三菱日立冷軋拉矯機的張力控制研究

王 松，徐兆春

（馬鋼設(shè)備管理部，安徽馬鞍山 243000）

1 設(shè)備配置狀況

馬鋼冷軋北區(qū)酸洗連軋線主要生產(chǎn)原料為熱軋帶鋼鋼卷，帶鋼厚度從1.5 mm 到 6.0 mm，寬度從830 mm 到2 000mm，鋼種為CQ，DQ，DDQ，EDDQ 以及高強度CQ-HSS，DQ-HSS，DDQ-HSS 等規(guī)格。張力拉矯機是冷軋酸洗連軋生產(chǎn)線帶鋼預處理工藝過程中的關(guān)鍵設(shè)備，位于酸洗槽前用來改善帶鋼板形，并通過拉伸和彎曲破碎帶鋼表面氧化鐵皮鱗片，從而使得帶鋼易于酸洗，達到良好的酸洗效果（見圖1）。

圖1 生產(chǎn)線設(shè)備及拉矯機布置圖

馬鋼酸洗冷連軋生產(chǎn)線中張力拉矯機拉矯工作輥為無驅(qū)動盒式，每個工作輥為剛性支撐。張力拉矯機輥為三輥式裝置（見圖2），由2 個延伸率單元（4個工作輥）和1個抗彎單元組成。

圖2 拉矯機三輥裝置

2 拉矯機內(nèi)部張力邏輯分析

拉矯機入口自2#張力輥（為兩輥張緊）開始，中間是無驅(qū)動拉矯機工作輥盒，出口為3#張力輥（四輥張緊，第四輥軸承座安裝ABB 張力計）。分別配置2#張力輥力矩電機（交流50 kW）、3#張力輥力矩電機（交流65 kW），主傳動電機（交流1 100 kW），延伸率電機（交流340 kW）和4 臺矢量變頻控制傳動電機。拉矯機控制原理圖見圖3。

圖3 拉矯機控制原理圖

通過圖3 所示減速張力邏輯，拉矯機中間工作區(qū)域帶鋼主張力T，3#張力輥1#、2#輥間張力T0，2#、3#輥間張力T1，以及3#張力輥出口張力計張力測量值T3之間的關(guān)系為：

由（1）得到：

由（3）得到：

整理得：

將（2）、（5）代入(6)后整理得到：

式中：T——拉矯機中間工作區(qū)域帶鋼主張力，N；

T0——3#張力輥1#、2#輥間張力，N；

T1——2#、3#輥間張力，N；

T3——3#張力輥出口張力計張力測量值，N；

Tr3——3#張力輥3#輥電機力矩，N；

Tr0——3#張力輥力矩電機力矩，N；

De1——3#張力輥1#輥直徑，mm；

De2——3#張力輥2#輥直徑，mm；

De3——3#張力輥3#輥直徑，mm；

Trs——延伸率電機力矩，N·m；

β1、β2、β3——控制系數(shù)變量，初始值均為0.95。

從以上減速傳動換算邏輯分析，得到拉矯機中間工作區(qū)域帶鋼主張力T，（7）式中增加β1、β2、β3共3 個控制系數(shù)，通過PLC 邏輯控制查表得初始值為0.95。PLC 控制系統(tǒng)和電機變頻傳動系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)Tr3、Tr0、Trs，來控制拉矯機中間帶鋼的主張力。由于拉矯機后面帶鋼進入酸槽，Tr3以穩(wěn)定酸槽帶鋼張力為主，其調(diào)節(jié)范圍不大。提高帶鋼延伸率主要依靠調(diào)節(jié)Trs和Tr0。提高電機力矩可以使帶鋼產(chǎn)生一定的延伸長度，通過內(nèi)部上下彎輥輥縫嚙合來達到破碎帶鋼表面氧化鐵皮的效果。

3 延伸率模式和張力模式控制切換邏輯

帶鋼延伸率可通過延伸電機的預設(shè)置自動控制，生產(chǎn)線的二級計算機系統(tǒng)將每個鋼卷的延伸率設(shè)置值發(fā)送到一級PLC 控制系統(tǒng)，提供初始設(shè)置數(shù)據(jù)。生產(chǎn)操作人員也可以手動在HMI 畫面修改設(shè)置數(shù)據(jù)，最終設(shè)置值由用戶根據(jù)實際操作和鋼卷情況進行調(diào)節(jié)。

為充分拉矯帶鋼表面，更好地破碎帶鋼表面氧化鐵皮，保證設(shè)備安全生產(chǎn)，同時避免出現(xiàn)無限制提高延伸率而造成張力超過設(shè)備極限能力，在PLC的控制邏輯中對拉矯機內(nèi)部帶鋼的最大張力進行實時監(jiān)控限制。

通過實時反饋值監(jiān)視拉矯機內(nèi)的張力狀態(tài)變化，如果拉矯機內(nèi)部張力未達到最大設(shè)定值，通過延伸率電機提高帶鋼延伸率直到實際延伸率達到設(shè)定值。如果T達到最大設(shè)定值，拉矯機的控制模式從延伸率控制模式自動切換到張力控制模式。圖4是帶鋼最大張力控制邏輯框圖[1]。

圖4 帶鋼最大張力保護控制框圖

圖4中的Ta是根據(jù)不同厚度、寬度、屈服強度的鋼種由二級計算機系統(tǒng)查表得來張力設(shè)定具體值。當拉矯機內(nèi)部帶鋼的實際張力低于張力上限設(shè)定值A(chǔ)，則通過張力自動調(diào)節(jié)電機延伸率電機，使控制模式一直處于延伸率模式控制，當拉矯機內(nèi)部帶鋼實際張力超過A時，PLC 控制程序自動跳轉(zhuǎn)到張力控制模式，并同時在HMI畫面發(fā)出告警。

PLC控制程序?qū)崟r動態(tài)反饋拉矯機帶鋼張力運算值，在確保張力不超出A的前提下，提高帶鋼延伸率，以達到帶鋼拉矯除鱗預期效果。

4 實際控制效果跟蹤分析

通過以上分析，參考PLC 延伸率和張力控制模式，將拉矯機最大保護張力限制設(shè)定值設(shè)定為55 t。通過采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)當拉矯機內(nèi)部張力超極限時，拉矯機延伸率控制模式切換為保護張力控制模式。

圖5是通過跟蹤信息采集模塊采集到的超過極限設(shè)置的狀態(tài)數(shù)據(jù)。當拉矯機內(nèi)部帶鋼張力達到極限值時，延伸率降低。

圖5 超過極限設(shè)置的狀態(tài)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

隨著高強度冷軋帶鋼市場需求逐漸擴大，冷軋帶鋼生產(chǎn)高屈服強度帶鋼比重越來越多。在實際生產(chǎn)過程中拉矯機生產(chǎn)負荷比重增加，時常有張力超過設(shè)備設(shè)計極限的情況[2]。為保護機械傳動設(shè)備和驅(qū)動電機，同時滿足生產(chǎn)需求，發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的極限能力，可以在拉矯機內(nèi)部最大張力設(shè)置保護值進行限制保護。

從延伸率控制和張力控制兩種模式來優(yōu)化不同帶鋼的拉矯效果，在設(shè)備設(shè)計能力范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，滿足生產(chǎn)實際需要，這種控制思路在保護原有設(shè)備的前提下，極大地發(fā)揮了現(xiàn)有設(shè)備能力，提高了生產(chǎn)效率。