李旭亮

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

鋁帶拉彎矯直機組屬于精整設(shè)備，主要起到消除板帶材板型不良，使板帶材內(nèi)應(yīng)力分布趨于均勻，矯正板型的作用。拉彎矯直機組具有對帶材進行拉伸彎曲矯直、卷取、切邊、清洗等功能。

1 電控系統(tǒng)的配置結(jié)構(gòu)

我公司研制的鋁帶拉彎矯直機組可對多種系列的純鋁及鋁合金料卷進行加工處理，滿足了多數(shù)市場需求，并獲得了好評。作為精整設(shè)備，拉彎矯直機組(以下簡稱拉彎矯)除了在設(shè)備的制造安裝上要精益求精，其電氣控制也非常重要，因為電氣控制的精度直接影響帶材的板型、表面清潔度以及是否有擦劃傷等問題。我公司拉彎矯的電控系統(tǒng)配備了當今工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的一系列主流設(shè)備，選用了西門子控制器S7-1500及分布式子站完成整個機組的控制及操作功能，傳動部分采用了ABB公司的交流多傳模塊ACS880/ACS860 和單傳模塊ACS550/ACS580，通過PROFINET現(xiàn)場總線實現(xiàn)PLC控制器與所有傳動模塊以及分布式子站的通訊，以達到CPU對整個系統(tǒng)的精準控制，同時也是通過這個PROFINET現(xiàn)場總線將CPU與各操作臺上的HMI、上位機電腦連通，實現(xiàn)有效的人機對話。

2 傳動系統(tǒng)控制原理

在鋁帶拉彎矯直機組中，包含了眾多傳動輥，但起核心作用的為開卷機、卷取機、入口4個張力輥、出口4個張力輥，同時圓盤剪的控制精度也要求比較高，因此在電氣系統(tǒng)中，這11個傳動輥電機的控制我們采用了ABB的交流多傳動系統(tǒng)(ACS880整流單元和ACS860/ACS880 逆變模塊)。該系統(tǒng)采用公共直流母線結(jié)構(gòu)，采用矢量/DTC 控制技術(shù)可精確控制電機的速度和轉(zhuǎn)矩，并利用斬波器和制動電阻器來限制直流母線電壓過度上升并提供有效的電機制動和縮短制動時間。

在整個傳動控制系統(tǒng)中，最重要的部分就在于出口1號張力輥、入口4號張力輥、開卷機、卷取機的控制。對于整個機列來說，控制方式分為速差控制和張力控制兩種方式；而對于帶材延伸率的控制又分為延伸率閉環(huán)控制和延伸率開環(huán)控制兩種；這兩項機列控制方式的選擇和延伸率控制方式的選擇是由操作人員在主操作臺人機界面HMI上操作實現(xiàn)的。

帶材的實際延伸率是拉彎矯機組中電氣控制的一個重要參數(shù)，而入口4個張力輥和出口4個張力輥對帶材延伸率的控制至關(guān)重要。正常生產(chǎn)中，為保證控制精度，以延伸率閉環(huán)方式生產(chǎn)的時間居多，因此我們對延伸率閉環(huán)控制的情況加以詳述。當機列整體投入正常生產(chǎn)運行后，出口1號張力輥是整個機列的運行速度標準，它始終為速度控制方式，在控制程序中其線速度給定就是整個機列的線速度給定。入口4號張力輥選用的是與出口1號張力輥同等功率的電機，它與出口1號張力輥分別分布在矯直單元的入口側(cè)和出口側(cè)，通過向機列運行的反方向輸出轉(zhuǎn)矩而使帶材產(chǎn)生張力，也正是它與出口1號張力輥配合著共同作用來對帶材的延伸率進行控制調(diào)整。根據(jù)機列的整體控制方式，入口4號張力輥電機分為速度控制方式和窗口控制方式(ABB的ACS880驅(qū)動器特有的窗口控制方式，可保證電機實際速度在給定值所允許的偏差范圍內(nèi)進行轉(zhuǎn)矩控制)。在此，入口4號張力輥的線速度理論給定值V1可表示為：V1=V2/(1+ε)；式中，V2為出口1號張力輥線速度給定，及機組線速度設(shè)定值；ε為延伸率設(shè)定值。

傳動控制程序中有一個延伸率PID控制器，控制器的輸入值和比較值分別為上述延伸率設(shè)定值ε和由入口4號張力輥的實際線速度與出口1號張力輥的實際線速度計算出來的實際延伸率ε′，PID控制器的輸出為V2。若機列為速差控制方式，則入口4號張力輥為速度控制方式，在程序中其線速度給定值是由上述機列速度設(shè)定值和延伸率設(shè)定值推算出來的理論線速度給定值V1與延伸率PID控制器的輸出V2疊加而成的，即，V入4=V1+V2 。

若機列為張力控制方式則，入口4號張力輥為窗口控制方式，其速度給定值為上述的V1，而轉(zhuǎn)矩給定是由另一個以延伸率設(shè)定值和實際反饋值為輸入的PID控制器的輸出而來，在機列穩(wěn)態(tài)運行、帶材不打滑的情況下其相當于純轉(zhuǎn)矩控制方式。這樣，雖然控制方式有所不同，但總的原理都是在出口1號張力輥電機保證機列整體線速度的情況下，通過入口4號張力輥電機在一個以延伸率設(shè)定值和實際反饋值作為輸入的PID控制器的干預(yù)下對輸出轉(zhuǎn)矩的大小進行調(diào)整，最終保證帶材實際延伸率達到工藝要求設(shè)定值。

在延伸率開環(huán)的情況下，出口1號張力輥的控制方式不變，與上述完全相同。對于入口4號張力輥，其控制方式也不變化，只是在給定上都取消了PID控制器的調(diào)節(jié)作用，即在機列速差控制方式時，入口4號張力輥的速度給定為由機列速度設(shè)定值和延伸率設(shè)定值推算出來的V1，在機列張力控制方式時其速度給定為V1，轉(zhuǎn)矩給定為由入口總張力設(shè)定值經(jīng)過折算再根據(jù)輥徑計算出來的轉(zhuǎn)矩值。

對于入口1號、入口2號、入口3號張力輥均為窗口控制方式，它們幫助入口4號張力輥一起向機列運行的反方向輸出轉(zhuǎn)矩，以便在矯直機處形成較大的張力。同理對于出口2號、出口3號、出口4號張力輥也為窗口控制方式，其跟隨出口1號張力輥一起向機列運行方向輸出轉(zhuǎn)矩。

開卷機的控制為轉(zhuǎn)矩控制，在機列正常生產(chǎn)運行時，它起到向機列運行的反方向輸出轉(zhuǎn)矩建立開卷機張力的作用。對于開卷電機力矩的給定是由開卷張力設(shè)定值、開卷空補力矩、開卷動補力矩共同決定的。同理，卷取機的控制也為轉(zhuǎn)矩控制，它向機列的運行方向輸出轉(zhuǎn)矩，建立卷取張力，對于卷取電機力矩的給定也是由卷取張力設(shè)定值、卷取空補力矩、卷取動補力矩共同決定的。因此，在計算開卷、卷取電機力矩給定值的時候，一定要特別注意張力對應(yīng)力矩值、空補力矩、動補力矩的方向性(及在PLC程序中各部分力矩疊加值的正負符號，最終計算出總的力矩給定值通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)給入到ACS880傳動模塊)，如若錯誤，則必然導(dǎo)致給定力矩或疊加力矩的錯誤，從而導(dǎo)致實際產(chǎn)生的開卷張力、卷取張力不準確甚至無法繼續(xù)生產(chǎn)。

這套控制系統(tǒng)的優(yōu)點就在于傳動部分的實時性、同步性控制非常好。對于拉彎矯設(shè)備來說，其生產(chǎn)線較長，8個張力輥控制的一致性尤其重要，在穿帶和正常生產(chǎn)中的啟動、停止、升降速過程要保持一致的線速度曲線以避免拽料、堆料以及張力不穩(wěn)的問題發(fā)生。這套電氣系統(tǒng)的控制核心是西門子S7-1500控制器，其CPU內(nèi)集成了整個控制系統(tǒng)的運行程序，其中傳動程序被分配到單獨的OB塊中，連接著8個張力輥電機、開卷電機、卷取電機的ACS880交流多傳動模塊相當于執(zhí)行機構(gòu)，各傳動模塊的內(nèi)部參數(shù)結(jié)構(gòu)完全相同，在基本參數(shù)設(shè)置好后由S7-1500 PLC通過PROFINET通訊網(wǎng)絡(luò)進行實時控制輸出轉(zhuǎn)矩，以達到所需的轉(zhuǎn)速。在PLC程序中有一個統(tǒng)一的速度斜坡發(fā)生器，程序會根據(jù)人機界面上機列速度設(shè)定值和延伸率設(shè)定值，自動計算出機組啟動后帶材在矯直單元出口側(cè)和入口側(cè)的帶材線速度給定，對于出口4個張力輥以同一個線加速度值、張力輥輥徑值、傳動比分別實時計算出出口張力輥對應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速給定，并通過通訊實時傳送到各傳動模塊中。同理對于入口4個張力輥電機的控制也相同，這樣在設(shè)備不打滑的前提下8個張力輥可以同步實現(xiàn)升降速。由于卷取機的線加速度與出口張力輥應(yīng)保持一致，而出口張力輥的線加速度給定值可由上述速度斜坡發(fā)生器得出，因此很容易推出卷取機的動補力矩，將其疊加到卷取電機的轉(zhuǎn)矩給定中去即可。同理對于開卷電機的動補力矩給定計算也是這個原理。

3 其它輔助設(shè)備注意事項

除上述一系列重點傳動輥組的傳動電機由交流多傳動系統(tǒng)控制外，還有一些輔助設(shè)備，如擠干輥、托輥、刷輥、圓盤剪開度電機、廢邊卷取電機等，其傳動電機由ABB 單傳模塊ACS550/ACS580實現(xiàn)控制。尤其對于擠干輥和托輥，當機組正常運行時，其采用速度給定轉(zhuǎn)矩限幅的方式控制實現(xiàn)與整條機列的隨動運行，以避免輥子的線速度與帶材速度不匹配產(chǎn)生打滑從而對帶材表面產(chǎn)生不利影響。對于機列PLC這部分，要使各液動、氣動部分正常工作，并做好相應(yīng)的控制連鎖程序；還有相對獨立的水循環(huán)控制系統(tǒng)和板式過濾機的程序也要做好手動、自動程序。