù)荷平衡控制后四個(gè)驅(qū)動(dòng)輥的實(shí)際負(fù)荷率很快趨于平衡且持續(xù)穩(wěn)定。

圖4 負(fù)荷平衡控制框圖

圖5 負(fù)荷平衡控制投入后各驅(qū)動(dòng)輥扭矩變化情況

4 結(jié)束語(yǔ)

傳動(dòng)系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)迅速，多調(diào)節(jié)器的負(fù)荷平衡控制方式能夠很好的控制多個(gè)驅(qū)動(dòng)輥進(jìn)行扭矩分配,也能很好的滿足生產(chǎn)需求。