冷軋連退機組張力控制與應用

孫曉梅

（唐山鋼鐵集團高強汽車板有限公司 河北 唐山 063000）

1 引言

冷軋連退機組生產線自動化程度高，在生產過程中，由于張力的存在，所以保證了帶鋼在連續運轉過程中不跑偏，張力控制對生產線起著至關重要的作用。張力數據的調整與設置是生產中重要的數據，一般張力數據采用脈絡調整，依靠入口開卷機、出口卷曲機、生產線張力輥組、出入口活套建立完成[1]。

2 連退機組主要設備組成及主要工藝流程

連退機組生產線按工藝流程大致包括以下內容：開卷機、焊機、入口活套、清洗段、連退爐、平整機、拉矯機，耐指紋機、圓盤剪、涂油機、分切剪、卷曲機。在整條生產線上還分布著8組張力輥組，其構成見圖1。

圖1 連退線主要設備

冷軋連退生產線開卷機按照一定的速度控制要求，將兩卷帶鋼的帶頭與帶尾焊接在一起。整條生產線張力控制，通過8組張力輥完成。同時，參與張力控制的還包括出口和入口、活套檢查站、平整機[2]。在該連退生產線前期進行清洗處理，分為堿清洗、電解清洗和熱水漂洗，對冷軋帶鋼的表面清洗與凈化。帶鋼經過入口活套進入，連退爐，對帶鋼完成熱處理，改變了帶鋼內部的晶格結構，從而完成對帶鋼硬度的處理，退火后的帶鋼經過出口活套和平整理，對整個帶鋼表面的質量進行深加工處理，然后經過圓盤點修正邊部完成最后的產品。

3 連退機組張力控制分析

3.1 PLC系統張力閉環控制流程分析

根據生產帶鋼的品種、寬度、厚度不同權限的張力參數要不斷地進行優化。二級系統給一級PLC控制系統下發張力設定值，這個控制系統為閉環控制，主要控制參數通過一級自動化控制系統實現數據調整與設置。根據張力信號的反饋內容，將張力計反饋的內容，通過變頻器電機進行數據流調整，流程圖見圖2。

圖2 張力閉環控制數據流

轉矩反饋方式：一級PLC控制系統通過以太網接收的二級系統所下發的張力設定值進行變頻器調整電機的轉速，二級系統中的所有張力設定值都來自對生產現場的實際設定。一級PLC控制系統，當接收到指令信號時，將張力分布于開卷機張力輥組貨套、卷曲機、平整機等電機的轉矩，在PLC控制轉換器下進行轉換[3]。

PLC控制系統的通信控制方式，主要通過調整電機轉速完成電機與變頻器之間的信息溝通，同時變頻器根據電機模擬數據進行矢量閉環控制，并將所有的轉矩數值反饋給一級PLC，經過運算與設定的張力值進行比較，對現場的張力設定值不斷進行調整[4]。根據生產實踐來看，目前張力設置，通過對生產現場的數據布線反饋電流信號，再將這些信號源反饋給PLC控制中心進行數據分析，實現閉環控制調整，所有的控制都是依靠張力輥組、開卷機、卷取機、活套的電機完成。生產過程中帶鋼速度及補償控制參數見表1。

表1 補償值預測表

3.2 變頻器中張力控制流程分析

我單位所使用的變頻器張力控制，全部采用西門子S120系列變頻器，西門子變頻器控制模型主要由速度斜坡發生器、速度PID調節器（ASR）、電流PID調節器（ACR）、速度限幅（n_lim）、轉矩限幅（T_lim）、電流反饋（I_fbk）和速度反饋（n_fbk）等環節組成，見圖3。

圖3 西門子變頻器交流調速控制模型

在連續退火機組生產過程中，電機組傳動變頻器始終按照閉環控制模式進行數據調整，從而完成了整個對生產線的張力控制。在生產過程中第一速度實際值應低于設定速度，第二通過控制轉矩線幅來實現。帶鋼在出口和入口，通過開卷機與卷曲機和對應的張力輥形成張力設置由于整條生產線的主力速度，由張力軌的主力速度軌控制，所以為了保證各段張力均勻，PLC系統通過對兩個機器設備的變頻器轉接線幅控制來完成最終的變頻器運行[5]。

在連續退火機組中，張力輥組一般都由兩個輥組成，包括了主動輥和張力輥。張力輥的速度控制依靠閉環控制系統完成調節，這就造成了張力輥組的控制方式與開卷機、卷取機和活套的控制方式不同。在生產實際運行中，張力輥與速度輥相比，PLC對于張力穩的調節積分環節不實時進行，這樣的自動化控制方式就保證了整個帶鋼在生產過程中，變頻器與電機速度相互匹配調整，保證了整個生產線帶鋼的智力值設定。

4 PLC與變頻器之間的通信

我單位所使用的連退機組全套自動化控制系統為西門子S7400PLC，與之匹配的變頻器為西門子S120，這樣的控制系統保證了整個生產運行的穩定性和連續性。控制系統與變頻傳動系統之間通過Profibus－DP二代協議，這一系統具有較強的干擾能力，同時也可以實現遠距離傳輸，對于連退生產線而言，機組運行距離較長，適用于這樣的信號傳輸系統[6]。

Profibus－DP二代協議所采用的控制方式是總線型拓撲結構，在一個PLC總線連接上可以分布多個傳動子站，這一控制方式整體布局見圖4。這樣的布局實現了各個子系統之間的互不干擾，非常適用于冶金冷軋生產系統。

圖4 Profibus－DP網絡拓撲示意圖

整個控制系統當中，PLC在程序中以數據DB塊的格式進行數據編碼，并且隨著生產運行的不斷調整，所有的格式、所有數據編碼的指令定位在每個DB塊的數據模型中均賦予了明確的意義[7]。變頻器接收和發出的所有的指令信號都通過PLC調整為相應的字符狀態。同時，整個PLC控制系統接收到的也為控制字符，例如速度給定轉矩限制、啟動停車、應急停車降速等，通過對字和定義的編程實現了對最終整個生產線的控制與調整，通過這些控制以調整完成了最終生產線的張力控制權限，所有的指令速度控制也是通過這一套自動化控制系統來實現的[8]。

5 結語

在冷軋帶鋼生產過程中，需要對各種參數進行嚴格控制。所有參數的控制精度直接影響著最終的產品質量與尺寸精度，并且在生產過程中各類參數會存在很大的不確定性，尤其是張力控制這一數據模型，控制通過自動化設備完成具有規律性，是冷軋帶鋼生產的基礎參數[9]。通過對冷軋連退生產線機組的張力控制分析，說明了在整個連退生產過程中，張力與轉矩之間的設定值相互關系明確了。PLC控制系統在張力閉環控制流程中的作用，對于張力這一抽象概念，通過參數實際的分解，更加深入地了解了整個控制系統的工作過程。對于自動化程度較高的冷軋生產線而言，對張力實現了最終的控制，也就完成了對整個生產線的速度控制。