新型帶鋼卷取機自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

蔣長虹，邱華東2，，楊曉光

（1.太原鋼鐵（集團）有限公司，太原030003；2.太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，太原030024）

太鋼熱連軋廠于1994年引進的日本1 549mm熱連軋機，其計算機系統(tǒng)采用美國西屋公司的WDPF控制系統(tǒng)。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，對熱連軋鋼卷的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等技術(shù)指標(biāo)有了更新更高的要求。由于熱連軋機卷取區(qū)是整個熱連軋生產(chǎn)線上的一個重要的組成部分，其生產(chǎn)現(xiàn)狀大大限制了軋機生產(chǎn)能力的進一步提高［1］。因此，筆者及其課題成會員對其卷取區(qū)系統(tǒng)進行了較大規(guī)模的技術(shù)改造，主要包括：拆除原有的1號、2號卷取機，新建一臺新的全液壓式的1號卷取機；改造3號卷取機，保留原3號卷取機的機械主體設(shè)備與電氣傳動設(shè)備，將其控制系統(tǒng)改用德國西門子公司的TDC控制系統(tǒng)；新增兩套液壓卸卷小車等。本課題除熱連軋機硬件系統(tǒng)得到更新升級外，主要研究開發(fā)了帶鋼頭部張力優(yōu)化控制、夾送輥張力控制，以及卷取機平滑曲線減張控制等主要新技術(shù)，現(xiàn)場運行結(jié)果表明了新技術(shù)的有效性。

1 帶鋼頭部張力優(yōu)化控制技術(shù)

張力控制是卷取機控制的核心，不僅直接影響鋼卷的卷形，而且還會影響到精軋的板型。卷取張力控制不好，會造成精軋帶鋼拉窄等問題，很容易造成廢鋼。由于該廠3號卷取機采用的是斜楔柱塞式卷筒，屬于國內(nèi)較落后的卷筒，當(dāng)卷筒承受負(fù)荷時，會產(chǎn)生內(nèi)瀉；且3號卷取機的助卷輥采用氣動控制，當(dāng)其承受負(fù)荷時，助卷輥間隙難以穩(wěn)定，故而造成3號卷取機頭部卷形差，特別是鋼卷內(nèi)圈較松問題，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量。為此，開發(fā)了3號卷取機帶鋼頭部張力優(yōu)化控制軟件，其主要控制思想包括以下幾點。

1.1 調(diào)節(jié)夾送輥張力控制與速度控制轉(zhuǎn)換的時間

由于3號卷取機夾送輥采用氣動控制，無法檢測夾送輥是否咬鋼，所以利用3號卷取機夾送輥前的熱檢作為基準(zhǔn)點，延時使夾送輥采用張力控制、滯后速度控制。即，延時時間＝夾送輥與熱檢之間的距離／帶鋼速度＋時間常數(shù)。這樣可使夾送輥在帶鋼剛進入卷取機時就在卷筒與夾送輥之間建立張力，以提高頭部卷形質(zhì)量。其中的時間常數(shù)根據(jù)經(jīng)驗確定。

1.2 建立卷取張力的數(shù)學(xué)模型，提高卷取的質(zhì)量

現(xiàn)代熱軋帶鋼卷取生產(chǎn)中，普遍采用張力卷取來改善卷取過程中帶鋼的變形狀態(tài)，減少塔形、扁卷和松卷等缺陷。在卷取生產(chǎn)工藝參數(shù)中，張力是最重要的參數(shù)之一，它將直接影響到卷取的質(zhì)量，甚至卷取的成敗。因此，在生產(chǎn)實際中建立卷取張力的數(shù)學(xué)模型，對提高卷取的質(zhì)量和成材率起著重要的作用。

卷取張力控制由兩級計算機實現(xiàn)。首先由過程自動化級L2中的張力模型，計算卷取張力的設(shè)定值，計算完成后下送基礎(chǔ)自動化級L1執(zhí)行。張力模型算法遵循三個原則：一是不同鋼種及不同厚度給定不同的張力初始值；二是張力值的確定與厚度有關(guān)；三是張力值應(yīng)與卷取不同溫度下的變形有關(guān)。其算法分以下兩個步驟。

第一步：根據(jù)鋼種特點及經(jīng)驗調(diào)試，確定不同鋼種在不同規(guī)格范圍內(nèi)的初始單位張力F；

第二步：根據(jù)不同溫度下的高溫變形及具體厚度進行進一步細(xì)化計算：

式中：F′為單位卷取張力；F為初始單位張力；σ為該卷取溫度下的變形抗力，根據(jù)鋼種確定，同一鋼種為一固定值；k為高溫變形的轉(zhuǎn)換系數(shù)；h為帶鋼目標(biāo)厚度。

從以上公式可以看出，卷取張力除與單位張力有關(guān)外，還與變形抗力及厚度有關(guān)，變形抗力越大，張力越大；而厚度越厚，則張力越小。

1.3 3號卷取機頭部張力優(yōu)化

由于該廠軋制品種多、帶鋼性能差別大，原有的張力控制導(dǎo)致了如管線鋼等這類硬材質(zhì)的鋼種頭部極易打滑或松卷；而軟材質(zhì)的帶鋼如硅鋼、SPHC、08AL等頭部易拉窄，直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。為了提高帶鋼卷形合格率，對帶鋼張力控制進行了改進，對于不同的鋼種采用不同的頭部張力優(yōu)化控制。例如，對硬質(zhì)鋼，3號卷取機咬鋼時以大張力卷取數(shù)圈（一般是3圈），保證帶鋼頭部緊緊纏繞卷筒，從而使帶鋼穩(wěn)定建張，提高成卷率，保證了頭部卷形，尤其保證頭部不松圈。圖1所示為3號卷取機頭部張力優(yōu)化曲線（硬質(zhì)鋼）。圖中電流與張力成正比，電流情況可清晰地反映出張力的變化。頭部咬鋼時張力較大，而咬鋼數(shù)圈后張力迅速下降。對于軟質(zhì)鋼，由于精軋出口溫度高，并且材質(zhì)較軟，當(dāng)卷取張力較大時，很容易將帶鋼拉窄，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，為此采取的措施是：卷取機咬鋼時，先以小張力咬鋼卷取數(shù)圈，然后再按曲線迅速提高到設(shè)定張力。由于軟質(zhì)鋼頭部較軟，以合適的小張力咬鋼，才能保證頭部良好的卷形。如圖2所示，咬鋼過程電流呈逐漸增加趨勢，反映出張力也呈逐漸增加趨勢。

圖1圖2中，MA current fbk表示卷筒最大電流百分比；MA current ref表示卷筒電流給定值（%）。

1.4 帶鋼頭部張力優(yōu)化控制程序

為了適應(yīng)該廠軋制不銹鋼板形的需要，對相應(yīng)張力設(shè)定程序進行了以下改進。

圖1 3號卷取機頭部張力優(yōu)化曲線（硬質(zhì)鋼）

圖2 3號卷取機頭部張力優(yōu)化曲線（軟質(zhì)鋼）

1）L2增加了單位張力設(shè)定增益系數(shù)，平時設(shè)定為1。當(dāng)軋制不銹鋼時，根據(jù)生產(chǎn)要求下送相應(yīng)數(shù)值，原則上大于等于1。

2）L1對L2下送單位張力設(shè)定增益系數(shù)進行限幅，上限140%，下限100%。

如果L2下送單位張力增益系數(shù)大于1，則實際單位張力設(shè)定為原有單位張力設(shè)定乘以單位張力設(shè)定增益系數(shù)；待帶鋼頭部進入卷取機100m后開始減張，直至實際單位張力設(shè)定達到原有單位張力設(shè)定值的100%，減張斜率為5%／s。

原有操作工手動干預(yù)張力功能不變：3號卷取機由于軋制能力限制，張力設(shè)定增益系數(shù)為固定值115%；手動干預(yù)3號卷取機張力給定值的范圍是50%至200%。

3）帶鋼纏繞數(shù)圈后，采用張力優(yōu)化曲線，使張力沿曲線迅速達到設(shè)定值，這樣可以讓張力平滑過渡，既克服了松圈缺點，又可以使帶鋼張力沒有大的波動，從而保證了卷形。

帶鋼頭部張力優(yōu)化控制程序框圖如圖3所示。生產(chǎn)實踐證明，帶鋼頭部張力優(yōu)化控制技術(shù)對帶鋼頭部張力實施了有效控制，既保護了機械電氣設(shè)備，保證了精軋出口的寬度控制，又克服了頭部松圈的缺點，保證了卷形質(zhì)量，效果良好。

2 夾送輥張力控制

圖3 帶鋼頭部張力優(yōu)化控制程序框圖

改造前的3號卷取機夾送輥沒有張力控制。在卷筒咬鋼前，夾送輥采用超前速度控制；卷筒咬鋼后，精軋沒拋鋼則采用夾送輥零電流控制，使夾送輥線速度保持與帶鋼速度一致；精軋F4拋鋼后，夾送輥采用滯后速度控制，卷筒進行減張控制。這種控制方式在卷取機產(chǎn)生故障時，有可能使夾送輥往卷筒內(nèi)送鋼，造成帶鋼在卷取機內(nèi)重疊；精軋拋鋼后夾送輥采用滯后控制，卷筒張力控制經(jīng)常造成帶鋼甩尾，卷形不好。

由于夾送輥主傳動采用富士通公司U2板控制，屬于日本20世紀(jì)80年代初的產(chǎn)品，改造前夾送輥采用零電流控制，沒有張力控制功能。為了對夾送輥進行張力控制，首先對U2板進行改造，將U2板電流負(fù)限幅引至TDC，由TDC進行張力控制。

夾送輥張力控制是一種新的控制方式。帶鋼進入夾送輥之前，夾送輥速度等于帶鋼速度乘超前系數(shù)。即卷取機咬鋼前，夾送輥采用超前速度控制。根據(jù)帶鋼數(shù)據(jù)計算出夾送輥張力和扭矩設(shè)定值，從卷取機建張（即卷取機咬鋼）時起，夾送輥采用滯后速度控制；夾送輥建立的張力和扭矩被限定在張力和扭矩設(shè)定值范圍內(nèi)。同時夾送輥采用反張力控制，末機架拋鋼之前反向張力（反向扭矩）增加到100%。

精軋時，當(dāng)帶鋼正在卷取，其張力被分成可調(diào)的卷筒與末機架的張力和卷筒與夾送輥之間的張力兩部分。其中張力分配系數(shù)在過程自動化級L2中的監(jiān)控中可以進行設(shè)置。

由于夾送輥與卷筒之間始終存在一定張力，這樣使得帶鋼進入卷取機后板型較好，從而有效避免了由于設(shè)備、控制原因或者設(shè)定不好導(dǎo)致卷筒失張，甚至卷取機疊鋼故障的發(fā)生。夾送輥正向張力力矩（夾送輥向前拽帶鋼的力矩）等于精軋機的反向力矩（精軋機相對于夾送輥向后拽帶鋼的力矩）。如果開始卷取時正向力矩太大，精軋機活套也會受到影響，帶鋼會出現(xiàn)拉窄現(xiàn)象，因此，必須保證平滑的張力變換。夾送輥力矩控制模型為：

式中：M為輸出力矩；Mt為張力力矩；Ma為加速力矩；Mf為摩擦力矩。

1）張力力矩Mt

式中：F1為夾送輥張力；D為夾送輥直徑。

2）加速力矩Ma式中：i為減速比；IFM為電機轉(zhuǎn)動慣量、電機側(cè)軸轉(zhuǎn)動慣量及電機側(cè)齒輪轉(zhuǎn)動慣量之和；IFH為軋輥轉(zhuǎn)動慣量、軋輥側(cè)軸轉(zhuǎn)動慣量及軋輥側(cè)齒輪轉(zhuǎn)動慣量之和；ρ為夾送輥密度；π取固定值3.141 59；D為夾送輥直徑；A為加速系數(shù)。

3）摩擦力矩Mf。摩擦力矩取決于軸承結(jié)構(gòu)、潤滑、速度，一般取經(jīng)驗值。

從公式（1）—（3）可以看出，力矩由張力力矩、加速力矩、摩擦力矩三部分組成。其中，張力力矩與直徑成正比，加速力矩與直徑成反比；加速力矩與減速比、轉(zhuǎn)動慣量及夾送輥材質(zhì)有關(guān)。

應(yīng)用力矩控制模型，經(jīng)過實踐證明，夾送輥張力控制效果良好，滿足了控制要求，使卷形較改造前有了質(zhì)的提高。

3 卷取機平滑曲線減張控制

改造前3號卷取機夾送輥采用速度控制。精軋沒拋鋼前，夾送輥采用零電流控制；精軋拋鋼后采用卷筒減張控制，夾送輥投速度滯后。減張采用3次減張，由于每次減張都是階躍給定，使得卷取張力不穩(wěn)，影響卷形，不是減張過大造成卷取尾部張力不足，就是減張?zhí)≡斐伤ξ病Ｆ渲校畛Ｒ姷氖蔷砣〉捻楁溇恚丛诰垝佷摵笥捎趶埩眲∽兓瘜?dǎo)致鋼卷中央有一圈或數(shù)圈突起。

改造后的3號卷取機，采用了張力控制技術(shù)，按照表1所示的減張率進行減張控制。

表1 卷取機平滑減張表

由表1可知，一次減張最大可以至40%，這樣可以保證帶鋼離開末機架時張力已基本達到平穩(wěn)過渡，避免了項鏈卷的出現(xiàn)。如果是短帶鋼，則不減張。曲線減張控制程序框圖如圖4所示。

圖4 曲線減張控制程序框圖

4 結(jié)論

綜上所述，卷取機能否正常工作，以及卷取效果的好壞直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。由于新的3號卷取機采用了多項新的控制策略，在張力設(shè)定、帶鋼頭部優(yōu)化、減張等方面采用了更為精確的控制手段，調(diào)整依據(jù)曲線進行優(yōu)化，使得控制準(zhǔn)確，效果十分顯著。卷取張力控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造，既解決了松圈、拉窄問題，又使帶鋼張力無大的波動，從而保證了卷形，使鋼卷的合格品率大幅度提高，同時也減少了廢鋼。

太鋼熱連軋廠卷取區(qū)計算機控制系統(tǒng)改造中，3號卷取機既吸收了SIEMENS公司1號卷取機的技術(shù)優(yōu)點，又結(jié)合3號卷取機自身的特點，自主研發(fā)，獨立完成開發(fā)了多項新技術(shù)，不僅為太鋼節(jié)約了大量的軟件硬件設(shè)計、編程、調(diào)試費用，具有可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，而且其新型的控制思路可以在國內(nèi)外同類工程中推廣使用。

［1］ 童朝南，紀(jì)智彭，開香董，等.卷取張力控制新方法［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2002，24（4）：463-465.

［2］ 胡 平.卷取張力數(shù)學(xué)模型的建立［J］.昆明冶金高等專科學(xué)校學(xué)報，2002，18（4）：3-5.

［3］ 董建芝.熱連軋卷取機智能張力控制系統(tǒng)［J］.自動化應(yīng)用，2011（4）：35-36，43.