基于重卷機組的開卷取恒張力控制系統

【摘 要】本文以寶鋼五冷軋冷卷準備機組為工程實例，介紹了基于西門子傳動工藝控制板T400的開卷取恒張力控制系統，并對其中的關鍵技術進行了深入分析。

【關鍵詞】開卷取；恒張力控制；T400

開卷取是帶鋼生產線中不可缺少的設備，相對于其他輔傳動而言，其工藝過程更加復雜，控制要求也更高。對于卷取過程來說，鋼卷的卷徑是由小到大變化的，為了保證張力恒定就要求電機的輸出轉矩隨卷徑的變化而隨時改變。另外，機組在不同的運行狀態下電機的輸出轉矩也不一樣，為了得到平穩的卷取過程還需對電機轉矩進行一系列的補償。因此，卷徑計算與轉矩補償就成為了開卷取恒張力控制系統中必須要處理好的兩個關鍵環節。

一、卷徑計算

1.卷徑計算概述。（1）隨著每轉的卷繞，初始直徑在現有基礎上增加/減少兩倍的平均帶鋼厚度，通過此種方式計算出的卷徑稱之為計數卷徑DCNT。這個值對于隨后的計算而言至關重要，因為它不受外界條件的約束相對獨立，在卷徑計算的初期可以提供一個大致的參考值。（2）為了校正和監視計數卷徑

DCNT，實際的卷徑因而至少要有一種附加的方法來對實際卷徑進行測量。可以用下列方法來確定比較卷徑：一是通過計算帶鋼線速度和卷繞轉速的比率來計算直徑。帶鋼線速度VL用設定值或實際線速度值（激光測速）都能被使用。二是通過外部傳感器直接測量卷徑。三是在轉向輥上通過路徑映射來獲得卷徑。（3）為了消除外部干擾（例如輥子打滑），來自于路徑映射或其他兩種方法的比較直徑要進行嚴格的檢測。為此，每個測量周期測量直徑改變的Δ的平均值和平均值方差要計算出來。如果方差或者卷徑變化值在容許范圍內，測量結果被認為是準確的。通過比較標準偏差，來對哪個卷徑被使用做出選擇。（4）在較低的帶鋼速度或較大的卷徑時，在兩個測量周期的時間間隔時相對較大時，為了不讓卷徑在測量周期末尾時階躍變化，實際卷徑Dact應該通過一個積分器來確定。積分器在算計數直徑時起動，其目的是讓計數直徑加上直徑變化值（Dcnt+ΔD）。積分器斜率用線速度和目前的卷徑來計算。

2.卷徑的確定。由于它的穩定性和相對獨立性，通過計數得到的卷徑DCNT成為了實際卷徑DACT的基礎。DCNT在每一個測量周期結束時被計算，公式如下：DCNT[mm]=DCNT（n-1）[mm]{±}（2*MRPM*hs[mm]）+△DKORR[mm]，為了得到連續變化的卷徑實際值，可以通過已知的參考輥直徑及參考輥和開卷取之間速度的比例來獲得。通過這樣的方法而得到的卷徑可以在很大程度上改善由開卷取設備偏心造成的初始卷徑不準的缺陷。通過參考速度計算連續變化卷徑的公式如下：

3.卷徑誤差的校正。在每個測量周期的最后（1～n轉），變化卷徑（Dcoil將被計算：△Dcoil[mm]=Dcoil[mm]±Dcoil（n-1）

[mm]，系統也會計算出最后7個測量周期的卷徑變化平均值MV（DCoil，卷徑變化值（Dcoil與卷徑變化平均值MV（DCoil同時用于對卷徑最大值Dmax進行標么化：■=■■■，通過測量得到的卷徑必須經過嚴格的檢測后才能與計算卷徑DCNT相比較，為此選用卷徑變化值（Dcoil與卷徑變化平均值MV（DCoil的方差做為檢測其是否正確的標準。

Var2=■■（△D■（n）[%]-MV△D■[%]）2。如果該方差值在容許范圍以內，那就可以認為通過測量得到的卷徑是準確的。此時就可以將測量卷徑DCoil與計算卷徑DCNT、卷徑變化平均值MV（DCoil與二倍帶鋼厚度2*hS*MRMP相比較。如果測量卷徑DCoil與計算卷徑DCNT相差太大，則卷徑計算的校正值（Dkorr將被計算。該值將會確保計算卷徑在三個測量周期后與測量卷徑相匹配，而在三周期結束后該校正值自動歸零。而上一個計算周期中得到的校正值將會被累加進下一個計算周期的計算卷徑之中。

4.積分時間的計算。通過上面的方法，我們就可以在每個測量周期的最后得到一個可被觀測且已被校正過的計算卷徑DCNT。在低轉速及卷徑較大的情況下，測量周期之間的時間間隔是很長的。為了防止卷徑在測量周期結束時發生階躍式變化，實際的輸出卷徑應通過積分器的計算較為穩妥，積分器的基本方程：yINT=yINT（n-1）+Xd（n-1）*■，TI[s]=■。

二、轉矩補償

1.轉矩補償概述。冷軋連續生產機組有穿帶、爬行、運行、甩尾及停車等運行方式，在不同的運行狀態切換時電機的輸出轉矩會發生變化。機組爬行過程中，首先要克服靜摩擦力所產生的轉矩，靜摩擦轉矩只在啟動的瞬間起作用。進入運行狀態時要克服滑動摩擦力產生的動摩擦轉矩，該轉矩在運行當中一直存在，并且隨速度的變化而變化，需要進行不同大小的補償。系統在加速、減速、停車時為克服系統的慣量，也要進行相應的慣量補償，否則會造成卷取機塌卷或松卷等現象。開卷取傳動轉矩補償包括以下幾個部分：Tqadd=TqA+TqF，其中：Tqadd=轉矩補償，TqA=加速轉矩，TqF=與速度相關的摩擦轉矩，加速轉矩TqA包括兩部分：Tqi（總慣量的加速轉矩）和TqDia（來自于直徑改變的加速轉矩）。

2.慣量及摩擦轉矩計算。確定系統慣量必須考慮以下因素：（1）前后相連的電機個數。（2）變速箱齒輪比。

摩擦轉矩TqF是開卷取傳動速度的一個非線性函數TqF=f（nact）。在電機運行過程中，摩擦轉矩會被記錄下來并保存到一組獨立的不規則曲線中。

3.加速轉矩計算。當速度給定發生變化時，由傳動產生的加速轉矩將被計算并前饋至速度調節器。這樣做的目的就是要補償變速傳動的速度偏差。對于轉矩控制的傳動，將加速轉矩補償至張力轉矩后可以保證加減速期間的張力恒定。加速轉矩TqA包括以下兩個部分：TqF=固定慣量加速轉矩，TqV=變化慣量加速轉矩。TqA[Nm]=TqF[Nm]+TqV[Nm]，在速度或頻率控制模式下，加速補償會直接影響到變頻器的電流調節器。在轉矩控制模式下，該補償還將影響到電流調節器的限幅值。加速轉矩TqA的計算公式如下所示：TqA[Nm]=■（Jcoil[kgm2]

+JF[kgm2]），總的加速度計算公式如下所示：ages[m/s2]=■[m/s2]

±aDia[m/s2]。

其中：aDia=由卷徑變化產生的加速度，固定加速轉矩的計算公式如下所示：TqF[Nm]=■*JF[kgm2]，變加速轉矩的計算公式：Tqv[Nm]=■*JCOIL[kgm2]。

三、工程實例

1.機組傳動概述。寶鋼五冷軋冷卷準備機組用于取向硅鋼和高牌號無取向硅鋼冷軋后的鋼卷處理，主要功能是切去帶鋼軋制裂邊、斷帶拼焊、剪切頭尾、改變返回常化酸洗機組的鋼卷內徑等。機組主輔傳動電動機全部采用交流異步電動機傳動，由西門子6SE70系列交直交變頻調速控制器驅動。全線傳動設備圖如下所示：

2.T400工藝板。在卷取主傳動變頻控制器中使用了T400型工藝板來完成帶鋼卷取的張力閉環和卷徑計算等功能，T400工藝板可以擴展傳動控制器的功能，其主要優點是可以根據所設定的線速度來計算電機轉速、實際卷徑以及具有摩擦和轉動慣量補償的附加轉矩等參數，同時能夠完成對傳動設備的啟制動、點動、急停等的過程控制。系統中，Ll級PLC控制器發出的傳動信號通過CBP板傳到T400工藝板，然后由T400工藝板綜合處理工藝控制參數后送到變頻控制器的CUVC板，最終由變頻裝置的CUVC控制板完成卷取機的轉速和轉矩閉環控制。張力設定值及張力控制投入時刻由PLC控制器通過Profibus網絡給出，由張力給定與內部計算的實時卷徑值可以得到電動機需要提供的卷取轉矩，該轉矩值用來作為變頻系統對電動機的轉矩限幅，當張力投入后，電流限幅控制起作用，作用在帶鋼上的張力也就能夠按照自動化系統的設定值來變化。

3.運行效果。下圖為開卷取設備卷徑計算的實事波形采樣，以及機組運行在最高線速度400m/min時的速度、張力精度曲線：

可以看出，基于西門子傳動工藝控制板T400的開卷取恒張力控制系統具有良好的張力穩定性，能夠根據卷徑的變化調整電動機轉矩輸出從而維持帶鋼卷取時的張力恒定，有效避免了松卷、過緊等現象的發生。

四、結語

寶鋼五冷軋冷卷準備機組自2008年6月初投產以來，在很短的時間內完成達產目標，機組連續運行時間長，成品率高。實踐證明，基于西門子傳動工藝控制板T400的開卷取恒張力控制系統，具有穩定可靠的技術性能，能夠滿足冷軋開卷取對快速性和精確性的要求，是現代化傳動控制系統的發展趨勢。

參 考 文 獻

[1]Siemens operation instruction Technology card T400 for Simovert mas

ter drives

[2]安連祥.計算卷取機損失轉矩的新方法.冶金自動化.2008，32（6）：

61～63