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卷機(jī)的工藝技術(shù)特點(diǎn)，開卷機(jī)的機(jī)械配置及開卷機(jī)張力控制技術(shù)的研究。著重介紹了開卷機(jī)的控制系統(tǒng)組成，詳細(xì)介紹了開卷機(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)分析了開卷機(jī)的間接張力控制過(guò)程。最后分析開卷機(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，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。在開卷過(guò)程中，機(jī)組速度恒定，隨著鋼卷卷徑不斷減小，開卷機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷增大，同時(shí)保證開卷機(jī)和1#張緊輥直接的張力始終保持不變。由于開卷機(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卷機(jī)的張力控制采用間接恒張力控制的方式。

1 開卷機(jī)區(qū)域設(shè)備及工藝介紹

鍍鋅的原料卷通過(guò)運(yùn)卷小車上到開卷機(jī)上，2個(gè)開卷機(jī)交替運(yùn)行，例如1#開卷機(jī)開卷，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#開卷機(jī)在正常運(yùn)行，當(dāng)2#開卷機(jī)的卷運(yùn)行完后，2#開卷機(jī)的帶尾運(yùn)到焊機(jī)處，1#開卷機(jī)的帶頭也運(yùn)到焊機(jī)，焊機(jī)將兩卷焊接上后，開卷機(jī)先建立靜張力，在起線入口區(qū)域運(yùn)行。

2 開卷機(jī)張力控制的設(shè)計(jì)

開卷機(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。

開卷機(jī)間接張力控制系統(tǒng)，采用檢查開卷機(jī)電機(jī)速度方法，計(jì)算開卷機(jī)的卷徑，通過(guò)開卷機(jī)的卷直徑和張力設(shè)定值計(jì)算開卷機(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、開卷機(jī)卷徑和減速機(jī)齒輪比計(jì)算出開卷機(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:開卷機(jī)的摩擦系數(shù)

N：開卷機(jī)的轉(zhuǎn)速

PFix:轉(zhuǎn)矩摩擦補(bǔ)償值

其中開卷機(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:開卷機(jī)的卷的外徑

D_I:開卷機(jī)的卷的內(nèi)徑

Pd2:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)

G：開卷機(jī)減速機(jī)齒輪比

Acc：加速度（m/s2）

Eff：開卷機(jī)的機(jī)械效率

通過(guò)公式可以看出，開卷機(jī)的加速度越大，所需的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩就越大，開卷機(jī)的內(nèi)徑是不變的，開卷機(jī)卷的外徑越大，所需的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩就越大。

2.3.3 開卷區(qū)張力值轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)矩

開卷區(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_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：開卷機(jī)卷徑（mm）

GearR：開卷機(jī)電機(jī)齒輪比

2.4 開卷機(jī)張力控制分析

開卷機(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，保證開卷機(jī)速度穩(wěn)定。

2.4.2 開卷機(jī)間接張力的控制

開卷機(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。由于開卷機(jī)產(chǎn)生的張力是向后的，跟開卷機(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。

[1]張啟富,劉邦津.黃建中.現(xiàn)代鋼帶連續(xù)熱鍍鋅[M].冶金工業(yè)出版社，2007.846～869.

[2]姚錫祿.變頻器控制技術(shù)與應(yīng)用[M]．福建科學(xué)技術(shù)出版社．2005,20～35.

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