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热轧卷取机的张力控制


《 冶金自动化》 "$$& 年 1"

热轧卷取机的张力控制
" 于长志!, , 崔桂梅! , 李德刚"

( !# 内蒙古科技大学 信息工程学院, 内蒙古 包头 $!%$!$ ; "# 包钢薄板坯连铸连轧厂) 摘要: 针对热连轧机组必须保证恒张力轧制的特点, 介绍卷取机自

动控制系统的高精度、 高响应的计算过程以 及自动控制的实现方法。只有通过卷取机相关设备的变结构控制才能实现张力恒定, 最终完成带钢卷取。 关键词: 恒张力; 变结构控制; 超前速度; 滞后速度

!" 引言
包钢薄板坯连铸连轧厂是从德国西马克公司 和西门子公司成套引进的 连 铸 连 轧 现 代 化 生 产 线。该生产线轧机区域采用六机架四辊连轧机组 及两台地下卷取机, 设计产量为 !&’ 万 ( ) *, 轧制范 围为宽度: &’$ + ! ,-$ .., 厚度: !# " + "$ ..。该 生产线 "$$! 年投产, 如今年产量达到 "’$ 万 ( ) *。 在如此高产的情况下, 更要求各个环节的设备必 须达到最优自动化控制。其中热轧卷取机是十分 重要的设备, 卷取机的设备控制水平的高低直接 影响热连轧生产线的产量和带钢的质量。 为了能够深入地了解卷取机恒张力卷取的控 制过程, 对卷取机的张力控制做了仔细地学习和 研究。

为超前速度, 因此, 为了使带钢更好的咬入芯轴进 行卷取, 芯轴的速度也要设定为超前速度, 并且要 稍大于夹送辊的速度。夹送辊咬钢加载后, 夹送
[ "] 辊由速度控制切换到力矩控制 , 使带钢以前向

张力穿过夹送辊。 (0) 芯轴建立张力, 主要是轧机末机架、 输出 辊道、 夹送辊与芯轴之间的张力控制, 夹送辊输出 后向张力以承担一部分卷取张力, 其方向与芯轴 相反。同时, 芯轴由速度控制切换到力矩控制, 通 过调节电机的输出转距设定值, 使带钢承受一定 的张力并以此张力进行卷取。由于带钢已经建立 张力, 为了防止划伤带钢表面, 助卷辊摆开远离带 钢。 (%) 带钢尾部离开轧机末机架, 主要是输出辊 道、 夹送辊与芯轴之间的张力控制, 此时由于带钢 尾部已经离开轧机末机架, 因此, 带钢尾部和芯轴 之间的张力要由速度差来提供, 这样才能保持良 好的卷型。夹送辊承担的后向张力增大, 同时芯 轴由力矩控制切换到速度控制, 以同步速度运转, 助卷辊摆回到设定位置来控制带卷尾部的卷形, 助卷辊与芯轴的距离由预 计 算 卷 径 的 大 小 来 决 定。 (,) 带钢尾部运行到夹送辊, 主要是夹送辊与 芯轴之间的张力控制, 夹送辊由力矩控制切换到 速度控制, 以滞后速度运转, 芯轴开始定位, 最终 带尾定位在 , 点钟位置, 芯轴卷取完毕停止。

#" 卷取机张力控制过程分析
卷取机的主要设备有: 输出辊道、 夹送辊、 助 卷辊、 芯轴, 为了完成带钢卷取, 控制系统必须控 制好相关设备的速度与力矩的实时自动切换, 也 就是说要实现变结构控制。卷取机的张力控制过 程有以下五个部分。 (!) 带钢头部穿出轧机末机架, 到达夹送辊之 前时, 主要是轧机末机架与输出辊道之间的张力 控制, 卷取机为速度控制运行方式, 为了防止带钢 头部跳动, 输出辊道以大于轧机末机架的超前速 度运行, 这样由于带钢前后有一定的速度差而产 生一个向前的张力, 同时夹送辊、 助卷辊、 芯轴均 以设定的超前速度运行。 (") 带钢头部运行到距夹送辊一定距离处时, 即夹送辊窗口, 主要是轧机末机架、 输出辊道与夹 送辊之间的张力控制 / / 收稿日期: "$$&=$,=", ? %>%?
[ !]

$" 控制系统的组成
卷取机为了满足 “ 恒张力卷取” 这一要求, 自 动控制系统由 12.*345 6 和 12.789:( ;*<(9:6:289 变频器组成。12.*345 6 是 0" 位工程设计系统参 / /

, 此时夹送辊的速度已经

作者简介: 于长志 ( !&-&=) , 男, 内蒙古包头人, 高级工程师, 现从事设备管理工作。

《 冶金自动化》 6;;< 年 !6
数产品, 控制软件是应用全图形化 !"#$% & 编写, 软件编写能够充分考虑系统资源和控制系统实时 性要求, 合理分配各程序的扫描时间。 !’()*+, 主要负责完成数据处理、 物料跟踪、 张力控制、 卷 取机辊缝控制、 芯轴膨胀以及介质系统控制等功 能, 在此主要分析张力控制。传动部分采用西门 子公司的交 . 直 . 交变频器, 夹送辊电机和助卷 辊电机是变压变频调速, 控制方式为电压 . 频率 协调控制。当变频器
[ /]

力矩控制曲线来实现的, 卷取机的卷取过程中主 要有两种控制方式, 即速度控制和张力控制, 这两 种控制方式在一定条件下进行转换。卷取机控制 过程可分为 5 个部分。 (/) 自动控制系统读取二级机发送的数据、 操 作台输入的数据和经过实际测量值计算后的带卷 直径数据。 (6 ) 利用这些数据, 计算出电机应输出的速度 值和转矩值。 (5) 设定的速度值和转矩值经过调整后, 送到 传动系统来控制卷取机电机运行。 卷取过程中, 包含三个速度控制阶段, 即超前 速度、 同步速度和滞后速度。卷取机的夹送辊、 助 卷辊以及芯轴的速度依据卷取过程不同而分别配 置有超前系数和滞后系数, 超前系数和滞后系数 可以由操作人员根据具体的轧制情况进行设定和 调整。速度控制情况如图 / 所示。图中横坐标轴 代表同步速度, 横坐标轴上的刻度代表带钢卷取 的各个过程, 纵坐标轴分别是超前速度和滞后速 度, 而超前速度和滞后速度都是以同步速度为基 础。
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接收到控制系统的速度设

定值后, 通过变压变频调速将会适时的向相关设 备输出超前速度、 滞后速度、 同步速度。而芯轴电 机较为特殊, 采用西门子同步矢量控制的交 . 直 . 交变频器系统, 包括 0)1"2#-#’32 变频器和励磁 整流器 ( 全数字处理器控制系统) , 励磁由 /4 位 !’()*+, - 完成计算并通过 !- 直流系统进行调 节。电机带有增量型速度反馈码盘和用于电流模 型计算的绝对值码盘, 调速性能优良, 速度动静态 精度高。

!" 卷取机张力控制
!# $" 张力控制的实现 卷取机张力控制主要是依据速度控制曲线和
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图 $" 速度控制曲线

7 7 力矩控制曲线如图 6 所示。图中横坐标轴代 表带钢卷取的各个过程, 纵坐标轴分别是前向力 矩 ( 电动模式) 和后向力矩 ( 发电模式) 。 下面以从夹送辊加载开始到芯轴建立张力这 一段为例, 结合速度控制曲线和力矩控制曲线来 分析张力控制。带钢头部运行到夹送辊处时, 夹 送辊咬钢称为夹送辊加载, 由速度控制曲线可以 看出从夹送辊加载开始到 芯 轴 建 立 张 力 这 段 时 间, 夹送辊的速度控制器饱和到限幅值
[ 5]

电流调节器输出参考值, 提供用于完成带钢卷取 的反向力矩参考值, 完成了由速度控制到力矩控 制的切换。芯轴在夹送辊加载时是以一个较低的 超前速度运行, 随着带钢进入芯轴、 芯轴膨胀, 最 终芯轴咬入带钢后并建立张力, 速度控制器调节 直至饱和, 同时给电流调节器输出参考值, 提供用 于完成带钢卷取的正向力矩参考值, 完成了由速 度控制到力矩控制的切换, 芯轴进入张力控制方 式, 此时速度控制器开环, 实现了变结构控制。 ?:98?

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式中, ! 为钢卷直径,& ( 为芯轴张力, ( 为芯轴的 减速比 ( % )弯 曲 力 矩。由 于 带 钢 弯 曲 后 的 应 力 作 用, 使得带钢的张力增加, 因此卷取机的力矩给定 值必须克服这一部分转矩。由于带钢钢种不同热 屈服强度不同, 因此弯曲力矩也不同。弯曲力矩 % ) 计算公式: % ) " )% *+ *+,& - ! 屈服强度。 (.) ) 为带钢厚度; * 为带钢宽度; + *+,& 为带钢热 式中,

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(.) 电机和机械损耗补偿的转矩 % / : % / " % 0(1(*2 $ , / - ’ ! (!) , / 为常数, - 为线速度, % 0(1(*2 为静摩擦转矩。 式中, 这部分转矩是由静摩擦转矩 % 0(1(*2 和滑动摩 擦转矩 , / - ’ ! 构成, 静摩擦转矩, 在调试时根据机 械参数随机找出一些位置实测其值, 然后根据变 化规律绘 出 曲 线, 在 系 统 中 根 据 曲 线 进 行 设 定。 而滑动摩擦转矩可以由上式进行动态控制。 加速力矩。在电机拖动系统启动和制动 (! ) 过程中, 电机需要克服负载力矩和加速力矩。对 于卷取机来说, 为了保持作用在带钢上的张力不 变, 需要消除加速力矩对张力的影响, 因此必须对 加速力矩进行计算, 然后作为总力矩给定的一部 分来控制力矩, 以实现张力恒定控制。卷取机加 减速时, 由于本身 .!% 将产生大的张力变化, 大的 (’) 过渡张力变动在产品质量上是不允许的, 因此要 进行修正。加速力矩计算公式: % * " % 34(45 *6+5(*1, $ % 24*, *6+5(*1, (7)
% % " , 3 &/ - &# $ ,[ ! - ! 9 *&/ - &# 2 ! 8 ! 3*6 ]

图 !" 力矩控制曲线

#$ !" 张力控制的理论基础 保证恒张力卷取带卷, 对卷取机动态性能控 制要求很高, 卷取机系统不仅要随时跟随轧机的 速度变化, 而且必须能够控制电动机的转矩随着 芯轴上带钢直径的变化而变化。考虑到卷径的变 化, 卷取机工艺上要求转矩作为参考值。卷取机 张力控制其基本思想是利用对卷径的各个测量值 和预设定的带钢张力来计算转矩的设定值
[ !]

。由

于速度和转矩的计算使用了实测数据, 因此卷取 机设定值的计算过程是一个闭环控制过程。速度 设定计算和张力设定计算都涉及到带卷直径这一 变量, 带卷直径的测量是通过实测的芯轴转速来 进行计算的。其基本公式如下: ! " !# $ % "

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式中, ! 为带卷直径, !# 为芯轴直径, " 为带钢厚 度, $ 为芯轴实测转速。 卷取机自动控制系统通过有效的控制转矩, 快速准确地跟踪指令值, 满足系统提出的各种性 能指标, 包括卷取张力恒定。然而, 在实际的控制 中, 由于转速的变化很可能引起张力的波动, 实现 精确的转矩补偿是跟踪设定值的关键。在卷取机 张力控制中, 根据控制电机的参数, 在自动力矩控 制环节采用了有效的力矩补偿, 使得控制精度和 控制效果满足了系统的要求。系统力矩设定值计 算包括以下几个部分: (’) 带钢张力力矩, 等于电机转矩。为了使带 钢在卷取过程中, 能够形成良好的卷形, 必须在带 钢上施加一定的张力, 张力力矩即是为了给带钢 施加张力而设定的力矩值。张力力矩公式: % ( " &( ( ( ! ’ %) ? ! < ;? (%)

式中, ,3 、 , 2 为常数, / 为线速度, * 为带钢宽度。 由此, 转矩设定值为 %: " %( $ %) $ %/ $ %* (;) 上述补偿参与张力调节计算, 这样加在电机 上的每一点转矩参考值在克服了机械及惯性阻转 矩后, 其张力转矩正好等于电机输出转矩。通过 系统的模型控制, 实现了卷取机张力恒定的精确 控制。

%" 典型卷取张力事故进行分析
%$ &" 带卷松卷 由于张力引起的松卷主要是指带卷的内、 外 圈松卷 ( 外圈松卷还有其它非张力原因) , 如图 . 中的 ( 1) 和 ( )) 所示。其中在层流冷却区域由于 张力调整不当, 如输出辊道速度超前率设定不合

《 冶金自动化》 %779 年 :%
理而造成带卷内圈松卷事故较多。这就需要对图 ! 中的输出辊道速度曲线进行调整, 增大输出辊道 的超前率。同理, 夹送辊超前率及滞后率的调节 也直接关系到带卷内圈、 外圈松卷。 !" #$ 带卷压痕缺陷 轧机最后一个激活机架与卷取机之间的张力 分配不合理, 将导致带钢张力不够, 会造成压痕缺 陷, 压痕缺陷主要是指带钢头部压痕和带钢尾部 压痕, 如图 " 中的 ( #) 和 ( $) 所示。这时需要我们 对图 ! 和图 % 两个曲线进行精调优化, 如果压痕 出现在带钢头部, 我们应该增大图 % 中 (!) 区间的 夹送辊的张 力。即 由 于 夹 送 辊 张 力 是 连 续 变 化 的, 夹送辊张力分配不合理出现的区间不同, 反映 到实际带卷上会造成不同的质量事故。

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图 %$ 有缺陷的带卷

!" %$ 带卷堆钢事故 带卷堆钢事故原因有很多, 其中初期张力分 配不合理导致的堆钢事故较多, 如在张力调节计 算中涉及到的摩擦转矩, 由于这部分转矩是由静 摩擦转矩和滑动摩擦转矩构成, 静摩擦转矩 ! &’(’)# 是在调试时按照机械参数, 根据变化规律绘制出 曲线, 然后控制系统根据曲线进行设定。随着轧 制品种多样化及轧制节奏快速化的发展, 卷取设 备的相应机械参数及规律也应进一步精确计算。 针对这种情况我们对电机和机械损耗补偿的转矩 通过大量的实验数据总结进行参数优化, 以避免 由此造成的堆钢事故。另外, 卷取机各相关设备 的速度匹配不当也会造成 带 钢 张 力 失 控 引 发 堆 钢, 所以依据张力计算的理论必须经过现场进一 步的计算总结, 才能完成卷取机全过程的高精度 张力控制。
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&$ 利用 ’() 诊断系统对张力事故进行分 析
* * 为了保证设备和控制系统安全可靠地运行, 我们利用 +,( ./0#1&& $(’( (#23)&)’)04 获取过程数 据) 诊断系统完成故障检测和诊断, 以便及时发现 故障, 把事故所造成的损失降低到最小程度。下 面利用卷取机芯轴正常状态与故障状态的 +,- 数 据进行对比, 来分析卷取机速度与力矩的变结构 控制。图 5 为正常卷钢时的芯轴参数。 由图 5 可以看出, 芯轴预膨胀时, 芯轴为速度 闭环控制; 从芯轴开始建立张力到卷取机加载这

图 !$ 正常卷钢时的芯轴参数

段过程中, 芯轴实现了由速度闭环到力矩闭环的 变结构控制, 使带钢建立张力; 卷取机加载之后, 芯轴为力矩控制, 参考力矩随着卷径的变化而变 化, 最终实现恒张力卷取。 图 6 显示了卷取机故障状态时的芯轴参数, 由此可以看出在芯轴开始建立张力到卷取机加载 这段过程中, 芯轴能否成功地由速度闭环切换到 力矩闭环对于卷取机建立张力是至关重要的。如 果不能实现速度到力矩这一变结构控制, 如图 6 所示, 芯轴电流瞬间达到 " 777 - 左右, 逆变器跳 ? 588?

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#" 结束语
完成带钢的自动卷取是一个复杂的过程, 要 求必须有一个可靠性较高的自动化控制系统,恒 张力控制是热轧卷取质量控制的一个重要因素, 带卷质量的最重要的标准指标就是可实现的自动 恒张 力 控 制 精 度, 由 "#$%&’( ) 系 统 与 "#$*+,-. /%0.,-)-#+, 变频器系统组成的卷取机控制系统在 实际生产过程中得到了很好的应用, 通过各种参
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数优化配置、 数据网络高效稳定传输, 很好地实现 了轧制过程中卷取机张力恒定控制。 参考文献:
[1] 吴! 麒2 自动控制原理[ / ] 2 北京: 清华大学出版社,

!" #$ !"#$$#%$’& !"#$$#%)’&

13342 [5] 李世卿2 自动控制系统[ / ] 2 北京: 冶金工业出版社, 13342 [6] 李华德2 电力拖动控制系统 [ /] 2 北京: 电子工业出版 社, 57742 [8] 赵! 刚, 杨永立2 轧制过程的计算机控制系统 [ /] 2北 京: 冶金工业出版社, 57752 [ 编辑: 周希章]

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图 !" 卷取机故障状态时的芯轴参数

闸, 卷取失败, 最终导致堆钢事故。

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