四輥傳動冷軋機的速度控制及負荷平衡

高朝波，劉 悅，郝宏昭，李小娟

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

四輥冷軋機是生產冷軋板帶的典型機型，當前絕大多數四輥軋機主軋輥的傳動方式為上下工作輥通過減速箱并聯傳動和獨立傳動，工作輥通過減速箱并聯驅動時對軋輥的配對有著很高的要求。而工作輥獨立傳動時對軋輥配對要求較低但對傳動系統控制要求較高。

某廠四輥軋機采用上下支撐輥、上下工作輥分別獨立傳動，相對于工作輥獨立傳動的軋機增加了支撐輥獨立傳動系統，這就對主軋機各驅動輥的速度控制和各驅動輥之間的負荷平衡控制提出了更高的要求。為了滿足生產工藝的需要，中國重型機械研究院股份公司采用速度、電流雙閉環的速度控制方式和多調節器的四輥負荷平衡控制分配扭矩。

1 傳動系統的組成和原理

1.1 硬件配置

軋機的自動化系統中，直流傳動控制選用派克直流調速控制器，該調速器處理器為32位微處理器，處理速度可以保證電流環和速度環算法在3.3 ms內完成，穩態速度精度<0.01%，還具有完善保護和靈活編程的功能。PLC選用西門子S7-400系列CPU及ET200遠程站。AGC控制選用西門子FM458控制器。

1.2 網絡結構

主傳動系統共選用直流驅動器4臺驅動四臺主電機，每臺均配置PROFIBUS-DP通訊卡，PLC系統通過西門子現場總線PROFIBUS-DP網絡實時對傳動系統發送控制信號及設定參數值，并讀取當前調速驅動器的運行狀態、實際參數值。人機接口HMI與PLC系統通過工業以太網連接，HMI畫面上可對傳動系統進行狀態顯示及參數設定，如：實際電流、實際轉速、張力設定、速度設定等。控制系統網絡圖如圖1所示。

圖1 控制系統網絡圖

1.3 控制原理

以派克調速器為例，其典型電路圖如圖2所示。主接觸器及電機風機接觸器的吸合依靠輸出端子“3(D5)”和繼電器 “-K701”控制。“A8、B5、B6、B7”為電樞電流及驅動器狀態指示。 “A6、A7”端子為軋機工作輥和支承輥負荷平衡控制時的信號輸入輸出。速度反饋采用編碼器反饋。通過-SA701轉換開關的切換可實現“內控外控”操作，當切換至“內控”時，可由控制柜柜門上的操作按鈕和數字面板控制驅動器運行；切換至“外控”時，驅動器的控制命令由PLC系統通過PROFIBUS-DP網絡下達。

圖2 派克調速器電路圖

2 速度控制

軋機的線速度設定值通過S7-400 PLC計算成各驅動輥轉速，并通過PROFIBUS-DP網絡下達給各驅動裝置，對于主軋輥速度設定為

n=iV/(πD)

(1)

式中，n為轉速設定；i為傳動減速比；V為軋制速度設定；D為軋輥直徑。

直流電機轉速公式為

n=(Un-Ia·Ra)/ (Ce·Φ)

(2)

式中，n為電動機轉速；Un為電動機外施額定電壓；Ce為電機常數；Ф為電動機磁通；Ia為電動機電樞回路電流；Ra為電動機電樞回路電阻。

由式(2)可知，改變Ua、Ra、Ф三個變量都可以對電機進行調速，但電動機的轉矩Te=CTФIa，電樞電流不變時，隨著磁通Ф的減弱，其轉速升高，轉矩也會相應地減小。所以當電機運行在基速以下時采用調壓調速，此時不論在高速還是低速下，電動機都能輸出較大轉矩，當電機需要運行在基速以上時適宜采用弱磁調速。控制框圖如圖3所示。

圖3 速度控制框圖

速度設定由PLC通過PROFIBUS-DP網絡下達,速度反饋采用編碼器反饋，在速度環中速度給定和速度反饋經過計算產生速度偏差值，再經過速度環PI調節器運算產生電流給定信號，電流環的輸入信號是速度環輸出的電流給定信號，電流給定信號在電流環內經過多個電流限幅后與電流反饋值進行代數運算，產生的偏差值經過電流環的PI調節器輸出。

3 負荷平衡

負荷平衡控制一般有兩種方法：一是兩驅動系統之間共用一個速度調節器，速度調節器的輸出作為兩系統的轉矩調節器的共同給定，這種調節方法響應快，效果好，但容易產生扭振，適用于“剛性”連接的系統；二是兩系統各有自己的速度調節器和轉矩調節器，把兩系統的轉矩差信號通過負荷平衡算法生成調節量，此調節量作為從系統速度調節器的附加給定，這種調節方法響應慢，但有抑制扭振的能力，適用于“柔性”連接的系統。

該機組主軋機由四臺驅動輥獨立驅動，選用“方法二”實現各驅動輥之間的負荷平衡。共設計三個負荷平衡PI調節器，控制框圖如圖4所示。

主速度給定作為下工作輥的速度給定，即下工作輥為四輥軋機的速度基準。調節器(1)作為機架上輥和下輥之間的負荷平衡調節器，首先計算出上輥電機和下輥電機的負荷率，再經過代數求和、死區運算送入PI調節器，PI調節器的輸出值為附加給定值與主給定運算后作為上工作輥速度給定。調節器(2)(3)為工作輥和支承輥之間的負荷平衡調節器，根據工作輥和支承輥的負荷率，以工作輥速度為基準調節支承輥速度。如圖5所示，四段曲線為四個驅動輥的負荷率，在投入多調節器的負荷平衡控制后四個驅動輥的實際負荷率很快趨于平衡且持續穩定。

圖4 負荷平衡控制框圖

圖5 負荷平衡控制投入后各驅動輥扭矩變化情況

4 結束語

傳動系統自投入運行以來運行穩定、響應迅速，多調節器的負荷平衡控制方式能夠很好的控制多個驅動輥進行扭矩分配,也能很好的滿足生產需求。