连退线活套控制技术分析

连退线活套控制技术分析

薛超云

（唐山首信自动化信息技术有限公司河北省唐山市063200）

摘要：在冷轧生产线中，卷取机工作时必须具有一定的速度和卷取张力，其大小取决于卷取机的工作状态和产品规格。活套是这类机组中不可或缺的重要设备。它的作用是保证机组连续稳定运行,缓冲由于机组中某些作业段停机或减速而导致的全线停机。活套的张力控制是这类机组自动化控制系统中的关键技术之一,它的控制好坏直接影响机组的连续生产。

关键词：连退生产线；活套控制；技术；

某冷轧厂1450mm五机架冷连轧机生产线卷取恒张力控制中，凭借西门子TDC强大的运算能力，快速精确地完成了转速转矩双闭环P控制。该生产线投产后采用的张力控制模式很好地抑制了动态过程中各种扰动对张力的影响，达到了较好的张力控制效果。

一、连退线机组简介

连退机组主要功能是对带钢进行退火工艺处理,以改善带钢内部晶体组织结构,提高带钢的工艺性能和机械性能。机组一般分为3段:入口段、工艺段与出口段。入口段主要完成钢卷的上卷、开卷以及焊接等工艺。工艺段是机组最重要的部分,机组的主要工艺功能如清洗、退火、涂层等功能都是由它完成的。出口段主要完成带钢的剪切、收卷以及卸卷等工作。为保证机组的连续作业,在入口段与工艺段、工艺段与出口段之间分别设有入口活套与出口活套用以缓冲3个作业段。当入口段进行换卷等作业需要减速或停机时,入口活套放套以保证工艺段速度保持不变。出口活套也是如此,当出口段减速或停机时,出口活套充套以保证工艺段速度保持不变。由于连退机组速度不高,一般最高速度为180m/min,因此在活套设计上大都选用卧式活套。活套主要由活套小车,钢绳卷筒及传动装置组成,由电机驱动。活套小车移动范围大约100m,共6层,最大带钢储量大约600m。通过活套电机正反转带动卷扬及小车来实现充放套。为保证机组正常运行,活套张力必须保持稳定。卧式活套由于带钢的自重与悬垂,稳态时带钢易抖动。由于托辊较多,在加减速时带钢张力易波动。

二、连退线活套控制技术

1.设备布置。为保证机组的正常运行,必须保证活套的张力在稳态及加减速时稳定。如果张力控制不好,就有可能导致带钢跑偏甚至刮边将带钢在活套中撕断。从控制角度上讲,影响活套张力的主要因素有活套车及带钢的惯量、摩擦、带钢自重、弯曲损耗等。卷取电动机上安装有脉冲编码器，用于测量卷取电动机的转速;卷取机由一台交流同步电动机驱动，电动机通过齿轮箱与卷筒相连，通过控制卷取电动机的转速转矩可实现卷取张力的调节。

2.转矩计算。转矩控制又称转矩调节,就是通过直接控制电机的转矩来控制带钢的张力。当电机的转矩增加时,活套内带钢张力增大,当电机转矩减小时带钢张力减小。张力控制系统为转速转矩双闭环系统，转速控制为外环，转矩控制为内环。为了保持带钢在卷取过程中的张力，卷取电动机的输出转矩必须要等于各部分的阻力矩之和，即:，式中，MTS为速度环经限幅后的输出，不同的工作状态和控制模式下取值不同，但在张力控制发挥作用时，其主要为根据工艺设定张力而计算的张力转矩MT。卷取过程中，钢卷的卷径不断增大，造成系统惯量动态变化，同时MT也随卷径不断变化，因此为了确定MD，需要先计算钢卷实际卷径，再计算MT和MJ，最后再根据摩擦转矩随转速变化而不断变化的特点，通过测试法计算MF。考虑到摩擦、惯量等补偿的误差,将电机速度调节器放开,使速度调节器有一个比较小的调节量。虽然这个调节量很小,但对稳定活套车在稳态及动态时的速度与张力很有意义。

3.张力控制方案。为了保持带钢的质量，使得带钢有较好的板形，要求穿带结束后，在整个卷取的过程中加在带钢上的张力必须恒定不变。因此，卷取机控制的核心就是保证带钢在卷取时张力恒定。在卷取机卷取的过程中，钢卷的卷径不断增大，因此要使线速度保持恒定，就必须相应地降低卷筒的转速。卷取机的控制系统，就是通过对轴芯电机转速的精确调节，最终实现恒张力控制。随着可编程控制器运算速度的提高，间接张力控制逐渐被应用。因为间接张力控制的精度和响应速度，主要依赖于算法及控制器本身的运算速度和性能。卷取机系统的恒张力，是用间接张力控制的最大转矩法来实现的。由于卷取机在恒张力控制时，张力和线速度均恒定，因此在不考虑补偿和损耗的情况下，负载的功率可表示为:功率=张力×线速度，即卷取机轴芯电机的负载可近似地认为是恒功率。最大转矩法实现的恒张力控制，实际上就是:当卷取机转速在基速以上时，采用弱磁调速法，对电机实现恒功率调速。一是间接张力控制模式。间接张力控制系统中没有张力实际值反馈，因此是一种开环控制系统，此时转速控制器正向饱和，其正限幅MT，转矩内环的输入转矩设定值Dactt由张力转矩MT加上惯性转矩MJ和摩擦转矩MF后得到，转矩内环控制卷取电动机转矩达到设定值，以间接的方式保证张力值的恒定。二是直接张力控制模式。间接张力控制通过按张力设定值计算的张力转矩、惯性转矩和摩擦转矩计算出转矩给定，用转矩内环控制转矩，但实际张力是多少并不知道，张力控制精度受到影响。直接张力控制模式基于间接张力控制模式，增加了一个张力调节器，由测张辊测量出带钢实际张力作为反馈信号，张力调节器按照张力设定值和实际值的偏差计算出附加转矩调节量。注意由于直接张力控制在张力发生突变的时候容易产生振荡，为了避免这种情况，在张力调节器后面加了一个限幅器限制附加张力调节量，调节范围取张力最大值的10%。

4.活套传动控制。活套的传动装置采用西门子的系列交流变频器。根据活套张力闭环的结果计算出附加的速度给定，将两者的和作为传动的速度给定。在传动装置中，它是一个双闭环控制系统。速度调节器的输出，再加上摩擦、惯量转矩等补偿后，经过限幅作为转矩给定。转矩给定除以电机磁通就得到电机的转矩电流给定值。由于活套功能上只是缓冲2个作业段,对张力精度要求不高,因此只要能够保持张力稳定即可。对于一般机组,采用没有张力检测元件的张力控制方式即可满足机组运行要求。如果对活套张力精度要求特别高,项目资金充裕,也可采用带张力检测元件的张力控制方式。转矩控制方式由于低速时带钢张力容易波动,一般不建议采用。

三、关注问题

由于钢材市场的周期性波动,使连退线生产任务更多地面临极限规格。但是,作为设计能够生产的产品,由于已经达到设计的最大值,因此在生产时需要引起各方更多的关注。设备方需要对活套进行更多的精细管理,其中需要在大修时检查和调整的包括:活套轨道的检查和紧固;活套车体的检查(包括缓冲碟簧);配重块的磨损等。生产方首先在排产时要安排好生产次序和时间,要求尽可能排产在白班,以便于设备方能及时跟踪查找原因。操作方在生产极限规格时必须安排专人监护,一旦发生问题能够及时判断处理以免事故的扩大化。生产厚而窄带钢时一旦出现检查活套车体跑偏,首先应降速(停机)将带钢在车体上人为纠正,然后低速拉出。拉套时应保持匀速、低速(30MMIN)运行,同时活套上下都要有人员在现场密切监控车体和钢带的状况。在将跑偏钢带彻底拉出活套前不要同时充套。充放套时活套内钢带要根据现场情况作及时调整。

根据上述张力控制方法设计的活套控制系统先后在多个机组广泛的应用。这些连退机组自投产以来,运行过程中活套张力稳定,满足了连续生产的要求。

参考文献：

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［2］孙文权，杨荃，彭鹏，等．全连续冷连轧机张力控制系统［J］．冶金自动化，2015，33(3):20-24．

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