熱連軋帶鋼系統中電動活套的應用

孟慶鉑，李慶元，李丙楠，劉 翔，李 朕

(1.天津理工大學中環信息學院，天津 300380；2.天津電氣科學研究院有限公司，天津 300180；3.天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301)

熱連軋帶鋼系統中電動活套的應用

孟慶鉑1，李慶元2，李丙楠3，劉 翔2，李 朕1

(1.天津理工大學中環信息學院，天津 300380；2.天津電氣科學研究院有限公司，天津 300180；3.天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301)

在熱連軋系統軋制過程中，帶鋼易產生堆疊和拋頭甩尾現象，帶鋼的張力過大則會造成斷帶，從而有可能引發財產和生命雙重重大事故。活套自動化控制系統的應用可以有效調節整條帶鋼在軋制過程中的張力，保證軋制的平穩進行。文中以某公司熱連軋帶鋼廠的1 700 mm熱軋帶鋼自動化生產線為例，對軋制過程中活套的工作原理進行研究，并建立了帶鋼張力和活套力矩控制計算的數學模型，結合仿真與實際調試對熱連軋工藝中活套控制問題做了深入的分析，實現了活套自動控制。

活套控制；張力；角度閉環

0 引 言

隨著軋鋼設備、技術、工藝的不斷發展，帶鋼的成品率與產品質量在不斷提升。本項目是對某鋼鐵公司一條熱連軋系統進行改造，同時更新傳統系統。對活套的傳動系統改造是整套系統改造的重要環節之一，這可以加強對帶鋼板型的控制，減少堆鋼、減少軋輥壓力，有利于厚度控制，軋制出各種薄厚的產品拓寬產品規格。為增加效益、開發完善各項技術功能、減少廢品、提高產量與成材率以及減少故障停機時間，對活套控制系統進行改造十分必要。

1 活套種類

目前主流的常見活套有以下三種：

1.1 電動活套

電動活套采用低慣量、低轉速的直流變力矩電動機，通過傳動裝置(經減速器傳動或無減速器直接傳動)帶動活套臂和活套輥繞擺軸擺動，在堵轉情況下力矩可調。其具有結構簡單、工作穩定、操作與調節方便、堅固耐用等特點，反應響應時間短、張力波動小、控制精度高，但電氣控制系統略顯復雜，造價稍高。適用于帶鋼生產線，文中研究的就是這種活套。

1.2 氣動活套

與電動活套裝置相比，其擺軸慣量較小，需要一套氣源處理裝置為其提供動力，維護與檢修工作量大、壓力調節精度差、調節范圍小，同時在一個氣動系統中要迅速連續地得到兩種壓力(迅速升起要高壓、正常張力要低壓)較為困難。因此，其在熱連軋機上很少使用。

1.3 液壓活套

液壓活套的執行機構為液壓缸，由伺服閥驅動，由于液壓系統慣性小、工作比較平穩，所以液壓活套裝置的動態性能好，但若封閉不好容易漏油造成污染。液壓活套目前在我國熱連軋中較為常見，本項目為了節約成本，采用其原先的活套電機進行驅動，未采用此方式。

工程在精軋機組設立6個電動活套，其參數見表1，分別設置在精軋2號至7號機架的入口側，維持恒定張力軋制，使金屬秒流量平衡。活套輥裝置由活套擺臂、活套輥、活套支持器、減速控制裝置、緩沖器及活套傳動電機組成。活套最大張力為330 kN，最大工作角為60°，可實現間接張力閉環控制。

表1 活套電機參數

2 活套控制與參數設定

在熱連軋機組中，為保證成品質量，以成品機架即最末機架為基準機架，保持其速度不變并作為基準速度設定，其前面機架速度根據金屬秒流量相等的原理自動按比例設定，在軋制過程中主傳動的調速自動控制是與活套進行閉環運行，各架軋機的速度隨活套的調節信號自動調節，依次按逆軋制方向對其前面的各機架速度級聯控制。當下游機架咬鋼后，活套開始起套，此時要準確反饋下游機架的咬鋼速降，以便加上必要的動態速度補償來達到恒定的活套起套量。根據活套臂上升角度控制活套上升速度，開始時應快速起套，而當活套角達到預定角度的80%時，以慢速升套。落套時，如落套過早，將使相當長一段帶尾由于失張而變厚；如落套過晚，又可能造成帶尾上翹。常采用活套帶尾補償技術，即在帶尾離開前一機架時將活套角降低，同時緩慢減小張力，以使帶鋼離開本機架前活套能較快地落回初始位置，通過優化調節使活套帶鋼張力穩定。

一個帶鋼張力控制高效的活套控制系統，必須建立在角度閉環與張力控制混合功能實現的基礎上，單純投入某一個功能，將對軋制過程產生不良影響。在起套的過程中，張力控制尚未投入，此時從起套的初始階段后立即進入角度閉環，主傳動速度動態速降恢復，帶鋼與活套輥接觸，則應投入張力控制功能，活套張力控制的目的在于維持恒定小張力軋制。張力控制，首先根據預設張力，在給定的活套角度下計算活套力矩電流給定值。套量變化使活套角度變化，隨之實際活套角反饋后，又將計算此刻的張力力矩和重力力矩，再折算出新合力矩電流設定值。

活套輥采用直流電機控制，活套角度的檢測來自活套系統機械側絕對值編碼器，起套輥的起落由機架的咬鋼和拋鋼信號控制，同時根據實際的軋制工藝可以在自動化二級操作臺人為干預。

2.1 速度給定與轉矩限幅

從自動化方面來說，每個活套控制系統都是一個雙輸入、雙輸出的多變量控制系統，以上游機架的軋機電機速度和活套電機驅動力矩為輸入變量，被控輸出變量是活套角度θ再通過自動化方面的PI調節器將速度給定傳輸給傳動系統。

根據上述公式將角度信號轉換為傳動系統所需要的速度給定信號，同時這也是圖2中系統的最外環。

圖1 直流雙閉環調速系統框圖

圖1為傳動系統中典型的雙閉環調速，也是圖2中系統的速度環和電流環的構成。雙閉環調速系統作為經典的調速系統，這里就不再一一贅述。圖2中各項參數選取采用西門子最優。

另一方面是帶鋼張力，將此帶鋼張力與活套輥重力進行力矩合成得到電機所需力矩，電機力矩M為張力力矩與重力平衡力矩之和，是活套輥擺角θ和張力T的函數，即M=f(θ,T)，之后以限幅的形式傳輸給傳動系統。

需要指出的是，張力T與活套角度θ相互影響，當活套角度θ變化時，如活套電機驅動力矩按函數M=f(θ)變化，則可保證張力T的恒定。

2.2 參數設定

對于傳動系統來說，接收自動化速度給定進行速度響應，同時接收自動化給予的轉矩限幅，將電機輸出轉矩限定在計算范圍內以防止起套超調過大造成拉鋼。

傳動系統本身為一個雙閉環調速系統，同時自動化采集活套位置角度信號，與活套給定角度形成角度閉環，整體如圖2所示。

圖2 活套傳動系統數學模型

以3號活套為例，額定電壓UN=220V，額定電流IN=275A，額定轉速nN=25r/min，額定功率PN=75kW。通過測量，得到該電機電阻Ra=0.136Ω，電感La=20.48mH，將活套擺臂轉動慣量折算到電機側為J=2 634kg·m2。內環電流環PI參數采用6RA70裝置自行優化出的參數：電流調節器P增益P155=3.67，電流調節器積分時間P156=100ms。

自動化通過PI調節將速度給定傳輸給傳動系統，這個速度給定實際上有著較大的滯后，以至于在空載運行時活套角度響應會有很大的超調。在帶載過程中，為了抑制過大的超調避免造成拉鋼，自動化除了給傳動系統速度給定之外，同時會為傳動系統設定電流限幅值。自動化通過機架間張力與活套設定角度計算出此時在形成微張力時電機所需的轉矩，將此轉矩值轉換為電流限幅值傳輸給傳動系統。在起套過程中，由于活套的快速響應，會在很短的時間內與帶鋼接觸，在與帶鋼接觸后，由于電流限幅起作用，電機無法產生過大的轉矩，帶鋼張力在垂直方向的分解量會極好的抑制活套超調，從而使得活套系統既可以快速響應又不會產生過大的超調在穿帶時造成拉鋼。

基于上述的控制思路，傳動系統在速度環PI調節器調試過程中將響應速度作為主要指標，允許系統產生相對較大的超調。通過調試，6RA70系統速度環PI參數為：速度調節器P增益P225=4，速度調節器積分時間P226=600ms。由于現場活套電機在調試過程中已經連接機械設備并且難以拆卸，只有60°的轉動范圍，無法做高速響應實驗，只能通過仿真得到波形以作參考，如圖3所示。

圖3 活套電機啟動仿真波形

通過波形可以看出，從0速到基速0.3s可以完成響應，響應時間滿足0.5s的技術要求，同時超調16%；對速度進行積分，可以測出活套從0°～60°的響應時間為300ms左右。當然，以上作為仿真結果必然會與實際存在著差距，但依然具有指導意義。由于活套機械主要由活套擺臂、活套輥組成，對于電機來說相當于一個大慣性彈性負載，如果電機調節過程中有振蕩發生將難以消除，因此，在速度調節器積分時間選定時應選擇一個較大的積分時間，犧牲了調節時間，消除了二階系統在調節時的振蕩。

3 結束語

圖4為此熱連軋系統中1號活套實際角度與張力設定值的波形圖，可以看出，活套角度由13°～26°的響應時間為76ms，滿足生產技術指標，同時整個調節過程僅經歷了一次超調，并無產生任何振蕩，與仿真的結果基本吻合，達到了預期控制效果。

圖4 活套實際應用中的波形

此處的張力值為自動化系統的設定張力值，也可以看作是實際張力值。由于在帶鋼生產過程中實際張力值是無法實時測量的，所以自動化在控制使用的張力值都是模型系統根據活套輥高度、機架間距離、活套自重、電機轉矩等得到的計算值。

對比兩圖可以看出，活套角度隨張力的給定實時進行調整，同時保證了張力在整個軋制過程中無太大的波動，使得整個軋制過程得以平穩進行。

文中以實際項目為例，闡述了電動活套傳動部分在調試過程中的調試思路。本項目根據機械特性、自動化的控制方式提出允許超調、消除振蕩的控制思路，以此來設定參數并達到了預期效果，滿足了生產需求。需要指出的是，不同的現場環境、不同的自動化控制方式會對傳統系統提出不同的要求，控制思路不是一成不變的，需要根據實際情況來選定參數方案。

[1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2] 顧春雷，陳 忠.電力拖動自動控制系統與Matlab仿真[M].北京：清華大學出版社，2011.

The Application of Electric Looper in Hot Rolling Strip Control System

MENG Qing-bo1, LI Qing-yuan2, LI Bing-nan3, LIU Xiang2, LI Zhen1

(1.Zhonghuan Information College Tianjin University of Technology, Tianjin 300380, China;2.Tianjin Research Institute of Electric Science Co.,Ltd., Tianjin 300180, China;3.Tianjin Pipe Group Corporation, Tianjin 300301,China)

In the hot rolling process, the strip is easy to produce stacking and throwing first flick phenomenon, strip tension is too large will cause broken belt, may lead to property and lives a double major accidents. The application of looper automation control system can effectively regulate the tension of the whole strip during rolling, to ensure the smooth rolling of. This paper takes 1700mm hot strip automatic production line of a company's hot rolling strip mill as an example, make research on the working principle of looper in rolling process, and established mathematical models of strip tension and looper torque control calculation, for hot rolling process Looper control problems did in-depth analysis combining simulation and actual debugging, to achieve a target of looper automatic control.

Looper control; Tension; Angle closed-loop

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.12.018

2015-11-05

2015-11-15

孟慶鉑(1980- )，男，天津市人，天津理工大學中環信息學院，中國電子學會會員，工程師、技師，碩士，研究方向為智能儀器設備控制、工業心理學。

TM921.1

A

1009-3230(2015)12-0053-04