李東明
(包鋼集團(tuán)公司薄板坯連鑄連軋廠自動(dòng)化部,內(nèi)蒙古 包頭014010)
包鋼鍍鋅開(kāi)卷機(jī)張力控制系統(tǒng)的研究
李東明
(包鋼集團(tuán)公司薄板坯連鑄連軋廠自動(dòng)化部,內(nèi)蒙古 包頭014010)
本文主要介紹了包鋼薄板廠鍍鋅線開(kāi)卷機(jī)的工藝技術(shù)特點(diǎn),開(kāi)卷機(jī)的機(jī)械配置及開(kāi)卷機(jī)張力控制技術(shù)的研究。著重介紹了開(kāi)卷機(jī)的控制系統(tǒng)組成,詳細(xì)介紹了開(kāi)卷機(jī)卷經(jīng)計(jì)算、速度計(jì)算、靜阻轉(zhuǎn)矩的計(jì)算、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算,以及開(kāi)卷機(jī)張力設(shè)定轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩的計(jì)算,并結(jié)合以上數(shù)據(jù)的計(jì)算,詳細(xì)分析了開(kāi)卷機(jī)的間接張力控制過(guò)程。最后分析開(kāi)卷機(jī)張力在實(shí)際生產(chǎn)中存在的問(wèn)題和處理方法。
張力控制;開(kāi)卷機(jī);轉(zhuǎn)矩計(jì)算;張力轉(zhuǎn)化
包鋼薄板廠熱鍍鋅生產(chǎn)線是包鋼第一條鍍鋅生產(chǎn)線,由奧鋼聯(lián)公司設(shè)計(jì),產(chǎn)品主要應(yīng)用于建筑和家電行業(yè)。其中開(kāi)卷機(jī)是鍍鋅生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備,按工藝順序也是第一個(gè)設(shè)備。主要功能是把鋼卷打開(kāi),提供入口區(qū)域的張力,為入口區(qū)域的順利運(yùn)行起關(guān)鍵作用。在開(kāi)卷過(guò)程中,機(jī)組速度恒定,隨著鋼卷卷徑不斷減小,開(kāi)卷機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷增大,同時(shí)保證開(kāi)卷機(jī)和1#張緊輥直接的張力始終保持不變。由于開(kāi)卷機(jī)動(dòng)態(tài)慣性比較大,在加減速過(guò)程中必須保證帶鋼張力相對(duì)平穩(wěn)。如果發(fā)現(xiàn)張力波動(dòng),如張力過(guò)小,會(huì)造成鋼卷松卷以及層間竄動(dòng),損壞帶鋼;如張力過(guò)大,就會(huì)把帶鋼拉斷或損壞設(shè)備。因此對(duì)于開(kāi)卷機(jī)而言,張力控制是核心技術(shù),也是難點(diǎn)。包鋼薄板廠鍍鋅線開(kāi)卷機(jī)的張力控制采用間接恒張力控制的方式。
鍍鋅的原料卷通過(guò)運(yùn)卷小車(chē)上到開(kāi)卷機(jī)上,2個(gè)開(kāi)卷機(jī)交替運(yùn)行,例如1#開(kāi)卷機(jī)開(kāi)卷,將帶鋼運(yùn)到剪子處,切完帶頭后,再將帶運(yùn)到并線夾送輥處等待,這時(shí)是2#開(kāi)卷機(jī)在正常運(yùn)行,當(dāng)2#開(kāi)卷機(jī)的卷運(yùn)行完后,2#開(kāi)卷機(jī)的帶尾運(yùn)到焊機(jī)處,1#開(kāi)卷機(jī)的帶頭也運(yùn)到焊機(jī),焊機(jī)將兩卷焊接上后,開(kāi)卷機(jī)先建立靜張力,在起線入口區(qū)域運(yùn)行。
開(kāi)卷機(jī)有兩種運(yùn)行模式:第一種為點(diǎn)動(dòng)模式的速度控制,用于設(shè)備正反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)或者傳動(dòng)操作時(shí)幾個(gè)設(shè)備的聯(lián)合點(diǎn)動(dòng);第二種為入口區(qū)域焊接完成后運(yùn)行的張力控制模式,以適當(dāng)?shù)膹埩ΡWC入口區(qū)域機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行,入口運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)從速度控制模式轉(zhuǎn)為張力控制模式。
開(kāi)卷機(jī)間接張力控制系統(tǒng),采用檢查開(kāi)卷機(jī)電機(jī)速度方法,計(jì)算開(kāi)卷機(jī)的卷徑,通過(guò)開(kāi)卷機(jī)的卷直徑和張力設(shè)定值計(jì)算開(kāi)卷機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而通過(guò)變頻器調(diào)速裝置控制電動(dòng)機(jī)的電樞電流,以達(dá)到控制張力的目的。系統(tǒng)由卷徑計(jì)算、轉(zhuǎn)速給定計(jì)算、轉(zhuǎn)矩給定計(jì)算、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償計(jì)算、速度調(diào)節(jié)器、電樞電流調(diào)節(jié)器等模塊組成。
2.1 卷徑計(jì)算
在間接恒張力控制系統(tǒng)中。卷徑D是一個(gè)非常重要的參數(shù),直接影響著對(duì)張力的控制。在開(kāi)卷的整個(gè)過(guò)程中卷徑一直在減小,所以需要在線實(shí)時(shí)地對(duì)其進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式如下:
D=v/(Pi×n)
式中:n為開(kāi)卷機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速,可根據(jù)電動(dòng)機(jī)上增量編碼器的測(cè)得信號(hào)換算和減速箱的速比算出,n作為變頻器轉(zhuǎn)速反饋輸入;v為帶鋼運(yùn)行的線速度,取自1#張緊輥1#輥電機(jī)的速度(入口機(jī)組的速度)。為保證計(jì)算結(jié)果正確,系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有卷徑限幅最小卷徑為508mm,最大卷徑為1900mm。
在機(jī)組速度為0或未加載張力時(shí),是無(wú)法用以上原理計(jì)算卷徑的。為確保系統(tǒng)正常工作,就需設(shè)定卷徑初始值。此初始值由系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定為帶鋼的最大卷徑限幅D=1900mm,第一用于建立靜張力(機(jī)組速度為O)時(shí)計(jì)算n和M,第二用于穿帶時(shí),開(kāi)卷機(jī)與夾送輥(或卷取機(jī))聯(lián)合點(diǎn)動(dòng)(未加載張力)計(jì)算n。
2.2 速度給定計(jì)算
開(kāi)卷機(jī)的給定是通過(guò)入口區(qū)域主線速度給定計(jì)算的,入口區(qū)域主線速度是通過(guò)整個(gè)線的速度給定根據(jù)爐區(qū)延伸率計(jì)算得出的。通過(guò)入口區(qū)域主線速度給定、開(kāi)卷機(jī)卷徑和減速機(jī)齒輪比計(jì)算出開(kāi)卷機(jī)的角速度,給到變頻器上。計(jì)算公式為:
AngSp=(LinSp×GearR×1000)/(Diam×PI)
AngSp:開(kāi)卷機(jī)電機(jī)角速度(rpm)
LinSp:入口區(qū)域線速度設(shè)定值(m/min)
Diam:開(kāi)卷機(jī)的實(shí)際卷徑(mm)
PI:圓周率
從公式也可以看出,隨著卷運(yùn)行卷徑越來(lái)越小,電機(jī)的角速度就越來(lái)越大。
2.3 開(kāi)卷機(jī)轉(zhuǎn)矩相關(guān)的計(jì)算
2.3.1 靜阻轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
開(kāi)卷機(jī)在勻速運(yùn)行時(shí)所有機(jī)械必然存在滑動(dòng)摩擦力,同時(shí)旋轉(zhuǎn)也會(huì)形成風(fēng)的阻力。其中滑動(dòng)摩擦力主要包括電樞和鋼卷等旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的阻力。在程序中靜阻轉(zhuǎn)矩叫“l(fā)osstorque”計(jì)算公式為:
Loss_Tq=Ppro×N±PFix
Ppro:開(kāi)卷機(jī)的摩擦系數(shù)
N:開(kāi)卷機(jī)的轉(zhuǎn)速
PFix:轉(zhuǎn)矩摩擦補(bǔ)償值
其中開(kāi)卷機(jī)的摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)矩摩擦補(bǔ)償值是在調(diào)試時(shí)測(cè)量出來(lái)的,都為常數(shù)。當(dāng)速度為正值時(shí),加上轉(zhuǎn)矩摩擦補(bǔ)償值;當(dāng)速度為負(fù)值時(shí),減去轉(zhuǎn)矩摩擦補(bǔ)償值。1#開(kāi)卷機(jī)的轉(zhuǎn)矩摩擦補(bǔ)償值為44.537。
從公式可以看出,速度越高,靜阻轉(zhuǎn)矩越大。
2.3.2 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
開(kāi)卷機(jī)處于加速運(yùn)行時(shí),整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)沿著電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生角加速度,角加速度與旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的乘積就是所需的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩,也叫轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。程序中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(inertiatorque)的計(jì)算公式是:
Inertia_Tq=[(PI×D×W×(D_E-D_I))÷(32×G)+Pd2]×(2×G×ACC)×Eff÷D_E
PI:圓周率
D_E:開(kāi)卷機(jī)的卷的外徑
D_I:開(kāi)卷機(jī)的卷的內(nèi)徑
Pd2:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)
G:開(kāi)卷機(jī)減速機(jī)齒輪比
Acc:加速度(m/s2)
Eff:開(kāi)卷機(jī)的機(jī)械效率
通過(guò)公式可以看出,開(kāi)卷機(jī)的加速度越大,所需的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩就越大,開(kāi)卷機(jī)的內(nèi)徑是不變的,開(kāi)卷機(jī)卷的外徑越大,所需的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩就越大。
2.3.3 開(kāi)卷區(qū)張力值轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)矩
開(kāi)卷區(qū)張力設(shè)定值一般是通過(guò)二級(jí)計(jì)算后設(shè)定的,也可以手動(dòng)輸入。張力設(shè)定值通過(guò)轉(zhuǎn)化變?yōu)殚_(kāi)卷機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制張力。張力轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)矩的公式:
TensT=(TensR×10)×Diam/(1000×GearR)
TensR:張力設(shè)定值(DaN)
Diam:開(kāi)卷機(jī)卷徑(mm)
GearR:開(kāi)卷機(jī)電機(jī)齒輪比
2.4 開(kāi)卷機(jī)張力控制分析
開(kāi)卷機(jī)運(yùn)行分為兩種模式,一種是點(diǎn)動(dòng)或聯(lián)動(dòng)時(shí)的速度控制,另外一種是正常運(yùn)行的間接張力控制。
2.4.1 點(diǎn)動(dòng)和聯(lián)動(dòng)時(shí)速度的控制
點(diǎn)動(dòng)和聯(lián)動(dòng)時(shí),開(kāi)卷機(jī)區(qū)域不產(chǎn)生張力,此時(shí)只是一個(gè)速度控制。不過(guò)除了速度的主給定,還有一個(gè)附件轉(zhuǎn)矩給定,主要是平衡摩擦和加減速時(shí)的動(dòng)態(tài)損耗,就是將前面計(jì)算的靜阻轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩兩個(gè)的和賦值給附件轉(zhuǎn)矩,給到變頻器上,保證開(kāi)卷機(jī)速度穩(wěn)定。
2.4.2 開(kāi)卷機(jī)間接張力的控制
開(kāi)卷機(jī)間接張力主要是通過(guò)負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅實(shí)現(xiàn)的。變頻器通過(guò)速度給定與速度反饋比較給到速度調(diào)節(jié)器上,速度設(shè)定就為入口區(qū)域的主設(shè)定,跟入口區(qū)域主的速度輥1#張緊輥1#輥的速度設(shè)定一樣,速度調(diào)節(jié)器計(jì)算完成后給到轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器上。由于沒(méi)有給附件轉(zhuǎn)矩,這時(shí)就相對(duì)于沒(méi)有給定摩擦和加減速時(shí)的補(bǔ)償,轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器就是一個(gè)飽和狀態(tài),轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器之后是轉(zhuǎn)矩限幅。由于開(kāi)卷機(jī)產(chǎn)生的張力是向后的,跟開(kāi)卷機(jī)速度方向相反,所有對(duì)張力的控制只是對(duì)負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅作限制,正轉(zhuǎn)矩不限制為100%。負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅包括兩個(gè)部分,一部分為通過(guò)張力設(shè)定計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩值,另一部分為開(kāi)卷運(yùn)行時(shí)損耗的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩即附件轉(zhuǎn)矩,將兩部分的值相加就為負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅,通過(guò)負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制變頻器輸出,從而控制開(kāi)卷機(jī)的張力。因?yàn)橹皇峭ㄟ^(guò)張力設(shè)定值去控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,沒(méi)有采用張力反饋,所有這種控制不是閉環(huán)控制,即為間接張力控制。
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1671-0711(2017)01(下)-0176-02