雙機(jī)架四輥不可逆銅軋機(jī)張力控制分析研究

李冬

（中鋁華中銅業(yè)有限公司生產(chǎn)部，湖北 黃石 435005）

為了適應(yīng)國內(nèi)銅加工行業(yè)的不斷發(fā)展，滿足國內(nèi)和國際市場上對(duì)高精度銅板帶的需求，中鋁華中銅業(yè)有限公司從意大利MINO公司引進(jìn)了亞洲第一臺(tái)四輥雙機(jī)架不可逆銅軋機(jī)，這臺(tái)軋機(jī)主要由上料機(jī)構(gòu)，開卷機(jī)組，偏導(dǎo)輥，入口激光測速儀，入口測厚儀，1號(hào)機(jī)架，中間激光測速儀，中間張力計(jì)，中間測厚儀，2號(hào)機(jī)架，出口激光測速儀，出口測厚儀，出口張力計(jì)，板型輥，卷取機(jī)組，卸料機(jī)構(gòu)，料卷循環(huán)系統(tǒng)等構(gòu)成。本文主要介紹該軋機(jī)的張力控制系統(tǒng)。軋機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 4輥雙機(jī)架不可逆粗軋機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1 張力

1.1 張力介紹

張力的重要性早就為人們所獲知，張力也是現(xiàn)在銅帶軋制生產(chǎn)中一個(gè)主要參數(shù)。張力是通過卷取機(jī)和開卷機(jī)與主機(jī)的速度差產(chǎn)生；在連軋機(jī)上，除上述方法外，還可通過改變前后機(jī)架間的速度差產(chǎn)生。在軋制中，由于不同部位間速度存在差異導(dǎo)致銅帶受到一定的拉力，這個(gè)力就叫作張力。帶有張力的軋制被稱為張力軋制。采用張力軋制可以起到以下作用：（1）便于實(shí)現(xiàn)高速軋制進(jìn)而提高軋機(jī)生產(chǎn)效率；（2）軋制銅帶時(shí)，有利于獲得更好的厚度控制精度；（3）可以獲得更好的板型控制效果；（4）有利于減少軋制力，降低能耗；（5便于銅帶更輕松地咬入軋輥，有利于卷取均勻，保證銅帶的平直度；（6）可微量調(diào)整銅帶厚度；（7）有利于穩(wěn)定軋制，提高軋機(jī)可靠性。

張力之所以可以起到以上作用，是由于改變了軋制時(shí)銅帶在軋輥?zhàn)冃螀^(qū)內(nèi)的受力狀態(tài)。在沒有張力的情況下，變形區(qū)內(nèi)的銅帶單位體積呈三向壓應(yīng)力狀態(tài)，施加張力之后，銅帶受力情況變成為兩向壓應(yīng)力，一向拉應(yīng)力(圖2所示)，從而降低變形抗力，利于銅帶變形。

圖2 不同軋制條件應(yīng)力狀態(tài)示意圖

通常意義上的張力，包括前張力和后張力。前張力是指力作用方向與軋制方向相同，反之，則叫后張力

1.2 前張力的主要作用

（1）減少帶材與軋輥接觸位置所受的壓力；（2）可使銅帶受到拉力影響進(jìn)而變?。唬?）便于銅帶咬入軋輥；（4）可使前滑變大，有利于減小銅帶的寬展；（5）后張力確定的情況下，增加前張力可降低軋制力矩，減輕電機(jī)負(fù)載。

1. 3 后張力的主要作用

（1）后張力比前張力更能降低帶材與軋輥間的接觸力；（2）后張力可使銅帶變得更薄。因?yàn)檐堉茣r(shí)后滑區(qū)大于前滑區(qū)，且后滑區(qū)內(nèi)的帶材加工硬化程度較??；（3）后張力會(huì)對(duì)帶材產(chǎn)生反向的拉力，使咬入軋輥?zhàn)兊美щy；（4）后張力比前張力大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致軋制力矩增加，電機(jī)負(fù)載上升，能耗增加。

2 張力控制方法

2.1 張力的產(chǎn)生及調(diào)整

通常冷軋機(jī)的開卷機(jī)采用交流電機(jī)傳動(dòng)，軋制時(shí)，開卷機(jī)速度略高于工作輥速度以建立張力，開卷機(jī)電機(jī)以發(fā)電狀態(tài)工作，通常與工作輥的旋轉(zhuǎn)方向相反，以產(chǎn)生一定張力。現(xiàn)代高速冷軋機(jī)一般采用大張力軋制，部分軋機(jī)裝有張力計(jì)來檢測張力，并由控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)；如未裝張力計(jì)則利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩及包角進(jìn)行計(jì)算。一般軋機(jī)的開卷機(jī)和卷取機(jī)均采用交流鼠籠式電機(jī)，并通過交直交變頻裝置調(diào)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度來控制張力。正常軋制時(shí)，需要把前、后張力調(diào)到給定值，并能使張力在加速、減速及速度變化時(shí)張力波動(dòng)盡可能的?。ㄒ话憧杀３衷凇?～3%的范圍）。卷取機(jī)的速度根據(jù)銅帶卷直徑的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)。銅帶冷軋，特別是薄銅帶的軋制，需要同時(shí)施加前后張力，可以有效地降低軋輥壓力。研究證明，前張力最多可使軋制力降低20%左右，后張力最多可使軋制力降低35%左右?？梢?，后張力較前張力更能顯著地降低銅帶給軋輥的壓力(圖3所示)。

圖3 張力對(duì)軋制力的影響

雖然后張力相較前張力更能降低軋制力，但后張力過大，易出現(xiàn)軋輥咬入困難和打滑現(xiàn)象，且前張力會(huì)對(duì)銅帶板形產(chǎn)生較大影響，因此，在銅帶冷軋過程中，往往需要使前張力等于或略大于后張力。

2.2 張力控制系統(tǒng)硬件組成

該軋機(jī)的張力控制系統(tǒng)硬件由以下幾部分組成：張力控制系統(tǒng)采用西門子SIMATIC TDC來控制，張力檢測系統(tǒng)采用4個(gè)ABB張力計(jì)及一個(gè)控制盒。該軋機(jī)的TDC使用了3塊CPU，其中，第一塊CPU負(fù)責(zé)張力、速度、板型及涉及兩個(gè)機(jī)架間的協(xié)調(diào)控制；第二塊CPU負(fù)責(zé)1號(hào)機(jī)架的AGC壓下控制；第三塊CPU負(fù)責(zé)2號(hào)機(jī)架的AGC壓下控制。

2.2.1 SIMATIC TDC介紹

SIMATIC TDC 控制系統(tǒng)由模塊式的硬件和軟件部件構(gòu)成，可以通過圖形軟件工具來進(jìn)行組態(tài)，是AC和DC傳動(dòng)的理想解決方案，特別是需要高速和綜合性智能的場合。

需要高水平的計(jì)算能力及處理特別復(fù)雜的程序時(shí)通常采用該系統(tǒng)。該系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

（1）軟件模塊概念；（2）基架上最多可插上21個(gè)模塊；（3）閉環(huán)控制的高精確性、線性性和穩(wěn)定性；（4）過程模塊可以對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行同步及和諧協(xié)調(diào)；（5）圖形軟件組態(tài)；（6）通過標(biāo)準(zhǔn)總線非常容易與其他級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)連接。

SIMATIC TDC可以用集成在Simatic 自動(dòng)化產(chǎn)品中的S7工程工具包來進(jìn)行組態(tài)，此外，還需要在基礎(chǔ)工具 Basis Tool之外使用Step7：（1）圖形組態(tài)的CFC工程工具(連續(xù)功能流圖)；（2）系統(tǒng)使用D7-SYS 軟件包及SIMATIC TDC的函數(shù)塊庫。

2.2.2 SIMATIC TDC硬件組態(tài)

SIMATIC TDC 硬件由以下構(gòu)成：

UR5213機(jī)架：

UR5213機(jī)架即作為 SIMATICTDC的機(jī)械底座，機(jī)架備有集成的供電電源和系統(tǒng)風(fēng)扇。

高性能64-位的背板總線允許基架上各模塊間快速數(shù)據(jù)傳輸。

CPU模塊CPU551: 64-位RISC（精簡指令集計(jì)算機(jī)）浮點(diǎn)CPU，具有266 MHz 內(nèi)部時(shí)鐘周期。

32Mbyte SDRAM存儲(chǔ)器

SM 500 I/O module: 附加的模擬和數(shù)字 I/O 以及增量型和絕對(duì)量編碼器的擴(kuò)展模塊。這些卡用于與下述設(shè)備接口：位置傳感器、編碼器（導(dǎo)輥、軋制線及其他）、速度傳感器、壓力傳感器、Moog 伺服閥。

CP50MO模塊：通訊模塊，提供2路 Profibus DP/MPI接口同時(shí)提供緩存模塊存儲(chǔ)器用于建立各CPU之間的通訊。在主或從功能中最大的波特率可達(dá)12Mbit/s．

SB10/SB60/SB61/SB70/SB71/SU12/SU13 : 接線端子模塊用于外部電纜信號(hào)的接入。

CP5100 通訊模塊：應(yīng)用CP5100 通訊模塊提供與工業(yè)以太網(wǎng)的接口。使用該模塊可以完成過程數(shù)據(jù)可與其他CP5100以及 SIMATIC 工業(yè)以太網(wǎng)模塊進(jìn)行交換。

2.2.3 張力計(jì)原理

本軋機(jī)配有4臺(tái)ABB張力計(jì)：2臺(tái)在兩個(gè)機(jī)架中間的張力輥下方，2臺(tái)在出口側(cè)板型輥下方。4個(gè)張力計(jì)檢測到的數(shù)據(jù)均輸入同一個(gè)張力控制盒進(jìn)行計(jì)算后傳輸給TDC進(jìn)行張力控制。張力計(jì)的工作原理見圖4。

圖4 張力計(jì)的工作原理圖

2.3 張力控制的原理及其實(shí)現(xiàn)方法

張力控制的響應(yīng)較為迅速，可以提高板型控制精度及響應(yīng)速度。但實(shí)際生產(chǎn)中，軋機(jī)板型的控制并不會(huì)單獨(dú)采用張力控制，而是采用選擇合適的軋輥輥型、工作輥彎輥、偏調(diào)、分段冷卻等手段與張力聯(lián)合作用來控制。因?yàn)閷?duì)于較厚的銅帶，要提供足夠大的張力，需要加大卷取機(jī)的功率而導(dǎo)致設(shè)備采購成本增加；另一方面，在生產(chǎn)薄料時(shí)，為避免在軋制過程中銅帶發(fā)生裂邊或斷帶，也不允許軋制張力變動(dòng)過大。當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)擾動(dòng)因素時(shí)，張力應(yīng)能可靠地和準(zhǔn)確地進(jìn)行調(diào)整，并盡量使波動(dòng)最小，避免因張力波動(dòng)導(dǎo)致軋制中斷等問題的出現(xiàn)。

張力輥要求進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制以保持銅帶張力恒定，為了達(dá)到此項(xiàng)控制目的，卷取機(jī)的速度參考值要比速度主令控制稍高，而開卷機(jī)的速度參考值則稍低。

銅帶張力取值可以通過下述公式獲得：

式中，T為張力；M為轉(zhuǎn)矩且；D為直徑。

采用此方法，通過直徑取值及從軋制表獲得的銅帶張力目標(biāo)值，使計(jì)算轉(zhuǎn)矩設(shè)定點(diǎn)以保持銅帶上張力為恒定值成為可能。在此情形下，CPU向傳動(dòng)裝置送出速度參考以及轉(zhuǎn)矩參考值，后者視卷徑變化而連續(xù)不斷地得到更新。該系統(tǒng)叫作間接張力控制，通常既用于卷取機(jī)的張力輥控制，也用于開卷機(jī)的張力輥控制。有張力計(jì)時(shí)，這時(shí)候可以采用另外一種控制方式，該方法叫作直接張力控制。它包括一個(gè)閉環(huán)PI控制器，向間接張力控制提供一個(gè)額外的張力矯正。

為了保證軋制時(shí)的張力穩(wěn)定，當(dāng)張力計(jì)測量的實(shí)際張力與設(shè)定張力出現(xiàn)偏差時(shí)，需要通過調(diào)整壓下量或軋制速度進(jìn)行控制。若在軋制時(shí)速度基本穩(wěn)定，而張力出現(xiàn)了變化，這可能是由于銅帶厚度發(fā)生了變化導(dǎo)致，因此，會(huì)通過自動(dòng)調(diào)整壓下量進(jìn)行修正，但是，壓下量的改變會(huì)同時(shí)導(dǎo)致厚度、張力及速度出現(xiàn)變化。對(duì)多機(jī)架連軋來說，張力不僅用于各機(jī)架間的速度控制，還同時(shí)用于控制銅帶厚度的微調(diào)。當(dāng)張力出現(xiàn)變化時(shí)，軋制力也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，因而也改變了銅帶厚度。可見， 要確保多機(jī)架連軋機(jī)的正常生產(chǎn)，各機(jī)架之間的張力選擇是否恰當(dāng)至關(guān)重要，如張力選擇不合適，可能導(dǎo)致帶材咬入困難、斷帶、堆料等后果。若能對(duì)張力進(jìn)行合適的選擇與控制，就能協(xié)調(diào)各機(jī)架的軋制速度，同時(shí)，可達(dá)到軋制工藝所要求的軋制張力。對(duì)于該軋機(jī)來說，采用控制1架速度及2架的軋制力來保持張力的恒定。在2架輥縫大于2mm時(shí)，由于此時(shí)速度太慢，因此，采用出口側(cè)測厚儀反饋控制2架的輥縫，中間張力計(jì)控制1架的速度。在輥縫小于2mm，且速度小于等于80m/min時(shí)，同樣采用中間張力計(jì)控制1架速度，出口測厚儀反饋控制2架軋制力；在速度大于80m/min小于等于400m/min（該軋機(jī)最大軋制速度為400m/min）時(shí)，用中間張力計(jì)控制2機(jī)架的軋制力，用出口測厚儀反饋控制1機(jī)架的速度。因?yàn)樵诘退贂r(shí)用中間張力計(jì)控制2架的軋制力的話容易在帶材上壓出印子，因此，在低速時(shí)均采用出口測厚儀反饋控制2架的軋制力。中間張力控制示意圖見圖5。

圖5 中間張力控制示意圖

3 結(jié)語

本文通過對(duì)中鋁華中銅業(yè)有限公司引進(jìn)的MINO雙機(jī)架四輥不可逆銅軋機(jī)進(jìn)行分析，有針對(duì)性地介紹了雙機(jī)架四輥不可逆銅軋機(jī)的張力控制系統(tǒng)。