肖　梅（西門子工廠自動(dòng)化工程有限公司上海第一分公司,上?！?00050）

冷軋五機(jī)架軋機(jī)張力控制和物流控制

肖梅
（西門子工廠自動(dòng)化工程有限公司上海第一分公司,上海200050）

摘要：本文簡要介紹了串列冷軋機(jī)自動(dòng)厚度控制中物流控制和張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本原理。為了保證物流平衡,自動(dòng)厚度控制是以恒張力調(diào)節(jié)作為前提條件。重點(diǎn)介紹了擴(kuò)展物流控制原理采用的控制模式以及張力閉環(huán)控制。

關(guān)鍵詞:物流控制原理; 恒張力;厚度控制;串列冷軋機(jī)

1　物流控制基本原理

1.1物流控制基本概念

首先介紹一下物流原理這個(gè)基本概念，即在任何時(shí)候，軋機(jī)機(jī)架輥縫入口的材料總量和輥縫出口的材料總量是相同的。入口側(cè)和出口側(cè)的材料量的計(jì)算取自板帶的橫斷面和速度。板帶寬度在機(jī)架入口和出口兩側(cè)幾乎是相同的，這樣就可以被忽略。因此，如下的關(guān)系式成立：

如果考慮厚度誤差，則：

這意味著每個(gè)機(jī)架的壓下量可以通過與下一機(jī)架的速度進(jìn)行控制。機(jī)架速度主要由精確的速度控制確定。通過馬達(dá)速度控制軋輥速度。

輥縫的任何變化和任何厚度誤差都改變機(jī)架間的板帶張力。為了保持張力在允許的限制內(nèi)。必須安裝機(jī)架間的張力控制。張力控制疊加到跟隨機(jī)架的液壓輥縫控制上。張力誤差被轉(zhuǎn)換成輥縫修正量。

在機(jī)架間是恒速關(guān)系時(shí)，應(yīng)用物流控制原理意味著，厚度誤差的減少與所屬機(jī)架的厚度的壓下量相關(guān)。因此，第一機(jī)架的厚度控制是特別重要的。以便在第一機(jī)架后獲得穩(wěn)定的軋制條件。這對于實(shí)現(xiàn)最終公差是非常必要的。第一機(jī)架后的剩余誤差通過作用在第一機(jī)架和入口張緊裝置上的轉(zhuǎn)速控制來進(jìn)一步改善。這就在第二機(jī)架后穩(wěn)速時(shí)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的厚度。隨后機(jī)架以相應(yīng)的固定速度關(guān)系降低厚度。

在擴(kuò)展的物流控制原理中，新穎的是擴(kuò)展物流原理到入口段,把它作為‘零機(jī)架’,具有零壓下量。這種思想已被廣泛應(yīng)用于串列冷軋機(jī)控制技術(shù)。

擴(kuò)展的物流控制原理要求速度控制環(huán)中控制入口張緊裝置的驅(qū)動(dòng)和軋機(jī)機(jī)架的驅(qū)動(dòng)都是高精度的和快速響應(yīng)的。高動(dòng)態(tài)性能的液壓輥縫控制被用于快速輥縫調(diào)整以補(bǔ)償厚度誤差。

擴(kuò)展的物流控制原理是將恒定值原理擴(kuò)展到軋機(jī)入口張緊裝置（或開卷機(jī)），視其為‘零機(jī)架’。測量的入口速度則作為一個(gè)閉環(huán)的實(shí)際值用于張緊裝置的速度控制。這樣在入口到軋機(jī)間測量的厚度誤差在它們到達(dá)軋機(jī)時(shí)能通過改變張緊裝置的速度和軋輥輥縫進(jìn)行補(bǔ)償。不再要求有一個(gè)精確的輥縫計(jì)算。因入口張力控制器通過保持板帶張力恒定自動(dòng)設(shè)定正確的輥縫。

由于機(jī)架前物流保持恒定。出口板帶將嚴(yán)格地與板帶速度成比例關(guān)系。因此,自動(dòng)速度控制環(huán)越精確出口厚度誤差越小。基于高精度的數(shù)字閉環(huán)控制,入口張緊裝置與機(jī)架間的速度關(guān)系將依據(jù)測量的厚度誤差修正。

板帶的前滑作為一個(gè)附加修正系數(shù)要加以考慮。前滑系數(shù)依賴于軋制速度。因此，對正常軋制條件前滑系數(shù)使用一個(gè)簡單的模型自適應(yīng)，對低速軋制則主要依賴于速度和軋制力。

1.2物流控制模式和特點(diǎn)

反饋和前饋環(huán)構(gòu)成了基本的擴(kuò)展的物流控制原理.

例圖3：擴(kuò)展的物流控制原理（AdvancedMassflowControl）

1.2.1前饋控制

在軋機(jī)入口使用測厚儀測量的厚度誤差通過第一機(jī)架的前饋控制被修正。前饋控制可以有效補(bǔ)償由于材料狀況和性能變化引起的厚度誤差。

前饋控制正確地補(bǔ)償入口厚度中的短時(shí)厚度誤差。它使用測厚儀測量未軋制的板帶的不規(guī)則誤差。并在板帶上施加一個(gè)相反的影響。

入口測厚儀和輥縫間的距離被分成幾段,在一個(gè)段上及相應(yīng)的平均速度下厚度誤差被測量。這個(gè)段被存儲在一個(gè)移位存儲器中,隨著該段被傳送到輥縫。給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)的修正量按時(shí)施加。這意味著要考慮到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間和測厚儀的延遲時(shí)間對誤差段通過輥縫時(shí)的影響。

這就補(bǔ)償了不可避免的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間。如果前饋控制有足夠的分辨率和液壓輥縫控制足夠快的話輥縫也能夠快速跟隨厚度的變化。

控制觸發(fā)時(shí)的入口厚度作為設(shè)定值用于前饋控制。當(dāng)觸發(fā)厚度控制時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)誤差傳遞。

入口厚度誤差通過測厚儀h0被記錄并放置在緩沖存儲器并跟蹤到第一機(jī)架的輥縫。

已被跟蹤到第一機(jī)架的厚度誤差就被轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)乃俣刃拚凳┘佑诘谝粰C(jī)架的入口張緊輥。這個(gè)修正值可以從下面的物流等式中獲得：

聯(lián)合上述兩個(gè)等式導(dǎo)出：

由于Δh0與h0比較是非常小的,所以：

式中：

h0=入口厚度

Δh0=入口厚度誤差

v0=入口板帶速度

v1=入口板帶速度誤差

圖例1：前饋控制環(huán)（FeedfowardControlLoop）

1.2.2反饋控制

反饋控制要達(dá)到要求的絕對出口厚度。

監(jiān)視厚度控制環(huán)負(fù)責(zé)第一機(jī)架的長期厚度誤差。第一機(jī)架后的剩余誤差通過測厚儀h1記錄，統(tǒng)計(jì)分析生成一個(gè)平均的厚度誤差。這個(gè)平均的厚度誤差就被轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)乃俣刃拚凳┘佑谌肟趶埦o輥。就如下式：

式中：h1=第一機(jī)架后的厚度

Δh1=第一機(jī)架后的厚度誤差

在隨動(dòng)控制環(huán)（follow-upcontrolloop）中這個(gè)平均值取自一個(gè)具體板帶長度上的測量的厚度誤差。如出口測厚儀和輥縫之間的距離。產(chǎn)生的修正量通過運(yùn)轉(zhuǎn)控制器工具應(yīng)用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)控制器被優(yōu)化調(diào)節(jié)，使之與輥縫中軋制點(diǎn)和測厚儀中測量點(diǎn)之間的延遲所決定的被控系統(tǒng)的特征相協(xié)調(diào)。它產(chǎn)生修正值直到出口厚度誤差為零。出口測厚儀記錄剩余在已軋制板帶上的誤差。

由于誤差是在輥縫后被測量，短時(shí)誤差不可能通過反饋控制被矯正。測厚儀的實(shí)際值由測厚儀時(shí)間常數(shù)和附加的依賴于速度的延遲時(shí)間決定。輥縫和測厚儀之間的距離越短，一個(gè)反饋厚度控制環(huán)的質(zhì)量越好。

2　軋機(jī)張力控制系統(tǒng)

機(jī)架之間的帶鋼張力為軋制工藝提供了一個(gè)很重要的系統(tǒng)狀態(tài)，以及保證了出口厚度的調(diào)節(jié)。因此期望一個(gè)高質(zhì)量的帶鋼張力狀態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，機(jī)架張力控制調(diào)節(jié)回路的一個(gè)前提條件是取決于過程計(jì)算機(jī)的道次數(shù)據(jù)，它保證了冷軋最佳的軋制工藝，從而能夠滿足一個(gè)良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)張力,這樣就能隨時(shí)跟蹤變化的設(shè)定值，對張力波動(dòng)能迅速調(diào)節(jié)。此外，還能避免內(nèi)外部干擾引發(fā)的張力波動(dòng)。張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常作用在相對應(yīng)的機(jī)架的傳動(dòng)系統(tǒng)或者液壓壓下輥縫控制系統(tǒng)中。例如冷軋主要產(chǎn)品是薄板，厚度在0.25與2.0mm之間，厚度偏差在±1%以下，可想而知，這對要求大張力控制的連軋機(jī)，提出了非常嚴(yán)格的張力控制要求，如果張力稍有不妥，就會造成頻繁的斷帶，從而影響生產(chǎn)，影響設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。

軋機(jī)張力控制的幾種不同情況：

（1）入口張力。目前在冷軋機(jī)上，主要采用擴(kuò)展物流平衡控制方式。在擴(kuò)展的物流平衡控制中，從軋機(jī)起動(dòng)至穿帶速度時(shí)，軋機(jī)以常規(guī)的物流平衡方式進(jìn)行工作，軋機(jī)的液壓壓下系統(tǒng)工作在軋制力控制方式下；當(dāng)軋機(jī)起動(dòng)至穿帶速度時(shí)，軋機(jī)的液壓壓下系統(tǒng)切換成位置控制方式，軋機(jī)也從常規(guī)的物流平衡方式切換成擴(kuò)展物流平衡控制方式。這樣S輥與1#機(jī)架之間的入口張力由兩個(gè)不同的控制階段，即從建立靜張力至達(dá)到穿帶速度時(shí)，入口張力恒定通過S輥力矩調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)機(jī)架的液壓壓下系統(tǒng)切換成位置控制方式后，入口張力通過張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用在1＃機(jī)架壓下上來實(shí)現(xiàn)恒定，此時(shí)S輥由力矩控制切換到速度控制。

為了保持物流平衡，以及保證入口張力恒定，在S輥的力矩控制方式下，入口S輥必須減速，這樣S輥的實(shí)際速度與原來的給定速度相差較大。但當(dāng)軋機(jī)從常規(guī)的物流平衡方式切換成擴(kuò)展物流平衡控制方式后，S輥的調(diào)節(jié)系統(tǒng)也從力矩控制變?yōu)樗俣瓤刂?，雖然也有切換的過渡過程，但由于速度實(shí)際值與設(shè)定值相差較大，為了保持張力恒定，在入口張力系統(tǒng)的作用下，1＃機(jī)架軋制力迅速降低，從而影響了后面機(jī)架的張力，造成起動(dòng)困難，嚴(yán)重時(shí)造成起動(dòng)斷帶、軋輥劃傷等后果。為了保證軋機(jī)能正常起動(dòng)，現(xiàn)在達(dá)到穿帶速度時(shí)，繼續(xù)保持1＃機(jī)架的軋制力及S輥的力矩控制方式，等到厚帶頭切換時(shí)才一起切換，雖然也會發(fā)生一些軋制力、張力的波動(dòng)，但基本避免了穿帶速度切換時(shí)的缺陷，保證了軋機(jī)的正常起動(dòng)。

（2）4#、5#機(jī)架間張力。張力控制系統(tǒng)具有下列A、B、C三種方式：

MODEA。這個(gè)控制模式被用于較厚/較軟的板帶。利用秒流量關(guān)系施加一個(gè)速度修正值到最末機(jī)架。最末機(jī)架和相鄰機(jī)架間的張力保持恒定,這樣一個(gè)正的速度修正值(要求補(bǔ)償一個(gè)正的厚度誤差)產(chǎn)生正的軋制力修正值在最末機(jī)架,從而也降低厚度。

MODEB。軋機(jī)在采用MODEB方式正常軋制時(shí)，張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)也是采用TVG控制方式，張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用在5#機(jī)架的壓下上，但該方式的特點(diǎn)是：允許張力在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，只有在超出該范圍后，才給予調(diào)節(jié)。這個(gè)模式用于較硬/較薄的板帶。這里軋制力的改變產(chǎn)生的軋輥?zhàn)冃伪劝鍘ё冃胃?。在模式A中,一個(gè)速度修正量施加于最末機(jī)架。然而,在這種情況下,機(jī)架間的張力是松弛的,因此在最末機(jī)架一個(gè)速度增量引起一個(gè)反張力的增量,從而產(chǎn)生厚度降。如果機(jī)架間的張力超過它的限幅,厚度修正立即嘗試施加于輥縫控制。

MODEC。在這種情況下,最末機(jī)架的相鄰機(jī)架實(shí)現(xiàn)要求的厚度最末機(jī)架被用于光整機(jī)架。最末機(jī)架的軋制力保持一個(gè)恒定值。通過在最末兩機(jī)架間施加一個(gè)速度修正量,來控制最末兩機(jī)架間的張力。速度控制作用在最末機(jī)架的相鄰機(jī)架上。為了保持與最末機(jī)架的速度關(guān)系,源于厚度控制的速度誤差也必須被用于最末機(jī)架的速度控制。

通常在軋制汽車板時(shí)，軋機(jī)采用MODEC方式運(yùn)行，在該方式運(yùn)行時(shí)，帶鋼的變形量已在前面機(jī)架完成，5#機(jī)架的壓下量很小，并且為恒軋制力控制方式（主要做平整機(jī)用）。在該方式下，就不能采用改變下一個(gè)機(jī)架的壓下的TVG控制方式，使“恒軋制力”遭到破壞，因此只能采用TVD控制方式，4#、5#機(jī)架間的張力通過調(diào)節(jié)4#機(jī)架速度的方法來保持恒定。

3　結(jié)束語

機(jī)架間張力和板帶厚度是代表著一個(gè)金屬形成過程中的一對物理量，張力調(diào)節(jié)器配置是基于恒定物流平衡原理。在恒定材料密度和恒定帶寬，恒定“秒流量”就簡化為一個(gè)恒定體積。因此，物流控制和機(jī)架間的張力控制是冷軋機(jī)控制的關(guān)鍵因素,以恒定張力控制為前提通過物流控制原理,達(dá)到對板帶厚度、板形和質(zhì)量的良好控制.生產(chǎn)實(shí)踐表明，該生產(chǎn)線具有世界先進(jìn)的控制技術(shù)，設(shè)備裝備精良。生產(chǎn)出的冷軋板質(zhì)量，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐謀風(fēng).現(xiàn)代帶鋼冷連軋機(jī)的自動(dòng)化[M].北京:冶金工業(yè)出版社.