（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430000）

隨著我國(guó)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，全連續(xù)式酸洗線已經(jīng)取代了傳統(tǒng)半連續(xù)式酸洗線[1]，全連續(xù)式生產(chǎn)線要求帶鋼在酸洗過(guò)程中保持一定的張力和匹配的速度，從而使帶鋼在設(shè)定的工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)高效酸洗和整齊卷取。同時(shí)為了保證機(jī)組安全、平穩(wěn)運(yùn)行，需要設(shè)置友好的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)畫(huà)面，因此從測(cè)、控兩方面出發(fā)去研究酸洗線生產(chǎn)效率具有重要意義。

在全連續(xù)式酸洗線中，帶鋼在酸洗線上通過(guò)各工位主傳動(dòng)電機(jī)和夾送輥的帶動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)、酸洗，進(jìn)入卷取機(jī)后和五輥張力輥形成一定的張力實(shí)現(xiàn)緊密卷取。若各工位電機(jī)速度不一致，鋼帶會(huì)褶皺或斷帶，若卷取機(jī)與張力輥之間張力不恒定，鋼帶卷會(huì)松緊不一或剛帶跑偏。因此酸洗線中各工位電機(jī)的速度匹配和五輥張力輥與卷取機(jī)的張力恒定是控制系統(tǒng)的核心。本文立足于巴基斯坦某企業(yè)的全連續(xù)式酸洗線項(xiàng)目，分析了酸洗線的速度控制、張力控制，建立了張力輥數(shù)學(xué)模型精確計(jì)算設(shè)定張力值控制包角的大小實(shí)現(xiàn)張力輥的張力控制，采用了轉(zhuǎn)矩限幅的雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)卷取機(jī)的張力控制[2]。對(duì)酸洗線安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 酸洗線控制系統(tǒng)的工藝流程

全連續(xù)式酸洗線工藝流程可將全段分為入口段、工藝段、出口段三部分。如圖1所示為酸洗線工藝流程。

圖1 酸洗線工藝流程Fig.1 Process flow chart of pickling line

如圖所示，帶鋼卷上到開(kāi)卷機(jī)，兩臺(tái)循3夾送輥的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶鋼送到九輥矯直機(jī)，矯直機(jī)對(duì)帶鋼進(jìn)行矯直并夾送至1#對(duì)中裝置進(jìn)行對(duì)中，使帶鋼在工作區(qū)域內(nèi)，對(duì)中完成后帶頭液壓剪剪齊帶頭方便焊接處跟前面帶鋼的帶尾進(jìn)行焊接，入口轉(zhuǎn)向輥將帶鋼送至焊接處，2#對(duì)中裝置對(duì)中，對(duì)中完成后進(jìn)行焊接。帶尾離開(kāi)開(kāi)卷機(jī)后將帶尾剪切并送至激光焊機(jī)處，同時(shí)另一開(kāi)卷機(jī)進(jìn)行開(kāi)卷工作，等帶頭到達(dá)焊接處后帶頭帶尾就可以進(jìn)行焊接操作了。焊縫退火后啟動(dòng)自動(dòng)定位使焊縫運(yùn)動(dòng)到月牙剪處進(jìn)行切邊處理，之后帶鋼進(jìn)入工藝段酸洗槽進(jìn)行酸洗，然后進(jìn)入出口段，如圖2所示。

圖2 酸洗線出口段Fig.2 Pickling line outlet section

出口1#夾送輥將從工藝段過(guò)來(lái)的帶鋼夾送至坑式活套，坑式活套可以存儲(chǔ)一定的帶鋼防止出口段停車時(shí)前面工序關(guān)聯(lián)停車，保證機(jī)組運(yùn)行的連續(xù)性，活套坑上方有測(cè)距儀可以實(shí)時(shí)檢測(cè)并控制坑內(nèi)帶鋼量[3]。帶鋼自活套出來(lái)后經(jīng)過(guò)糾偏由2#夾送輥送至圓盤(pán)剪，圓盤(pán)剪可根據(jù)設(shè)定的寬度對(duì)帶鋼切邊，并由廢邊卷取機(jī)將廢邊回收，之后帶鋼進(jìn)入五輥張力輥，在這里進(jìn)行張力調(diào)節(jié)，操作人員可以在上位機(jī)畫(huà)面或本地操作箱上調(diào)節(jié)張力。帶鋼經(jīng)由平整機(jī)平整提高力學(xué)性能后送至卷取機(jī)收取，這就是連續(xù)式酸洗線的全部工藝流程。

2 機(jī)組張力系統(tǒng)分析

2.1 速度控制

連續(xù)式酸洗線入口段、工藝段、出口段3個(gè)工作段的機(jī)組運(yùn)行速度必須互相在一個(gè)工作速度內(nèi)，只有這樣才能更好地保障帶鋼的張力控制，通過(guò)上位機(jī)畫(huà)面可以單獨(dú)設(shè)置各段帶鋼的前進(jìn)速度。

入口段和出口段的速度計(jì)算公式為

式中：V為入口、出口段的速度；Vcent為工藝段速度；ΔV為充放套速度。

出口段的速度根據(jù)平整機(jī)的投入與否又分為2種情況，當(dāng)平整機(jī)不投入時(shí)平整機(jī)前后速度一致則出口段速度一致，操作臺(tái)設(shè)定的出口段速度就等于平整機(jī)前后速度。

當(dāng)平整機(jī)投入時(shí)，出口段的速度分為平整機(jī)前速度和平整機(jī)后速度，其中平整機(jī)前速度等于操作臺(tái)設(shè)定的出口段速度，平整機(jī)后速度為

式中：V1為平整機(jī)后帶鋼實(shí)際速度；Vset為操作臺(tái)設(shè)定的出口段速度；ΔV1為帶鋼因平整機(jī)壓縮產(chǎn)生的延伸速度，根據(jù)秒流量公式：

式中：V1′為平整機(jī)前帶鋼實(shí)際速度；V2′為平整機(jī)后帶鋼實(shí)際速度；h1′為平整機(jī)前帶鋼厚度；h2′為平整機(jī)后帶鋼厚度[4]，由公式（3）可知疊加在3#夾送輥上的速度ΔV1為

2.2 轉(zhuǎn)矩控制

酸洗線中開(kāi)卷機(jī)和卷取機(jī)采用的是轉(zhuǎn)矩控制，這是一種間接張力控制。間接張力控制在這里表現(xiàn)為對(duì)電流的控制，電流經(jīng)過(guò)傳動(dòng)表現(xiàn)為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)矩反映為張力。電氣傳動(dòng)系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)矩限幅的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)矩限幅的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.3 Double closed loop control system for torque limiting

系統(tǒng)中設(shè)有串聯(lián)的轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)器和電流PID調(diào)節(jié)器，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋控制。如圖中所示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出變量作為電流調(diào)節(jié)器的輸入變量，再用電流PID調(diào)節(jié)器的輸出變量控制逆變器從而控制電機(jī)。

程序中給定一個(gè)電機(jī)的速度（或者通過(guò)換算給定一個(gè)頻率），由于設(shè)置了速度飽和就使電機(jī)正常工作在給定轉(zhuǎn)速處于飽和給定轉(zhuǎn)速，通過(guò)PID調(diào)節(jié)之后將轉(zhuǎn)速值給到轉(zhuǎn)矩限幅器，所以就可以根據(jù)上位機(jī)張力的設(shè)定值去控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而控制帶鋼的張力。

2.3 張力輥工作原理

傳統(tǒng)固定式五張力輥 （即跳動(dòng)輥不投入時(shí)）在張力輥的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)主要計(jì)算張力的變化規(guī)律及傳動(dòng)力矩。張力的產(chǎn)生主要是各張力輥與帶鋼之間的摩檫力，酸洗線中張力輥張力的改變主要通過(guò)改變輥?zhàn)优c帶鋼之間的接觸面積，接觸面積變大則摩檫力變大，反之減小[5]。

相比于傳統(tǒng)固定式五張力輥，本系統(tǒng)采用帶跳動(dòng)輥的五張力輥，CPU將現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)際張力值與設(shè)定的張力值進(jìn)行比較，比較后的差值通過(guò)信號(hào)放大器輸送至伺服閥，通過(guò)伺服閥的開(kāi)度增加或減小調(diào)節(jié)跳動(dòng)輥的上升或下降，從而調(diào)節(jié)張力使其達(dá)到設(shè)定值。五輥張力輥的張力控制以出口張力輥速度作為基準(zhǔn)，按跳動(dòng)輥的升降情況實(shí)現(xiàn)張力輥的控制。

各段的張力輥由于帶鋼速度不同可能處于電動(dòng)工作狀態(tài)或者發(fā)電工作狀態(tài)，當(dāng)帶鋼入口張力大于出口張力時(shí)，張力輥處于電動(dòng)工作狀態(tài)，如圖4所示，當(dāng)帶鋼出口張力大于入口張力時(shí)，張力輥處于發(fā)電工作狀態(tài)[6]，如圖5所示。

圖4 “電動(dòng)狀態(tài)”帶鋼受力分析Fig.4 Force analysis of strip in “electric state”

圖5 “發(fā)電狀態(tài)”帶鋼受力分析Fig.5 Force analysis of strip in “generating state”

當(dāng)張力輥處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，張力輥的張力值為

式中：μ為張力輥與帶鋼之間的摩擦系數(shù)（鋼帶一般取0.1～0.15）；P為跳動(dòng)輥對(duì)帶鋼的壓力；α為帶鋼跟張力輥之間的包角；Ts為張力損失值；b為帶鋼寬度；h為帶鋼厚度；v為帶鋼運(yùn)行速度[7-9]。

張力輥的實(shí)時(shí)制動(dòng)力矩（傳動(dòng)力矩）為

式中：D為張力輥直徑。

當(dāng)張力輥處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，張力輥的張力值為

張力輥的實(shí)時(shí)制動(dòng)力矩（傳動(dòng)力矩）為

3 酸洗線控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

3.1 硬件選型

本控制系統(tǒng)采用西門(mén)子400 PLC作為主控制器，入口段、工藝段、出口段分別配置一個(gè)子站，采用西門(mén)子IM153子站模塊，同時(shí)在這3個(gè)子站配備光纖以太網(wǎng)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)主-從、從-從之間快速環(huán)狀通訊。入口和出口段配備現(xiàn)場(chǎng)HMI，對(duì)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置。增加通訊模塊CP443-5實(shí)現(xiàn)CPU與變頻器控制系統(tǒng)的Profibus-DP通訊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制?，F(xiàn)場(chǎng)傳動(dòng)裝置采用西門(mén)子Sinamics S120系列變頻器驅(qū)動(dòng)[10]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 System structure diagram

該項(xiàng)目通過(guò)Profibus-DP和工業(yè)以太網(wǎng)組成現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)，通過(guò)Profibus網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主站與從站，上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的數(shù)據(jù)交互。

S120變頻器控制模塊CU320通過(guò)Drive-cliQ與電機(jī)模塊實(shí)時(shí)通訊，并通過(guò)DP總線與上位機(jī)通訊，使開(kāi)卷機(jī)、卷取機(jī)、張力輥實(shí)現(xiàn)速度控制、張力控制等功能[11]。

3.2 人機(jī)界面

采用西門(mén)子SIMATIC WinCC軟件組態(tài)上位機(jī)畫(huà)面。WinCC可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一操作性和可視性；畫(huà)面可以設(shè)置工程師站和操作員站保證生產(chǎn)操作安全；軟件的報(bào)文系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)緩存、歸檔現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)定數(shù)據(jù)，并可連接現(xiàn)場(chǎng)打印機(jī)；軟件內(nèi)置曲線控件可實(shí)時(shí)監(jiān)控或查看現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)曲線，以便分析和排查問(wèn)題。該系統(tǒng)畫(huà)面由主畫(huà)面、輥徑設(shè)定、報(bào)警、數(shù)據(jù)報(bào)表、平整機(jī)等畫(huà)面組成[12]。圖7為該系統(tǒng)的主畫(huà)面。

圖7 酸洗線系統(tǒng)主畫(huà)面Fig.7 Pickling line system main screen

4 結(jié)語(yǔ)

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在巴基斯坦調(diào)試完成并正常生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況表明機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，完美的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。文章分析了全連續(xù)式酸洗線工藝流程，并對(duì)五張力輥的工作原理進(jìn)行剖析，提出了帶跳動(dòng)輥的張力輥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了PLC的先進(jìn)性和WINCC組態(tài)軟件的實(shí)用性，對(duì)金屬酸洗行業(yè)具有重要的借鑒意義。