探討冷軋電氣張力控制技術(shù)

朱國(guó)慶 李銳 張鵬

摘? 要：在鋼鐵企業(yè)日常生產(chǎn)中，會(huì)應(yīng)用到冷軋這一工藝，冷軋工藝在軋制環(huán)節(jié)能夠發(fā)揮重要作用。在電氣控制自動(dòng)化程度不斷加深的背景下，鋼鐵企業(yè)越來越注重冷軋電氣張力控制工作開展。張力調(diào)節(jié)可對(duì)生產(chǎn)板材厚度和位置進(jìn)行控制，由此獲得良好的生產(chǎn)效果?；诖耍疚氖紫确治鲭姎饪刂葡到y(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)需求，主要對(duì)冷軋電氣控制的張力控制意義進(jìn)行分析，分析張力波動(dòng)的影響因素，提出張力控制策略，以供參考。

關(guān)鍵詞：冷軋工藝;電氣控制;張力控制;鋼鐵企業(yè)

在冷軋生產(chǎn)線中，有較高張力控制精度要求的區(qū)域一般會(huì)設(shè)置張力計(jì)，通過張力計(jì)的檢測(cè)信號(hào)來實(shí)時(shí)反饋張力信息，通過張力控制方法調(diào)節(jié)帶鋼張力。直接張力控制屬于閉環(huán)控制，有較高的張力控制精度，能夠?qū)崿F(xiàn)無靜態(tài)誤差，但是其也存在一定缺陷，例如張力控制精度對(duì)于張力檢測(cè)信號(hào)精度有依賴性。外部因素極易干擾張力檢測(cè)信號(hào)，從而為了提升張力的控制精度，需要去除干擾張力檢測(cè)信號(hào)，采取合理的張力控制技術(shù)，為板材鋼軋制提供良好的條件。

一、冷軋電氣控制系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)需求

當(dāng)前冷軋工業(yè)生產(chǎn)朝著智能化以及自動(dòng)化方向發(fā)展，主要是一種性能較高的板材加工工藝，其能夠滿足人們生產(chǎn)生活中對(duì)厚度不同、版形不同的板材需求，電氣控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的發(fā)展，對(duì)于其功能實(shí)現(xiàn)具有決定性作用。在設(shè)計(jì)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該滿足功能性和非功能性等需求。而功能性需求主要指的是：（1）結(jié)合生產(chǎn)加工需求，設(shè)定冷軋生產(chǎn)參數(shù)，落實(shí)四輥冷軋工藝流程，對(duì)厚度不同的板材進(jìn)行加工。冷軋生產(chǎn)流程中需要將人機(jī)交互完成，可以在三種情況下進(jìn)行作業(yè)，主要是人工、半人工、無人[1]。（2）冷軋工藝中設(shè)定自動(dòng)報(bào)警功能，并且實(shí)現(xiàn)自我診斷與保護(hù)。如果在冷軋過程中出現(xiàn)生產(chǎn)故障時(shí)，其可以及時(shí)發(fā)出警報(bào)，以停止作業(yè)的形式響應(yīng)警，將廢料產(chǎn)出減少，避免對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程造成影響。而非功能性需求指的是：（1）系統(tǒng)應(yīng)具備集成性，系統(tǒng)之中有獨(dú)立設(shè)備、信息元素和功能模塊，三者可形成有機(jī)統(tǒng)一整體，保證進(jìn)行集中控制;（2）有著較為簡(jiǎn)易的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)，容易調(diào)試，有利于功能拓展;（3）可以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，使出錯(cuò)率降低，生產(chǎn)效率也將隨之提升。

目前冷軋電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用PLC技術(shù)，其具有非常大優(yōu)勢(shì)，屬于數(shù)學(xué)運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，能夠充分體現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的智能化、自動(dòng)化，與現(xiàn)階段先進(jìn)通訊技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合。PLC技術(shù)運(yùn)用編輯存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，同時(shí)以模擬式以及數(shù)字式輸入、輸出，對(duì)各類機(jī)械以及生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)中PLC技術(shù)的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢(shì)，可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能性以及非功能性需求。主要原因有以下幾點(diǎn)：（1）其應(yīng)用單片機(jī)形式，有著較高集成度。也會(huì)將PLC機(jī)體積與重量減少，并且具有電路自我診斷和自我保護(hù)功能，可以保證運(yùn)行的穩(wěn)定性;（2）PLC技術(shù)有著較為簡(jiǎn)單的編程語言，采用少量命令語句能夠編寫程序，因此拓展更具便捷性，可運(yùn)用不同組合調(diào)整相應(yīng)功能。（3）輸入以及輸出功能模塊較為完整，針對(duì)不同工業(yè)生產(chǎn)器件形成的信號(hào)，將指令完成。

二、冷軋電氣張力控制的意義

（一）降低設(shè)備負(fù)荷

應(yīng)用冷軋工藝進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，其張力變化對(duì)板材變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)造成影響，使其出現(xiàn)一定的變化，降低板材鋼的縱向壓力，進(jìn)而會(huì)降低板材鋼的軋制壓力以及變形抗力，由此大幅降低相關(guān)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)能耗。前后張力會(huì)使軋制力矩產(chǎn)生變化，如果前張力比后張力大時(shí)，將會(huì)增大道次加工率，同時(shí)能夠降低主電機(jī)負(fù)荷。

（二）板材鋼厚度有效控制

彈跳方程指的是軋制壓力P或者是剛度系數(shù)K與軋輥輥縫S相加等于軋出厚度H，這意味著冷軋出板材鋼厚度會(huì)受到軋制壓力影響[2]。因此，對(duì)軋制壓力進(jìn)行改變能夠控制軋出厚度，而通過張力控制就能夠改變軋制壓力，由此證明冷軋電氣張力控制能夠?qū)Π宀匿摵穸冗M(jìn)行有效控制。

（三）避免板材鋼跑偏

對(duì)板材鋼生產(chǎn)穩(wěn)定性造成影響的因素比較多，主要體現(xiàn)在冷軋工藝及其流程的精密度、穩(wěn)定性以及板材的均勻程度等方面。因?yàn)槔滠埞に嚂?huì)受到很多因素的影響產(chǎn)生各種各樣的問題，冷軋板材鋼跑偏是其中最常見的問題。對(duì)于板材鋼跑偏問題，現(xiàn)階段常用解決措施是偏導(dǎo)輥增加以及開卷對(duì)中等，但是這兩種措施具有較為明顯的局限性。實(shí)力調(diào)節(jié)張力值，能夠保證張力穩(wěn)定性，調(diào)整冷軋跑偏問題，存在反應(yīng)迅速和無時(shí)滯等優(yōu)勢(shì)，屬于一種比較有效的調(diào)整方法。

（四）成品尺寸有效控制

板材鋼版形以及尺寸是衡量其質(zhì)量的重要指標(biāo)，產(chǎn)生的原因主要是板材鋼殘余應(yīng)力超出拉應(yīng)力，從而可通過對(duì)冷軋工藝進(jìn)行張力控制，保證張力穩(wěn)定，使沿板材鋼寬度向上的拉力比允許拉應(yīng)力低，保持板材鋼版形以及尺寸。

三、引發(fā)張力波動(dòng)的因素

如果板材鋼的厚度比較小，需要將軋制力降低，反之，如果板材鋼的厚度較大，需要將軋制力提升。在這樣情況下，胚料厚度如果出現(xiàn)變化，那么將改變軋制的帶材厚度，軋機(jī)速度將會(huì)改變其張力波動(dòng)狀態(tài)。在軋制速度改變的情況下，會(huì)不斷調(diào)整工作輥與帶材之間的摩擦力，這將影響冷軋張力，使其出現(xiàn)波動(dòng)異常情況，板材線速度以及卷料直徑更改，加上設(shè)備機(jī)械有損耗問題出現(xiàn)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)慣性改變，都會(huì)對(duì)冷軋電氣張力波動(dòng)產(chǎn)生影響。

四、冷軋電力控制中張力控制策略

（一）張力偏差測(cè)量

張力計(jì)由一個(gè)電子裝置和兩個(gè)壓頭所構(gòu)成，壓頭屬于焊接剛裝置，主要包括垂直類和水平類壓頭。板材鋼以相應(yīng)包角通過測(cè)張輥時(shí)，板材鋼張力能夠形成兩個(gè)分量，分別是垂直方向分量和水平方向分量[3]。使用水平類壓頭以及垂直類壓頭，可以測(cè)量水平分力以及垂直分力。對(duì)輥以及板材鋼包角進(jìn)行測(cè)量，可以計(jì)算出板材鋼張力。板材鋼總張力可以通過操作側(cè)結(jié)合驅(qū)動(dòng)側(cè)的測(cè)頭壓力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算板材鋼張力偏差的方法為：操作側(cè)板材鋼張力減去驅(qū)動(dòng)側(cè)板材鋼張力、板材鋼實(shí)際寬度乘以其實(shí)際厚度這兩者相乘。

（二）動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法

應(yīng)用間接張力控制法時(shí)，需要保證張力控制精準(zhǔn)度。為將張力控制精確性提升，需要對(duì)冷軋過程中機(jī)械設(shè)備固有摩擦力和改變運(yùn)轉(zhuǎn)速度時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響轉(zhuǎn)矩狀況進(jìn)行充分考慮。實(shí)際運(yùn)行中，需要注重動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩以及空載轉(zhuǎn)矩，為保證冷軋流程的卷繞張力恒定，應(yīng)在幾方面開展科學(xué)控制電動(dòng)機(jī)電流，指的是冷軋工藝中電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電流、空載補(bǔ)償電流以及張力電流。

（三）直接與間接張力控制

直接張力控制指的是對(duì)設(shè)備上安裝的摩擦輪壓力進(jìn)行控制，同時(shí)控制設(shè)備上安裝磁粉制動(dòng)器的線圈電流，由此產(chǎn)生設(shè)備需要的張力。應(yīng)用這一模式的優(yōu)勢(shì)是張力穩(wěn)定性較強(qiáng)、投資金額低，但是同時(shí)具備調(diào)節(jié)精度差、操作較為復(fù)雜的缺陷。應(yīng)用間接張力控制方法來控制張力，主要是對(duì)與張力有關(guān)的電氣量進(jìn)行控制。

（四）自動(dòng)調(diào)節(jié)張力偏差

為避免操作者進(jìn)行多次調(diào)解和將偏差調(diào)節(jié)響應(yīng)速度提升，需要工藝電氣技術(shù)人員在其中加入自動(dòng)調(diào)節(jié)張力偏差的功能。為了保證該工程的便捷性，在人機(jī)接口假設(shè)操作按鈕，操作者即可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)，對(duì)該功能是否投入運(yùn)行做出合理抉擇。對(duì)輥縫傾斜進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的根據(jù)是張力計(jì)輥的傳動(dòng)側(cè)、操作側(cè)存在的張應(yīng)力偏差值，其中需選擇10個(gè)反饋信號(hào)，通過移位寄存方式求和后計(jì)算出平均值。短時(shí)間內(nèi)計(jì)算，不會(huì)使控制過程有滯后問題出現(xiàn)，若張應(yīng)力偏差范圍為-0.6～0.6MPa，無需進(jìn)行傾斜調(diào)整，因此傾斜調(diào)整死區(qū)即為±0.6MPa。正常軋鋼時(shí)，若是兩側(cè)軋制力的偏差處于2300kN以上，將有警報(bào)發(fā)出[4]。

（五）系統(tǒng)智能控制

使用軋機(jī)液壓壓下系統(tǒng)的智能控制技術(shù)，其智能控制系統(tǒng)的核心就是高層組織級(jí)，其能夠解決環(huán)境過程組織、決策中存在的控制問題，控制分層次的信息交換以及運(yùn)行狀態(tài)。在該智能控制系統(tǒng)中應(yīng)用模糊控制系統(tǒng)，可以進(jìn)行人類推理和經(jīng)驗(yàn)?zāi)M，與軋制工藝下液壓壓下系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用，同時(shí)使用分辨率高、精度高的位移傳感器。對(duì)模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)，需要充分發(fā)揮出動(dòng)態(tài)性能，只有模糊控制器的質(zhì)量較高時(shí)，才能夠使被控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，降低超調(diào)以及震蕩[5]。除此之外，應(yīng)用智能控制技術(shù)時(shí)，能夠處理其中不確定的問題，對(duì)于數(shù)學(xué)解析式也很難描述的液壓伺服系統(tǒng)，能夠運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來控制，以此達(dá)到相應(yīng)目標(biāo)。

結(jié)束語

在冷軋電氣控制中合理應(yīng)用張力控制，不僅能夠節(jié)省勞動(dòng)力，還能夠?qū)⒗滠埞に嚨姆€(wěn)定程度提升，冷軋過程中的高速斷帶情況明顯減少。未來發(fā)展中，應(yīng)該科學(xué)運(yùn)用自動(dòng)化調(diào)偏技術(shù)，使其朝著更加智能化、先進(jìn)化方向發(fā)展，確保冷軋背景下電力控制中張力控制有效性，由此提升冷軋工藝的綜合水平。

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