劉鵬飛

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471000)

隨著鋁加工行業(yè)的發(fā)展，客戶對鋁帶板型、成品率和設(shè)備效率的要求越來越高。2017年我公司為某鋁加工廠新設(shè)計一條拉彎矯直生產(chǎn)線，主要針對1xxx系、3xxx系、5xxx系、8xxx系等純鋁及鋁合金進行拉伸矯直，設(shè)計滿足工藝要求為來料厚度0.1mm～1.0mm、來料寬度700mm～1500mm的板材，機組設(shè)計最高速度500m/min。目前這條生產(chǎn)線處于正常生產(chǎn)階段，薄料正常生產(chǎn)速度為450m/min，穩(wěn)態(tài)延伸率控制精度±0.005%，升降速延伸率控制精度達到±0.05%，成品率95%以上，矯直板型良好。

1 電氣配置特點

拉彎矯直控制系統(tǒng)主要包含傳動控制系統(tǒng)、機列控制系統(tǒng)和人機操作界面(HMI)等子系統(tǒng)。系統(tǒng)配置如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)配置Fig.1 System configuration

整個機組在線傳動電機均選用交流變頻電機，控制系統(tǒng)采用西門子SINAMICS S120系列產(chǎn)品，矢量控制方式，傳動控制精度0.001rmp，滿足控制精度和動態(tài)性能。針對拉彎矯直設(shè)備特點，采用公共直流母線技術(shù)，這種系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，直流母線可進行能量交換，將運行在發(fā)電狀態(tài)的電機回饋的能量，在母線上直接供給電動狀態(tài)消耗能量的電機。處于發(fā)電狀態(tài)的開卷機、入口張力輥電機產(chǎn)生的能量，反饋回直流母線，供處于電動狀態(tài)的卷取機、出口張力輥電機使用，節(jié)省能源的優(yōu)勢，對于本生產(chǎn)線尤為突出。

PLC控制系統(tǒng)采用西門子S7-400產(chǎn)品，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，主要實現(xiàn)機組傳動功能控制和機列輔助功能控制。傳動功能主要包含，速度控制、張力控制、延伸率控制、力矩控制、各張力輥間的速度協(xié)調(diào)、動態(tài)補償、卷徑計算等功能。機列輔助功能主要包含輔助泵站控制、操作和連鎖控制等功能。

2 拉彎矯直控制原理

延伸率控制是拉彎矯直設(shè)備中最重要的控制與顯示參數(shù)，它直接影響設(shè)備穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。延伸率定義為，在單位時間內(nèi)，通過出口張力輥的帶材長度減去通過入口張力輥帶材長度的差值除以通過入口張力輥的帶材長度。單位時間相同，則帶材實時延伸率ε可以定義為：ε=(V2-V1)/V1×100%；式中，V2為出口張力輥組線速度，V1為入口張力輥組線速度為。

延伸率ε是一個間接計算值而不是一個直接的測量值，入口4號、出口1號張力輥實時轉(zhuǎn)速可以通過傳動裝置S120讀出，張力輥的輥徑固定，按照V=π×D(輥徑)× N(轉(zhuǎn)速)公式，可以很容易的計算出實時延伸率。延伸率閉環(huán)是根據(jù)設(shè)定的延伸率，調(diào)節(jié)入口4號張力輥交流電機的速度來完成的。對于不同材料硬度、不同厚度及寬度，其屈服強度必然不同，克服同樣的延伸率偏差所需的力也不同，反映到電氣系統(tǒng)即所需電機出力大小不同。所以對于高速運行的拉彎矯直機如何利用PID算法對延伸率進行閉環(huán)控制，使得控制系統(tǒng)能夠快速、穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，是研究的關(guān)鍵。

3 控制方法的改進

目前拉彎矯直延伸率的控制，采用一個PID控制，沒有單獨整定升降速、低速時的PID參數(shù)，根據(jù)延伸率差值調(diào)節(jié)入口4號張力輥的速度，實現(xiàn)延伸率閉環(huán)控制。該控制方法的突出問題是延伸率穩(wěn)定時間長，升降速時延伸率控制精度差。

如果拉彎矯設(shè)備高速生產(chǎn)時，升降速延伸率精度不能保證，那么速度越快，廢品率就越多，高速生產(chǎn)的意義也就沒有了。按照設(shè)計的加速度0.35m/s2計算，由零速到最高速500m/min，大概需要24s，根據(jù)公式S=V0t+1/2at2計算，升速的廢品長度為100m，這樣的廢品率是不能夠接受的。

3.1 預(yù)張力控制模式

傳統(tǒng)拉彎矯控制方式有兩種，一種是延伸率控制，另外一種是張力控制。(1)延伸率控制。因為張力輥有高精度的編碼器配置，所以能夠?qū)崿F(xiàn)延伸率閉環(huán)控制，延伸率控制針對不同合金的材料，更易于調(diào)整拉伸力，方便操作手操作；但是延伸率的控制是通過調(diào)節(jié)入口4號張力輥的速度，速度調(diào)節(jié)值經(jīng)過力矩調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器，最終控制延伸率，所以延伸率控制有滯后的慣性環(huán)節(jié)，升速時延伸率達到目標值會慢一些，尤其是厚料和硬合金，問題尤為突出。(2)張力方式。這種方法跳過速度調(diào)節(jié)這一環(huán)節(jié)，直接力矩給定，升速時張力達到目標值更快一些，但是由于受成本控制，沒有張力計不能實現(xiàn)閉環(huán)控制，控制精度差。

結(jié)合兩種控制方式的特點，我們提出了預(yù)張力的控制模式。在從零速到目標速度的升速階段，入口張力輥采用力矩控制，讓張力輥的力矩很快達到目標值后，改入口4號張力輥為速度控制，實現(xiàn)延伸率的閉環(huán)控制。在機列高速運行中，實驗證明力矩控制和速度控制直接切換時，會有輕微力矩突變的現(xiàn)象，控制方式的直接切換不能采用。讓入口張力輥在升速初期速度飽和，力矩限幅方式，即可很容易的間接實現(xiàn)力矩控制，在力矩達到目標值后，逐漸放大限幅值，實現(xiàn)延伸率閉環(huán)穩(wěn)定控制。

采用簡單PID速度調(diào)節(jié)入口張力輥的速度，延伸率的穩(wěn)定時間約為20s，采用預(yù)張力控制后，延伸率穩(wěn)定時間約為10s。投入預(yù)張力控制下的數(shù)據(jù)采集如圖2所示，圖中曲線一是實際延伸率(藍色曲線)和設(shè)定延伸率0.4%(紅色曲線)；曲線二是出口-張力輥速度(機列線速度)。

因為生產(chǎn)工藝要求，先低速運行，如果板型良好再高速生產(chǎn)，圖2中延伸率在速度穩(wěn)定在13m/min 后10s即達到了實際延伸率給定值，在加速階段延伸率的誤差也很小，基本保證帶材的板型。按照此工藝生產(chǎn)廢料長度小于4m，大大縮減了升速階段的廢料長度。

在升速階段延伸率能很快達到預(yù)設(shè)值，預(yù)張力值的計算是關(guān)鍵。預(yù)張力值不僅不能太大也不能太小，太大會把帶材拉的過量變形以致拉斷，太小達不到迅速達到目標延伸率的效果。

圖2 預(yù)張力控制下的數(shù)據(jù)采集Fig.2 Data acquisition under pre-tension control

鋁材在受到外力作用下，會發(fā)生彈性變形，遵循胡克定律，外力消除，材料會恢復(fù)到原來的尺寸和形狀；外力持續(xù)增大，到一定數(shù)值之后，材料會進入塑性變形，鋁材一旦進入塑性變形，當外力消除后，鋁材尺寸和形狀不可恢復(fù)。這個造成兩種變形的臨界點的強度，就是材料的屈服強度，我們可以按照鋁材的屈服強度計算入口4號張力輥預(yù)張力的大小。計算公式為，T=σ0.2×W×Th×K×0.533；式中，T為預(yù)張力；σ0.2為合金鋁材屈服強度；W為帶材寬度；Th為帶材厚度；K為系數(shù)。

根據(jù)公式計算的預(yù)張力只是初設(shè)值，由于帶材板型不同以及是否投入矯直單元等各種情況的影響，達到目標延伸率的拉伸張力的大小和預(yù)張力的初設(shè)值有很大差別?？梢愿鶕?jù)設(shè)定延伸率和實際延伸率的差值大小，調(diào)整預(yù)張力的大小，使實際延伸率逐漸逼近設(shè)定延伸率，最終達到設(shè)定的預(yù)張力滿足實際拉伸力的目的。

3.2 PID分級控制

拉彎矯直機的延伸率控制主要是采用PID控制，根據(jù)PID控制的特點，結(jié)合設(shè)備使用要求，要想實現(xiàn)高速、快響應(yīng)、低廢品率穩(wěn)定生產(chǎn)，必須對PID控制參數(shù)分級整定。

(1)在整個生產(chǎn)周期中，必然會有升速、恒速和降速階段，在升速和降速階段，因為機械摩擦和轉(zhuǎn)動慣量等客觀因素，所以必須對開卷機、卷取機和張力輥進行補償控制，延伸率是0.005%控制精度，而動態(tài)補償是估算值，機列在升降速時，延伸率誤差都較大，為了彌補動態(tài)補償?shù)恼`差，需要在升降速時分別對張力輥進行動態(tài)補償并獨立整定PID參數(shù)，實現(xiàn)控制延伸率有較高的響應(yīng)速度(圖3)。圖中曲線一是出口一張力輥的速度(機列速度)，曲線二延伸率的給定值(紅色值)和實際值(藍色值)。PID重新整定后加減速階段實際延伸率控制誤差小于0.05%。

圖3Fig.3

(2)該臺拉彎矯直機的來料多是冷軋料，因為冷軋機是老舊設(shè)備，所以帶材表面經(jīng)常會帶有污濁物。工藝生產(chǎn)需要在升速前，以15m/min左右的速度檢查矯直后的帶材板型和查看帶材表面質(zhì)量并處理帶材表面上的污濁物。15m/min的線速度轉(zhuǎn)換交流電機的頻率低于3Hz，受交流電機特性的限制，低于3Hz時速度精準控制有很大難度。為了減少電機速度波動對延伸率的影響，加大入口4號張力輥和出口1號張力輥編碼器速度反饋的濾波時間，并且重新整定PID參數(shù)，減小比例值加大積分值，基本實現(xiàn)低速下的延伸率較精準控制(圖4)。圖中，曲線一是出口1號張力輥的速度(機列速度)16m/min，曲線二延伸率的給定(藍色值0.3%)和實際值(紅色)。給定延伸率0.3%，實際延伸率最小值0.271%，最大值0.326%，延伸率誤差值小于±0.03%，低速下的矯直板型良好，滿足低速生產(chǎn)要求。

圖4Fig.4

(3)PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)快速穩(wěn)定的跟隨設(shè)定值，要根據(jù)檢測的實際值來反復(fù)調(diào)節(jié)PID參數(shù)。通過PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)入口張力輥的速度來保證延伸率的穩(wěn)定，對于不同的材料，硬度不同、厚度及寬度的不同，其帶材的屈服強度必然不同，反映到電氣設(shè)備上即所需電機出力大小不同，即不同的來料，系統(tǒng)的響應(yīng)速度不同。所以為了快速消除設(shè)定延伸率和實際延伸率的差值Δε，且穩(wěn)定延伸率的控制精度為±0.01%，只依靠PID控制已不能滿足控制精度要求。根據(jù)Δε差值大小設(shè)定4個范圍，分別限幅PID輸出值ΔV的大小，來提高實時延伸率的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

通過做精做優(yōu)做細各個技術(shù)環(huán)節(jié)，使該拉彎矯設(shè)備在升降速時延伸率的響應(yīng)時間由原來的約20s，降到10s以下；升降速時控制精度由原來的±0.2%，提高到±0.05%，較原來的控制精度有了很大提高。穩(wěn)態(tài)延伸率控制精度±0.005%，升降速延伸率控制精度達到±0.05%，延伸率的控制精度較之前的控制方式有了大幅提高；成品率由原來的約85%，提高到95%，各項指標已達到同類型設(shè)備國內(nèi)領(lǐng)先水平。該設(shè)備不僅是國內(nèi)速度最高的拉彎矯設(shè)備，而且延伸率的控制精度也代表了國產(chǎn)拉彎矯設(shè)備控制的最高水平。目前該設(shè)備已穩(wěn)定運行3年，年生產(chǎn)料卷近9萬t。