板材生產(chǎn)線的張力控制和負(fù)荷平衡控制

1、板材生產(chǎn)線的張力控制和負(fù)荷平衡控制王翠萍（上海億富特鋼鐵技術(shù)有限公司，上海， 201206）摘 要：板材生產(chǎn)線開(kāi)卷段張力控制的效果是提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，本文主要從鍍錫生產(chǎn)線 介紹了開(kāi)卷段張力輥張力控制的原理；同時(shí)，為了防止開(kāi)卷段張力輥主從輥電機(jī)負(fù)荷不平衡而 導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱，本文接著研究了張力輥主從輥的負(fù)荷平衡控制的原理。系統(tǒng)達(dá)到很好的張力控 制和負(fù)荷平衡控制效果。關(guān)鍵詞：張力輥；張力控制；負(fù)荷平衡；垂度控制Tension Control And Loaded-balanced Control Of Tension RollerWang Cuiping(Shanghai AFDsteel Engi

2、neering Technology Co., Ltd, Shanghai, 201206)Abstract ：It is the crucial measure that the effect of tension control of uncoiling part in the plate production line. The paper introduces the principle of the tension control of uncoiling part from the Electrolytic Tinning Line(ETL). Meanwhile, in orde

3、r to prevent the load imbalances of tension principal roller and subordinate roller resulting motor overheating, this thesis studies the load-balanced control theory of tension principal roller and subordinate roller.The system reached agood system control and load-balanced control effect.Key words:

4、 Tension roller; Tension control; Load-balanced control; Droop control一、 前言板材生產(chǎn)過(guò)程中要求對(duì)生產(chǎn)線的張力進(jìn)行控制,張力控制的好壞直接影響到整 個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此張力控制在整條生產(chǎn)線中是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。張力控制不好往往 會(huì)出現(xiàn)薄板褶皺或折痕、邊緣罩擦帶鋼、厚板無(wú)法高速生產(chǎn)等問(wèn)題。另外對(duì)于多電 機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，只有電動(dòng)機(jī)速度同步并不能滿足實(shí)際系統(tǒng)的工作要求，還要求各傳動(dòng) 點(diǎn)電機(jī)負(fù)載率相同，否則會(huì)出現(xiàn)某臺(tái)電機(jī)負(fù)荷分配大，某臺(tái)電機(jī)負(fù)荷分配小的情況。 因此本文從某鍍錫生產(chǎn)線中對(duì)開(kāi)卷段張力輥的控制來(lái)闡述張力控制與負(fù)荷分配控制 在傳動(dòng)系

5、統(tǒng)上的合理運(yùn)用。上海億富特鋼鐵技術(shù)有限公司擁有長(zhǎng)期服務(wù)于鋼鐵行業(yè)的機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)、 制造和成 套、工藝生產(chǎn)、技術(shù)服務(wù)等，并且研發(fā)和生產(chǎn)的特種橡膠輥類(lèi)產(chǎn)品和橡膠套筒產(chǎn)品 覆蓋大多數(shù)冷軋板生產(chǎn)線。近期我公司承接了此電鍍錫生產(chǎn)線的安裝和調(diào)試工作， 獲得很好的張力控制和負(fù)荷平衡控制效果，滿足了生產(chǎn)要求。二、 張力控制問(wèn)題2.1 開(kāi)卷段張力控制原理開(kāi)卷機(jī)采用西門(mén)子的 SIMOVERT MASTERDRIVE 交流調(diào)速矢量控制方式。矢量 控制原理的出發(fā)點(diǎn)是，考慮到異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù) 系統(tǒng)，很難直接通過(guò)外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用靜止坐

6、標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，可以把定子電流中的 勵(lì)磁電流分量I sd與轉(zhuǎn)矩電流分量I sq變成標(biāo)量獨(dú)立開(kāi)來(lái)，進(jìn)行分別控制。這樣異步機(jī) 與直流電動(dòng)機(jī)有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理，即回到磁場(chǎng)與其相垂直的電流Isq的積為轉(zhuǎn)矩這一基本原理進(jìn)行張力分析。張力T和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系為M =T-D（ 1）2in式中，M為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，T為開(kāi)卷機(jī)的張力，D為帶鋼的直徑，i為開(kāi)卷電動(dòng) 機(jī)至卷筒的減速比，n為傳動(dòng)裝置的效率。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩M與磁通及產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量Isq關(guān)系為M 二 Km Isq（ 2）式中，M為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，K m為電動(dòng)機(jī)常數(shù)，？為磁通。由公式（1）和（2 ）可以得出張力T與 ?、D和Isq的關(guān)系為M =

7、 K IsqD sq其中 M =2Kmi。可見(jiàn)，基頻以下時(shí)，？恒定，電流Isq和轉(zhuǎn)矩成正比。根據(jù)卷徑的變化，通過(guò)預(yù) 設(shè)轉(zhuǎn)矩參考值的變化，使得在恒定的預(yù)設(shè)定點(diǎn)上轉(zhuǎn)矩的變化是卷徑變化的函數(shù)，即 電流Isq變化是卷徑變化的函數(shù)，即保持Isq/D=常數(shù)，實(shí)現(xiàn)T為恒定值的控制；基頻以 上工作時(shí)，有進(jìn)行恒功率控制的磁場(chǎng)給定器，磁場(chǎng)電流與速度成反比例減少。隨著 磁通？的逐漸減少，即產(chǎn)生磁通的電流分量Isq減少，由于異步電動(dòng)機(jī)的定子電流是 在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，禾I用電磁感應(yīng)作用在電氣上被分解為磁場(chǎng)電流和轉(zhuǎn)矩電流，根據(jù)其 原理，定子最大電流Imax保持恒定，Isd減少，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量Isq相應(yīng)地增大。 SIMOV

8、ERT卷機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使得在基速以上時(shí)，電機(jī)電流變化與開(kāi)卷機(jī)電機(jī)磁場(chǎng)弱磁 程度協(xié)調(diào)一致，據(jù)此計(jì)算轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，在限幅范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩設(shè)定點(diǎn)和電機(jī)電流之間 相對(duì)進(jìn)行調(diào)整，使得？/D*Isq恒定，即實(shí)現(xiàn)了張力T恒定控制。2.2張力輥控制原理鍍錫生產(chǎn)線入口段的速度以新增的 1 #S型張力輥為主，開(kāi)卷機(jī)的控制速度跟 隨1 #張力輥，維持入口段的張力恒定，開(kāi)卷機(jī)采用間接張力控制方式來(lái)保證全線 張力恒定可調(diào)。間接張力控制通過(guò) T400工藝板完成，在開(kāi)發(fā)周期較短的情況下， 能夠大大減少了 PLC的編程量，而且控制簡(jiǎn)單實(shí)用。T400工藝板需要計(jì)算卷徑， 因此需要檢測(cè)線速度，并需要在開(kāi)卷機(jī)電機(jī)主軸上設(shè)立脈沖編碼器以檢測(cè)角

9、速度。 則卷徑D的計(jì)算為：D = 60V/ n n 其中：V為線速度，n為開(kāi)卷機(jī)角速度。 開(kāi)卷機(jī)轉(zhuǎn)速的給定值是由轉(zhuǎn)向輥實(shí)際轉(zhuǎn)速得到的，可以計(jì)算為n set = n 1# 張 張 / D o電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為則差值nact = (U-IR)/(Ke © ) n n set -n act。該差值作為速度調(diào)節(jié)器的輸入，以控制開(kāi)卷機(jī)跟蹤轉(zhuǎn)向輥線速度變化。具體實(shí) 施時(shí)，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速nact由電機(jī)上所帶碼盤(pán)測(cè)出傳給CUVC板，再由CUVC板傳給 T400板；線速度Vact由導(dǎo)向輥測(cè)速碼盤(pán)測(cè)出直接傳給T400板；張力給定Zset由操 作臺(tái)觸摸屏設(shè)定傳給S7-300，S7-300通過(guò)Profibus-

10、DP網(wǎng)傳給T400板。T400板接收 到這些數(shù)據(jù)后，首先由T400板中直徑計(jì)算模塊計(jì)算出鋼卷的實(shí)際直徑 D，然后再根 據(jù)直徑計(jì)算出開(kāi)卷機(jī)的轉(zhuǎn)矩M，做為開(kāi)卷機(jī)的轉(zhuǎn)矩限幅傳給CUVC板，從而保證張 力的恒定。其控制原理圖如圖1所示：開(kāi)卷機(jī)卷筒導(dǎo)向輥2.3張力輥組張力計(jì)算方法1 #張力輥是入口段速度基準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)入口段速度控制和活套小車(chē)同步位置控制。 正常運(yùn)行時(shí)，它通過(guò)機(jī)組速度設(shè)定及活套同步位置控制參考實(shí)現(xiàn)自身速度控制。原 理圖圖2所示。充套時(shí)，系統(tǒng)向1#張力輥發(fā)出充套命令，1#張力輥升速運(yùn)行。充 套完成后，1 #張力減速停車(chē)，開(kāi)卷機(jī)換卷，活套消套。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，正常運(yùn)行時(shí)，活套入口張力大于開(kāi)卷機(jī)張

11、力，因此1井張力輥為發(fā)電狀態(tài)圖2 1#張力輥速度控制原理圖T2與入口端張力T1有以下關(guān)系式:發(fā)電狀態(tài)下，張力輥帶鋼出口端的張力T2 = T1e “發(fā)電轉(zhuǎn)臺(tái)張力輥受力分析如圖3所示：a噹運(yùn)方圖3發(fā)電狀態(tài)張力輥受力分析張力輥電機(jī)應(yīng)提供的驅(qū)動(dòng)力矩為：MZ = AT ?D = (T2 - T1)?D = T1(e “ - 1)?D2 2 2其中：a:帶鋼與張力輥之間的包角；卩：帶鋼與輥面之間的摩擦系數(shù)；D:張力輥 直徑。發(fā)電狀態(tài)下，帶壓輥的張力輥(如圖4所示)帶鋼出口端的張力T1與入口端張 力T0有以下關(guān)系式：T1 = （T0+（P）eF材行向 帶迄方圖4帶壓輥的發(fā)電狀態(tài)下夾送輥受力分析張力輥電機(jī)應(yīng)提

12、供的傳動(dòng)力矩為：M X = AT?D = (T1- TO-疔)？D =(T0+ pP)(e g3- 1) ?D2 2 2其中：B：帶鋼與張力輥之間的包角；P：壓輥向下的壓力。由上面分析，并將帶壓輥的張力輥與不帶壓輥的張力輥組合，可得出S型張力輥入口張力(TO)和出口張力(T2)之間的關(guān)系如下：T2= (T0+(jP)e “a+ B)通過(guò)以上受力分析，可知，張力輥提供了活套前后的張力，通過(guò)控制張力輥的 驅(qū)動(dòng)力矩，能夠維持全線所需張力。2.5張力控制實(shí)現(xiàn)張力由電機(jī)建立，而電機(jī)是變頻器控制的，因此如何控制變頻器，讓電機(jī)產(chǎn)生 我們所需的張力，就是我們要解決的核心問(wèn)題。鍍錫線所用的變頻器是西門(mén)子公司 的

13、6SE70矢量控制型逆變器。其控制原理如圖示：速度給定速度給定SR電機(jī)控制圖5變頻器控制原理示意圖變頻器有兩種控制模式：速度控制模式和張力控制模式。當(dāng)變頻器工作于張力控制模式時(shí)，將需要電機(jī)產(chǎn)生的張力折算成一個(gè)轉(zhuǎn)矩給定值TR,提供給變頻器，控制電機(jī)產(chǎn)生所需的張力。這時(shí)人為的讓變頻器的速度調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)，速度- 張力控制模式選擇張力控制模式，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的給定值來(lái)自TR,變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，產(chǎn)生我們所要求的張力。當(dāng)變頻器工作于速度控制模式時(shí)，將生產(chǎn)線速度折算 成一個(gè)速度給定值，提供給變頻器，控制電機(jī)速度，同時(shí)將需要電機(jī)產(chǎn)生的張力折 算成一個(gè)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值T C,提供給變頻器，控制電機(jī)產(chǎn)生所需的張力。

14、也就是說(shuō)既要 讓電機(jī)產(chǎn)生所需要的張力，也就是讓電機(jī)運(yùn)行在要求的速度。變頻器工作在何種控 制模式，由控制器中的程序來(lái)控制，自動(dòng)進(jìn)行切換。西門(mén)子6SE70矢量控制功能，可以對(duì)不同電機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度矢量控制。特別是帶 PG矢量控制方式具有極高的速度控制精度(+0.01 %)和極高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩(o r/min時(shí)150%)，其與PLC配合使用，可以實(shí)現(xiàn)速度鏈控制、自動(dòng)負(fù)荷控制、速差控制、張 力控制等功能。該傳動(dòng)系統(tǒng)采用由S7-315小型PLC作為系統(tǒng)的控制中心；由西門(mén)子 6SE70矢量變頻器為驅(qū)動(dòng)單元；變頻專用電機(jī)作為執(zhí)行單元；內(nèi)密控編碼器提供速 度反饋信號(hào)，使系統(tǒng)傳動(dòng)在速度閉環(huán)運(yùn)行模式下，從而使控制系統(tǒng)穩(wěn)速

15、精度達(dá)到0.01 %。由PLC通過(guò)西門(mén)子PROFIBU協(xié)議、PROFIBUS-D網(wǎng)絡(luò)與變頻器實(shí)現(xiàn)速度鏈 功能、垂度控制、負(fù)荷分配等功能，較理想地滿足系統(tǒng)正常工作的需求。三、負(fù)荷分配問(wèn)題3.1負(fù)荷分配原理負(fù)荷分配是傳動(dòng)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，其控制的好壞將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的正常 運(yùn)行甚至生產(chǎn)率。傳統(tǒng)的負(fù)荷分配問(wèn)題多由設(shè)計(jì)好的負(fù)荷分配器來(lái)控制，由于現(xiàn)場(chǎng) 的干擾較強(qiáng)，因而使其控制的精度受到影響。變頻傳動(dòng)控制中，我們用PL(和變頻技 術(shù)結(jié)合起來(lái)解決負(fù)荷分配問(wèn)題，自應(yīng)用以來(lái)，控制效果良好，在實(shí)際控制當(dāng)中電 機(jī)功率是一間接量。所以實(shí)際控制近似以電機(jī)定子電流代替電機(jī)功率。即I = Iei*ILI Li = N刀e

16、i i=1其中：I u 第i臺(tái)電機(jī)出力電流；Iei 第i臺(tái)電機(jī)額定電流；IL 負(fù)載總電流；N 參與負(fù)荷分配的電機(jī)數(shù)；負(fù)荷分配就是依據(jù)電機(jī)電流，利用上述原理對(duì)控制的各臺(tái)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電 機(jī)電流百分比一樣，即各電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流和額定電流比值應(yīng)相等，這樣完成負(fù)荷分配 的自動(dòng)控制。常用的負(fù)荷平衡系統(tǒng)有兩類(lèi)：一類(lèi)是兩套電機(jī)控制系統(tǒng)共用一套轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(主 系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,從系統(tǒng)沒(méi)有)，其輸出作為兩套轉(zhuǎn)矩控制環(huán)共同的轉(zhuǎn)矩給定，即 經(jīng)轉(zhuǎn)矩環(huán)的負(fù)荷平衡系統(tǒng)；另一類(lèi)是主從兩套系統(tǒng)都有各自的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)矩調(diào) 節(jié)器，但在從系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入端接有兩套轉(zhuǎn)矩實(shí)際值的差值調(diào)節(jié)信號(hào)，即經(jīng)轉(zhuǎn) 速環(huán)的負(fù)荷平衡系統(tǒng)。這兩類(lèi)系統(tǒng)

17、都可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡調(diào)節(jié),應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。第1類(lèi)負(fù)荷平衡系統(tǒng)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)平衡效果好，但有可能產(chǎn)生扭振，即有可能造成兩臺(tái) 電機(jī)負(fù)荷來(lái)回波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流激磁震蕩， 引起系統(tǒng)過(guò)流跳閘。這類(lèi)系統(tǒng)適用 于電機(jī)間通過(guò)“剛性”聯(lián)系的場(chǎng)合，例如兩臺(tái)電機(jī)的串軸控制。第2類(lèi)負(fù)荷平衡系統(tǒng) 響應(yīng)慢，但具有一定抑制扭振的能力，適用于電機(jī)間通過(guò) “彈性”聯(lián)系的場(chǎng)合,例如兩 臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間無(wú)機(jī)械軸,彼此通過(guò)金屬帶聯(lián)系。采用經(jīng)轉(zhuǎn)速環(huán)負(fù)荷平衡系統(tǒng)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn),就是可以實(shí)現(xiàn)“冗余”要求。主從兩 套系統(tǒng)都有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,可以獨(dú)立工作,即在一臺(tái)電機(jī)或調(diào)速裝置出現(xiàn)故障時(shí),另一 套系統(tǒng)仍能繼續(xù)短時(shí)工作,以滿足生產(chǎn)需要。而采用轉(zhuǎn)矩環(huán)

18、負(fù)荷平衡系統(tǒng)時(shí),在主系 統(tǒng)故障時(shí)整個(gè)系統(tǒng)則立刻停機(jī)，這是因?yàn)閺南到y(tǒng)沒(méi)有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。即使從系統(tǒng)臨時(shí) 投入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，也會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)沖擊。3.2負(fù)荷分配的實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡控制的基本原理就是從輥按比例分配總的轉(zhuǎn)矩，在這里通過(guò)轉(zhuǎn)矩限幅 來(lái)控制從輥的轉(zhuǎn)矩電流。具體算法是：先計(jì)算從輥平衡比率 K,設(shè)定從輥的轉(zhuǎn)矩限幅為100%然后讀入 主輥和從輥的實(shí)際轉(zhuǎn)矩電流，相加得到總的轉(zhuǎn)矩電流，接著用K乘以總的轉(zhuǎn)矩電流得到從輥所需要的轉(zhuǎn)矩電流，最后算出從輥的轉(zhuǎn)矩限幅值送到從輥逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù) 荷平衡控制。張力輥的M2輥需要進(jìn)行負(fù)荷分配控制，分配算法由PLC實(shí)施。負(fù)荷分配按下面 公式進(jìn)行：M M 2 = (Mmi + Mm2)

19、*P2p + P2即 Mm2 =0.577*( Mmi + Mm2) 式中：MMi 張力輥M1輥的轉(zhuǎn)矩;Mm2 張力輥M2輥的轉(zhuǎn)矩；P 張力輥M1輥的額定功率，11KWF2 張力輥M2輥的額定功率，15KWp + p>四、系統(tǒng)調(diào)試按照原來(lái)設(shè)計(jì)思想：1#張力輥為閉環(huán)速度控制，同時(shí)1#張力輥工作在發(fā)電狀態(tài)，為保證1#張力輥的M1和M2輥不會(huì)由于輥徑磨損或閉環(huán)速度控制時(shí)的差異導(dǎo) 致兩輥力矩分配不均從而導(dǎo)致打滑等現(xiàn)象，兩輥在正常工作時(shí)需工作在不同的方式。 1#張力輥M1輥工作在閉環(huán)速度控制，而M2輥工作在閉環(huán)速度控制的從動(dòng)狀態(tài)， 跟 隨M1輥的轉(zhuǎn)矩變化。也就是要進(jìn)行負(fù)荷分配控制；2#張力輥在點(diǎn)動(dòng)

20、時(shí)工作在閉環(huán) 速度控制方式P10X4,在正常工作時(shí)工作在轉(zhuǎn)矩控制 P100=5o這種切換由控制字 2中的位18的MDS和位19的MDS選擇不同的功能數(shù)據(jù)組實(shí)現(xiàn) (P100 ;活套工作 方式同2#張力輥；3#張力輥采用1#輥速度控制，2#昆恒轉(zhuǎn)矩控制；輔助馬達(dá)采用間 接速度控制。開(kāi)始運(yùn)行張力波動(dòng)很大，全線不能建張，1#張力輥負(fù)荷平衡系統(tǒng)采用1#張力輥 M1輥工作的閉環(huán)速度控制，而M2輥工作在閉環(huán)速度控制的從動(dòng)狀態(tài)，跟隨M1輥的轉(zhuǎn)矩變化。此后修改1#張力輥的工作方式，Ml M2由于是柔性連接，可同時(shí)采用速 度閉環(huán)、負(fù)荷分配、垂度控制進(jìn)入全線聯(lián)動(dòng)，1#張力輥工作穩(wěn)定，而在step7中在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)塊0B11中3#張力輥數(shù)據(jù)，3#張力輥開(kāi)始張力比較穩(wěn)定，靜張力均衡， 轉(zhuǎn)矩較大，但運(yùn)行一段時(shí)間后，轉(zhuǎn)矩迅速減小，提速后，產(chǎn)生一絕對(duì)值很大的負(fù)轉(zhuǎn) 矩，全線停車(chē)。全線聯(lián)動(dòng)不能運(yùn)行：3#張力輥采用 1#輥速度控制，2#昆采用恒轉(zhuǎn)矩 控制，導(dǎo)致工藝段張力無(wú)法形成，因此需要修改。3#張力輥采用速度閉環(huán)、負(fù)荷分 配、垂度控制