張景然

（東芝三菱電機(jī)工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司，北京 100010）

1 前 言

連續(xù)冷軋生產(chǎn)線中的一個(gè)基本要求是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的連續(xù)運(yùn)行［1］，在冷軋生產(chǎn)線中，立式活套塔以其占地空間小、存儲套量大、控制精度高等優(yōu)勢越來越得到廣泛應(yīng)用?；钐姿话阄挥趦蓚€(gè)工藝段之間，在活套塔中設(shè)置有張力計(jì)、糾偏輥，以及運(yùn)送帶鋼的底輥等輔助設(shè)備。本文以位于清洗段和中間退火段之間的入口活套為例，詳細(xì)闡述了活套的自動(dòng)化控制理論。

2 入口活套簡介

2.1 概 述

該連續(xù)退火機(jī)組由德國西馬克公司提供并生產(chǎn)組裝，電氣控制則由日本TMEIC公司設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備均達(dá)到世界領(lǐng)先水平。該機(jī)組入口活套采用立式活套結(jié)構(gòu)，增加了活套儲套量以及減少活套小車的運(yùn)行慣量，整體活套由2臺活套小車組成，每臺小車有單獨(dú)的卷揚(yáng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由TMEIC提供的TM-10e2變頻器控制，采用矢量閉環(huán)控制，最大限度的達(dá)到控制精度，保證電機(jī)對外部擾動(dòng)的響應(yīng)速度和精度。一級控制系統(tǒng)由TMEIC 公司的NV 系列PLC組成，對卷揚(yáng)電機(jī)的控制采用TMEIC公司先進(jìn)的控制算法，保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)的輸出和快速的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了前后工藝段的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)確保生產(chǎn)線穩(wěn)態(tài)和靜態(tài)時(shí)張力的穩(wěn)定和速度的匹配。

2.2 設(shè)備布置

入口活套布置如圖1所示。

圖1 入口活套布置

活套入口為2#張力輥，為入口區(qū)域的速度主令輥，出口為3#張力輥，用于控制加熱爐入口張力帶鋼張力的穩(wěn)定。沿著入口帶鋼方向，活套設(shè)置了2臺獨(dú)立的小車，每臺小車由1臺260 kW交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每臺電機(jī)分別裝有編碼器用于小車的閉環(huán)控制，達(dá)到快速穩(wěn)定的響應(yīng)，每臺小車裝有激光測距裝置用于標(biāo)定小車的實(shí)際位置。每臺小車分別設(shè)有上層輔助輥10 根，下層輔助輥8 根，其中4 根為電機(jī)驅(qū)動(dòng)輥用于減少帶鋼在運(yùn)行過程中的張力損失。為了防止帶鋼跑偏，小車入口和出口，以及兩臺小車中間，各自小車中間分別設(shè)有糾偏裝置（CPC），同時(shí)在活套小車前后分別設(shè)有張力計(jì)，用于直接測量帶鋼張力的實(shí)際值。

3 活套的控制方法

3.1 活套的位置控制

首先活套控制的第一目的是為了更多地存儲帶鋼，這樣活套的位置控制尤為重要。同時(shí)要保證活套的兩個(gè)小車的位置同步變化，每臺活套小車均配有激光測距儀，用來測量小車的實(shí)際位置。活套的位置控制是一個(gè)反饋控制，通過測得的距離，得出它們的位置偏差，乘以一個(gè)調(diào)節(jié)系數(shù)計(jì)算出附加速度ΔV，在活套機(jī)組充放套過程中，1#活套小車主令速度疊加上ΔV，而2#小車需要減去ΔV，兩個(gè)活套小車實(shí)現(xiàn)位置同步。此外，在HMI畫面中人為地設(shè)定一個(gè)同步位置和差值速度，當(dāng)活套小車的位置小于設(shè)定的同步位置時(shí)，入口速度提高至中間工藝段速度加上差值速度，直到活套位置達(dá)到同步位置為止。當(dāng)活套小車的位置大于同步位置時(shí)，入口速度降為穿帶速度，直到活套位置達(dá)到同步為止。

3.2 活套的張力控制

在冷軋連退生產(chǎn)線中，張力至關(guān)重要［2］。如果張力過小，則帶鋼松弛，造成帶鋼和輥表面不能緊緊貼合，造成表面劃傷，同時(shí)也會造成全線的跟蹤錯(cuò)誤，形成大的生產(chǎn)事故。張力過大則容易將帶鋼拉壞，甚至造成斷帶，尤其是薄料生產(chǎn)過程中，張力的控制要求更加嚴(yán)格和精準(zhǔn)。

在本案中入口活套張力控制是采用直接張力控制，即在活套出入口分別設(shè)有張力計(jì)用來測量張力的實(shí)際值，通過和設(shè)定值的比較得出張力的偏差，在一級控制系統(tǒng)中通過PID控制計(jì)算出的信號加上根據(jù)位置反饋得出的帶鋼重量補(bǔ)償、小車的重量補(bǔ)償來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出即電流輸出。

根據(jù)控制系統(tǒng)圖得知系統(tǒng)的外環(huán)為張力環(huán)，通過張力計(jì)TM1、TM2 實(shí)現(xiàn)張力控制，活套的張力給定值經(jīng)過轉(zhuǎn)換，加上帶鋼重量補(bǔ)償和小車的重量補(bǔ)償后，作為活套小車的電機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值輸入到變頻器，通過張力計(jì)TM1、TM2得到張力反饋，計(jì)算出張力偏差ΔT后，通過變頻器的張力環(huán)ATR 轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩修正值，作為轉(zhuǎn)矩限幅值的一部分?；钐仔≤嚨碾姍C(jī)轉(zhuǎn)速由編碼器反饋計(jì)算得出，速度反饋通過傳動(dòng)的速度環(huán)ASPR 輸出作為轉(zhuǎn)矩限幅加在轉(zhuǎn)矩環(huán)ATR上。在活套轉(zhuǎn)矩控制中，增加了現(xiàn)場利用張力計(jì)直接測出的實(shí)際張力，并作為活套的轉(zhuǎn)矩限幅，大大地增加了活套對于張力波動(dòng)響應(yīng)的快速性。

3.3 活套的力矩補(bǔ)償

活套機(jī)組在運(yùn)行過程中，會伴隨著各種損耗，因?yàn)樾枰獙ζ溥M(jìn)行補(bǔ)償。其中力矩補(bǔ)償即張力補(bǔ)償尤為重要，張力補(bǔ)償反映在傳動(dòng)側(cè)，即為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，反饋在PLC側(cè)為電機(jī)的電流。在TMEIC的控制系統(tǒng)中，主要的張力補(bǔ)償包括機(jī)械損耗補(bǔ)償電流、慣量補(bǔ)償電流和重量補(bǔ)償電流。

3.3.1 活套的機(jī)械損耗補(bǔ)償電流

機(jī)械損耗補(bǔ)償電流與卷揚(yáng)小車的轉(zhuǎn)動(dòng)速度有關(guān)，與加減速無關(guān)。在現(xiàn)場調(diào)試時(shí)通過單體調(diào)試測出，在空載狀態(tài)下，將小車提升，速度由0%按照5%，10%，20%，50%，100%速度分布設(shè)定，測得每種速度下的電機(jī)電流，在PLC程序中通過二維表的方式寫入到小車的轉(zhuǎn)矩給定補(bǔ)償中。

3.3.2 活套的慣量補(bǔ)償電流

慣量補(bǔ)償電流和卷揚(yáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和加速度有關(guān)，慣量補(bǔ)償電流也可以通過單體調(diào)試時(shí)測出，在空載狀態(tài)下，將小車提升，速度首先提升至50%，在提升至100%記錄這個(gè)過程中的電流變化曲線和速度曲線，并做出階躍響應(yīng)，通過對斜率和電流的分析可以得出慣量補(bǔ)償電流，直接在TMEIC傳動(dòng)中修正即可。

3.3.3 活套的重量補(bǔ)償電流

入口立式活套是垂直運(yùn)動(dòng)的，當(dāng)小車高度越來越高時(shí)，活套內(nèi)的帶鋼套量逐漸增加［3］，帶鋼重量Gstrip對活套小車的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償就顯得尤為重要，同時(shí)要考慮小車自身重量所帶來的張力損失。由于入口立式活套配有配重塊來減輕小車的重量，配重塊的重量GCW 相比小車的重量Gcar 要小10%左右，所以活套小車作用于張力補(bǔ)償?shù)闹亓繎?yīng)該為小車的重量減去配重塊的重量ΔG由生產(chǎn)機(jī)械決定為固定值。所以活套的重量補(bǔ)償值G為：

式中：ρ為帶鋼的密度，7 850 kg/m3；L為帶鋼的長度，由小車的實(shí)際位置決定；W為帶鋼的寬度，由生產(chǎn)實(shí)際確定；kg為重力加速度9.8 N/kg。對于電機(jī)而言，張力和電流成正比，很容易得出電機(jī)的電流補(bǔ)償值。

4 入口立式活套存在的問題

雖然項(xiàng)目中對入口活套的控制經(jīng)過調(diào)試后，達(dá)到了很高的控制指標(biāo)，基本能滿足生產(chǎn)需求，但仍存在一些不足和問題：

1）活套車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、摩擦損耗等補(bǔ)償值大多是在初期調(diào)試時(shí)采用采樣的方式獲得，在后續(xù)的生產(chǎn)中，由于機(jī)組的長期運(yùn)行，工況改變，這些補(bǔ)償值會發(fā)生變化，需要用戶重新測量。

2）立式活套的控制是張力和速度的耦合控制，需要對其進(jìn)行解耦，同時(shí)工藝人員要根據(jù)不同的鋼種規(guī)格，來總結(jié)與之匹配的張力設(shè)定值，尤其在充放套階段的控制更加困難，需要不斷地總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來達(dá)到更好的控制效果。

5 結(jié) 語

該連續(xù)退火生產(chǎn)線入口活套機(jī)械上采用立式結(jié)構(gòu)，電氣控制采用日本TMEIC 公司的位置控制，張力控制等先進(jìn)算法以及精確的張力補(bǔ)償，位置精度達(dá)到0.01%，動(dòng)態(tài)過程中的張力波動(dòng)能達(dá)到8%以內(nèi)，滿足了高精品板材對張力的要求，保證了高速穩(wěn)定的生產(chǎn)需求，為其他連續(xù)退火生產(chǎn)線和酸軋生產(chǎn)線等多條項(xiàng)目提供了的經(jīng)驗(yàn)。