連續(xù)退火爐爐輥控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

邱碧濤

（武鋼研究院，湖北武漢430080）

連續(xù)退火爐爐輥控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

邱碧濤

（武鋼研究院，湖北武漢430080）

連續(xù)退火爐是冷軋薄板生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，直接決定著冷軋薄板的外觀物理性能，為了防止鋼帶劃傷，在連退爐爐內(nèi)爐輥和鋼帶速度必須一致，而控制爐輥輥速的關(guān)鍵是編碼器，由于爐內(nèi)高溫環(huán)境，使用不長時間，爐輥編碼器會大面積損壞。為此提出了一種無編碼器的矢量控制方式，在控制軟件中增加加速度前饋控制和負(fù)荷平衡技術(shù)，在保證控制精度的前提下，取消爐輥編碼器，從而降低連退爐的故障率，提升設(shè)備的使用效率。實踐證明，取得了令人滿意的效果。

連退爐；冷軋編碼器；矢量控制

連續(xù)退火爐是冷軋薄板生產(chǎn)的重要設(shè)備，由于連續(xù)退火爐占地少、生產(chǎn)穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高等特點，在冷軋薄板生產(chǎn)中得到了快速的發(fā)展。目前國內(nèi)新建的冷軋薄板退火機(jī)組很多采用的就是連續(xù)退火工藝。連續(xù)退火機(jī)組生產(chǎn)雖然速度快，自動化程度高，但生產(chǎn)流程長，影響因素多，任何一個地方出現(xiàn)故障，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量，重則導(dǎo)致停產(chǎn)。這不但影響生產(chǎn)，而且會增加生產(chǎn)維護(hù)的成本。

連退爐爐內(nèi)溫度通常達(dá)到400～500℃，這對于連退爐內(nèi)控制元器件的使用壽命是極大的考驗，特別是爐輥速度編碼器的壽命和穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的影響。眾所周知，爐輥速度必須與鋼帶速度相匹配，否則產(chǎn)生相對滑動，將直接影響到冷軋產(chǎn)品的表面質(zhì)量［1-2］。提高爐輥速度編碼器耐熱穩(wěn)定性是一個潛在發(fā)展方向，實踐表明，目前品質(zhì)最好的速度編碼器依然無法達(dá)到連退爐長期穩(wěn)定運(yùn)行的需要，設(shè)備運(yùn)行2～3年后，爐內(nèi)速度編碼器大面積損壞，導(dǎo)致連退爐后期維護(hù)成本居高不下，產(chǎn)品品質(zhì)也受到影響，機(jī)組作業(yè)率和成材率指標(biāo)上不去。這些潛在的故障源成為生產(chǎn)高精度冷軋板的重要制約因素。通過的替換連退爐爐輥編碼器，采用變頻器矢量控制的方式，控制爐輥的轉(zhuǎn)速，在保證爐輥轉(zhuǎn)速控制精度的前提下，消除爐輥編碼器故障，降低連退爐維護(hù)成本。

1　連續(xù)退火爐工藝

連續(xù)退火機(jī)組是在帶鋼連續(xù)通過情況下采用連續(xù)退火的方法，將冷軋后的硬帶鋼進(jìn)行再結(jié)晶熱處理的機(jī)組，主要用于生產(chǎn)高檔轎車板和家電板。所需的原料鋼卷由吊車從酸軋出口步進(jìn)梁吊至原料庫，按順序堆放待用。工藝流程為：原料鋼卷→入口步進(jìn)梁→穿梭小車→鋼卷小車→開卷機(jī)→直頭機(jī)→入口橫剪→窄搭接焊機(jī)→酸洗機(jī)組→連續(xù)退火→冷卻段→平整機(jī)→拉矯→靜電涂油→自動打捆→出口輸送。從該工藝流程可以看出，連續(xù)退火工藝是冷軋帶鋼生產(chǎn)的重要的一環(huán)，保證連續(xù)退火爐的穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到高品質(zhì)冷軋薄板的生產(chǎn)。而穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵是提高備件的使用壽命，降低潛在的故障源，從而保證設(shè)備最大限度的穩(wěn)定運(yùn)行。

2　連退爐故障分析

連退爐內(nèi)部件眾多，任何一個部件出現(xiàn)故障都會影響到產(chǎn)品的品質(zhì)，故障因素有人為的，有設(shè)備自身的問題。人為因素可以通過規(guī)范的操作規(guī)范來規(guī)避，設(shè)備自身的問題則相當(dāng)復(fù)雜，有一類問題是部件本身的使用壽命滿足不了生產(chǎn)的需要，這一類問題具有統(tǒng)計意義的顯著性，通過備件使用頻次的觀察，可以很容易地發(fā)現(xiàn)。爐輥速度編碼器故障就是這一類問題。

速度編碼器直接測量爐輥的速度，與帶鋼速度相匹配，大的速度差將導(dǎo)致帶鋼與爐輥相對滑動，導(dǎo)致劃傷等表面質(zhì)量缺陷。

連續(xù)退火爐包括預(yù)熱段、加熱段與均熱段，長度達(dá)到數(shù)百米。目前某廠連續(xù)退火爐爐輥控制系統(tǒng)均采用編碼器的測速方式，由于爐內(nèi)的惡劣高溫環(huán)境，使用不長時間，編碼器損壞量不斷增多，極大地影響到了退火爐的正常生產(chǎn)，現(xiàn)場不得已采用V/F運(yùn)行方式，V/F控制方式控制精度低，不能滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)的需求，從而導(dǎo)致現(xiàn)場生產(chǎn)不穩(wěn)定，降低了退火冷軋板的良品率。

3　原因分析

連退爐爐輥編碼器損壞后，為了控制連續(xù)退火爐爐輥的速度，可以切換到V/F方式。V/f控制方式，是對應(yīng)頻率f設(shè)定變頻器輸出電壓V的方式，從而控制連退爐爐輥的轉(zhuǎn)速。由于無須像帶編碼器的矢量控制方式那樣檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因而不會導(dǎo)致設(shè)備的停機(jī)檢修。V/F控制方式如圖1所示。

圖1　V/F控制方式

由于控制控制方式采用V/F方式，爐輥的速度控制無法達(dá)到生產(chǎn)要求，只能臨時維持生產(chǎn)，等到大修時再全部更換，治標(biāo)不治本，不能完全解決降低設(shè)備故障率的問題。

4　改造方案

目前以西門子S120傳動系統(tǒng)為代表的矢量控制系統(tǒng)，開發(fā)了強(qiáng)大的軟件功能，極大地擴(kuò)展各種控制和仿真功能，通過P180參數(shù)，最大可以設(shè)置32個驅(qū)動數(shù)據(jù)組，可以對不同的轉(zhuǎn)速控制器根據(jù)需要進(jìn)行分別適配，最大可以設(shè)置32種不同模式的速度調(diào)節(jié)器PI數(shù)據(jù)。除了設(shè)置帶編碼器速度控制外，還可以設(shè)置一套不帶編碼器速度控制的速度調(diào)節(jié)器PI數(shù)據(jù)，但是必須對速度調(diào)節(jié)器分別做相應(yīng)優(yōu)化并保存，使用時通過工作模式的選擇來調(diào)用，兩種運(yùn)行方式各自使用自己的速度調(diào)節(jié)器PI數(shù)據(jù)，輥子傳動速度控制精度和V/F控制方式比較，控制精度得到很大的提高。

和帶編碼器速度控制系統(tǒng)相比，無編碼器速度控制的速度實際值，是根據(jù)逆變器中電機(jī)模型中隨機(jī)溫度、逆變器輸出頻率、電流等多種動態(tài)變量仿真計算出來的，其系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)比較帶編碼器速度控制系統(tǒng)有所降低。這可以通過在系統(tǒng)軟件中增加一些特殊功能，來彌補(bǔ)傳動控制精度下降的缺陷，在產(chǎn)品精加工線，犧牲一點點控制精度，從而達(dá)到大量減少編碼器的使用，減少設(shè)備故障源，保證機(jī)組高效、穩(wěn)定運(yùn)行目的。

在連退爐內(nèi)，由于在低溫段爐輥編碼器損壞率低，因此在緩冷段、快冷段、終冷段等保留爐輥傳動帶編碼器，其它130多臺傳動都采用不帶編碼器的速度矢量控制方式，通過開發(fā)傳動軟件補(bǔ)償功能來提高傳動控制精度，大量減少編碼器使用，進(jìn)而減少由此帶來的故障停機(jī)。

4.1加速度前饋控制

為了彌補(bǔ)無編碼器速度控制精度的下降問題，在軟件中增加了前饋控制主要是通過前饋控制，做一些被調(diào)量的動態(tài)補(bǔ)償。因此，這種控制只有在系統(tǒng)調(diào)節(jié)的動態(tài)過程中才起作用，穩(wěn)態(tài)時不發(fā)生作用。由于連退工藝段有100多臺傳動，同時啟動和加速時，由系統(tǒng)各設(shè)備的離散性和異步電機(jī)存在轉(zhuǎn)差率的特性決定，各傳動將產(chǎn)生一定的速度擾動現(xiàn)象，這種現(xiàn)象嚴(yán)重時勢必造成啟動加速過程帶鋼打滑和局部傳動負(fù)荷過大，造成機(jī)組速度難以穩(wěn)定，為保證處理段所有傳動啟動加速時系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能，確保工作輥表面能與帶鋼可靠接觸，采用了加速度轉(zhuǎn)矩前饋控制。圖2是加速度前饋控制原理圖。

圖2　加速度前饋控制原理圖

設(shè)置時，在啟動加速時，將速度調(diào)節(jié)器輸入信號直接加到轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸入端，它根據(jù)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩/電流限制、負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量（電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量：p0341*p0342+負(fù)載轉(zhuǎn)矩:p1498）對所需的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行預(yù)控，從而能夠在時間上最佳地達(dá)到需要的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)。其加速度轉(zhuǎn)矩設(shè)定值計算公式：MV=P1946 ×J×dn/dt=P1946×P0341×P0342×dn/dt.加速度控制波形圖如圖3所示。

圖3　加速度控制波形圖

圖中：NN為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)數(shù)；TN為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；dT為電機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩條件下加速到額定轉(zhuǎn)速的時間。dN=（NN-0）=NN

4.2負(fù)荷平衡控制技術(shù)

負(fù)荷平衡是對電動機(jī)負(fù)載之間的配合而言的功能，在連退爐中爐輥就需要多套傳動系統(tǒng)配合工作時，它們之間既要保持一定的剛性，又要保持一定的柔性，當(dāng)機(jī)械近似剛性結(jié)構(gòu)時，軟化電機(jī)的輸出力矩，來實現(xiàn)負(fù)荷平衡，避免機(jī)械損傷和電氣故障，避免出現(xiàn)帶鋼表面劃傷等質(zhì)量問題。主要優(yōu)點如下：

（1）在速度控制過程中，加入了力矩控制。它不會像力矩模式中，出現(xiàn)空載下突然提速等問題。

（2）不會因力矩模式時，給定過小不能啟動。即便是5 Hz給定，它也會在頻率下降到2.5 Hz時，達(dá)到額定力矩輸出，不會出現(xiàn)啟動時克服不了很大靜摩擦力現(xiàn)象。如圖4所示。

圖4　負(fù)荷平衡控制原理圖

西門子S120變頻器系統(tǒng)中采用了Droop機(jī)械特性軟化控制技術(shù)，可以在多組傳動同時運(yùn)行時，起到平衡負(fù)載分配的作用。在傳動組的傳動負(fù)載增大時，Droop可以將電機(jī)機(jī)械特性變軟，使得傳動負(fù)載下降。即在自身輸出力矩變大時，系統(tǒng)自動減小速度給定，以起到減小輸出力矩的效果。從工作特性上看，機(jī)械特性此時比較軟，負(fù)載一大不能立即克服負(fù)載，而是慢慢克服負(fù)載。

4.3應(yīng)用中注意事項

由于采用了無編碼器矢量控制方式，速度是通過間接地方式獲得，因此對連退爐的機(jī)械特性、電氣特性參數(shù)的精度要求較高，當(dāng)進(jìn)行檢修時，如電氣機(jī)械參數(shù)發(fā)生改變，需要重新標(biāo)定參數(shù)，使得無編碼器控制方式和有編碼器控制方式的控制精度接近，滿足生產(chǎn)需求。

這就需要建立連退爐備件標(biāo)準(zhǔn)化管理系統(tǒng)，各種輥系管理、輥子表面缺陷、輥子形狀變化、輥子材質(zhì)、輥子直徑、軸承和安裝尺寸等都必須統(tǒng)一歸類。為保證系統(tǒng)控制精度，更換電機(jī)后務(wù)必要執(zhí)行電機(jī)數(shù)據(jù)識別，因為銘牌數(shù)據(jù)上數(shù)據(jù)僅作為系統(tǒng)估算數(shù)據(jù)。其電機(jī)等效電路圖數(shù)據(jù)、電機(jī)電纜的電阻、導(dǎo)通電壓或者閉鎖時間的補(bǔ)償系數(shù)等。對于要使無編碼器的矢量控制，為了使得控制保持穩(wěn)定，則定子的電阻尤其重要。如果電源線較長，或者使用的是其它廠家的電機(jī)，就必須執(zhí)行電機(jī)數(shù)據(jù)識別。

5　取得的效果

無編碼矢量控制方式在連退爐上的應(yīng)用取得很好的效果，總結(jié)有如下幾點：

（1）在采用了無編碼控制器后，連退爐的故障率大大降低，設(shè)備的生產(chǎn)穩(wěn)定性有了顯著地提高。

（2）無編碼控制器雖然控制精度略微低于有編碼控制器，但從生產(chǎn)實踐中可以看出，對產(chǎn)品的質(zhì)量的影響不大。

（3）采用無編碼控制方式，對控制程序的軟件要求更高，更換電氣設(shè)備時同時也要對軟件進(jìn)行調(diào)整。

6　結(jié)束語

無編碼控制器在連退爐上的成功應(yīng)用，極大地減少了設(shè)備的潛在故障源，降低了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，提高了設(shè)備的投入率。這種控制方式改造簡單，雖然犧牲了一些控制精度，但在編碼器高溫使用壽命沒有很大提升的背景下，是一個極佳的替代控制方式，本次改造的成功，在其他鋼鐵企業(yè)具有極大推廣應(yīng)用前景。

［1］白振華.冷連軋高速生產(chǎn)過程核心工藝數(shù)學(xué)模型［M］.第三版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：11-22

［2］楊靜.連退爐內(nèi)爐輥的選擇與優(yōu)化設(shè)計［J］.工業(yè)爐，2011，（6）：23-27.

Development and Application of the Roller Control System of the Continuous Annealing Furnace

QIU Bi-tao
（Wuhan Iron and Steel Research Institute，Wuhan Hubei 430080，China）

Continuous annealing furnace is the key factors for the production of cold rolled sheet，directly determines the appearance of the physical properties of the cold-rolled sheet，in order to prevent scratches on the steel strip in continuous annealing furnace furnace roll and the strip speed must be consistent，the key of controlling the furnace roller speed encoder，due to the furnace high temperature environment，use for a long time is not long，furnace roller encoder will extensive damage.This paper presents a non coder vector control mode，in control software to increase acceleration feedforward control and load balance technology，under the premise of ensuring the accuracy control，cancel the furnace roller encoder，thereby reducing the continuous annealing furnace fault rate，improve the use efficiency of the equipment.Practice has proved that the application has achieved satisfactory results.

continuous annealing furnace；cold rolling encoder；vector control

TH122

A

1672-545X（2016）08-0119-04

2016-05-14

邱碧濤（1976-），男，湖北武漢人，碩士，高級工程師，研究方向：冶金設(shè)備維護(hù)與改造。