1450mm酸連軋機組活套張力控制

周吉祥 龍海峰

摘要： 冷連軋活套張力控制的動靜態精度對于穩定軋制過程至關重要。在結合活套張力控制原理的基礎上設計出1 450 mm 冷連軋機活套電氣控制系統， 詳細介紹了活套張力控制系統的控制原理及實現方案， 對慣性力矩、彎曲力矩和摩擦力矩進行補償， 隨后分析活套的運行情況。實踐證明此活套控制系統具有較好的控制效果， 滿足生產工藝的要求。

關鍵詞：冷連軋機;活套;恒張力控制;S120交流傳動裝置

1、概述

在冷軋帶鋼控制系統中，為保證產品質量和工藝過程穩定，無論是冷連軋機還是可逆冷軋機均需要穩定的張力控制。按照不同的工藝要求：較典型的張力控制方法有間接張力控制和直接張力控制，間接張力控制常用于開卷、卷取、活套的控制;直接張力控制則用于精度較高的張力控制系統，冷連軋生產中常用于機架間的張力控制。文中所設計的1450mm 6輥5機架酸連軋機組已于2019年初正式投產， 其活套控制系統采用間接張力控制。在活套的控制系統中，活套不僅需在同步運行時保持張力恒定，且要求系統能準確地在加減速過程中進行動態力矩補償，并根據活套車的位置對張力給定進行修正。

2、入口水平活套

2.1設備組成

入口活套為水平活套， 活套系統由活套車、活套車驅動裝置、活套門、底部帶鋼支承輥、換輥小車和鋼繩緩沖裝置組成。

活套車上設有帶鋼轉向輥、滑輪組及帶鋼支承輥和車輪，活套車的一側設有水平滾輪，通過偏心輪來調整滾輪的開口度。活套車上帶有滑槽用以控制活套門的關閉。活套車車體為焊接鋼結構框架。

活套車驅動裝置由電機減速機驅動，并保證活套車時刻處于可控狀態。當活套車運動時，設在活套車上的滑槽引導與活套門關聯的連桿機構開始轉動并帶動活套門開閉。

活套門用于支撐存儲的帶鋼，安裝在活套車行進方向的兩邊，通過連桿機構由活套車驅動來完成開閉擺動。

底部帶鋼支承輥用來支持底部存儲帶鋼的運行。

2.2設備性能

酸洗入口活套由3臺電機組成，電機參數如下：

其交流傳動采用西門子公司交流傳動裝置，型號為：S120系列。活套儲存帶鋼能力為640m，活套小車有效行程為160m， 帶鋼條數為4 條， 小車輥子數量為2。

2.3活套控制系統組成及功能

活套控制系統主要由計算機監控、PLC過程控制以及ANSALDO傳動系統3個部分組成。活套控制參數由操作人員在上位機上輸入，HMI顯示活套充、放套速度，活套張力，活套儲量以及傳動電機的轉矩，故障報警顯示等。PLC控制由SiemensS7400系列可編程控制器組成，從站使用SiemensET200。主站與從站間通訊方式為Profibus DP。

SPDM直流調速系統與可編程控制器通過Profibus DP直接通訊，PLC中進行速度、張力給定信號的處理，并在程序中進行加減速過程中的動態慣量、帶鋼彎曲力矩、摩擦力矩和套量計算及活套車位置控制。

活套入口操作臺將指令傳送至ENPLC程序段，ENPLC程序段進行信號處理通過Profibus DP總線與EnM AST程序段進行數據交換，MAST為軋機段主令給定程序，根據工藝需要與入口段主令控制交互數據，協調入口段與軋機段的速度，PLC_DR為入口段傳動合閘邏輯，活套主令由EnM AST直接控制，EnM AST與傳動通過Profibus DP進行數據交換。

3、入口段充放套的實現

3.1、1#張力輥設備結構及性能

1#張力輥主要由機架、4個輥子、2個壓輥、傳動裝置和壓輥擺動裝置組成。其中1、2、4#輥子由電機通過減速機驅動，3#輥子為惰輥。電機與減速機之間，減速機與輥子傳動軸之間安裝有聯軸器。

3.2、充放套實現過程分析

活套車同步運行時，1#出口張力輥的線速度與軋機入口的鋼帶的線速度相同，即活套入口鋼帶的運行速度與活套出口鋼帶的速度相同，活套車處在相對靜止狀態;當帶頭帶尾焊接完成后，機組入口段開始升速，帶鋼以高于軋機入口的速度經過1#張力輥和1#立式糾偏進入活套，此時，活套的充料速度大于活套內出料的速度，活套內的帶鋼張力變小，為保證活套內帶鋼張力恒定，活套車在鋼絲繩的牽引下向卷揚機方向運行，繃緊帶鋼;當切除帶頭帶尾焊接時，1#張力輥停止工作，壓輥壓下，活套開始放套，由于帶鋼一端固定，另一端連續運行帶動活套車向軋機方向運行，保持張力恒定，實現活套放套。

4、活套張力控制原理及實現方案

4.1活套張力控制原理

在活套張力控制系統中，活套電機轉矩的計算是該控制環節的關鍵。活套電機轉矩由活套張力力矩、慣性力矩、帶鋼彎曲力矩和摩擦力矩等部分組成。由于活套卷揚機卷筒為一固定卷徑值，所以卷徑計算環節便可省略，直接代入卷筒直徑D。根據電動機轉矩公式，可以計算出活套電機電樞電流給定值為

式中：TM為活套電機轉矩;TF為張力力矩;TI為慣性力矩;TB為帶鋼彎曲力矩;TH為摩擦力矩;△TF為張力力矩修正值，N·m;CT為電動機轉矩常數;為電動機磁通。活套電機轉矩給定值，送至活套電機全數字調速系統SPDM，并通過活套調速系統的調節作用，控制電機的負載電流，在活套正常工作中，速度調節器飽和使電機處于轉矩控制狀態，從而實現活套的張力控制。

4.1.1速度給定

速度給定來自程序中的運算，并在SPDM中的輔助功能的速度調節器前加一附加速度給定目的是確保建張后速度環一直處于飽和狀態，由可編程控制器中運算出的張力給定信號控制電流限幅，從而輸出對應的張力轉矩。點動時，速度給定為一定值，點動包括正點動與反點動，當點動旋鈕至中位時點動停止，制動器斷電制動。

4.1.2轉矩給定

1）張力力矩在活套中的作用。使帶鋼承受一定張力，繃緊支撐架間的帶鋼，防止帶鋼跑偏和搭落以致刮壞帶鋼。活套張力設定值取決于HMI給定的單位張力、帶鋼寬度與厚度，張力力矩計算公式如下：

TF=T×6

式中：T為單條帶鋼張力折算到電機的力矩，N·m;F0為活套單位張力，N/mm2;W為帶鋼寬度，mm;H為帶鋼厚度，mm;D為卷揚機卷筒直徑，mm。

2）慣性力矩。充放套過程中，由于活套內帶鋼速度的變化需考慮卷揚機自身套筒的慣性力矩。卷筒的直徑固定不變D=D0。計算公式如下：

可推出

式中：Jo為卷筒轉動慣量。

3）帶鋼彎曲力矩。帶鋼彎曲力矩占電機轉矩的一定比重，它與帶鋼厚度的二次方、帶鋼寬度、帶鋼屈服強度成正比，帶鋼屈服強度與鋼種、帶鋼材質有關。帶鋼彎曲力矩可由以下公式得出：

每層帶鋼彎曲力矩折合到卷筒的力矩為

可推導出：

TB=6TBB/j

式中：TB為帶鋼彎曲力矩，N·m;TBB為單層帶鋼彎曲力矩，N·m;d1，d2，d3為每層帶鋼轉向輥直徑，mm;y為帶鋼屈服強度，N/mm2;H為帶鋼厚度，mm;W為帶鋼寬度，mm。

4）摩擦力矩。該力矩是用于修正活套電機到卷筒之間的機械損耗，摩擦力矩是和速度相關的。一般摩擦力矩補償可視為常量，補償量為電機額定轉矩的2%以下。

4.2恒張力實現方案

卷揚機由一臺電機驅動，安裝在卷揚機的傳動側。電機的正方向為拉緊鋼絲繩的方向。主電機工作時為張力控制方式，電流上限幅通過程序計算經Profibus控制，此時需考慮各力矩環節;活套電機的勵磁控制器接收全數字調速系統SPDM的勵磁電流給定，勵磁控制器自動調節勵磁電流的輸出。電流調節器的電流限幅給定。至于SPDM工作于何種控制模式，由內部軟件自動切換。活套點動運行時，處于速度控制模式;活套建張運行時，處于張力控制模式。