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彩涂钢板生产线卷取机张力控制


摘 要                                  
留 巴巴巴 巴巴巴 会巴巴 三巴巴 巴里 巴

摘 要
在彩涂钢板生产线中,卷取机的张力控制是极其重要的一环,良      好的张力控

制可以 保证彩涂产品的质量,提高生产效率。本文具体针对卷取机的 卷取张力控
制展开讨论。

>
首先,本文简要介绍了广东韩钢 2 彩涂钢板生产线,包括:生产线工艺流      #
程、基本电气设备、全线自 动化控制方案的设计、生产线技术性能等。 其次,本文分析与研究了卷取机的设备特性和工作原理,重点研究了卷取机     
的张力控制原理, 其中 包括: 张力控制基本原理、 动态卷径计算、 动态力矩补偿、 力矩补偿电流计算等。

最后,本文探讨卷取机间接张力控制系统算法及其实现,      研究了卷取机的卷

绕特性、 动态张力模型, 建立了 卷取机间接张力控制系统数学模型, 引入传统PD I 控制技术, 并在MTA 环境中进行仿真。 ALB 在实验过程中 表明间接张力控制系统的
数学模型基本上能够反映张力控制的动态过程,采用传统的PD T 控制算法可以满
足卷取机张力控制的性能要求。

关键词:卷取机;张力控制;动态力矩补偿;彩涂钢板

广东工 业大学工学硕士学位论文

ABS ACT TR
I t po co le  o r  ot se t i cnoo cir n o      utn  o cl pe a d  les n  tl oeioe  n  r i i f  r e t ,  o o r f  s  f h d e  n o c e n l

t m siprn s tn.  d sn  tl  l eu t qat o cl h o m oa e i sG o t i cno wl e l  h ul f  r e  t  tt  o o e o o r i v p  c n l  e  i y  o o p c t sep dcos  ip v p dcvyTippr  m iy  u r o e t l  u i ad  r e  uti.  aewl a ldcs e a d  r tn n m o r it h e o o s  i n i s l  s
tn in nrl c i r e s c t o ol . o o o f  e

F syh aeir uet o r o e sele  undn H nag      ppr  dcs cl p cad l oG agog jn it,  rlts  no i t h o r t t i f  e  e e n ai
secm ayi l i poutn  , c  tc eu m ns h at ao t l  pn, u n r co fw bs e ci l i et t u m tn e o n d g d i l c o a l ra q p i e ,  o i e 
cn ods n  hllet pr r ac ot p dco lee . ot l g ow o i ,  e o ne h r ut n  ,  r e i f  e  h f m n e  f  o i i t e  n c Scnl h ppr  a hs i ca c rts  r nn t r f e     t s er er e dv e r tii ad  ig o o cir eod ,  a e c e c h a esc n u y i s n h y  o e l

ad  hset s n t l  rocir h h l ebs t o ot sn n e pazs  i cn ot o f e w i i u s i h r f  i m i e o o r h y  o , c n d ac  y e o n e l c e n
cn o dnmc  m t c cli ,  a i m m n cm es i s m m n ot l ya i d e r  u tn dnmc  et  pnao ,  et r ,  i e a ao y a l o o tn o
cr n cl li ,  s o . ur t  u t nad  n e a ao n o  c

I t e ,  ppr  us t e i t n  n r t  i c t l      d t s  e d cs s  r lao o i i c t s n n o n e  h a h n i i e h az i f  e e o o r s e  d n

at ec cirIao er e cno tn  r tii ad  dnmc rh t o oe t  r a hs  vli ca c rts  t ya i im i f l. l e c o uo h a esc n h s s e 
t s n dl  s  eu t m t m t m dl nict s n  t l e e i m es a t s p  a e ac  eo i r t  i cn oss m n o o o  o  t  h e  h i o f  e e o o r yt d n

ad s u t i i M T A . og s u tniso s t m t m t n t i le  t A L B Tr h  li ,  w t t a e ac o  a t  m w h  h u i ao t  h h m h a e  h i
m dl nict s n  t l e ipoett cl p ca d  l  ad oeo i r t  i cn o ssm  r r h o r  ot sele  f  e e o o r yt s p o  o r e t i n d n e  e e n
PD n o at ec  m et pr r ac dm n o t s n  t l o e I c t l  m t cn  t  e o ne  ad  e i cn oo cir o r rh i a e h f m i e  e f  o o r f  . n l

K y o s oe Tni cn o D nmc  et pnao;  r  ot ew r :  ir esn t l ya im m ncm esi C l p cad d  C l;  o o r ;  o o tn o r e o e
se l te



第一章 绪 论

第一章 绪论
11卷取机张力控制设备的研究现状 .
卷取机是彩涂钢板生产线的重要辅助设备。      卷取机的用途是收集超长带钢,
将其卷取成卷以便于贮存和运输[ 卷取机在带材和线材生产中均被广泛应用。 ] l 。

彩涂钢板生产实践证明:卷取机的工作状态直接影响着带材和线材的质量,      特别是彩涂生产线的生产能力的发挥。因此,对卷取设备及其系统的研究一直受
到人们的重视。 在上世纪八十年代以      前,卷取张力控制系统一般以模拟器件为主。 传统的模

拟控制系统张力精度低、调试难度大、张力波动范围大,这些因素直接影响到彩
涂钢板的产品质量;又因其硬件成本高,所以花费巨大。 进入九十年代后,随着机电制造技术、电力电子技术、计算机技术、自      动化

检测技术的发展,专用张力控制设备有了飞速的发展。近十余年来, 在国外有公 司将卷径测量及张力控制系统做成标准控制板并配有专用卷绕软件, 在国内也有 人开发了单片机张力控制系统。这样,虽然张力控制系统的精度提高了,但是在
一些中小型项 目中,由于硬件和软件的投资较大,投资方往往不愿意承受昂贵的
价格。

近几年来,卷取张力控制设备有以      下两个方面发展:
1      .以磁粉离合器( 制动器) 为基础的张力控制设备

其特点是磁粉离合器(      制动器) 的励磁电流与输出力矩有较好的线性关系,通
过相应的检测元件的信号来控制和调节磁粉离合器的励磁电流的大小,控制其输

出力矩,从而实现卷取过程中的张力控制。该控制系统由于受到磁粉离合器输出 力矩的大小限制,主要应用领域为轻工业,如造纸、纺织、印刷等行业。主要代 表产品有WRE电气公司的张力控制系统、NRC公司的卷材张力控制系统、日 ANR 工EO 本三菱公司的张力控制系统等。 2      .以变频器为基础的张力控制系统
其特点是采用专用的张力控制板来完成张力控制所需的动态力矩补偿、卷径     

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计算、恒张力控制等功能,通过变频器来实现恒张力控制。 其主要代表产品有德 国西门子公司的张力控制系列板及相应变频器系列;张力控制板从PI,  0 TO T0到 3 目 前最新的 40 T0,由张力控制板与相应的变频器结合,完成恒张力控制。
改革开发以来,随着与国外技术交流日      益密切,国内 卷取张力控制设备基本
上与国外保持同步。 对于以永磁式离合器 ( 阻力器) 为基础的永磁式张力控制系统,

有上海佐林电器有限公司生产的Y系列产品;以磁粉离合器( Z 阻力器) 为基础的张 力控制系统,有上海佐林电器有限公司生产的Z系列产品、海安前卫机电厂生产 A
的ZO K系列张力控制系统。 另外,国内有许多厂家、 科研院所、 高校研制和开发了 以变频器为基础的张力控制系统,其中有南京航天航空大学开发的H系列高性能 I

微机控制变频器, 其力矩补偿可进行26 5种选择; 华为公司生产的T30系列张力 D30 控制专用变频器,本身自 带有惯量静态和动态补偿、弯曲力矩补偿等功能,不需
要专用的张力控制工艺板就能完成张力控制的功能。

相对来说,国外的张力控制系统设备不仅对于卷取过程中张力有严格精确的     

控制,而且对于初始建立张力、抛尾过程张力都有较好的控制, 有友好的人机界

面、 完善的功能, 如缓冲启动、 防松卷功能、 手动/ 动控制、 自 模式选取、 控制参
数的保存和调用、自 诊断模式、多种通讯接口等。国外公司的张力控制设备一般 都是系列产品,能提供多种方案选择,以满足不同用户的不同卷取工艺需求。 从国内      外现有的张力控制设备的状况来看,张力控制设备的发展趋势是向功

能多样化、 产品系列化方向发展, 集机械、 液压、电气、计算机控制于一体。 对
张力检测元件的开发和张力控制算法的研究也是张力控制设备开发研究的一个重 点。在直接张力控制系统中,检测元件精度直接影响张力控制精度;在间接张力

控制系统中,其张力控制算法直接关系到张力控制精度。近来有一些新的控制算
法的出现,如NRC公司的指数算法,它使张力控制与卷径无关,并且提高了系 IEO 统的稳定性、快速性。随着智能控制理论的发展,新型张力控制系统也得到了应

用, 如模糊参数自 整定PD I张力控制系统、 基于神经网 络的张力控制系统, 这也是
张力控制设备发展的另一个方向困。 ‘

12课题来源及研究意义 .
本课题来源于 “ 广东韩江钢板有限公司2 #彩涂生产线 电控设备设计和制造”

第一章 绪论

项 目。

彩涂钢板生产线的卷取机是基于调速控制的一类机电一体化卷材加工设备,      布置在彩涂线的出口 段。卷取机在带材和线材生产中( 比如:造纸、印 刷、纺织、
线材等工业领域) 均被广泛应用。 在彩涂钢板的生产过程中,卷取机的收卷控制是很关键的一道工序。由于卷      取机负载力矩包含了空载力矩、摩擦力矩、材料的弯曲力矩、张力力矩以及加减 速力矩,其控制通常比较复杂,因此系统设计和调试较为困难,难以 达到最佳控 制效果! v 1 在卷取机的调速控制中,      卷材张力和卷取速度( 即生产效率) 是两个重要指标。

除了轴辊、制动等机械部件的固有特性外,电 机速度与输出 力矩( 对应张力) 的精
确控制非常重要。卷取机最终产品的质量在很大程度上取决于收卷张力的控制,

如收卷的松紧度、端面的 平整度、定直径下的长度偏差、定长度下的质量偏差、 厚度均匀性等。成品彩涂钢板在收卷时的张力波动直接影响其卷形和厚度公差, 如果在收卷时张力波动过大,就会出 现松卷、绷卷现象,严重时甚至出现断带现
象,使生产无法正常进行,上述质量指标将很难满足圈 。

13本课题的主要研究内容 .
以前,卷取机的调速控制通常采用直流电机加转速电流双闭环方式,可以达     

到满意的控制精度。近年来由于彩涂钢板生产线速度不断提高, 若仍旧用直流控
制,装置会更趋复杂;同时由于直流电机本身惯性较大,机电时间常数较大,存 在较长的控制滞后时间, 很难满足高动态响应要求,也难以确保张力的稳定性。 随着交流电力电子技术的日 益成熟,彩涂钢板卷取机的调速控制大量采用了交流
变频器。

卷取机将彩涂钢板卷绕成筒形时, 于对产品      由 质量的要求, 必须使彩涂钢板的 张力和线速度为一恒定值。由于卷径是逐步增加的,为了保持卷取张力恒定, 也
就是卷取的线速度应保持恒定, 需要在卷取过程中改变卷取电机的速度, 相应降低 卷筒转速, 最终要实现速度的精确控制。

基于以      上分析,本文将以 卷取机张力控制系统为主要研究内 容,在查阅大量
国内外有关卷取机的文献和与项目 相关公司的产品的内部资料的基础上,对彩涂

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生产线卷取机的工作原理及工艺要求进行深入研究,具体包括以 下几个方面:

I      .卷取机卷绕彩涂钢板过程分析; 2      .卷取机张力控制的 基本方式分析;
3      .卷取机张力控制基本原理的研究;

4      .卷取机卷筒上的 钢卷的动态卷径的计算;
5      .卷取机张力补偿控制和力矩电流给定值计算;
6      .卷取机的卷绕特性分析; 7      .卷取张力动态模型的建立; 8      ‘卷取机间接张力控制系统的PD I 参数整定; 9      .卷取机间接张力控制系统仿真分析。 由于卷取机及相关设备体积庞大、笨重,同时其工作条件比较恶劣,许多力     
学行为无法采用现场实验的方法预先获得,所以本文将通过综合分析的基础上,

建立对应的控制系统数学模型, 然后运用MTA 仿真技术对其工作过程进行仿真 ALB
分析 。

第二章 彩色涂层钢板生产技术概述

第二章 彩色涂层钢板生产技术概述
彩色涂层钢板(      简称彩板) 即有机涂层钢板,又称之为预涂层钢板。它是以金

属带钢为基材( 如冷轧钢板、热镀锌板、电镀锌板等) 通过严格的 工艺控制,在其 表面涂覆各种高分子涂料( 如聚1、 0 1 硅改聚醋、 , 偏聚氟乙 烯树脂、 聚氯乙烯、 丙烯 酸树脂、环氧树脂等) 或粘贴上各种塑料薄膜( 如聚氯乙烯薄膜、聚乙烯薄膜等)
制成的产品‘ 引 。

彩涂板具有优良      的耐蚀性、耐久性、冷弯加工成型性、美丽的装饰性、良 好
的经济性及环保作用。 它可供用户直接使用, 广泛用于建筑、 家电、 交通等行业。

在彩涂板消费中, 建筑行业是彩涂板的 最大需求领域, 彩涂板市场的7- 0 占 0 9%,
各类建筑,包括仓库、超市、车站、机场、体育馆、商务楼、民宅等,都需要彩 涂钢板,主要用于生产瓦楞板、夹心板、门窗等;家电行业使用的彩涂板主要以

覆膜彩板( C为主,主要用于冰箱、冰柜、洗衣机、消毒柜、微波炉、影碟机、 P) V
高档装饰品等醒目的外壳。

21彩色涂层钢板生产技术现状 . 
国外的彩板技术于 12 年首创于美国,并于 13 年建成世界上第一条涂层      97 96 钢板生产线。自6 年代以来, 0 彩涂板生产急剧发展, 产量不断增加。目 前全世界 已 40 有 7 多条彩色涂层生产线, 生产能力超过 10 万吨以上。 40 彩板生产线主要分

布在北美、欧洲、日 本、澳大利亚及新西兰。除此之外,南美、南非、东欧及中 东地区也有一些生产线。 彩板生产线的生产能力的分布估计为: 北美占5%;日 5 本及远东占1%; 6 欧洲及其它地区占2%。 9 国外彩涂板产品主要用于建筑、 家电
等行业阅 。

我国      彩涂板的生 产起步比 较晚, “ · 开始研究彩板, 从 七 五” 相继从彩涂板
生产技术先进的国家( 如美国、英国、日 本等) 引进彩涂板生产线,且主要建于钢 铁厂或合资企业,而彩涂工艺设备和质检仪器基本上是从国外配套引进的。国 家 科委也从“ · 开始组织原冶金部、 七 五” 化工部进行了 彩板生产技术的国产化( 主

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要是彩板预处理剂、 涂料、 彩涂板加工应用技术、 设备等) 研究, 取得了一定成效

J l [ 到目 。 前为止, 我国己 超过3 家企业已 0 建或在建彩涂生产线。 随着我国 经济快
速增长,不断地有新企业、新厂房、办公楼投人建设,以往建筑厂房、车间大部 分以粘土烧制的红砖砌成,近些年由于我国保护土地,限制使用粘土砖,逐渐被

其它的 建筑材料所代替, 在国 所以 外发展多年的彩色涂层钢板, 于 由 其具有环保、
美观漂亮、施工迅速、加工性好、颜色可以随意变化等优点,逐渐得到国内建筑
商和业主的青睐,彩涂板的需求量也越来越大,导致我国彩涂板生产能力也相应

得到了快速增长。据不完全统计,截止 20 年底,全国已建成彩涂线 5 多条, 03 0

生产能力已 超过40 0 万吨/ 高档次彩涂板在中国的 年。 潜在市场十分巨 随着中 大。
国的奥运会、世博会项目的建设速度加快,高档次彩涂板的需求量将逐渐增加,

而目 前中国缺少的正是这类高端产品。同时,随着中国的入世,国内市场也将为 众多国外企业所看好。中国彩涂板生产企业将面临国内生产能力的迅速扩大和国 外产品大量进入的双重压力。 预计在今后几年内,中国彩涂板生产企业将面临优
胜劣汰的局面[ 2 ] 。

22彩色涂层钢板生产技术发展趋势 .
目 彩涂板的技术发展趋势主要体现在板采用高耐蚀性铝一锌合金镀层板,      前,
且薄规格、高强度、耐腐蚀彩涂板将占据主导市场;另外,厚规格的大跨度板也

将有一定市场空间。 全世界彩涂板的生产已趋饱和, 国外己 集中于提高产品质量、 开发新的功能型产品,因此,一些新工艺、新技术的开发和应用日 趋活跃。工艺 上由辊涂新增了覆膜、 压花和印花; 品种上由最初的预涂钢板( M发展到彩色层 P) C 压板( M 以及环保彩色钢板( M ; V) C E )应用上从建筑内外装饰材料拓展到汽车制造、 C 家具、集装箱、家电 用品等更广泛的领域m 。 一 川
此外,国外彩涂板技术关注热点主要有同      :

1     采用高质量的基板,多采用 Gla (%A) Glaue5% l, )基板: afn5 l,  vlm ( A) a 5

Glana( 一 e、 镀Z- i avnel n F) 电 n N 甚至不锈钢。 Z 无论采用何种涂装工艺, 对其表
面质量、板形及尺寸精度的要求愈来愈高;增加在线板形矫直设备,大大提高产 品质量。
2 预处理:趋向于采用无铬的      ) 表面预处理工艺,以满足愈来愈苛刻的环保

第二章 彩色涂层钢板生产技术概述

要求;改用立式化学烘烤炉,节约能耗和厂房空间。 3      )涂层技术:关注于粉末涂层及 PT膜( E 聚乙烯对苯二酸盐膜) 与油漆复合
涂层技术;

4      )涂装机:采用新型双精涂和单滑轨涂装机,涂装机设置博士刀, 使涂层
厚度更均匀、 表面更光滑。 采用测厚仪表在线闭环的膜厚控制精确控制涂层厚度, 加设在线色差仪和光泽度仪全面监控产品性能。 5      )其他:采用蓄热式( O焚烧炉与常规的直燃式( I焚烧炉相比较,更 R) T ( ) D F 加节能、环保;印花、贴膜等一系列特殊彩涂产品技术正在兴起;对于化学涂层

和初涂采用集中供给系统,可以提高生产效率。

23彩涂钢板生产线的工艺流程 . 
彩涂生产工艺主要有3      种:辊涂法、贴膜法、粉涂法。 广东韩江钢板有限公司 2      #彩涂机组是以退火平整后的冷轧碳素结构钢及优
质碳素结构钢钢卷、镀锌 ( 包括热镀锌和电镀锌) 钢卷为原料,采用两涂两烘生产

工艺,连续生产彩涂板卷。机组年产彩涂板 1 万吨。 0 生产线主要工艺流程为:上料分开卷送料汁剪切头、      尾斗带头带尾焊接令 去毛刺斗入口活套斗热水预清洗分碱刷洗一碱喷淋今热水洗峥脱盐冷水洗令 风干令化学涂层今干燥成膜今初涂今初涂固化成膜叶风干分水淬冷却今吹干 斗精涂令精涂固化成膜一风干分水淬冷却峥吹干今出口活套存料峥夹送送料
分齐、错边卷取成卷。 生产线按工段分可分为三段:入口段、工艺段和出口      段。

入口      2台运卷车、2台开卷机、入口 段包括 双切剪、半自 动缝焊机、亚毛刺

机以 及夹送辊等。 原料钢卷在上料前首先由 拆去外包装, 人工 再由吊 车或叉车运
到入口 上卷小车上, 上卷小车将钢卷送到开卷机前, 将钢卷套入卷筒。 压辊压下,
开卷机启动,卷筒旋转,带钢头通过摆动穿带台送至夹送辊,由夹送辊送往双切

剪进行切头。 切头后, 经过人工对中后进入半自 动缝焊机与前一卷带钢尾部( 带钢 尾部在停机时已 切掉废边) 焊接。焊接后的带钢经压毛刺辊碾压缝合缝后, 进入 1张紧辊, # 压毛刺辊抬起, 入口 段升速,带钢以高于工艺段的速度,使带钢充满
入口水平活套。机组换卷时,入口 段需自 动减速,然后停车,剪后留下一定长度

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的带钢:进行换卷操作时,入口水平活套将放出贮存的带钢以使工艺段仍按正常

速度运行。换卷后入口段再启动时,活套内 存的带钢己 不满,需加速充套。当入
口活套充满时,入口段与工艺段的带钢保持同步运行。

工艺段包括带钢清洗、      化学预处理、 涂层、 固化及涂后冷却等工艺。 带钢清

洗,由 预清洗、 碱刷洗、 碱喷淋、 热水喷淋、 冷水喷淋等工序组成, 其作用是清
洗带钢表面的油脂与赃物, 再经热风干燥后, 可获得清洁而干燥的基板表面, 为

接下来的化学预处理提供清洁、 干燥和钝态的基板表面。 各清洗处理工序出口处 均有挤干辊。带钢从入口 水平活套出 来, 经过 2单辊纠偏辊、2转向 3转 # # 辊、 #
向辊和 #    2张紧辊后即进入带钢清洗段。化学处理,为增强涂料与基板间的附着

力与涂层的抗腐蚀能力, 清洁干燥的带钢从清洗段出来后, 进入化学辊涂机, 在
带钢正反两面, 按同向或反向均匀地涂上极薄的一层化学剂涂层。 然后, 带钢进 入化涂烘干炉进行脱水烘干。带钢经 3张紧装置与 3纠偏辊进入涂层工序。涂 # # 层工艺,由初涂与精涂及其后的烘干、 冷却工序完成。 涂层的固化分别在两座固
化炉中进行,    均分为四个温度控制段, 带钢在炉内悬垂状态运行, 带钢的垂度通

过安装在炉子入口    处的垂度检测仪控制。 涂后冷却由分别设在初涂炉与精涂炉后 的冷却装置来完成,    带钢在此装置经喷雾和喷水冷却使涂层得到硬化。 带钢通过 冷却装置后,温度可降至 5 摄氏度以下,然后带钢经过水平热风干燥器吹干带    0 钢表面的水份。初涂冷却后经 4张力器及转向辊、支撑辊组、5纠偏辊进入精    # #

涂机,经过精涂冷却装置、冷风吹干装置与 5张力器,进入出口    # 段。
出口段工艺设备原理图如图21        - 所示。 机组正常运行时, 立式活套不存 出口 储带钢,但当出口    段换卷操作,分断剪切,取样及卸卷时或出口段因故停车时, 出口活套充套,    以保证工艺段的正常运转, 当出口段再启动时, 卷取机以最大速 度运行,    直到出口 活套内的带钢放空, 段再与工艺段同步运行。 出口 带钢从出口 立式活套经转向辊进入 6张力器、    # 夹送辊; 通过出口 剪切机及出口 转向夹送辊, 进入卷取机卷取。    带钢的头部借助皮带助卷器以穿带速度卷到卷筒上, 皮带助卷

器协助卷取机卷筒在开始几圈    将带钢紧紧的缠绕在卷筒上, 在卷取张力建立后, 皮带助卷器水平移动返回到原地等待,此时带钢既以高于机组工艺段的速度运    行,    将出口 活套中的带钢放空, 为下一钢卷的卷取操作做好准备。 当带钢分卷时, 用出口    剪切分和切去缝合缝, 下一卷带钢头部通过皮带助卷器重新绕到卷取机卷
筒上。    卷好的钢卷利用出口 卸卷小车从卷取机卷筒上卸下, 人工用胶带粘贴住带

第二章 彩色涂层钥板生产技术概述

头后运往成品包装区。 带钢在成品包装区利用吊车辅助作业, 进行称重和人工包 装。包装好的成品卷用吊车或叉车运至成品堆放区存放,等待发货。

纠偏装置

出口夹送辊及

6S 夹送辊 #辊

单层剪

卷取机、卸卷小车

图 2 1出口段工艺设备原理图 -

F . 1 hi eu m npi ie g m  ot t i i2 Tcn s i et c ld r o u us t n g - e c qp r p i a f  e o n a p c

24彩涂生产线机组主要技术性能 .
1 .原料:热镀锌带卷和少量冷轧带钢
厚度
宽度

02 .  ( .  2m最薄可生产 0 1m) -1 m . m ; 5
6 0 15 m ; 0 -  0 m 2

卷径内 0 0 m 径: 5 m; 8 卷径外 Mx 1 0 ; 径: a0 5 m 0m
. 卷重:Mx00k o a100g

2 .成品:彩色涂层板卷

. 厚度:02 . ( .  2m最薄可生产 01m) -1 m .  ; 5m
. 宽度:60 15m ; 0-  0m 2
0m 卷径内径 05 8 ;

卷径外径

M x 5 0m a 01 0 m ;

. 卷重:Mx00ko a100g

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3 .机组速度( 参考带钢:05m 10mx0/i) . x 0m 8mmn m 0 1      )机组正常运行速度: . 入口      段、出口 10/i( 段 0mmn设计能力可以到 10/ i) 3mmn :
. 工艺段 0/i(      8mmn设计能力可以到 10/i; 0mmn 2      )穿带时机组速度:
. 入 口段、出口段 2mmn      0/ i; . 工艺段 0/ i .      2mmn

3      )机组停车时间( -O/i) 8 -mmn: 0

正常停车:1s 5;
J 决速停车:8 . s

25彩涂钢板生产线自动化系统控制方案 . 251彩涂钢板生产线控制系统构成 .. 
1 自      . 动化控制系统选用西门子公司S-0 系列的 1 P422P L 740 台CU1-D 为PC 系统主站, 生产线内 以 所有的交流装置和操作台内远程终端 E20 为从站, T0M 构成 通用的 1 POIU-P网,完成对生产线的实时控制任务。PC 级 RFBSD L 系统总线电 源
采用US P 供电方案。 采用工业以太网及 PO工U 现场总线技术将监控设备连接起 RFBS
来,构成了一个稳定、易于扩充的硬件环境1 ] 5 1 。

电控室设工控机 1 可完成编程和监控)      台( ,入口和出口 操作台各设工控机 1

台, 740 与S-0 主站构成2 级工业以 太网, 现人机对话功能, 实 并通过工控机多幅
画面,完成对生产线工艺参数设定和全线工况监 控,涂机操作箱配西门子触摸屏

2 3 台。 台工控机之间采用工业以 太网连接, 形成一个系统数据共享的统一解决方
案。

西门子 S 40  在我们的方案中为主设备,     -0 PC 7 L 它有总线访问的权限, 并可以 读取或改写从设备变频器、 T0 远程 I 的状态, E20 O 从而达到控制和监视设备运行
状态之 目的。

自      动化系统编程采用 SE7 TP 软件,画面组态采用 WNC IC 软件,运用图形化的 方式提供强大的控制功能,具有统一的操作、运行界面,同时便于系统的再开发
与维护 。

第二章 彩色涂层钢板生产技术概述

2 为了降低电      . 缆成本,使系统具有灵活的可扩展性, 我们采用E20 T0 远程
工,并在设备旁就近安装。 0 现场的接近开关、行程开关、电 磁阀等开关量直接进 入远程 1 控制箱,模拟信号也通过本地的A 模板转换成数字量,通过现场总线 0 D

电 缆传递至主PC L.
入口      操作台内均配置远程终端 E20, 和出口 T0M 并与 S-0PC 740L 主站相连,台

内 控制信号就近接入相应的E20 输入输出 T0M 模板。
3 系统根据工艺要求能实现正爬、反爬、张力控制、张力显示、活套套量      . 显示、速度闭环控制、交流工频电机控制、现场逻辑联锁和全线自 动化控制。
4 为了提高控制精度,测速装置选用测速码盘。      .

5 系统张力控制精度为士 %,      . 2 码盘反馈时速度调节精度为士 .%. 05
彩涂生产线 动化系统单线原理图如图 22      自 - 所示。
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图22彩涂生产线自                  - 动化系统单线原理图

F .2 o ao s t p c ld g m  o r  o ele         sm nie  r ocl p ca d  i2 A t tn  e r p i a f  r t i g- um i y i a o e n

252彩涂钢板生产线控制系统功能 ..
1      .操作人员通过人机交互控制整条生产线的正常运行,设备运行的状态、 参数、实时过程数据都通过画面显示出来,并作为历史数据保存在数据库中。
2 自      . 动监视系统运行状态,对异常情况如变频器故障、电动机过热、断带、

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温度异常等进行报警,并存储报警记录。

3 动控制各主传动电动机之间的速度、张力的大小、风机和泵的起停、      .自
阀门的开闭。

4      .通过帮助画面对系统的使用提供指导。
5      .生产数据库及历史数据库管理,并可查询及打印相关数据。

253彩涂钢板生产线控制系统的特点及优势 ..
I      .三个操作台之间的联系均通过网络构成,在每个操作点上都可以浏览整 个生产线上的过程信息,操作方式较之传统方式更加简单可靠。

2      .由于采用了网络及现场总线传递过程数据,多种信息的交换仅依靠网线
或屏蔽双绞线即可完成,这样就大大减少了系统施工时的布线工作量,也为今后 系统的维护及故障查找提供了方便。 3      .过程参数的数字化传递,避免了模拟量传输所带来的漂移、抗干扰等问
题,大大提高了系统的稳定性。

4      .若今后机组工艺、设备发生变更,只需要在总线上增添或摘除相应节点,
并对软件作少量修改即可。所以这种柔性的系统连接方式具有一定的适应性,可 以最大程度地保护用户的投资。

第三章 卷取机概述

第三章 卷取机概述
在彩涂钢板生产线上,卷取机是出口      段的关键设备,其工作状态与设备性能 的优劣关系到彩涂钢板成品的质量好坏。卷取机的收卷控制也是整个彩涂钢板生 产线控制系统的一个重要的组成部分。 本章在分析卷取机的特点的基础上,着重介绍本课题所涉及的相关类型卷取      机的设备结构、工作原理和设备性能,并对彩涂钢板生产线出口 段与收卷控制相
关联的设备的结构及其工作原理作简单的介绍,为本文下面各章的研究工作打下
扎实的基础。

31卷取机的分类及特点 . 
1 .卷取机的分类
1 卷取机按其抱辊数目 八辊式卷取机,四辊式卷取机,      ) 分: 三辊式卷取机,

二 辊式卷取机;
2 卷取机按其卷筒结构分:连杆式卷取机,      ) 斜楔式卷取机; 3 卷取机按其抱辊滑架移动方式分:滑道式卷取机,      ) 无滑道式卷取机。
2 卷取机有以下特点 . 1      )卷绕速度的调节范围大,从绷紧的零转速到额定转速均可为正常工作状
态;

2      )为保证产品( 如原料钢板、纸张、布匹、电缆等) 的最终质量,在卷取加 工的全部时间内 应保持卷材张力的恒定; 3      )根据卷材的物理性质和加工需要,张力可任意调节。

32带〔C . P装置的卷取机设备结构
本课题的彩涂生产线卷取机由卷筒、回转涨缩缸、齿轮箱、传动直流电机及
制动器、底座和横移液压缸组成。

彩涂生产线卷取机的设备结构图如图 31 - 所示。

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底座/下一        一一 一一 辜一 一A 一 一 口

皮带助卷器

图31卷取机设备结构图                          -

F .1 c rdg m  oee i e                  i3 Suu i r ocir p n g - t te  a f  q m t r a l u
卷筒为四斜楔涨缩式,扇形块与四棱锥套的斜楔通过 T型槽相连,扇形块与     

卷筒轴沿轴向固定,四棱锥套在卷筒轴上滑动,使卷筒涨缩。
回转涨缩缸活塞向后移动时卷筒涨开,活塞向前移动时卷筒收缩。回转涨缩     

缸尾部是旋转接头,以 保证涨缩缸转动时,液压管线不动。
齿轮箱支撑着卷筒轴,速比配置可以保证卷筒速度满足工艺要求。齿轮箱及     
安装在其上的电机、卷筒一起在底座的滑道上移动,以满足齐边和错边卷取的需
要。齿轮箱的移动由横移缸操作,伺服阀控制。

33 C . P装置的设备结构 E
在带钢连续作业机组中,为防止带钢跑偏或卷取时出现塔形卷,专门      设置了
一套 EC P 装置。EC P 装置是张力卷筒在卷取时为使板边对齐而设置的边缘液压位 置控制系统。EC P 系统的动态性能对机组增加卷重和提高卷取速度十分重要。

EC系统由      卷取机芯轴、 头、薄带导向 P 光电 放大器、电 液伺服阀、 位置检测
器、油缸等部件组成。当带钢出现跑偏时,检测带钢边缘位置的光电头导向放大 器发出的跑偏信号,放大器将信号放大并转换成电流信号,再传至射流管式电液
伺服阀的可动线圈,这样,喷射管的喷嘴左右摆动,使得和液压缸连成一体的卷

第三章 卷取机概述

取机随带钢跑偏作相同方向的移动,从而实现纠偏动作。

34皮带助卷器的设备结构 .
皮带助卷器作用是帮助带钢头咬入卷筒,并使带钢绕紧卷筒。      皮带助卷器的设备结构:      助卷器由两个摆动臂、 液压缸、 支座、 皮带等组成。 皮带绕在摆臂的辊子上,由液压缸张紧,工作时支架上部的液压缸推动大摆臂靠

近卷筒, 另一液压缸推动小摆臂抱住卷筒, 皮带包在卷筒上并随 卷筒转动而运动,
带钢咬入后被压在卷筒上。

35卸卷小车的设备结构 .
卸卷小车的作用是把卷取机卷筒上的钢卷从卷取机上卸下,然后由天车运送     
钢卷到成品区进行包装。卸卷小车由底座、小车传动装置、小车托架升降装置、 升降液压缸和液压站组成。 底座为钢板焊接框架结构,车轮及小车传动装置固定在底座上,小车行走带     

动车上的钢卷移动。 小车行走机构是液压马达通过链轮链条传动车轮轴,一对车轮靠键连接在轴      上作为主动车轮,另一对车轮为从动车轮,通过销轴悬臂连接在底座上。液压马 达传动的特点是结构小巧,并能产生较大的扭矩。 小车托架升降装置为中间铰接式连杆机构,升降液压缸通过头部辊轮推动连      杆,使其交叉角度变化,顶起托架。上卷时,钢卷放在托架上,液压缸带动托架 及钢卷升起,当钢卷中心对正卷筒中心时,小车移动进行上卷。 安装在运卷小车底座内的液压站,为升降液压缸和小车传动机构的液压马达     
提供动力。这种安装在地坪轨道上的运卷小车结构简单,基础不用挖深坑。

36出口段液压站设备结构 .
卷取机液压站为卷筒涨缩缸、助卷器架体摆动缸、摆臂摆动缸、皮带张紧缸
及出口夹送辊液压马达、伸缩导板液压缸提供液压源。

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37卷取机设备性能 .
. 型式: 悬臂式可涨缩卷筒,上卷取。

. 钢卷规格:

1重量: a 0    m 1吨; ) x
2带   钢厚度: .  .  ) 02 2m -1 m;
3 内径/    外径:058mx 50m ) 0/aO10m ; 4 宽度:mn0-mx20m    ) i70 al5m.

. 卷筒涨缩范围: a0 8,  0 5( mx 40 mn 45含橡胶套筒: a0 8, 0 O)  i mx 45 mn 5 ; i 8
回转涨缩液压缸:0 8/ 6X  m o    20010 10m 0
. 机座浮动横移范围:土 0m; l0m

横移液压缸:010Q10  0m    6/) X  mo 1 2 2

. 卷取机主传动交流变频电 YS35-,  9k,  70/i,  8V 机: TP1L8 P  W n  rmn A30; =  0 =  5 C
电机尾部带冷却风机。   

. 动器型号:Y Z -0/ 0 1 制 W , 5 1 ,  B 0 8 台;
工作电压:A30 (    C8V得电抱紧) 。 . 卷取机主传动稀油润滑泵:
1 型号:WZ2 ;      B-5 )

2 公称压力:25P;    ) . a M

3 电 P . W n 0rmn   机: =1 k,  40/i; ) 5 =1
4 稀油润滑带油流信号器。    ) . 卷取机主传动速比:i 680 =1.8

. 卷取速度: a1 mmn mx3 /ie 0
.穿带速度:约 2mmn 0/ i.

. 卷取张力: a20ko mx70g

第 四章 卷取机张力控制基本原理

第四章 卷取机张力控制基本原理
卷取机在卷绕带钢时,      必须具有一定卷取张力。 卷取张力值的大小取决于卷 取机工作状态和产品规格。 过大的张力数值会破坏产品内部组织,以 及使设备电 机容量增大;反之,过小的卷取张力数值也会影响产品质量,并发生带钢跑偏、
松卷等现象。可见,卷取张力过大或过小,均会直接影响到卷取机的正常工作。 卷取机张力控制在本课题中采用间接张力控制方式,即通过对相应变频器力     
矩电流给定值的调节实现张力控制。由于直接调定的是变频器电机的力矩,而在

带钢运行过程中卷取机卷筒上带钢卷径在动态改变,要保证带钢张力恒定必须在 调节力矩给定电流时加入卷径动态补偿部分,需对卷取机卷筒上带钢卷径进行测 量计算以便计算卷径动态补偿力矩, 同时还对电机在带钢加/ 减速时因系统机械惯
J 胜而要消耗的动态力矩以及存在的摩擦力矩的补偿进行分析。

本章从卷取机卷绕彩涂钢板过程分析入手,重点介绍卷取张力理论值的计算     
公式、卷取机张力控制方式及其基本控制原理,并在此基础上着重研究卷取机间 接张力控制方式下的张力补偿控制和变频器力矩补偿电流的计算。

41卷取机卷绕彩涂钢板过程分析 .
带钢经过正常彩涂工艺后,通过6 S      # 辊、剪前夹送辊、单层剪、剪后夹送辊
后,经卷取机卷取成一定卷径的钢卷。

在彩涂工艺中,从6 辊到卷取机的整个区域称为彩涂生产线的出口段。出      #S
口段是彩涂生产线上的最后环节,在卷取机上卷取的钢卷即为彩涂钢板的最终成 品。彩涂生产线出口 段示意图如图4 1 -所示。

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6S #辊

出口 段转向 夹送辊

减速器

卷取机 电机           
图41彩涂生产线出口                      - 段示意图 F . 1 t d g m ot t i icl pe a d             u us tn  o r  ot le i4 Se h  r o p e o n o r e i g - k c i a f  a c c n

411卷取机咬钢速度给定曲线的确定 ..
单层剪在每次剪切完成后,下一卷带钢的带头即出现在单层剪处。      在剪前夹 送辊的牵引下,带头进入剪后夹送辊,然后被送入卷取机卷筒中,此时卷取机进 入咬钢状态。如果卷取机咬钢不顺利,以正常运行速度前进的带钢势必在卷取机 旁形成堆积,造成事故停车。为了顺利咬钢,咬钢时卷取机应采用斜坡函数速度 给定,并以正、反向交替工作模式进行,这样才能使带头顺利咬入洲 ,如图42 -所
不 。

木 n 咬钢      速 度 ) (

图42咬钢时卷取机速度给定函数                      -

F .2 edsn i f co ocir                  i4 Se egao u tn oe g - p d i tn  i f  n l
咬钢时的速度给定较低,其斜率与幅值由以太网      上的工控机给出,它要根据 带钢的材质、厚度等参数以及彩涂工艺 要求来确定,其值的修改也只能在工控机

I                                                    吕

第四章 卷取机张力控制基本原理

上进行。

412卷取机卷取过程中张力的设定 ..
卷取机一旦完成咬钢,      为了保证带钢卷取的质量, 带钢就要承受一定的张力。 该张力是在卷取机与6 S # 辊之间形成的。 在卷取机卷取的各个阶段, 带钢承受的
张力不同。

在咬钢过程中,为使带钢从卷芯开始卷取紧实,卷取机一旦咬住带头,就要      以 较大的张力值进行卷取,此时的张力通常比正常运行时的张力要大1 } 。在卷取

机 取 程中 卷 断 大, 卷 达到 定 值D 时 应当 张 降 来, 卷 过 , 径不 增 当 径 一 数 o , 把 力 下
以正常运行时的张力进行卷取。

张 降 来 由 时 较 卷 变 不 为D· 卷 整 进     后, 于 间 短, 径 化并 大, , 从 取的 个 程 力 下 来 这 阶 间 长、 径 化 大, 到 径 近剪 的 径D · 看, 个 段时 最 卷 变 最 直 卷 接 切时 卷 , 在 切时(      径为D) 带 需 承 较 张 以 于剪 所以 通 剪 卷 , 钢 要 受 小的 力, 利 切, 此时 ,
过剪前夹送辊建张的办法把带钢张力降低为剪切张力。 张力随卷径按一定斜度变化,这样可以改善卷取机卷取的钢卷外形,从而提      高彩涂钢卷产品的质量[ ] s l 。

卷取过程中卷取带钢的单位张力与钢卷外径间的递变函数关系见图43图中      -。 的各张力值都是由以太网上的工控机根据彩涂工艺要求给出的。剪切后的带钢经 带尾定位后,卷在卷取机上,被卸卷小车运走,这样就完成了一卷带钢的彩涂与
卷取的任务。

爪                张力T

穿带张力

彩涂张力
剪切 张力

卷径D
D  D o  i                     D  D z  3 图43带钢承受张力设定      -
F . 3 at et  i o s e i4 E c nt s n  t g- n m e o f  n e

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42卷取机张力值理论计算公式 .
在连续作业机组中,张力是一个重要的参数,只有建立合适的张力,      才能使
带钢在机组中正常运行。带钢的开卷和卷取都需要一定的张力,对于某些机组, 如酸洗、退火、镀层等工艺上都要求有一定的张力,因而卷取张力的大小对于后 续工序有很大的影响。 在卷取的过程中,      正确的选择张力值, 能使带钢始终保持在机组中对中运行, 不致左右跑偏。在建张过程中,张力选择过小,容易使带钢出现跑偏现象;过小 的张力会出现松卷、塔卷现象。大张力对于控制带钢跑偏以及使带钢卷紧有利, 但是,过大的张力会使张力装置和卷取机传动设备加大,增加了对设备的投资; 此外过大的张力有可能会拉断带钢而影响机组的正常运行,卷太紧还会使带钢表
面损伤,影响钢卷的质量恻 。

为了卷紧带钢,使带钢在卷筒上产生较大的塑性变形,一般认为带钢在卷取     

过程中塑性渗透率k .  =08 为宜,而在设计卷筒时卷径是依据公式( 1来计算的 4) . 

D旦 5 竺h
口                  s

(. ) 41

式中: D      — 卷筒卷经; -

E— 卷取带钢的弹性模数;            -

h 卷取带钢的厚度;            —

。一 卷 带 屈 限。          极 :一 取 钢的 服
一般一台      卷取机是要卷取一定厚 度范围内的 带钢, 此厚度h 因 一般是以 平均值
或卷取最多的带钢来决定。在卷取最薄带钢时是达不到所要求的塑性变形的,其

结果是使带钢卷不紧。采用减少卷筒的直径来满足上述所要求的塑性变形,往往

受 卷筒 度 构 面的 制; 采 提 带 温 降 服 到 强 和结 方 限 若 用 高 钢 度、 低屈 极限。 来 足 :满
带钢的塑性变形要求,往往又受到带钢机械性能的限制,故一般采用适当的卷取

张力来满足上述所要求的塑性变形。 从理论上讲卷取张力值的选择应从这一观点出发,由此可得张力T      的计算公
式:
因为:     

第四章 卷取机张力控制基本原理

T 口s = 一认
 

 + 02 h .E
D   

(.) 42

由上式推得:

T b( s = h  6
式中: b

9E) .h 2

(.) 43

卷取带钢的宽度;

T 带钢张力。        — 式( 3是卷取机张力值理论计算公式,也就是张力大小的选取理论上的依      4) .
据。

设计时,一般可按照下列经验公式进行初步计算,然后按生产实践的经验加      以最后确定,即:

T Qb                                       =  h  o  (4 4) .

式中: 。     — 单 0 位张力;

6值 按 41 取 。 可 表- 选 Q 值可按 -选取 : 表4 2

选定 服      。 = N m, 据 涂原 卷的 格参 带 度 = 屈 极限 、 1 / '根 彩 料 规 数: 钢厚 h 4 m 0
05 .  m,带钢宽度b 00m =10m,则根据表41 - 、表42 ( 4得卷取机给定张力: -和式 4 ) .

T 66          =  h o 

= . b          05  h a s 
=3 0 0 .              50N

利用该公式计算正确值比      较差,对薄带钢的卷取十分不利。上述公式进行张 力的理论计算是有很大的不合理性,在工作中只能作为一个参考值,因为在实际 的运行中,考虑到助卷力等的作用,选择张力并不需要那么大。

表 - 带 单 力。值计 公                  41 钢的 位张 。 算 式
T b4 1  l l in r lr  nt  s o oo s l                o u itn in  c lr  e a .- C c a o f mua f  e o f  au t o t e

带钢厚度h ) ( m m

03 1 .-

1 2 -

2 4 -

-0 6 s 单 力。 ( m ) 05 .  位张 。 / z .  8  Nm

02 .  0 1 .  .  5  .  2 , -0 a s -0 Q

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表42碳素钢钢板及钢带性能指标( - 备注: R od l) C 为C l R l o
Tb -C lrl t l  om ne a. 2  d l  pr r ac 4 o o se e e f 屈服点   

分类

抗拉强度
( m2 N m) / 不小于

最小延伸率( 弯曲试验 % )
L= o
8m 0m

Q ( m2 S  m) N /

L= o
20m 0m

( 9 内狈半 径/ 厚度) 无间隔

Ga 1    e  rd
C R1

超深加工用
Ga 2    e  rd

不小于 10 4

3 8 20    8

2 9

成形 加工


C2 R

超深加工用
Ga 3    e  rd
C3 R

不小于 10 4

不小于
3 6 20    8
2 7

无间隔

超深加工用
Ga 4    e  rd
C4 R

不小于 10 4

不小于
3 4 20    8 2 5

无间隔

超深加工用 强度
乙台之了 门

不小于 10 4

不小于
3 4
2 5

无间隔

20    8

G a e4 2 rd 3/0
C R

不小于 20 0

不小于
2 9 2 1

无间隔

30    4

二 驭 守

系列 G a e7 2 rd 3/ 3

不小于 20 3

不小于
2 8 30    7
2 0

无间隔

43卷取机张力控制方式简介 .
卷取机张力控制有三种方式:直接张力控制方式、间接张力控制方式和复合      恒张力控制方式。

1      .直接张力控制方式 直接张力控制就是在卷取机前安装一个张力检测仪,通过实际测量带钢运行     
过程中的张力值,将彩涂钢板张力转化成对张力辊的压力,压力传感器的输出信 号输入到 PC L,作为实际张力的反馈值,反馈值和张力设定经 PC内部比 L 较后控 制电机的转速,使实际张力保持恒定。由于张力传感器几乎没有可移动的位置空 间,因而对钢板张力的缓冲很小,但张力控制的快速性很好。

直接张力控制方法包括闭环速度修正方式和闭      环力矩修正方式。闭 环速度修 正方式主要应用于钢板种类需要经常变化、 卷筒的宽度比较大以 及能得到精确惯

第四章 卷取机张力控制基本原理

性数据的应用场合;而闭 环力矩修正方式主要应用于需要快速的动态响应及需要 进行高精度控制的场合, 这种控制方法要求被加工的钢板品种比 较固定,卷径的
尺寸变化尽量恒定[ a ) 闭环速度修正方式的传动采用速度控制方式,      速度给定来自 于运行速度基准。 张力控制器采用 PD I 调节器,通过触摸屏设定张力给定。张力调节器对张力基准

和张力实际值( 张力传感器的反馈信号) 的差值进行PD I 调节控制,张力调节器的 输出 作为速度基准的附加基准,共同参与对卷取机电 机的速度控制。 速度校正控
制的是卷筒的实际张力。速度基准由卷取机运行速度和卷取卷径决定,卷径可以

通过线速度和来自 传动的卷绕速度在PC 部计算。 L内 需要编程实现系统惯性补偿,
以改善动态控制性能。摩擦损失则通过闭环系统得到补偿。 闭环力矩修正方式的传动采用力矩控制方式,力矩基准根据张力设定值和卷      径计算得出。 张力调节器采用 PD 工 调节器, 张力设定值通过触摸屏设定张力给定。
张力调节器根据张力传感器的反馈信号进行调节控制,张力调节器的输出作为辅

助的力矩基准,共同作用控制卷筒的实际张力,维持钢板表面的张力恒定。要精 确控制张力,PC需要正确的系数和钢板参数,以精确地估算卷径。摩擦和风阻 L 损失可以通过闭环系统补偿。闭环力矩修正方式应用于需要快速的动态响应,用 于需要进行高精度控制的场合。这种控制方法要求被加工的材料品种比较固定,

卷径的尺寸变化尽量恒定。 张力的控制范围可以 达到2:  01 0
直接张力控制方式优点是直接张力控制系统精度高,从理论上可以实现无稳     

态误差,但在大偏差时稳定性差;缺点是控制精度依赖于张力检测元件的精度,
由于张力检测仪的测量精度和准确度直接影响到张力控制的效果,要得到非常精 确的实时张力值有一定的局限性,如果现场环境比较恶劣,就可能导致张力控制
失效。

2      .间接张力控制方式 间接张力控制分为最大力矩式间接控制和电流电势复合控制。      采用最大力矩

工作方式具有较好的技术经济指标, 在系统设计上也较灵活;同时由于张力控制 数字化的实现,这种控制系统的调试、维护难度也降低了,而且电 流与张力 枢电 无对应关系的问 题也得到解决,从而最大力矩式间接控制较电流电 势复合控制应
用更广泛。

间接张力控制系统中没有张力检测元件,对张力的控制是通过对卷取机构的     

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物理方程进行静态、动态分析,从中找出 影响张力的所有电 气物理量,对这些物
理量进行控制, 从而达到恒张力控制的目的。 根据不同的物理量采用不同的方法, 一般有电流反馈、电枢反电势反馈、卷径反馈等。

由于间接张力控制涉及多个参数的控制,一般需采用多闭环的控制方式来实     
现。这种恒张力控制方式的优点是减少了张力辊及相应的检测元件,降低了系统 成本,控制稳定性好;缺点是控制方式更为复杂,控制精度相对地比直接张力控 制方式的低,存在稳态误差【 刘 。

间接张力控制一般的做法是由 L计算设定张力及钢卷的动态卷径,      PC 再精确计

算出 力 矩M.惯 加 减 力 D 空 力 即 线 磨 力 ) , 张 力 , 性 / 速 矩M 及 载 矩( 非 性的 擦 矩 城 、
将它们的和作为电流内环的力矩设定值。此种方法控制精度依赖于算法及控制器
本身的运算速度和性能, 如浮点计算的精度。 高性能的控制器和PC L一般都能取得
比较满意的控制效果。随着计算机技术、变频器技术发展,闭环控制的张力精度

有了很大的提高,可以达到直接张力控制的精度。 3      .复合恒张力控制方式
复合张力控制是直接和间接控制的结合,即复合恒张力控制方式是在间接张     

力控制方式的基础上,再增加一个张力闭环,形成一个三环控制系统,由计算机
来实现张力控制律的计算、卷径计算及记忆和时变参数补偿等。该控制方式优点

是不仅具有直接张力控制的精度,还具有间接张力控制方式的快速性能和跟随性 能,克服了模拟张力控制系统精度低,动态补偿效果差的缺点,具有间接张力控
制响应速度快、稳定性好,直接张力控制系统精度高、无稳态误差等优点。缺点

是投资成本大, 控制方式更为复杂, 另外这种控制系统还有很多不完善的地方, 。 一 ] 7 2
本课题的卷取机张力控制系统采用间接张力控制方式。     

44卷取机张力控制基本原理概述 .
卷取机将彩涂钢板卷绕成筒形时,由      于对产品质量的要求,必须使彩涂钢板 的张力和线速度为一恒定值。 于卷径是逐步增加的, 由 为了保持卷取张力恒定,也
就是卷取的线速度应保持恒定,需要在卷取过程中改变卷取电 机的速度,相应降 低卷筒转速,最终要实现速度的精确控制侧 。

卷 机 取张 电 机力 产生 且以 动 枢电 、 表 卷取      力由 动 矩 , 电 机电 流I来 示。 机 取 卷

第四章 卷取机张力控制基本原理

电机力矩平衡方程式如下:

M ,  +MD          =  MT +城 又 Mm      , I =C ( d D

(.) 45
(. ) 46

式中: M      — 电 机电 矩; m 动 磁力 MT 建            矩; — 立张力 所需的 力力 张
MD 加/            — 减速下的 动态力矩;

Mo 空 矩( 摩擦力            ; — 载力 即 矩)
c— 电            。 机力矩常 数;
中— 磁通;             

I— 电            d 动机电 流。 枢电

为了      析, 便于分 先忽略 速过 加减 程中的 态力矩M 、 载力 动 D 空 矩M ,认为卷 n 取电 机的电 矩人m 卷 矩MT 即 磁力 f等于 绕力 ,
儿 _二 1 一 空 .

_ D       
2             

(.) 47

式中: D 一钢卷直径。 - 一 带钢线速度:
兀            Dn
v=         

(. ) 48

6i            0

式中: 一

电动机的转速;

i 电动机至卷筒的减速比。          —

由式(.  (.  (.) 46,  7,  8得 ) 4 ) 4

T 2mI = ( CD d D         
_2 , I C (d D

6v 0i
刀们   

2n . , ;C 侧 z
6v 0i

(.) 49

电动机电枢电势 E C 中n      =  Q (.0 4 1)

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(. 1 4 1)

式中: C— 电 机电 动势常数。 将式(.1代入式( 9中,得 4 1) 4) .
T=

2n m 式 nC E 1 6v q 0i n

=C 城
E - v
   几

( 1) 4 2 .

一1。 C 式中: C 常数,C 鱼 . —
6i      0 q

假 互 常 , 果 不 ,不 , 带 线 度 变 此 张 T 电 设 一 数 如 E 变 、变 即 钢 速 不 , 时 力 与
可 动 枢电 d 正比 机电 流I成 。也就是说:保持线速度 v不变的条件下,卷取张力 T

以 枢电 、 用电 流I来表示
饭顶 七但).书 也但),即甩稚甩r 1 与市w线迷度 v成正比变化,则 T , r -  r -  i, t  i 也恒定。
又因为     
,、 _ , ,。 _二 I 二__ ,. 。 ‘。, ,、 _ ,_ _ , _ _ 二 _

T 2mI =  D C d

D           

中               

= t .1,.二, ,

U                 

= K ·巾         

(.3 4 1)

其中:K 2 。 = 氏

所以 力 式分析, 要 从张 公 只 保持电 机电 流I恒定, 使电 机的 动 枢电 d 并 动 磁场
) 4跟随卷径 D 变化, 使 保 不 , 且 里 持 变 或者保持电动机的磁场中不变,并使电动

第四章 卷取机张力控制基本原理

机 枢 流d随 径 变 , 使d持 变 就 以 到 张-一取一目 电 电 i 卷 D 化 且 I 不 , 可 达 恒 力 -的 跟 保 卷 D                               -
的‘ 。 和

国内      外一些大容量的卷取机采用最大力矩控制系统来保证卷取带钢的张力等

于设定张力。 这样就使得电动机励磁的调节与钢卷的直径变化无关, 仅仅决定于 电 动机的转速,按基速以下保持满磁,调节电 枢电 流,以 需要的力矩作为电动机 的电 枢电流基准;基速以 上弱磁升速控制,调节磁场强度,以需要的功率作为电
动机的电枢电流基准冈 。

最大力矩系统类似一般的主传动机架调节系统,在电动机的基速以下一直保      持满磁场运行,高于基速时逐渐进行电动机的弱磁调节。在选择电机时电动机的

弱磁范围不由 卷径变化范围 所决定,因而在电机选择上有了 较大的灵活性, 特别
是在基速下电动机一直在满磁下运行,因而获得了最大力矩,在同样电机的容量 下带钢张力可增大4%左右,电机获得充分利用。另外,采用最大力矩系统,电 0

机在起动、制动时总是在满磁下运行。 它同 机架组成的联动系统中, 无论在静态
还是在动态彩涂时都充分利用主传动的过载能力,从而缩短了起动、制动时间。 采用最大力矩法的控制系统特性有两个工作阶段:     

第一阶段:      恒定最大磁场,即零速至基速的额定磁场段。此段电 动机满磁工

作,即中恒定, 动机电 压调 调电 枢电 速,电 流I必须与卷径D 例变化, 枢电 d 成比
。 ‘ 1 。,_ _ , ,, _ L
刀         

, ,_ 二 r ,_ _ 。_ , ._ 即便 告 保 狩 小艾 , 电动 T 叫以 I ) L 出最 大力 矩  o

第二阶段:      弱磁, 即基速至最高速段。 这段是弱磁调速, 电动机的电势E 保持

恒 ,枢 流 带 的 速 成 例 即 I 持 变 此 段 机 以 出 定 电 电 与 钢 线 度 比 , 使d 不 。 阶 电 可 输 保
最大功率。

v                                           

最大力矩系统具有如下特点:     

1由      . 于卷取电动机能处于满磁场运行, 可产生较大的力矩,较大的张力,

它较电 流复合调节系统所能 势电 产生的张力大1 }1 倍1 .  . u 2- 3 , ;
2由      . 于电动机调速范围不受卷径变化的限制,可用于卷径比大的卷取机。
当卷径比大于3 采用最大力矩系统可以选择较小的电动机, 时, 可降低电动机容量、 飞轮力矩和投资费用1? ,〕 ” 。

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最大力矩控制方式,即由PC      L 计算设定张力及钢卷的动态卷径,再精确计算

出 张 矩M 、 性 / 力 。 空 矩( 非线 磨 力 M , 建 力 T 惯 加 减速 矩M 及 载力 即 性的 擦 矩) o  将 们 和 电 环的 矩 值。 动 实 输出 电 d 括 静 它 的 作为 流内 力 设定 电 机 际 的 流I包 产生 态
张 所需 态电 力T 静 流人、 加 减 态力 所需电 , 克 克服 / 速动 矩 流I 、 服摩擦 矩所需 力

电 a【 流I 气 等
本课题的彩涂生产线卷取机张力控制的实质就是通过对相应变频器力矩电流     
给定值的调节实现卷取机的恒张力控制。 卷取机控制系统电气原理图如图44      - 所示。

图44卷取机控制系统电气原理图          -

F .4 ci l c ld g m cir tl e i4 E tc pnie  r o oecnos t g - l ra r p i a f  o r y m e i a l s

45卷取机卷筒上的动态卷径的计算 .
在卷取机张力控制中,      带钢线速度给定、 张力电 加/ 流、 减速动态补偿电 流等 都与钢卷卷径D 有着直接关系, 卷径计算的精确程度直接影响到张力系统的 控制精
度国口

在彩涂生产线出口段中的6 S      # 辊及卷取电机的轴上各装一台脉冲编码器,在

不考虑打滑的情况下,由 # 辊与卷取机卷筒之间的带钢建立有张力,同一时 于6 S 间 段内 通过6 S # 辊的带钢长度和卷取机卷筒卷取的带钢长度相等,因 此,卷筒上

第四 卷取机张力控制基本原理 章

的钢卷直径的瞬时值可借助安装于6S #辊电机和卷取机电 机轴上的脉冲编码器12 ,

测出的各自电 机的转速值来计算, ,原理图见图 -0 45
6 辊                  #5 出口斑转 向奏D辊 }

减速器2

脉冲编

卷取机电机

图45卷取机卷筒上的动态卷径的计算 -
F .5 cli odnmc m t o cir e i4 C l ao f a id e r oer l g - a u t n  y i e f  o r a l l
v=v , 2
z , D 月1

(.  4 1) 4 (.  4 1) 5

v=一 ; , 不
} nn, D

v= 2

' z

( 1) 4 6 . 



D =D · · D Sn 瓮 Z

(.7 4 1)

式中: V 6 S 沿点的 速度, 位为 /i; , # 辊边 - 线 单 m n m

v 卷 机 筒 沿点 线 度, 位为 / n        边 的 速 单 m i i — 取 卷 m;

n -S 机 转 ;       的 速 . 6 辊电 一一 #
叭 — 卷取机电机的转速; 几
一 6S 一 # 辊辊子直径;

D — 卷取机卷筒上 D 钢卷直径;

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一一 # 辊减 器减 一 6 S 速 速比 , 1 ,i 6 = ;
— 卷取机减速器减速比,礼 68. =1 8 . 

46卷取机张力补偿控制和变频器力矩电流给定值计算 .
461西门子6E0 .. S7矢量型变频调速器和PC L简介
变频器调速是集自      动控制、微电子、电力电子、通信技术于一体的技术,它 因很好的调速、节能性能 在各行业中获得了广泛的应用。 L是近年来发展极 PC

为迅速、 应用面极广的工业控制装置,它具有体积小、组装灵活、编程简单、抗 干扰能力强和可靠性高等优点。 现代工业生产的许多领域将变频器与PC L相结合使
用,借助于P ( M) C或HI,可以对自 动化设备进行智能控制。随着网络技术的发展,

PC L既可以 独立地对自 动化设备进行控制, 也可以 作为工作站与整个工厂网 络系统 的各个单元进行信息交换,有利于 “ 无人化” 工厂的实现。
根据彩涂生产线对传动的控制需求,在该生产线的主传动系统中,所有的交     

流变频调速电 机的 驱动单元均选用西门 SEES的 S7系列逆变器。 子( MN) 6E0 工 西门子矢量型变频调速器6E0 具有以下特点:      S7, 工业型变频器, 比通用型产
品更适合于环境恶劣的工业生产现场;标准化及模块化,整个变频器的结构非常 紧凑,主板及扩展板都是通过总线插槽连接;抗于扰性好,运行可靠,不受元器
件老化和温度漂移的影响,能长期保持稳定的控制精度;适应电源电压波动范围 广,能自 动适应电网频率变化 ( . H) 4 6 Z ;具有很强的自 5 5 诊断处理功能,提供有 关故障原因的补充信息, 使故障排除更为简单, 维护方便: 灵活多变的通讯能力,

可采用US PE T PE, FBSD,  , OIK S, R  ER POIU-P CN SMLN等多种方式通讯及联网; E O  R A I
3位CU 2 P全数字控制, 组态功能丰富; 可针对具体交流电机进行优化, 以达到优良
的控制性能;低速时也能提供额定力矩。

SEES      S7变频器系统克服了 工 N公司6E0 M 许多交流调速方式的弱点,可实现多种 组合和控制方式, 其容量大、精度高, 速度可自 动切换。由 I ES 于SE N公司6E0 M S7 变频器具备优良、 方便、 可靠的调速性能,从而在工业控制领域得到日 益广泛的
应用。

SEES      6E0 I N公司 S7变频调速系统遵循恒力矩负载的恒压频比 M 调速, 使交流异
步机气隙磁通不变,低频时,提高定子电压,补偿绕组压降,保持恒定的电势频

第四章 卷取机张力控制基本原理

 率
 』



 

 』

-f

由函数发生器来完成,从而保持恒力矩恒磁通调速。

SEES  VR 6E0     IOET  7变频调速系统主结构包括整流单元、 I N SM M S 直流环节、 逆
变单元等三个主要环节。 整个系统包括外辅2伏D电子电源、进线端、出线端、 4 C 参数设定单元、选键板接口、操作面板接口、控制总线接口、开关量输入端口 及 模拟量端口。针对复杂工艺控制过程,主控C板可进行拓延, U 进行同步控制、串 行通讯控制、网络通讯控制、测速机闭环控制。 通过对主通道以及辅通道进行分析,      便于充分解析6E0 S7变频调速系统的控制

方式。 主设定( i st n) m n  pit可进行4 a e o 种频率的释放,频率值存放于P2至P2 41 44 参数中。 主通道也可由 模拟量A完成给定或通过通讯CS.  SI E BC B及ST完成。 1 同样,
辅通道设定P2,也可完成与主通道设定同样的功能,主通道与辅通道可以 48 独立 工作也可以叠加完成频率给定。

462惯性加/ .. 减速动态力矩的计算
我们知道,6 辊与卷取传动电机是两套装置分别驱动,彩涂生产线上一般      #S 是以6 辊的线速度作为卷取电机的速度基准。严格来说,稳定的彩涂钢板卷取 #S 是不可能实现的,这是由于带钢在卷取过程中,卷筒的卷径将逐渐增大,甚至达 到原卷径的两倍以上,对于钢卷来说,卷筒的转动惯量变化很大。当系统有加、

减速指令时,由 于卷筒的转动惯量不同( 即为变量) 且卷筒的转动惯量大于6 S , #

辊 转 量, 致 取 卷 边 的 速度v 跟 上 # 辊 沿 的 的 动惯 导 卷 机 筒 沿点 线 2 可能 不 6 S 边 点 线 速 , 变 带 / 速因 统 械 性 产 动 矩, 致 波 〔 度v 化, 钢加 减 系 机 惯 会 生 态力 导 张力 动1 的 0
为了消除这种干扰因素,在系统加减速过程中,必须在变频器调节力矩给定      电 流时加入动态补偿电流部分,即对卷筒的惯性进行补偿,以 补偿张力损失值,
也称为动态力矩补偿I习 a ’。 」 电      机拖动的动态力矩:
M n J = — 十一 “ 犷 — 一    d      p t  2  d  (

_  . 2         J d c m   o d

( 1) 4 8 .

式中: J 卷取钢卷的转动惯量。 -

用式( 1) ( 8计算时,( 4 . P 角是用度( 来表示的, 。) 而且变化范围 ^30 在。 60。
为了公式推导的需要,用增量形式来表示动态力矩,即

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匆 n  J - —
一   

  2 ,          △仍 .田
At



( 1) 4 9 . 

同时 把J .。也用增量形式表示,即

D一 ( 2  J 0D G)
4m =

4          g

( 2) 4 0 .

I .八n T
6 0

( 2) 4 1 .

式中

9    重力加速度。 —

把上面2 式代入式 ( 1) 4 9 ,得到用增量形式表示的动态力矩: .
MD

尹G24+ _.旧D) _ D .    止 △ 2 n
35  t 2D    A   g 7 
△        p

(. 2 4 2)

因为v t r =  ,所以 o·
4v
— 二二 二r

切 一配

 +  
   口

Ar 一山
(.3 4 2)

At

把角速度增量4o 2 · n <= z O 代入上式并简化, 得
6 0

O    6   O n  0  v
At  2 r  4t    n




△r
.一

r  At

(.4 4 2)

接来导 下 推 竺: △t               
考虑在△ 时间间隔内,带钢半径从r t 变到r O 带钢总的卷取长度变化值: +  r
A =2r  r 一2 r s  ;(+O ) n r
= 27 4 r  r

(.5 4 2)

钢卷的线速度变化值:
4 =c (+h 一cr v o  ) o  r

n 卜

v - r
曰 认

(.6 42)

— 式中: h 带钢厚度。
由A =A *t s v  ,结合上两式得 A

第四章 卷取机张力控制基本原理

(.7 42)
6 v 0

把式( 2) 4 7代入式( 2) . 4 4,且n . =
4n  6        h '    0  Av 10 v 2
二二 _ 二 .一

则得

_

八t

过)

At

, D3 r 2

(.8 42)

现 推导 ( 2      式( 2 中的△G 2的 达式: 考虑G , 在来 4 ) . (D ) 表 在 D 变化时 只 , 要计及
0-6’中的变化, 30 而在这个区域中, 卷筒上只有一层钢卷的G 2 D 发生变化, 所
以此时的G Z D 变化为:

0G 2= (D )

· · D +( 2) G [ 2 D一 h2 ] , - , D一 h ]「 , D一 h2  丝 [ 一( 2) · +( 2) D 2 。 ]
(.9 4 2)



式中: 〔一 钢卷卷一圈增加的质量 卜

G 鲤 .D 一( 2)] = [ , D一 h2;

p 钢 度, = .  0k  ; - 卷密 取p  8  ' /3 7 X  g 1 m 
b 带钢宽度。 —

将△G 2化简得: (D )
0G 2=丝 . D 一( 2) (D ) [ 4 D一 h ] 4  考虑到p 角的变化范围为0 - 0 ^3 0,所以 6
6口 0 △ p= 3 0 一 0 30 60 2r )

(.0 43)

(.1 43)

这样, 可求得G 2 的 O 随尹 变化,即

A D) ( Z  G
△    p

·D 一( 2) [ ‘ D一 h ] 0

(.2 4 3)

把式( 2) 43) 4 8、( 2代入式( 2) . . 4 2后,得 .

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MD

6G 0 D'


10 vG 2h2 D2

二二

3 5[   / D 7 D

3z D 7 '' 5D
[  (。 2 4 D4 D 一h ] D一 ) 
(.3 4 3)

一 「于了尸 丁 ’ 丁一 3 g D    D 2  Q

. pv b2

又因为

G , G , G 2 D2 D 二 D + D2 , 2 +G

一D+D+ D D) G2G2  (兰 o  ,  )SD a ,r p b
4 ) 其 : D2 TS D 0, 以 理 中 G, p (兰D 所 整 得 = bD 挂             
0 M =( 6 35D 7) D c
一 — 「

8                                     

(.4 43)

10 v 2h 2

352  7T , )D'
J」 一 「

) [ + O ·G, G2 D 2 2

.p ( ‘D4 : pv I, D -h ]  (3 r D ) S D一 0  . b2 D 4 b ) 、 一( 2 ' )     45 .) 3 夕 _  2 D     2
SD D (.6 43)

MD =

式中 MD 卷筒上的 态力 : — 动 矩; MD 折算到卷取机电        — 机轴上的 卷筒的 钢卷的动态力矩; ,    机 — 械传动 得效 取q  9 装置 率, = .  0; i    卷 机减速器 速t 2  .  2 — 取 减 匕 = 68; ,i 1 8
G 2 折算到卷取机卷筒上的整个系统的飞轮惯量; D—

G ! 折 到 取 卷 上 卷 机的 轮 量 为 数; 。 — 算 卷 机 筒 的 取电 飞 惯 , 常 2 G2 卷 机 折 到 取 卷 上 飞 惯 , 括 筒 减 D2 — 取 械 算 卷 机 筒 的 轮 量包 卷 和 速
机,为常数;         

G , 钢 的 轮 量: D2 — 卷 飞 惯

P— 卷 度 取 一. 1 g '    钢 密 , P 7 X0 k m; 8 '  /
b—    带钢宽度; S—    带钢卷取的充填率,与钢卷卷层致密程度、卷取张力有关,
取S .  . ;            =O8 -09 5

D    钢卷的 D 动态直径, 从式( 1) 可以 ( 7计算得出; 4 .

第四 卷取机张力 章 控制基本原理

D — 卷取机卷筒的              o 直径。
式( 3)      ( 6表明:当带钢的品种、规格及卷取工艺确定以 4 . 后,影响惯性力矩的
因素只有卷取速度v 及其变化率和卷径D而卷取速度v , 及其变化率是由生产工艺给 定的, 另外理论上卷径D 式( 1) 可由 ( 7得出, 4 . 因此可以得到惯性力矩的一般变化规
律。

.中 3 又 于一 ·, ·,的 位7m时 所 式46 的 可 通 由 v二 n D( 单 )/n) 以 ( ) 业 以 , s  mi v t                     
过如下图46 - 的系统结构图得出。

dt                    

图-计 业的 统 构 4 算 系结图 6                    dt

F-一ttrgolt瓮 i 二y suim a g s re f n . e u da cl 4 m  a a i 6 c r co t u
#S 图中:D — 6 辊辊子直径; , G 一 - #5 一 6 辊电机的转速;

i 6S 机 减 。 , # 辊电 的 速比 一一 由 机学公式 知:MD  dI, 入式( 3 得 电 可 =吼 >  带 D ( 6 4 ) .
1 =— { ( i m      2 呱 35D 7) D d r t
十 一‘- ̄ 止 奋 ̄ 二--- 二‘二夕」 十

6     d    0  v

3 5r D 7 )` D

2 1V)L +G2 2 2 .D D2 0 h G,
[ 一 D-h ] (3 几‘ (D2 4  4 7 )} .)

: S 0 D<  . 加V wb( 一 ), D 、 Z

3g D 2 D_  P     D2

从 式( 3 就 得出 现 态 偿 需的 态 制电 流儿,     7 可 实 动 补 所 动 控 枢电 公 ( ) 4 . 将几加
入到卷取传动电机的电流调节器( R的输入端,就可实现卷取系统在加/ A) C 减速过
程中所需的动态力矩补偿。

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463惯性加/ .. 减速动态力矩补偿电流的计算
由于在本系统中采用西门 S7系列矢量控制逆变器作为交流电机的驱动      子6E0

单元, 所以对交流电 机的力矩电 流和励磁电 流实现了 很好的 解祸控制,对交流电
机力矩电流的控制可以像对直流电机那样操作。 由于交流电机基频以下属于恒力矩调速性质,      基频以上属于恒功率调速性质,
因此对力矩电流的控制应分为非弱磁段和弱磁段两种情况考虑。

动态力矩补偿电流计算程序框图如图47      -所示口 动态力矩补偿电流计算步骤:      首先对卷取机电机当前转速n 进行采样, 然后与

电 额 转 。 较。 转 采 值 电 额 转 , 机 非 磁 机 定 速n相比 当 速 样 低于 机 定 速时 电 在 弱 工作
段,此时电机的额定力矩不随转速变化;当转速采样值超过电机额定转速时,电 动机进入弱磁工作段,额定力矩与转速有关,电机具有恒功率特性,需对电机在

该时 提供的 刻能 额定力矩进行计算, 额定力矩MQ 即

其中, P为额定功率,

o 该时 速1 c为 刻转 4 , 1 。
因为西门子该系列逆变器的力矩电流的给定值要求以电机额定电流的百分值      给出, 在计算出额定力矩值后利用下式可计算出动态力矩补偿电流的百分值: 所以
I   D  Mo I MQ p     (.8 4 3)

其中 MD 惯 加 速动 力 M 值 式( 3 求出。 : — 性 减 态 矩, 。 可由 ( 6 4 ) .

第四章 卷取机张力控制基本原理

开始

电机转速检测

是否大于 额定转速

额定力矩计算:
Nl e= 了丁一

P        e

W t           

额定力矩m e 为电机铭牌值
动态补偿电 流计算:
I M n D
I e M e

结束
图47动态力矩补偿电流计算程序框图 -
o i ue F .7 cli fw g m dnmc o et  pnao cr n i4 Cl ao l d r o ya im m ncm est n r t g - a u tn  i a f  o a

464建立张力电流的计算 ..
建立张力所需力矩:

丛 佩

M, -

(.9 43)

式中:T— 张力 艺 值( 前 据卷取 钢板的 指标经计 D 工 给定 由 面根 机和 性能 算

可            得出几= 5 0 ; 30) 0N
D        D 钢卷的 动态卷径;

7 1 机 动 得 率, = .        置 效 取, 0 ; — 械传 装 9 i 卷 机 速 减 匕 2 .       器 速t i 1 8 2 — 取 减 , =6 8 由 卷 机卷 上 绕的 钢 径D 在不 的 化, 保 带 力 的 于 取 筒 卷 带 直 。 断 变 要 持 钢张 T 恒

广 东工业大学工学硕士学位论文

定, 需对电 机的张力电 流进行动态调整,调整方法与动态力矩补偿电流计算步骤 相同,即也需考虑电 动机工作在非弱磁段和弱磁段下的不同特性, 确定额定力矩

MQ 值。
因为西门      子该系列逆变器的力矩电 流的给定值要求以电机额定电流的百分值
给出,所以在计算出额定力矩值后利用下式可计算出张力电流给定百分信:

/J’ 岭 Ie 一从

 --  

TD ,D 2i g Me 2

(.0 44 )

465空载补偿电 .. 流的计算
电 机 载      矩M 由 械空 损 力 0 带 弯曲 矩M2 部 动 空 力 。 机 载 耗 矩M , 钢的 力 0 分 和 等
组成,可见影响空载力矩的因素,包括转速、张力和钢卷重量等。

空 损 力 摩 矩M , 生比 复 可 其 为 摩 和 摩     矩即 擦力 0 产 较 杂, 将 分 静 擦 动 擦。 载 耗 的
静摩擦主要表现为卷筒由静止到转动过程的摩擦;卷取超薄带钢时,在电机刚启
动时进行补偿,启动后要去掉补偿值,具体值可在实践中摸索。动摩擦的来源包

括电 机的空载摩擦, 它与电机转速有关, 和在彩涂线上各设备作用于带钢的摩擦,
它与实际线速度也有一定的关系。

带 弯曲     矩M 2 电 机力 一 重, 与带 度的 方、 钢宽 钢 力 0 动 矩的 定比 它 钢厚 平 带 占
度、带钢屈服极限成正比,带钢屈服极限与钢种、带钢材质有关。带钢弯曲力矩 补偿量可按下式计算:
M1= 2

b  l 些UX_          hS  兰 o 2 ,  

(.1 44)

式中: b 带钢宽度; —
】        1 带钢厚度: —

。— 带 的 服 , 般 。=4/        限 一 取 s  N o : 钢屈极 1 M2  0
因为卷取机在转动时有摩擦力,即      存在摩擦力距,所以 必须进行空载补偿。 卷取电 动机在从静止到启动的瞬时要克服最大静摩擦力,其冲击电流可以 通过如 下方法测定:先把电 机电 流限幅值给到零, 再将卷取机置于点动状态, 然后逐渐 加大电流限幅值, 直到电 机运转,此时的电 流值可作为空载电 流曲线的第一点。 通过实际测量电动机在不同转速下的空载电 流值,加到PC L的空载电 流补偿表中,
这样可以建立空载电流补偿表。在实时控制中通过查空载电 流补偿表得到该转速

第四章 卷取机张力控制基本原理

下对应的空载补偿电流。

因为西门 E0      S7系列的逆变器的力矩电流的给定值要求以电 子6 机额定电流的

百分值给出, 在测出 空载电 流值I 后利用式I , a 可得到空载补偿电 流的百分 一,一 - 所以 - ,-- 一 ” Q
值,造表后PC L供查询用。

,, 、                              . _ _, __. 。 _ 、 I _ _ _一 、 , 、 _ , _. 、 ,、 、, 1 , 、

将式( 3 、式( 0得到的动态力矩补偿电     ) ( 4) ( 8 4 . 4 . 流百分值、张力建立维持电流
百分值与空载补偿电流百分值相加后所得到的值作为逆变器的力矩电流给定值百
分值 :
1 - 入

二 T o   I+ + o I I
几    I I Q  Q   

(.2 44 )

这样,      为了消除带钢加/ 减速时因系统机械惯性产生的动态力矩以及空载力矩

等 扰因 的 响, 变 器 节 矩 定电 时 入 态力 补 流I和 干 素 影 在 频 调 力 给 流 加 动 矩 偿电 。 空
载 耗补 流7, 对卷 动 动 损 偿电 0 即 筒的 态转 惯性进 补偿,以 偿张 损失 最 行 补 力 值,
终就可以实现卷取机恒张力控制,为下一章的卷取机间接张力控制系统设计打下
坚实的理论基础。

结 论                                   
-  ̄ . - . 一 - . - 曰 .. .口旦 坦 旦月 旦 旦 旦 旦旦 旦旦 旦毕 旦旦 坦旦 旦旦 旦旦 旦 旦 旦 旦旦旦 旦竺 竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺导 巴巴巴巴巴巴巴巴巴巴绝三三巴巴巴巴巴巴毕 里巴里

结 论
1 .主要研究工作总结
本课题来源于 “      广东韩江钢板有限公司2 彩涂生产线电控设备设计和制造” # 项目。采用间接张力控制方式的卷取机恒张力控制系统,控制精度高,系统易于

实现。 广东韩江钢板有限公司2 彩涂生产线卷取机张力控制系统己 # 经于zo年I os
月正式投入使用。卷取机的张力控制作为整个彩涂生产线控制系统的重要组成部

分,经实践证明取得了良 好的控制效果。
本文以彩色涂层钢板生产线中的卷取机为研究对象,对卷取机张力控制的方     

式和实现进行了研究和探讨,并进行了相应的仿真实验,取得了一定成果。
主要研究成果如下:      1      )对卷取过程中的惯性加/ 减速动态力矩和空载力矩的补偿作了比较详尽 的分析和研究。动态力矩和空载力矩的补偿减少了系统在加减速动态过程中的张
力波动量。

2      )把计数精度高的 脉冲编码器用在卷筒卷径的 计算上, 克服了传统的半径
跟随臂测量卷径、位移传感器接触测量卷径等方法的缺陷,保证卷筒卷径实时计

算的准确性,提高了张力控制精度。
3      )对卷取机张力控制系统的控制原理进行了仔细分析和研究,获得了卷取

间接张力控制系统的PD 工控制算法。 在选定间接张力控制方式下, 建立了系统的数 学模型, 并按照工程设计的方法完成了电流环、 速度环等各环节的PD I参数整定工
作, 使得卷取机可以在调速状态下工作。 在间接张力控制下, 采用最大力矩方式,

提高了系统的性能。实践证明:卷取机间接张力控制算法能够保证系统的张力控 制精度,克服在卷取过程中系统参数变化带给系统控制精度和品质的影响。

4 MT B S UI     A中的 I LN建立卷取机间 )用 AL M K 接张力控制系统的 仿真模型, 并进
行了仿真研究。

2 .有待进一步完成的问题
本课题研究的卷取机张力控制是彩涂钢板生产线中的一部分,是通过间接张

广东工业大学工学硕士学位论文

力控制来实现。由于系统的复杂性, 仍有如下问 题需要进一步研究。
1      )对卷取机张力控制系统的自 增益调度PD I控制算法的稳定性从理论上未
作论证和研究;

2      )对系统进行进一步的 深入研究,建立更适合实际的系统仿真模型,以 便
于对整个卷取机系统进行更加精确的分析; 3      适应模糊控制器、神经网络控制器等新控制方法,从方法上进一 )研究自 步提高系统的动态性能和静态性能。
4      )研究新的张力检测方法或者手段,从而提高张力控制系统的控制精度。

5 于彩涂生产线全线设备众多,      )由 各个设备的控制方式各不相同, 各个系
统之间存在相互联系、相互影响的复杂关系,所以卷取机张力控制系统并不是独 立的控制系统,它与钢板厚度控制系统、板形控制系统等系统之间存在着一定的 联系。在本课题中并没有深入研究这些领域,因此对张力的各种补偿控制没有进
行更详细的设计。

攻读 学位期 间发表 的论 文

攻读学位期间发表的论文
1 黄宁,王钦若,张均 彩色涂层钢板生产线的卷取机张力控制. . 扬州大学学

报 自 学 ) 2 5.   然科 版 , 0 . ( 08
2 谭智晖,王钦若,黄宁. . 基于 U S的 P C和变频器通信的应用研究. S L 扬州大

学学 ( 然 版 , 05      科学 ) 208 报自 .

广东工业大学工学硕士学位论文

独创性声明
秉承学校严谨的学风与优良      的科学道德,本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以

标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人己 经发表或撰写过的 研究成果。与我
一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明,并表示
了谢意。

本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的,论     
文成果归广东工业大学所有。

申      请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任,特此声明。


指导教师签字:



Al l }
身   

论文作者签字:

20 年 5 8日 06 月

致 谢                                 
巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴巴 巴 巴 巴 巴 二 巴巴巴 巴 = = = 二 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴巴 巴 思巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 二 巴 巴 巴 巴 三 巴 巴巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴巴 巴 巴 二 二 二 二 二 二 二 二 三 巴 二 二 二 二 二 二 二 巴巴巴巴 巴 巴 巴 曰 三 巴 巴 巴 巴 巴 巴巴 三 巴 巴巴巴巴巴





本篇论文的研究工作凝聚着多方的关怀和支持,在这里特向那些给予我无限      关爱的老师、父母、师兄弟妹们、 朋友及同学致以我最诚挚的感谢。

首先要感谢导师王钦若教授的悉心指导和关怀,感谢王老师在我三年研究生      学习期间生活上的关怀,学业上的教诲。导师渊博的知识、丰富的实践经验、求 实科学态度及忘我的科研投入精神,都值得我毕生学习,同时也要感谢李军、杜
玉晓老师对我的指导与帮助,还要深深感谢学院领导和老师对我在学业上的教诲
指点及帮助。

感谢三年来与我朝夕相处的挚友同学:谭智晖、张均、邱涛、吉杰、张敬春     

等;师兄龚大纲、郑伟、钱晨、师姐张慧及师弟王煦芳、王宏斌、曾永荣、严兴
华、潘永平、师妹张有凤,是你们让我的思维更活跃,让我焕发着无穷的青春活
力。

感谢父母和哥哥多年来对我的培养与教育和对我学业的鼎力支持与鼓励,使     
我能顺利完成研究生学业。 感谢培养我的广东工业大学 自      动化学院!

广东工业大学工学硕士学位论文

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