淺談鋁帶拉彎矯直機(jī)組的電氣傳動(dòng)控制原理

李旭亮

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

鋁帶拉彎矯直機(jī)組屬于精整設(shè)備，主要起到消除板帶材板型不良，使板帶材內(nèi)應(yīng)力分布趨于均勻，矯正板型的作用。拉彎矯直機(jī)組具有對(duì)帶材進(jìn)行拉伸彎曲矯直、卷取、切邊、清洗等功能。

1 電控系統(tǒng)的配置結(jié)構(gòu)

我公司研制的鋁帶拉彎矯直機(jī)組可對(duì)多種系列的純鋁及鋁合金料卷進(jìn)行加工處理，滿足了多數(shù)市場需求，并獲得了好評(píng)。作為精整設(shè)備，拉彎矯直機(jī)組(以下簡稱拉彎矯)除了在設(shè)備的制造安裝上要精益求精，其電氣控制也非常重要，因?yàn)殡姎饪刂频木戎苯佑绊憥Р牡陌逍?、表面清潔度以及是否有擦劃傷等問題。我公司拉彎矯的電控系統(tǒng)配備了當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的一系列主流設(shè)備，選用了西門子控制器S7-1500及分布式子站完成整個(gè)機(jī)組的控制及操作功能，傳動(dòng)部分采用了ABB公司的交流多傳模塊ACS880/ACS860 和單傳模塊ACS550/ACS580，通過PROFINET現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)PLC控制器與所有傳動(dòng)模塊以及分布式子站的通訊，以達(dá)到CPU對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，同時(shí)也是通過這個(gè)PROFINET現(xiàn)場總線將CPU與各操作臺(tái)上的HMI、上位機(jī)電腦連通，實(shí)現(xiàn)有效的人機(jī)對(duì)話。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)控制原理

在鋁帶拉彎矯直機(jī)組中，包含了眾多傳動(dòng)輥，但起核心作用的為開卷機(jī)、卷取機(jī)、入口4個(gè)張力輥、出口4個(gè)張力輥，同時(shí)圓盤剪的控制精度也要求比較高，因此在電氣系統(tǒng)中，這11個(gè)傳動(dòng)輥電機(jī)的控制我們采用了ABB的交流多傳動(dòng)系統(tǒng)(ACS880整流單元和ACS860/ACS880 逆變模塊)。該系統(tǒng)采用公共直流母線結(jié)構(gòu)，采用矢量/DTC 控制技術(shù)可精確控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩，并利用斬波器和制動(dòng)電阻器來限制直流母線電壓過度上升并提供有效的電機(jī)制動(dòng)和縮短制動(dòng)時(shí)間。

在整個(gè)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，最重要的部分就在于出口1號(hào)張力輥、入口4號(hào)張力輥、開卷機(jī)、卷取機(jī)的控制。對(duì)于整個(gè)機(jī)列來說，控制方式分為速差控制和張力控制兩種方式；而對(duì)于帶材延伸率的控制又分為延伸率閉環(huán)控制和延伸率開環(huán)控制兩種；這兩項(xiàng)機(jī)列控制方式的選擇和延伸率控制方式的選擇是由操作人員在主操作臺(tái)人機(jī)界面HMI上操作實(shí)現(xiàn)的。

帶材的實(shí)際延伸率是拉彎矯機(jī)組中電氣控制的一個(gè)重要參數(shù)，而入口4個(gè)張力輥和出口4個(gè)張力輥對(duì)帶材延伸率的控制至關(guān)重要。正常生產(chǎn)中，為保證控制精度，以延伸率閉環(huán)方式生產(chǎn)的時(shí)間居多，因此我們對(duì)延伸率閉環(huán)控制的情況加以詳述。當(dāng)機(jī)列整體投入正常生產(chǎn)運(yùn)行后，出口1號(hào)張力輥是整個(gè)機(jī)列的運(yùn)行速度標(biāo)準(zhǔn)，它始終為速度控制方式，在控制程序中其線速度給定就是整個(gè)機(jī)列的線速度給定。入口4號(hào)張力輥選用的是與出口1號(hào)張力輥同等功率的電機(jī)，它與出口1號(hào)張力輥分別分布在矯直單元的入口側(cè)和出口側(cè)，通過向機(jī)列運(yùn)行的反方向輸出轉(zhuǎn)矩而使帶材產(chǎn)生張力，也正是它與出口1號(hào)張力輥配合著共同作用來對(duì)帶材的延伸率進(jìn)行控制調(diào)整。根據(jù)機(jī)列的整體控制方式，入口4號(hào)張力輥電機(jī)分為速度控制方式和窗口控制方式(ABB的ACS880驅(qū)動(dòng)器特有的窗口控制方式，可保證電機(jī)實(shí)際速度在給定值所允許的偏差范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制)。在此，入口4號(hào)張力輥的線速度理論給定值V1可表示為：V1=V2/(1+ε)；式中，V2為出口1號(hào)張力輥線速度給定，及機(jī)組線速度設(shè)定值；ε為延伸率設(shè)定值。

傳動(dòng)控制程序中有一個(gè)延伸率PID控制器，控制器的輸入值和比較值分別為上述延伸率設(shè)定值ε和由入口4號(hào)張力輥的實(shí)際線速度與出口1號(hào)張力輥的實(shí)際線速度計(jì)算出來的實(shí)際延伸率ε′，PID控制器的輸出為V2。若機(jī)列為速差控制方式，則入口4號(hào)張力輥為速度控制方式，在程序中其線速度給定值是由上述機(jī)列速度設(shè)定值和延伸率設(shè)定值推算出來的理論線速度給定值V1與延伸率PID控制器的輸出V2疊加而成的，即，V入4=V1+V2 。

若機(jī)列為張力控制方式則，入口4號(hào)張力輥為窗口控制方式，其速度給定值為上述的V1，而轉(zhuǎn)矩給定是由另一個(gè)以延伸率設(shè)定值和實(shí)際反饋值為輸入的PID控制器的輸出而來，在機(jī)列穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、帶材不打滑的情況下其相當(dāng)于純轉(zhuǎn)矩控制方式。這樣，雖然控制方式有所不同，但總的原理都是在出口1號(hào)張力輥電機(jī)保證機(jī)列整體線速度的情況下，通過入口4號(hào)張力輥電機(jī)在一個(gè)以延伸率設(shè)定值和實(shí)際反饋值作為輸入的PID控制器的干預(yù)下對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的大小進(jìn)行調(diào)整，最終保證帶材實(shí)際延伸率達(dá)到工藝要求設(shè)定值。

在延伸率開環(huán)的情況下，出口1號(hào)張力輥的控制方式不變，與上述完全相同。對(duì)于入口4號(hào)張力輥，其控制方式也不變化，只是在給定上都取消了PID控制器的調(diào)節(jié)作用，即在機(jī)列速差控制方式時(shí)，入口4號(hào)張力輥的速度給定為由機(jī)列速度設(shè)定值和延伸率設(shè)定值推算出來的V1，在機(jī)列張力控制方式時(shí)其速度給定為V1，轉(zhuǎn)矩給定為由入口總張力設(shè)定值經(jīng)過折算再根據(jù)輥徑計(jì)算出來的轉(zhuǎn)矩值。

對(duì)于入口1號(hào)、入口2號(hào)、入口3號(hào)張力輥均為窗口控制方式，它們幫助入口4號(hào)張力輥一起向機(jī)列運(yùn)行的反方向輸出轉(zhuǎn)矩，以便在矯直機(jī)處形成較大的張力。同理對(duì)于出口2號(hào)、出口3號(hào)、出口4號(hào)張力輥也為窗口控制方式，其跟隨出口1號(hào)張力輥一起向機(jī)列運(yùn)行方向輸出轉(zhuǎn)矩。

開卷機(jī)的控制為轉(zhuǎn)矩控制，在機(jī)列正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，它起到向機(jī)列運(yùn)行的反方向輸出轉(zhuǎn)矩建立開卷機(jī)張力的作用。對(duì)于開卷電機(jī)力矩的給定是由開卷張力設(shè)定值、開卷空補(bǔ)力矩、開卷動(dòng)補(bǔ)力矩共同決定的。同理，卷取機(jī)的控制也為轉(zhuǎn)矩控制，它向機(jī)列的運(yùn)行方向輸出轉(zhuǎn)矩，建立卷取張力，對(duì)于卷取電機(jī)力矩的給定也是由卷取張力設(shè)定值、卷取空補(bǔ)力矩、卷取動(dòng)補(bǔ)力矩共同決定的。因此，在計(jì)算開卷、卷取電機(jī)力矩給定值的時(shí)候，一定要特別注意張力對(duì)應(yīng)力矩值、空補(bǔ)力矩、動(dòng)補(bǔ)力矩的方向性(及在PLC程序中各部分力矩疊加值的正負(fù)符號(hào)，最終計(jì)算出總的力矩給定值通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)給入到ACS880傳動(dòng)模塊)，如若錯(cuò)誤，則必然導(dǎo)致給定力矩或疊加力矩的錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)生的開卷張力、卷取張力不準(zhǔn)確甚至無法繼續(xù)生產(chǎn)。

這套控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)就在于傳動(dòng)部分的實(shí)時(shí)性、同步性控制非常好。對(duì)于拉彎矯設(shè)備來說，其生產(chǎn)線較長，8個(gè)張力輥控制的一致性尤其重要，在穿帶和正常生產(chǎn)中的啟動(dòng)、停止、升降速過程要保持一致的線速度曲線以避免拽料、堆料以及張力不穩(wěn)的問題發(fā)生。這套電氣系統(tǒng)的控制核心是西門子S7-1500控制器，其CPU內(nèi)集成了整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行程序，其中傳動(dòng)程序被分配到單獨(dú)的OB塊中，連接著8個(gè)張力輥電機(jī)、開卷電機(jī)、卷取電機(jī)的ACS880交流多傳動(dòng)模塊相當(dāng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，各傳動(dòng)模塊的內(nèi)部參數(shù)結(jié)構(gòu)完全相同，在基本參數(shù)設(shè)置好后由S7-1500 PLC通過PROFINET通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制輸出轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到所需的轉(zhuǎn)速。在PLC程序中有一個(gè)統(tǒng)一的速度斜坡發(fā)生器，程序會(huì)根據(jù)人機(jī)界面上機(jī)列速度設(shè)定值和延伸率設(shè)定值，自動(dòng)計(jì)算出機(jī)組啟動(dòng)后帶材在矯直單元出口側(cè)和入口側(cè)的帶材線速度給定，對(duì)于出口4個(gè)張力輥以同一個(gè)線加速度值、張力輥輥徑值、傳動(dòng)比分別實(shí)時(shí)計(jì)算出出口張力輥對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速給定，并通過通訊實(shí)時(shí)傳送到各傳動(dòng)模塊中。同理對(duì)于入口4個(gè)張力輥電機(jī)的控制也相同，這樣在設(shè)備不打滑的前提下8個(gè)張力輥可以同步實(shí)現(xiàn)升降速。由于卷取機(jī)的線加速度與出口張力輥應(yīng)保持一致，而出口張力輥的線加速度給定值可由上述速度斜坡發(fā)生器得出，因此很容易推出卷取機(jī)的動(dòng)補(bǔ)力矩，將其疊加到卷取電機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定中去即可。同理對(duì)于開卷電機(jī)的動(dòng)補(bǔ)力矩給定計(jì)算也是這個(gè)原理。

3 其它輔助設(shè)備注意事項(xiàng)

除上述一系列重點(diǎn)傳動(dòng)輥組的傳動(dòng)電機(jī)由交流多傳動(dòng)系統(tǒng)控制外，還有一些輔助設(shè)備，如擠干輥、托輥、刷輥、圓盤剪開度電機(jī)、廢邊卷取電機(jī)等，其傳動(dòng)電機(jī)由ABB 單傳模塊ACS550/ACS580實(shí)現(xiàn)控制。尤其對(duì)于擠干輥和托輥，當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，其采用速度給定轉(zhuǎn)矩限幅的方式控制實(shí)現(xiàn)與整條機(jī)列的隨動(dòng)運(yùn)行，以避免輥?zhàn)拥木€速度與帶材速度不匹配產(chǎn)生打滑從而對(duì)帶材表面產(chǎn)生不利影響。對(duì)于機(jī)列PLC這部分，要使各液動(dòng)、氣動(dòng)部分正常工作，并做好相應(yīng)的控制連鎖程序；還有相對(duì)獨(dú)立的水循環(huán)控制系統(tǒng)和板式過濾機(jī)的程序也要做好手動(dòng)、自動(dòng)程序。