王亞杰，郭甜，王福星，趙文靜，齊懷軒

（天津電氣傳動設計研究所有限公司，天津300180）

1 引言

ZR23WF-19 是20 輥可逆式森吉米爾冷軋機，具有適合大壓下量的整體框架，在軋制薄帶和超薄帶具有獨特的優(yōu)勢，能夠達到一個更好的公差范圍。 在不銹鋼、有色金屬、合金領域受到越來越多的關注，并得到廣泛應用。 某材料公司為了完善自身產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)滿足生產(chǎn)的需要引進20 輥森吉米爾可逆冷軋機，主要生產(chǎn)尺寸及平直精度較高的合金。 該軋機傳動系統(tǒng)采用西門子S120變頻器控制。

2 森吉米爾軋機簡介

森吉米爾軋機不同于4 輥軋機和其他形式的多輥軋機，它們最根本的區(qū)別就是輥系的不同設計導致軋制力的分配方式不同。 具有以下特點。

1）森吉米爾20 輥軋機工作輥軋制力通過中間輥傳遞到多點支撐背襯輥最終傳遞到軋機剛體機座。

2）森吉米爾20 輥軋機是整體結(jié)構(gòu)，中間輥系空間是由整體軋機中掏空高精度加工出來的，所以這種輥系設計保證了工作輥在長度方向和垂直方向具有很高的強度，撓度降低到最小，帶材軋制過程中在長度和寬度上達到很小的厚度公差范圍。

3）森吉米爾20 輥軋機由于特殊的支撐結(jié)構(gòu)，能夠使用直徑極其小的工作輥。 結(jié)果是這種軋機和經(jīng)典軋機比起來，軋制力更小、軋制和軋機偏差更小。 相應地，中間輥的退火次減少，并且使快速更換工作輥成為可能。

4）通過旋轉(zhuǎn)背襯輥偏心軸，背襯軸承相對于牌坊的位置能夠得到改變，從而精確控制工作輥之間的距離。 這是基礎的控制動作，能夠?qū)崿F(xiàn)輥的快速、平行和非常精確的定位。

3 交流傳動控制系統(tǒng)

3.1 傳動設備

3.1.1 整流電源模塊

SLM 新一代回饋整流單元整流通過二極管完成，再生反饋時，通過IGBT 實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)換流并提供100%連續(xù)再生能量反饋。 當傳動系統(tǒng)處于再生工作狀態(tài)時，直流回路電壓增加，IGBT 導通，將能量回饋至電網(wǎng)。

在計算電源模塊的容量時，考慮到20 輥主電機、前后張力卷取機與上卷段、下卷段的開卷機、收卷機不會同時工作，還考慮到前后張力卷取機的工作狀態(tài)（一個處在電動狀態(tài)，另一個處在發(fā)電狀態(tài)）。 計算電機用電總?cè)萘俊芇MC 為

選擇西門子800 kW，1 700 A智能整流模塊6SL-3330-6TE41-7AA0。

3.1.2 變頻調(diào)速模塊

SINAMICS S120 DC/AC 多機傳動變頻調(diào)速模塊具有以下特點：1）控制單元CU320 與電機模塊分開，它們之間通過drive-cliq 電纜連接。 1 臺控制單元可以連接多臺電機模塊。 所有的電機模塊的控制和調(diào)節(jié)都在控制單元中實現(xiàn)，方便調(diào)試；2）外部的開關量輸入輸出或者模擬量輸入輸出都可以通過擴展的模塊連接到控制單元中，方便在PC 中查看各個量的狀態(tài)；3）整個控制回路從輸入給定到變頻器輸出，都圖形化在控制單元中，各個環(huán)節(jié)一目了然，直觀地對控制狀態(tài)進行了解；4）根據(jù)電機優(yōu)化流程，很方便對電機進行辨識和矢量控制優(yōu)化，節(jié)約時間提高調(diào)試效率；5）S120中的DCC 使用圖形化編程，可以和裝置內(nèi)部參數(shù)連接，擴展了控制功能，方便實現(xiàn)工藝的控制。

3.1.3 傳動系統(tǒng)配置

傳動系統(tǒng)電機配置如表1所示。 在可逆冷軋系統(tǒng)中，主機與前后卷取機張力控制的穩(wěn)定性和精度對整個生產(chǎn)線產(chǎn)品的質(zhì)量、板型、厚度等產(chǎn)品參數(shù)的影響是至關重要的。 尤其是在小張力段，此時帶材的厚度已經(jīng)很薄，張力的波動對產(chǎn)品精度的影響更為明顯，結(jié)合生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，經(jīng)嚴格論證得出以下配置。

1）主軋機電機功率為315 kW。 主機前后配備2 輥擦拭器，當帶材從軋機穿出時將表面的工藝潤滑油刮去，將工藝潤滑油留在軋機內(nèi)。

2）前、后張力卷取電機功率為315 kW （張力控制范圍為9～100 kN，大張力段）以及55 kW（張力控制范圍為2～12 kN，小張力段）。

表1 傳動系統(tǒng)電機配置Tab.1 Configuration of drive motor system

3）2 臺電機交替工作完全滿足2～100 kN 的張力范圍。 如果卷取機選擇電機為單電機315 kW，在2 kN 張力段，張力電流與電機額定電流的比值為2.2%，幾乎接近電機的空載電流，如此小的電流，控制系統(tǒng)本身已經(jīng)無法保證控制精度，更不能保證其穩(wěn)定性。 所以在小張力段用1 臺大的電機（315 kW）時，保證帶材的張力控制精度，是完全沒有保障的。 如果在小張力段將張力電機切換為55 kW，張力電流/額定電流的比值為12.5%，這樣保證張力控制精度沒有問題，且其他電氣參數(shù)也較為合理。 所以，采用前、后張力卷取電機選擇一大（315 kW）一?。?5 kW），加雙進單出減速機配置。

4）主機入口和出口側(cè)裝有測速偏導輥和非接觸式激光測速，兩種測速方式可以選擇使用，方便維修。 前后配備非接觸式X 射線測厚儀，將帶材實際厚度反饋給AGC 控制系統(tǒng)。 ABB 張力計測量實際張力，測量范圍2～100 kN，用于直接張力控制，保證張力的穩(wěn)定，安裝在主機前后。

5）上卷段電機功率為45 kW。 配備對中裝置一套，測量開卷機帶材邊緣部分，并反饋到開卷機上做軸向調(diào)節(jié)，確保帶材始終在中心位置。 激光測徑安裝在開卷機前，保證卷徑正確，便于張力控制。

6）下卷段電機功率為37 kW。配備激光測徑，裝于開卷側(cè)。

3.1.4 網(wǎng)絡配置

SIMOTION-D435 主要負責傳動系統(tǒng)與PLC之間的數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理，比如控制字、狀態(tài)字、速度給定、張力設定值以及一些返回狀態(tài)等，由D435 統(tǒng)一發(fā)送和接收，而后分配給各個CU320 控制單元。卷徑計算和直接張力控制以及控制邏輯和連鎖都在裝置中通過S120 中的DCC 實現(xiàn)。 DCC 是專為SINAMICS 變頻器提供的一種可編程環(huán)境，用圖形化的語言通過編程來完成特定的工藝。 在此項目中，DCC 輸入輸出量比如張力給定、卷徑實際值等都使用相對量，所以在使用之前首先要標定。

3.2 控制系統(tǒng)

3.2.1 卷徑計算

卷徑計算的準確與否直接影響著張力控制的穩(wěn)定性和精度。

對于卷取機有：

式中：v2為計算帶鋼線速度，m/s；Dact為實際卷徑，m；n 為電機實際轉(zhuǎn)速，r/min；i 為機械減速比。

偏導輥線速度：

式中：v1為帶鋼實際線速度，m/s；D0為偏導輥輥徑，m；n 為偏導輥實際轉(zhuǎn)速，r/min。

卷取過程中在任何時刻2 個線速度應該是相等的，即v1=v2。假設計算得到線速度v1和實際線速度v2有差值，那么卷徑就在不斷的增加或減少，所以整個卷取的過程是一個在初始卷徑基礎上卷徑積分的過程，2 個速度差值的積分就是實際的卷徑。 只要有合適的積分器就可以完成卷徑的計算。 卷徑計算器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DCC 卷徑計算器Fig.1 The calculator of diameter DCC

“卷徑設定”為高電平時，可以把初始卷徑值設定到卷徑實際值，卷徑實際值在此基礎上增加或者減??；“最大卷徑”和“最小卷徑”限制計算器的卷徑輸出值在合理的范圍之內(nèi)；當電機速度或者實際線速度小于最小值時，卷徑保持，不計算。計算出的卷徑值會進行合理性校驗，如果驗證不合理之處，則對其進行校正。 每個掃描周期內(nèi)卷徑的變化不會超過其最大變化量ΔDmax，可以以此進行卷徑變化的校驗。 ΔDmax公式如下：

式中：ΔDmax為每個掃描周期內(nèi)卷徑最大變化量，m；TOL 為調(diào)節(jié)因子；n 為電機轉(zhuǎn)速值，r/min；i 為減速比；WTH 為材料厚度，m；TA為采樣時間，s。

3.2.2 張力控制

張力控制分為直接張力控制系統(tǒng)和間接張力控制系統(tǒng)。 直接張力控制系統(tǒng)需要張力傳感器，通過張力閉環(huán)來控制轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速。 間接張力控制系統(tǒng)不需要張力傳感器，而是根據(jù)張力設定值計算轉(zhuǎn)矩給定，通過轉(zhuǎn)矩限幅來控制張力。 間接張力控制雖然穩(wěn)定，但是由于各種摩擦和電機本身效率很難保證精度。 直接張力精度比間接張力要高，但是易出現(xiàn)穩(wěn)定問題，實際應用中應以間接張力為基礎，做好摩擦補償，加減速補償?shù)?，張力閉環(huán)只用來微調(diào)轉(zhuǎn)矩或者轉(zhuǎn)速。 張力控制流程見圖2所示。

圖2 張力控制流程Fig.2 The process of tension control

考慮影響張力的主要因素有：

式中：TM為卷取電機電動轉(zhuǎn)矩；TF為卷取電機張力力矩；Th為摩擦力矩；TI為慣量力矩。

摩擦力矩補償和慣量力矩補償在后續(xù)環(huán)節(jié)中說明，在實際應用的過程中，先投入間接張力給定觀察直接張力的反饋值，如果兩值相差超過間接張力給定值5%，可以用系數(shù)調(diào)整間接張力給定值，使差值縮小，而后投入直接張力PI調(diào)節(jié)器。DCC 中有專門的PI 調(diào)節(jié)器，可以用來做張力調(diào)節(jié)。 直接張力PI 調(diào)節(jié)器要保證調(diào)節(jié)的快速性，但是又不能造成張力波動震蕩，據(jù)此調(diào)整P，I 系數(shù)的值。 PI 調(diào)節(jié)器的輸出調(diào)節(jié)量要做限幅，一般在5%～10%之間。如果調(diào)節(jié)量太大，調(diào)節(jié)器深度飽和，一旦張力波動很容易斷帶。

3.2.3 摩擦補償

DCC 中有20 斷點的PLI20 多段線，可以用來做摩擦曲線的設計。 摩擦補償在間接張力控制時是必要的，直接張力控制時，為了保證張力控制的調(diào)節(jié)量盡可能在一個小的范圍內(nèi)，也是需要做的。 摩擦補償與電機軸速度和減速機溫度有密切關系，在測量摩擦補償時，可以先使電機工作一段時間，減速機溫度上升后，測量出的補償值會更準確。 摩擦補償?shù)臏y量如下：通過S120 中控制面板加速電機，曲線記錄速度調(diào)節(jié)器的輸出穩(wěn)態(tài)值，作為摩擦補償值。 分別記錄從速度0 r/min到最高轉(zhuǎn)速共10 個點的值，繪制PLI20 摩擦補償曲線。 圖3為某速度值時摩擦補償記錄。

圖3 摩擦補償曲線Fig.3 Frictional compensation curves

圖3中，速度調(diào)節(jié)器輸出值的穩(wěn)態(tài)值即為此速度下摩擦補償值。

3.2.4 加減速轉(zhuǎn)動慣量補償

當電機加減速的時候，需要補償一個加速或者減速轉(zhuǎn)矩，這個補償稱為加減速轉(zhuǎn)動慣量補償，以保證加減速時實際張力維持在一穩(wěn)定值。加減速轉(zhuǎn)動慣量補償是由dv/dt 與電機轉(zhuǎn)動慣量的乘積組成的。dv/dt 值可以從系統(tǒng)的斜坡函數(shù)發(fā)生器中取得，重要的是電機轉(zhuǎn)動慣量的獲取。 電機轉(zhuǎn)動慣量分為固定轉(zhuǎn)動慣量和動態(tài)轉(zhuǎn)動慣量。固定轉(zhuǎn)動慣量即電機帶空卷筒時的飛輪力矩，動態(tài)轉(zhuǎn)動慣量為隨鋼卷直徑變化的飛輪力矩。

GD2變化及慣量力矩補償計算公式如下：

式中：GD2為全部飛輪轉(zhuǎn)矩，N·m2；GD20為固定部分飛輪轉(zhuǎn)矩，N·m2；ρ 為帶鋼密度，kg·m3；W 為帶鋼寬帶，m；v 為軋制線速度，m/s；D 為鋼卷直徑，m；D0為鋼卷空卷筒直徑，m；T1為加減速轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量補償。

加減速補償曲線如圖4所示。

圖4 加減速補償曲線Fig.4 Deceleration compensating curves

3.2.5 斷帶保護

在生產(chǎn)過程中如果發(fā)生斷帶，張力突然消失，由于此時速度環(huán)不工作，轉(zhuǎn)矩限幅維持電機轉(zhuǎn)矩不變，張力轉(zhuǎn)矩變成加減速轉(zhuǎn)矩，造成電機突然加速，非常危險，此時系統(tǒng)要判斷出已斷帶，發(fā)急停命令，使電機以最大轉(zhuǎn)矩限幅制動停車。在間接張力控制系統(tǒng)中，可以用張力給定值與轉(zhuǎn)矩實際值進行比較做出斷帶判斷。 此項目中，可以用張力實際值取代轉(zhuǎn)矩實際值，這樣判斷更準確，在DCC 中可以實現(xiàn)此控制功能。 控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 斷帶信號控制結(jié)構(gòu)Fig.5 The control structure of strip breakage

在建張和張力已到達限幅條件下，當張力設定值與張力實際值差值超過25%最大張力值時，斷帶條件滿足，延時500 ms 發(fā)出斷帶信號。

4 結(jié)論

該軋機在試生產(chǎn)過程中，張力穩(wěn)定，加減速張力波動在±2%之內(nèi)，已成功軋制出0.05 mm×300 mm 超薄合金，帶材厚度偏差±0.001 mm，且板型良好，可以滿足高端客戶的需求，交流控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到客戶的要求。

[1] 馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2] 天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3] 趙元國.軋鋼生產(chǎn)機械設備操作與自動化控制技術實用手冊[M].香港：中國科技文化出版社，2005.