周吉祥 龍海峰

摘要： 冷連軋活套張力控制的動(dòng)靜態(tài)精度對(duì)于穩(wěn)定軋制過程至關(guān)重要。在結(jié)合活套張力控制原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出1 450 mm 冷連軋機(jī)活套電氣控制系統(tǒng)， 詳細(xì)介紹了活套張力控制系統(tǒng)的控制原理及實(shí)現(xiàn)方案， 對(duì)慣性力矩、彎曲力矩和摩擦力矩進(jìn)行補(bǔ)償， 隨后分析活套的運(yùn)行情況。實(shí)踐證明此活套控制系統(tǒng)具有較好的控制效果， 滿足生產(chǎn)工藝的要求。

關(guān)鍵詞：冷連軋機(jī);活套;恒張力控制;S120交流傳動(dòng)裝置

1、概述

在冷軋帶鋼控制系統(tǒng)中，為保證產(chǎn)品質(zhì)量和工藝過程穩(wěn)定，無論是冷連軋機(jī)還是可逆冷軋機(jī)均需要穩(wěn)定的張力控制。按照不同的工藝要求：較典型的張力控制方法有間接張力控制和直接張力控制，間接張力控制常用于開卷、卷取、活套的控制;直接張力控制則用于精度較高的張力控制系統(tǒng)，冷連軋生產(chǎn)中常用于機(jī)架間的張力控制。文中所設(shè)計(jì)的1450mm 6輥5機(jī)架酸連軋機(jī)組已于2019年初正式投產(chǎn)， 其活套控制系統(tǒng)采用間接張力控制。在活套的控制系統(tǒng)中，活套不僅需在同步運(yùn)行時(shí)保持張力恒定，且要求系統(tǒng)能準(zhǔn)確地在加減速過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)力矩補(bǔ)償，并根據(jù)活套車的位置對(duì)張力給定進(jìn)行修正。

2、入口水平活套

2.1設(shè)備組成

入口活套為水平活套， 活套系統(tǒng)由活套車、活套車驅(qū)動(dòng)裝置、活套門、底部帶鋼支承輥、換輥小車和鋼繩緩沖裝置組成。

活套車上設(shè)有帶鋼轉(zhuǎn)向輥、滑輪組及帶鋼支承輥和車輪，活套車的一側(cè)設(shè)有水平滾輪，通過偏心輪來調(diào)整滾輪的開口度?；钐总嚿蠋в谢塾靡钥刂苹钐组T的關(guān)閉?；钐总囓圀w為焊接鋼結(jié)構(gòu)框架。

活套車驅(qū)動(dòng)裝置由電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，并保證活套車時(shí)刻處于可控狀態(tài)。當(dāng)活套車運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)在活套車上的滑槽引導(dǎo)與活套門關(guān)聯(lián)的連桿機(jī)構(gòu)開始轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)活套門開閉。

活套門用于支撐存儲(chǔ)的帶鋼，安裝在活套車行進(jìn)方向的兩邊，通過連桿機(jī)構(gòu)由活套車驅(qū)動(dòng)來完成開閉擺動(dòng)。

底部帶鋼支承輥用來支持底部存儲(chǔ)帶鋼的運(yùn)行。

2.2設(shè)備性能

酸洗入口活套由3臺(tái)電機(jī)組成，電機(jī)參數(shù)如下：

其交流傳動(dòng)采用西門子公司交流傳動(dòng)裝置，型號(hào)為：S120系列?；钐變?chǔ)存帶鋼能力為640m，活套小車有效行程為160m， 帶鋼條數(shù)為4 條， 小車輥?zhàn)訑?shù)量為2。

2.3活套控制系統(tǒng)組成及功能

活套控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)監(jiān)控、PLC過程控制以及ANSALDO傳動(dòng)系統(tǒng)3個(gè)部分組成?；钐卓刂茀?shù)由操作人員在上位機(jī)上輸入，HMI顯示活套充、放套速度，活套張力，活套儲(chǔ)量以及傳動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，故障報(bào)警顯示等。PLC控制由SiemensS7400系列可編程控制器組成，從站使用SiemensET200。主站與從站間通訊方式為Profibus DP。

SPDM直流調(diào)速系統(tǒng)與可編程控制器通過Profibus DP直接通訊，PLC中進(jìn)行速度、張力給定信號(hào)的處理，并在程序中進(jìn)行加減速過程中的動(dòng)態(tài)慣量、帶鋼彎曲力矩、摩擦力矩和套量計(jì)算及活套車位置控制。

活套入口操作臺(tái)將指令傳送至ENPLC程序段，ENPLC程序段進(jìn)行信號(hào)處理通過Profibus DP總線與EnM AST程序段進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，MAST為軋機(jī)段主令給定程序，根據(jù)工藝需要與入口段主令控制交互數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)入口段與軋機(jī)段的速度，PLC_DR為入口段傳動(dòng)合閘邏輯，活套主令由EnM AST直接控制，EnM AST與傳動(dòng)通過Profibus DP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3、入口段充放套的實(shí)現(xiàn)

3.1、1#張力輥設(shè)備結(jié)構(gòu)及性能

1#張力輥主要由機(jī)架、4個(gè)輥?zhàn)印?個(gè)壓輥、傳動(dòng)裝置和壓輥擺動(dòng)裝置組成。其中1、2、4#輥?zhàn)佑呻姍C(jī)通過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，3#輥?zhàn)訛槎栎仭ｋ姍C(jī)與減速機(jī)之間，減速機(jī)與輥?zhàn)觽鲃?dòng)軸之間安裝有聯(lián)軸器。

3.2、充放套實(shí)現(xiàn)過程分析

活套車同步運(yùn)行時(shí)，1#出口張力輥的線速度與軋機(jī)入口的鋼帶的線速度相同，即活套入口鋼帶的運(yùn)行速度與活套出口鋼帶的速度相同，活套車處在相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài);當(dāng)帶頭帶尾焊接完成后，機(jī)組入口段開始升速，帶鋼以高于軋機(jī)入口的速度經(jīng)過1#張力輥和1#立式糾偏進(jìn)入活套，此時(shí)，活套的充料速度大于活套內(nèi)出料的速度，活套內(nèi)的帶鋼張力變小，為保證活套內(nèi)帶鋼張力恒定，活套車在鋼絲繩的牽引下向卷揚(yáng)機(jī)方向運(yùn)行，繃緊帶鋼;當(dāng)切除帶頭帶尾焊接時(shí)，1#張力輥停止工作，壓輥壓下，活套開始放套，由于帶鋼一端固定，另一端連續(xù)運(yùn)行帶動(dòng)活套車向軋機(jī)方向運(yùn)行，保持張力恒定，實(shí)現(xiàn)活套放套。

4、活套張力控制原理及實(shí)現(xiàn)方案

4.1活套張力控制原理

在活套張力控制系統(tǒng)中，活套電機(jī)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算是該控制環(huán)節(jié)的關(guān)鍵?；钐纂姍C(jī)轉(zhuǎn)矩由活套張力力矩、慣性力矩、帶鋼彎曲力矩和摩擦力矩等部分組成。由于活套卷揚(yáng)機(jī)卷筒為一固定卷徑值，所以卷徑計(jì)算環(huán)節(jié)便可省略，直接代入卷筒直徑D。根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩公式，可以計(jì)算出活套電機(jī)電樞電流給定值為

式中：TM為活套電機(jī)轉(zhuǎn)矩;TF為張力力矩;TI為慣性力矩;TB為帶鋼彎曲力矩;TH為摩擦力矩;△TF為張力力矩修正值，N·m;CT為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù);為電動(dòng)機(jī)磁通?；钐纂姍C(jī)轉(zhuǎn)矩給定值，送至活套電機(jī)全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)SPDM，并通過活套調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，控制電機(jī)的負(fù)載電流，在活套正常工作中，速度調(diào)節(jié)器飽和使電機(jī)處于轉(zhuǎn)矩控制狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)活套的張力控制。

4.1.1速度給定

速度給定來自程序中的運(yùn)算，并在SPDM中的輔助功能的速度調(diào)節(jié)器前加一附加速度給定目的是確保建張后速度環(huán)一直處于飽和狀態(tài)，由可編程控制器中運(yùn)算出的張力給定信號(hào)控制電流限幅，從而輸出對(duì)應(yīng)的張力轉(zhuǎn)矩。點(diǎn)動(dòng)時(shí)，速度給定為一定值，點(diǎn)動(dòng)包括正點(diǎn)動(dòng)與反點(diǎn)動(dòng)，當(dāng)點(diǎn)動(dòng)旋鈕至中位時(shí)點(diǎn)動(dòng)停止，制動(dòng)器斷電制動(dòng)。

4.1.2轉(zhuǎn)矩給定

1）張力力矩在活套中的作用。使帶鋼承受一定張力，繃緊支撐架間的帶鋼，防止帶鋼跑偏和搭落以致刮壞帶鋼。活套張力設(shè)定值取決于HMI給定的單位張力、帶鋼寬度與厚度，張力力矩計(jì)算公式如下：

TF=T×6

式中：T為單條帶鋼張力折算到電機(jī)的力矩，N·m;F0為活套單位張力，N/mm2;W為帶鋼寬度，mm;H為帶鋼厚度，mm;D為卷揚(yáng)機(jī)卷筒直徑，mm。

2）慣性力矩。充放套過程中，由于活套內(nèi)帶鋼速度的變化需考慮卷揚(yáng)機(jī)自身套筒的慣性力矩。卷筒的直徑固定不變D=D0。計(jì)算公式如下：

可推出

式中：Jo為卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3）帶鋼彎曲力矩。帶鋼彎曲力矩占電機(jī)轉(zhuǎn)矩的一定比重，它與帶鋼厚度的二次方、帶鋼寬度、帶鋼屈服強(qiáng)度成正比，帶鋼屈服強(qiáng)度與鋼種、帶鋼材質(zhì)有關(guān)。帶鋼彎曲力矩可由以下公式得出：

每層帶鋼彎曲力矩折合到卷筒的力矩為

可推導(dǎo)出：

TB=6TBB/j

式中：TB為帶鋼彎曲力矩，N·m;TBB為單層帶鋼彎曲力矩，N·m;d1，d2，d3為每層帶鋼轉(zhuǎn)向輥直徑，mm;y為帶鋼屈服強(qiáng)度，N/mm2;H為帶鋼厚度，mm;W為帶鋼寬度，mm。

4）摩擦力矩。該力矩是用于修正活套電機(jī)到卷筒之間的機(jī)械損耗，摩擦力矩是和速度相關(guān)的。一般摩擦力矩補(bǔ)償可視為常量，補(bǔ)償量為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的2%以下。

4.2恒張力實(shí)現(xiàn)方案

卷揚(yáng)機(jī)由一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，安裝在卷揚(yáng)機(jī)的傳動(dòng)側(cè)。電機(jī)的正方向?yàn)槔o鋼絲繩的方向。主電機(jī)工作時(shí)為張力控制方式，電流上限幅通過程序計(jì)算經(jīng)Profibus控制，此時(shí)需考慮各力矩環(huán)節(jié);活套電機(jī)的勵(lì)磁控制器接收全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)SPDM的勵(lì)磁電流給定，勵(lì)磁控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的輸出。電流調(diào)節(jié)器的電流限幅給定。至于SPDM工作于何種控制模式，由內(nèi)部軟件自動(dòng)切換?；钐c(diǎn)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，處于速度控制模式;活套建張運(yùn)行時(shí)，處于張力控制模式。