鍍鋅鋼板重卷自動控制產能提升研究與改造對策

李德平

（廣州JFE鋼板有限公司）

1 引言

本文以廣州某鋼廠從國外引進的鍍鋅鋼板重卷線為背景，其生產線在投產以來很長一段時間運行效果不是很理想，主要表現在產品的合格率較低，期間廠家多次進行整改，雖然取得一定的效果，但是問題一直沒有得到根本性解決。

2 存在的問題和原因分析

該鍍鋅鋼板重卷生產線流程示意圖如圖1所示。生產線從表象看造成鋼板劃傷的設備主要集中在開頭機夾送輥、2#夾送輥、3#夾送輥、出口轉向輥上下輥等，而實質原因是張力不穩定、速度不穩定等原因造成。下面就生產線運行存在的問題進行分析研究，提出改造措施。

圖1 鍍鋅鋼板重卷生產線流程示意圖

2.1 生產線張力不穩定

生產線作業時，速度越快，整條生產線運行的聲音也越大，經檢查聲音主要來自開卷機。通過對控制程序、參數進行分析研究，發現生產線的張力控制系統只采用簡單的閉環控制，其原理是將速度控制環PI調節器前加載該機組速度的 10%作為速度調節器的激勵值，使速度控制環 PI調節器飽和，這時僅僅有電流調節器參與控制。電流環的電流（力矩）值來自 PLC給定值，控制過程中沒有對開卷機采用相應的動態補償，造成生產線運行時張力控制精度差。

2.2 輥子和鋼板之間打滑

主要表現在鋼板的運行速度與生產線輥子之間速度匹配精度達不到生產工藝要求。如圖1所示，造成劃傷的主要設備包括：開頭機夾送輥、2#夾送輥、3＃夾送輥、出口轉向輥上下輥等。經研究分析認為設備的控制模式不合理。例如：出口轉向輥的控制模式是采用力矩控制模式，其原理是將閉環控制中的速度控制環進行飽和，只有電流環參與控制。在電機電流控制方式中，電機的轉矩始終保持不變，速度會變動。這種模式的力矩是恒定，速度跟隨力矩。隨著生產時間加長，生產線輥子摩擦系數會越來越小，并且有時生產的鋼板需要進行涂油工藝，輥子表面摩擦力會變更小。力矩控制方式在生產線張力大，輥子和鋼板之間的摩擦力大于電機空載力矩的情況下是很好的控制方式，但是實際生產中發現生產線速度超過50m/min時，會出現打滑現象，且對生產的鋼板在線涂油時，鋼板和棍子之間也會打滑。

2.3 開卷機電機力矩控制精度不高

廠家開卷機的控制方式是電流控制，是單一的張力控制，在控制中沒有考慮生產中設備存在的慣量、機械損失等因素，所以在實際生產中會出現張力不穩定現象。開卷機控制原理圖如圖2所示。

圖2 開卷機控制原理圖

2.4 生產線在加減速時速度張力不穩定

生產線在啟停、加減速時，鋼板速度和生產線工作輥子之間劃傷嚴重，嚴重影響產品質量。

3 解決問題的對策

通過研究，本文從兩個方面進行生產線產能提升的技術改造：一方面通過生產線穩定性改造，達到生產線速度穩定、張力穩定，解決因輥子和鋼板之間的打滑而造成鋼板劃傷的目的；另一方面從自動化控制入手，提高自動控制能力及自動控制精度，簡化操作，達到生產線控制穩定的目的。

3.1 生產線穩定性改造對策

3.1.1 開卷機電機力矩控制精度改造

要提高開卷機力矩控制精度，需在原來單一的張力控制系統中，增加對設備轉動慣量、機械損失等因素進行動態補償，而實際上張力控制是對開卷機電流的綜合控制。其控制原理為：開卷機電流的控制是來自PLC電流參考值，電流參考值的計算公式如下：

其中：Iref為電流參考值；Iacc為強制電流值；It為張力轉矩電流值；m為機械損失電流值。生產線在加速或減速的時候，開卷機存在很大慣量，這個慣量給了電機一個較大電流，所以開卷機電機在加速或減速時需要在電機上增加一個強制電流Iacc（開卷機的慣量補償）來補償。其計算公式如下：

其中：J為慣量常數（kg.m.sec2）；GD2為慣量常數（kg.m2）；N為電機轉數（r/min）。

張力轉矩電流It就是開卷機電機力矩值，這里開卷機的電機力矩等于機械力矩（τE=τM）。根據這一原理，其計算公式如下：

根據功能曲線補償機械損失，功能發生器補償曲線的數據是實際測量的數據，需要對不同速度 N（rpm）下的電流變化值Im進行補償，在程序中對電流損失進行速度分段補償。機械損失補償曲線如圖3所示。

圖3 機械損失補償曲線

3.1.2 速度穩定性改造

前滑模塊控制模型建立是對開頭機夾送輥、1＃夾送輥、2＃夾送輥、3＃夾送輥、出口轉向輥上下輥的速度雙閉環控制模型的速度控制調節器(ASR)輸入增加前滑數學模型程序，它主要檢測生產線輥子電流，將相應輥子電流作為前滑控制的門檻值，當輥子運行負載電流值超過給定電流門檻值的時候將觸發控制模塊，控制模塊將按照設定軟化值，以微分方式加載到速度調節器PI調節器上，實現輥子速度的微調節。這種控制方式控制響應快、精度高。其控制方式有兩種：一般情況下是在變頻器上進行參數設置，這種方式簡單，缺點是難維護、修改數據麻煩；而該程序采用的是在PLC上編寫前滑控制模塊程序，然后通過PROFIBUS－DP工業開放式網絡將數據發送到變頻器進行控制，同時將微調數據輸入在HMI上編寫數據管理表。操作可以根據前滑控制系數生產的實際情況進行數據的微調，理想的前滑系數是1。實踐證明這種方法取得很好的效果，改造完成后的前后效果以出口轉向輥為例的效果曲線如圖4所示。

圖4 以出口轉向輥為例，改造完成后的前后效果圖

3.1.3 增強生產線控制信號的抗干擾改造

對于控制信號抗干擾問題在改造前，速度信號采集是從出口轉向輥下輥電機速度反饋信號編碼器進行采集，因信號線傳輸距離遠、現場環境差、出口轉向輥和鋼板之間的摩擦力不穩定等，在生產過程中會造成速度波動。此改造方式是：在生產線2＃輥的一個端部安裝一個被動增量型編碼器，如圖 1中標有“encoder”所示，通過平時對2＃輥的觀察和檢測，2＃輥與鋼板之間的包角大而且該輥子是被動輥，所以輥子與鋼板之間速度基本同步，編碼器產生的脈沖當量精度提高。改造后鋼板長度計算精度、焊點跟蹤精度得到很大的改善，效果明顯。

3.1.4 提高卷徑計算精度，從而達到速度的穩定性改造

針對提高卷徑計算精度，卷取機卷徑計算采集信號在改造前，卷取機卷徑計算采集的生產線速度信號是從出口轉向輥下輥電機反饋編碼器進行信號采集，同時該編碼器的信號需要提供給電機本身作為反饋信號，由于存在不穩定因素，卷取機的卷徑計算精度不高或出現錯誤，會導致鋼板出現抖動、劃傷。經分析將卷取機卷徑計算需要的速度數據由原來的出口轉向輥下輥電機反饋編碼器提供改成轉向輥2＃輥加裝被動增量型編碼器提供，卷取機的速度穩定性得到很好的解決，卷取機速度的穩定可以確保生產線的張力穩定，大大減少生產線鋼板的跳動導致鋼板表面的劃傷。

3.2 完善自動控制技術、簡化操作方法對策，從而達到輔助穩定生產線作用

3.2.1 自動穿帶技術改造

改造前，2＃夾送輥上輥的控制模式是速度模式；下輥的控制模式是力矩模式，而下輥的力矩控制模式的力矩給定是由上輥電機反饋電流提供，這種控制模式只有在鋼板和輥子之間有足夠的摩擦力、鋼板和輥子之間包角很大的情況下是一種很好的控制方式。但該生產線不適合，容易產生鋼板劃傷。改造后，將夾送輥的上、下輥都采用速度控制模式，同時在速度控制模式上增加動態控制模型（前滑控制模型）。

3.2.2 自動穿帶和自動剪切樣品穩定性改造

改造前，3＃夾送輥是單純的速度控制模式，3#夾送輥的速度給定是由2＃夾送輥上輥速度反饋信號提供。因控制方式的原因，2＃夾送輥本身的速度控制精度不穩定，所以也會導致3＃夾送輥的速度控制不穩定。改造后，3#夾送輥仍然采用速度控制模式，但是在速度控制方式中增加了軟化控制程序和前滑系數等動態數據補償。增加了設備運行穩定性。

3.2.3 人機界面改造

L1級機（HMI）改造前，沒有輥系管理畫面、前滑系數畫面、控制方式畫面，每次在更換輥子時，因輥子直徑有可能改變，而需要經驗豐富的電氣技術人員在程序或變頻器中修改參數，否則很容易造成設備故障。改造后，增加以上3種畫面，一般生產操作工即可完成，操作簡單快捷。

4 結語

鍍鋅重卷機組采用全數字西門子控制系統，具有良好的開放性、兼容性，隨著自動控制技術的深入發展，憑借該系統先進、成熟、可靠的技術裝備，相信該自控系統將有著更為廣泛的應用和發展。重卷機組改造后，產品質量會因本系統的高效管理、先進功能、精確控制而大大提升，并節省成本。

[1]顧繩谷.電動機拖動基礎[M].北京:機械工業出版社,2004:16-18.

[2]孫瑞均.轉動慣量的測定[J].冶金自動化, 1995, 19(4): 16-19.

[3]郭立偉,楊荃.全連續冷連軋機自動控制系統的設計與實現[J].冶金自動化, 2006, 30(2): 56-60.

[4]張智密,王京,楊荃等.全連續冷連軋機開卷區張力控制系統[J].冶金自動化, 2006, 30(2): 53-56.

[5]顧繩谷.電動機拖動基礎[M].北京:機械工業出版社,2004:16-18.