冷軋立式活套控制原理

金 琳

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司冷軋作業(yè)部， 河北 唐山 063210）

1 概述

隨著冶金自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，冷軋帶鋼生產(chǎn)多采用連續(xù)運行的機組系統(tǒng)。為了實現(xiàn)工藝段帶鋼的連續(xù)運行，需在機組的入口段和出口段分別設(shè)置立式活套[1-3]。入口活套的功能為當(dāng)入口段停車時通過抽套保證工藝段的帶鋼供應(yīng)，出口活套的功能為當(dāng)出口段停車時通過填充活套來存儲工藝段送出的帶鋼[4-5]。

如圖1所示，立式活套主要由卷揚機、鋼結(jié)構(gòu)、活套小車、鏈輪組、配重塊、定輥和動輥幾個部分組成[6-8]。本文將對西門子立式活套控制方案進行研究，并重點分析活套線速度設(shè)定、張力控制、張力前饋控制和帶鋼慣量補償四個方面的內(nèi)容。

圖1 立式活套結(jié)構(gòu)圖

2 活套的張力控制原理

立式活套的張力通過卷揚電機進行調(diào)節(jié)，卷揚電機采用速度控制模式，其速度設(shè)定值包括四個部分，分別為：線速度設(shè)定值、張力控制附加值、張力前饋附加值、帶鋼慣量補償。其中線速度設(shè)定值保證了活套升降套速度與實際套量相匹配，張力控制、張力前饋和帶鋼慣量補償通過附加速度調(diào)節(jié)活套帶鋼的實際張力。

2.1 卷揚線速度設(shè)定

活套卷揚電機采用帶增量型編碼器的速度控制，線速度設(shè)定值由活套入口和出口線速度決定，計算原理如圖2所示。

圖2 卷揚線速度設(shè)定值

活套內(nèi)帶鋼的平均線速度為入口線速度與出口線速度的差值，根據(jù)動滑輪原理，活套小車的運行速度等于活套帶鋼平均線速度除以帶鋼道次，活套小車的速度計算公式如下：

式中：Vstrip為活套帶鋼的平均線速度，m/s；Vin和Vout分別為活套入口線速度和出口線速度，m/s；Vcar為活套小車的運行速度，m/s；Nrloops為活套的道次數(shù)。

活套小車的線速度設(shè)定值需要轉(zhuǎn)化為卷揚電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值，因此需要考慮卷揚電機與活套帶鋼之間的綜合減速比，該綜合減速比包括減速箱的速比、卷筒與小車間的速比兩個部分，卷揚電機的設(shè)定轉(zhuǎn)速計算公式如下：

式中：iGearbox為減速箱的減速比；icar為卷筒與小車之間的減速比；D為卷筒的直徑，m；VDrive為活套卷揚電機的設(shè)定轉(zhuǎn)速，r。

根據(jù)計算公式，當(dāng)活套入口速度大于出口速度時活套處于沖套狀態(tài)，此時VDrive＞0，當(dāng)活套入口速度小于出口速度時活套處于抽套狀態(tài)，此時VDrive＜0。

1.2 活套張力控制

活套內(nèi)的帶鋼張力由卷揚電機產(chǎn)生的鋼繩牽引力控制[9-10]。鋼繩牽引力通過滑輪組牽引活套小車，在不計活套損失的情況下，除以活套的道次數(shù)后即可得到靜止?fàn)顟B(tài)下的帶鋼張力?；钐讖埩Σ捎弥苯訌埩刂疲O(shè)定值由二級下發(fā)或操作員設(shè)定，實際張力由活套入口或出口的張力計測量?；钐撞捎弥苯訌埩刂频膬?yōu)點為：

1）實際張力測量可以彌補帶鋼的摩擦損失和彎曲損失。

2）可消除相鄰區(qū)域的張力變化對活套帶鋼張力的影響，實現(xiàn)張力分段控制。

活套張力控制速度附加值計算原理如圖3所示。

圖3 活套張力控制原理圖

1.3 張力前饋控制

活套入口速度等于出口速度時活套將處于平衡狀態(tài)。若此時入口帶鋼加速進入活套，將導(dǎo)致短時間內(nèi)活套張力值降低，這是因為在張力控制器做出調(diào)整前更多的帶鋼被送入了活套。同理當(dāng)活套出口帶鋼加速時，活套也將出現(xiàn)短時間內(nèi)張力值上升的情況。為了彌補這一問題須設(shè)置活套慣量補償，補償?shù)脑頌榘l(fā)送活套入口和出口的帶鋼加速度差值給卷揚電機作為附加速度設(shè)定值，當(dāng)活套入口或出口帶鋼開始加速時卷揚機將提前做出反應(yīng)，保證過渡區(qū)活套張力的穩(wěn)定。張力前饋控制的附加速度計算公式如下：上述式中：Vtech2為張力前饋控制的附加速度設(shè)定值，m/s；Ain、Aout分別為活套入口和出口的帶鋼加速度，m/s2；Factin、Factout分別為入出口加速度調(diào)整因數(shù)。

從理論上活套入口和出口加速將對活套產(chǎn)生相同的慣性，所以其調(diào)整因數(shù)應(yīng)該一致。活套張力前饋控制速度附加值計算原理如圖4所示。

圖4 活套張力前饋控制原理

1.4 帶鋼慣量補償

活套內(nèi)帶鋼處于加速狀態(tài)時必須向帶鋼施加一個力保證帶鋼的加速度，這將產(chǎn)生一個額外的張力導(dǎo)致活套出口側(cè)張力上升。如圖5所示，此時活套出口帶鋼張力等于入口張力與帶鋼加速度損失的張力之和，活套出口側(cè)帶鋼張力的計算公式如下：

式中：Tin為活套入口側(cè)帶鋼張力，N；Tout為活套出口側(cè)帶鋼張力，N；TA為帶鋼加速度損失的張力，N。

圖5 帶鋼慣量補償原理

活套內(nèi)帶鋼張力的變化取決于帶鋼加速度的變化。沖套時活套入口加速度A1＞0且出口加速度A9=0，此時帶鋼加速度由入口側(cè)至出口側(cè)為等差遞減數(shù)列，張力為斜率遞減的變化趨勢。抽套時活套入口加速度A1=0且出口加速度A9＞0，此時帶鋼加速度由入口至出口為等差遞增數(shù)列，張力為斜率增加的變化趨勢?；钐變?nèi)帶鋼張力隨帶鋼加速度變化的規(guī)律如下頁圖6和圖7所示。

以圖5所示的8道次活套為例計算帶鋼的慣量補償，為了方便計算只考慮帶鋼長度隨實際套量變化的部分。首先按照道次將活套內(nèi)的帶鋼分為8個部分，對應(yīng)道次的帶鋼質(zhì)量分別為m1～m8，且每個道次的帶鋼質(zhì)量均等于m。各道次對應(yīng)帶鋼的加速度分別為A1～A9，平均加速度為AAver，則帶鋼加速損失的張力計算公式為：

式中：TA為帶鋼加速損失的活套張力，N。

圖6 沖套時活套張力變化趨勢

圖7 抽套時活套張力變化趨勢

活套處于平衡狀態(tài)時出口張力等于入口張力，而在加速過程中帶鋼的慣量損失只影響出口張力，這導(dǎo)致了活套出口張力上升而入口張力保持不變。根據(jù)式（5）和式（10）可推導(dǎo)出活套出口側(cè)帶鋼張力的計算方法：

式中：Tin為活套入口側(cè)的帶鋼張力，N；Tcar為活套小車的牽引力，N；Nrloops為活套的帶鋼道次數(shù)；A1為活套入口的帶鋼加速度，m/s2；A9為活套出口的帶鋼加速度，m/s2。

活套帶鋼的慣量補償計算原理如圖8所示，根據(jù)以上規(guī)律：當(dāng)張力計在活套入口時測量的張力實際值等于活套小車牽引力除以活套道次數(shù)。當(dāng)張力計在活套出口時需要補償帶鋼的慣量損失，且補償速度為負(fù)值。帶鋼慣量補償?shù)乃俣扔嬎愎饺缦拢?/p>

圖8 帶鋼慣量補償

式中：Vtech3為活套的帶鋼慣量補償附加速度，m/s。

3 結(jié)論

1）活套的線速度設(shè)定值可通過活套入口側(cè)和出口側(cè)的線速度進行計算，線速度設(shè)定值保證了卷揚電機能夠配合產(chǎn)線完成升降套過程。

2）立式活套采用直接張力控制能夠忽略帶鋼的摩擦損失和慣量損失，可以簡化控制環(huán)節(jié)。

3）活套設(shè)置張力前饋調(diào)節(jié)能夠降低升降套過程中的張力波動，文中給出了張力前饋調(diào)節(jié)的計算方法。

4）帶鋼的慣量補償能夠解決活套升降套過程中造成出口側(cè)張力增大問題，并給出了帶鋼慣量補償?shù)挠嬎惴椒ā?/p>