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(duì)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(jì)一條拉彎矯直生產(chǎn)線，主要針對(duì)1xxx系、3xxx系、5xxx系、8xxx系等純鋁及鋁合金進(jìn)行拉伸矯直，設(shè)計(jì)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(jī)組設(shè)計(jì)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(dá)到±0.05%，成品率95%以上，矯直板型良好。

1 電氣配置特點(diǎn)

拉彎矯直控制系統(tǒng)主要包含傳動(dòng)控制系統(tǒng)、機(jī)列控制系統(tǒng)和人機(jī)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(gè)機(jī)組在線傳動(dòng)電機(jī)均選用交流變頻電機(jī)，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(dòng)控制精度0.001rmp，滿足控制精度和動(dòng)態(tài)性能。針對(duì)拉彎矯直設(shè)備特點(diǎn)，采用公共直流母線技術(shù)，這種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于，直流母線可進(jìn)行能量交換，將運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)的電機(jī)回饋的能量，在母線上直接供給電動(dòng)狀態(tài)消耗能量的電機(jī)。處于發(fā)電狀態(tài)的開卷機(jī)、入口張力輥電機(jī)產(chǎn)生的能量，反饋回直流母線，供處于電動(dòng)狀態(tài)的卷取機(jī)、出口張力輥電機(jī)使用，節(jié)省能源的優(yōu)勢(shì)，對(duì)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)組傳動(dòng)功能控制和機(jī)列輔助功能控制。傳動(dòng)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償、卷徑計(jì)算等功能。機(jī)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(shí)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(shí)間相同，則帶材實(shí)時(shí)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(gè)間接計(jì)算值而不是一個(gè)直接的測(cè)量值，入口4號(hào)、出口1號(hào)張力輥實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速可以通過傳動(dòng)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(jì)算出實(shí)時(shí)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(hào)張力輥交流電機(jī)的速度來完成的。對(duì)于不同材料硬度、不同厚度及寬度，其屈服強(qiáng)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(jī)出力大小不同。所以對(duì)于高速運(yùn)行的拉彎矯直機(jī)如何利用PID算法對(duì)延伸率進(jìn)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(jìn)

目前拉彎矯直延伸率的控制，采用一個(gè)PID控制，沒有單獨(dú)整定升降速、低速時(shí)的PID參數(shù)，根據(jù)延伸率差值調(diào)節(jié)入口4號(hào)張力輥的速度，實(shí)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(shí)間長，升降速時(shí)延伸率控制精度差。

如果拉彎矯設(shè)備高速生產(chǎn)時(shí)，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(jì)的加速度0.35m/s2計(jì)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(jì)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?yàn)閺埩佊懈呔鹊木幋a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(duì)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(hào)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(shí)延伸率達(dá)到目標(biāo)值會(huì)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(shí)張力達(dá)到目標(biāo)值更快一些，但是由于受成本控制，沒有張力計(jì)不能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，控制精度差。

結(jié)合兩種控制方式的特點(diǎn)，我們提出了預(yù)張力的控制模式。在從零速到目標(biāo)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(dá)到目標(biāo)值后，改入口4號(hào)張力輥為速度控制，實(shí)現(xiàn)延伸率的閉環(huán)控制。在機(jī)列高速運(yùn)行中，實(shí)驗(yàn)證明力矩控制和速度控制直接切換時(shí)，會(huì)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(shí)現(xiàn)力矩控制，在力矩達(dá)到目標(biāo)值后，逐漸放大限幅值，實(shí)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(shí)間約為20s，采用預(yù)張力控制后，延伸率穩(wěn)定時(shí)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(shí)際延伸率(藍(lán)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(jī)列線速度)。

因?yàn)樯a(chǎn)工藝要求，先低速運(yùn)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(dá)到了實(shí)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(dá)到預(yù)設(shè)值，預(yù)張力值的計(jì)算是關(guān)鍵。預(yù)張力值不僅不能太大也不能太小，太大會(huì)把帶材拉的過量變形以致拉斷，太小達(dá)不到迅速達(dá)到目標(biāo)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(huì)發(fā)生彈性變形，遵循胡克定律，外力消除，材料會(huì)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(huì)進(jìn)入塑性變形，鋁材一旦進(jìn)入塑性變形，當(dāng)外力消除后，鋁材尺寸和形狀不可恢復(fù)。這個(gè)造成兩種變形的臨界點(diǎn)的強(qiáng)度，就是材料的屈服強(qiáng)度，我們可以按照鋁材的屈服強(qiáng)度計(jì)算入口4號(hào)張力輥預(yù)張力的大小。計(jì)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(qiáng)度；W為帶材寬度；Th為帶材厚度；K為系數(shù)。

根據(jù)公式計(jì)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(dá)到目標(biāo)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(shí)際延伸率的差值大小，調(diào)整預(yù)張力的大小，使實(shí)際延伸率逐漸逼近設(shè)定延伸率，最終達(dá)到設(shè)定的預(yù)張力滿足實(shí)際拉伸力的目的。

3.2 PID分級(jí)控制

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

(1)在整個(gè)生產(chǎn)周期中，必然會(huì)有升速、恒速和降速階段，在升速和降速階段，因?yàn)闄C(jī)械摩擦和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等客觀因素，所以必須對(duì)開卷機(jī)、卷取機(jī)和張力輥進(jìn)行補(bǔ)償控制，延伸率是0.005%控制精度，而動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是估算值，機(jī)列在升降速時(shí)，延伸率誤差都較大，為了彌補(bǔ)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)恼`差，需要在升降速時(shí)分別對(duì)張力輥進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償并獨(dú)立整定PID參數(shù)，實(shí)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(jī)列速度)，曲線二延伸率的給定值(紅色值)和實(shí)際值(藍(lán)色值)。PID重新整定后加減速階段實(shí)際延伸率控制誤差小于0.05%。

圖3Fig.3

(2)該臺(tái)拉彎矯直機(jī)的來料多是冷軋料，因?yàn)槔滠垯C(jī)是老舊設(shè)備，所以帶材表面經(jīng)常會(huì)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(jī)的頻率低于3Hz，受交流電機(jī)特性的限制，低于3Hz時(shí)速度精準(zhǔn)控制有很大難度。為了減少電機(jī)速度波動(dòng)對(duì)延伸率的影響，加大入口4號(hào)張力輥和出口1號(hào)張力輥編碼器速度反饋的濾波時(shí)間，并且重新整定PID參數(shù)，減小比例值加大積分值，基本實(shí)現(xiàn)低速下的延伸率較精準(zhǔn)控制(圖4)。圖中，曲線一是出口1號(hào)張力輥的速度(機(jī)列速度)16m/min，曲線二延伸率的給定(藍(lán)色值0.3%)和實(shí)際值(紅色)。給定延伸率0.3%，實(shí)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(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的跟隨設(shè)定值，要根據(jù)檢測(cè)的實(shí)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(duì)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(qiáng)度必然不同，反映到電氣設(shè)備上即所需電機(jī)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(shí)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(gè)范圍，分別限幅PID輸出值ΔV的大小，來提高實(shí)時(shí)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(xì)各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，使該拉彎矯設(shè)備在升降速時(shí)延伸率的響應(yīng)時(shí)間由原來的約20s，降到10s以下；升降速時(shí)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(dá)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(xiàng)指標(biāo)已達(dá)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(yùn)行3年，年生產(chǎn)料卷近9萬t。