連續(xù)熱鍍鋅鋼板生產(chǎn)線張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)方法

展鵬，張曉琳，張軍保

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津300180）

1 引言

在鍍鋅鋼板生產(chǎn)過程中，精確的張力控制是提高鍍鋅鋼板質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一，也是防止帶鋼跑偏的重要手段。本文介紹了連續(xù)熱鍍鋅鋼板生產(chǎn)線張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和張力控制實(shí)現(xiàn)的方法。

2 生產(chǎn)線的組成

圖1是鍍鋅鋼板生產(chǎn)線的流程示意圖。圖1中A為開卷機(jī)；B為1號(hào)張力輥；C為清洗段；D為2號(hào)張力輥；E為入口活套；F為3號(hào)張力輥；G為爐內(nèi)熱張力輥（4號(hào)張力輥）；H為鋅鍋、氣刀；I為冷卻塔；J為5號(hào)張力輥；K為光整機(jī)；L為6號(hào)張力輥；M為拉矯機(jī)；N為7號(hào)張力輥；O為8號(hào)張力輥；P為鈍化塔；Q為9號(hào)張力輥；R為出口活套；S為10號(hào)張力輥；T為卷取機(jī)。

生產(chǎn)線由入口段、工藝段和出口段3個(gè)工段組成，A開卷機(jī)到E入口活套為入口段；入口活套到R出口活套為工藝段；出口活套到T卷取機(jī)為出口段。工段之間設(shè)置了活套機(jī)構(gòu)，用于檢測工段之間的速度差。

圖1 熱鍍鋅鋼板生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Chart of continuous hot－dip galvanized line

3 熱鍍鋅鋼板生產(chǎn)線的速度設(shè)定

連續(xù)熱鍍鋅鋼板生產(chǎn)線每個(gè)工段的速度應(yīng)保持匹配，張力控制才能較好的實(shí)現(xiàn)，各工段的速度設(shè)定是獨(dú)立的。每個(gè)工段中設(shè)置有1個(gè)速度基準(zhǔn)輥，入口段、工藝段和出口段的速度基準(zhǔn)輥分別為2號(hào)張力輥、6號(hào)張力輥和10號(hào)張力輥。

3.1 入口段和出口段速度設(shè)定

式中：v為入口段或出口段速度；v0為工藝段速度；Δv為人工速度修正量。

入口段或出口段的速度v是在工藝段速度v0上疊加1個(gè)人為速度修正量Δv得到的。

3.2 活套電機(jī)的速度設(shè)定

各工段之間的速度差造成的帶量差由活套檢測并通過調(diào)節(jié)活套量保持恒定張力。當(dāng)生產(chǎn)線需要上下料時(shí)，操作工根據(jù)生產(chǎn)線狀態(tài)對(duì)Δv進(jìn)行設(shè)定，Δv最小為v0的30%作為活套電機(jī)的速度標(biāo)定，最大為工藝段最大速度與其他工段最大速度之差。

3.3 張力輥的速度給定

以入口段為例，首先規(guī)定從開卷到卷取的方向?yàn)檎较颍钐椎闹亓Ψ较驗(yàn)檎较?。入口段由開卷機(jī)、1號(hào)張力輥、2號(hào)張力輥和入口活套組成。其中開卷機(jī)和1號(hào)張力輥提供負(fù)方向的張力，入口活套提供正方向的張力，2號(hào)張力輥平衡它們中間的張力差值。2號(hào)張力輥?zhàn)鳛槿肟诙嗡俣然鶞?zhǔn)輥保持入口段的設(shè)定速度，其他張力輥在張力方向上疊加1個(gè)飽和速度，見下式：

式中：vQ為張力輥的速度給定；v為入口段速度給定；k為速度系數(shù)（0.05～0.1）；β為張力方向（正方向?yàn)?，負(fù)方向?yàn)椋?）；vmax為工藝段的最大速度。

4 熱鍍鋅鋼板生產(chǎn)線的張力控制方法

4.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)硬件是由上位機(jī)（人機(jī)界面）、PLC、交流變頻電氣傳動(dòng)系統(tǒng)以及電機(jī)構(gòu)成，操作人員通過上位機(jī)對(duì)生產(chǎn)線速度以及各個(gè)工段的張力參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，由PLC進(jìn)行轉(zhuǎn)換同時(shí)對(duì)各變頻器發(fā)布指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)工段的張力進(jìn)行控制，如圖2所示。

圖2 電控系統(tǒng)示意圖Fig.2 Chart of electronic control system

4.2 生產(chǎn)線各段張力控制方式

生產(chǎn)線的張力控制方法包括：間接張力控制方式、直接張力控制方式和速度控制方式。電氣傳動(dòng)系統(tǒng)采用加入了轉(zhuǎn)矩限幅的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖3所示。來自PLC的轉(zhuǎn)速給定作為電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的給定輸入。由于有轉(zhuǎn)矩限幅環(huán)節(jié)的加入，通過對(duì)此速度調(diào)節(jié)器的輸出（即轉(zhuǎn)矩給定值）是否飽和的控制，形成速度控制模式運(yùn)行或者張力控制模式運(yùn)行，能夠滿足不同張力輥的張力控制需要。

4.2.1 間接張力控制

間接張力控制多用于一些不需要精確控制張力的工段，例如：入口段、出口段等，采用圖3所示速度調(diào)節(jié)加轉(zhuǎn)矩限幅的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的間接張力控制模式。

圖3 加入了轉(zhuǎn)矩限幅的間接張力控制系統(tǒng)圖Fig.3 Chart of indirect tension control system has a torque limiter

人為地對(duì)張力輥速度給定上疊加一個(gè)速度飽和給定，目的是為了在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，讓轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出始終處于飽和狀態(tài)，由式（2）得出的速度飽和給定值和速度給定疊加，如下式所示：

式中：vA為速度給定；vSET為生產(chǎn)線的速度給定；vMAX為生產(chǎn)線最大速度；Av為變頻器速度當(dāng)量。

又因?yàn)檗D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出值是轉(zhuǎn)矩的給定值，所以通過轉(zhuǎn)矩限幅器限制轉(zhuǎn)矩給定的大小，控制電流環(huán)的給定值，這樣就可以達(dá)到對(duì)電機(jī)出力的控制。操作人員通過上位機(jī)設(shè)定所需張力，再由PLC將張力轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩限幅器的限幅，這樣可以滿足運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)控制張力的要求，見下式：

式中：QS1為轉(zhuǎn)矩限幅器的給定；FSET為上位機(jī)的張力設(shè)定；FMAX為電機(jī)最大出力；AQ為變頻器轉(zhuǎn)矩當(dāng)量；Qk為空載轉(zhuǎn)矩。

由設(shè)備摩擦力產(chǎn)生的空載轉(zhuǎn)矩也需引入公式中。

當(dāng)負(fù)載為卷取機(jī)和開卷機(jī)時(shí)，需要引入卷徑計(jì)算以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償，根據(jù)卷徑的變化，線性的改變轉(zhuǎn)矩來保證張力恒定，如下式所示：

式中：G為負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ρ為材料密度；L為材料長度；D1為圓柱直徑；D2為卷芯直徑。

加入卷徑計(jì)算的間接張力控制轉(zhuǎn)矩給定為

式中：r為當(dāng)前卷徑；R為工藝設(shè)計(jì)的最大卷徑；α為生產(chǎn)線加速度；G為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；kc為人為測定參數(shù)；QS2為加入卷徑計(jì)算的轉(zhuǎn)矩限幅器的給定。

在式（6）中引入了加速度，這樣可以使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償只在加減速時(shí)起作用。

4.2.2 直接張力控制方式

直接張力控制方式一般用于需要對(duì)張力精確控制的設(shè)備，例如：退火爐內(nèi)張力控制，光整機(jī)、拉矯機(jī)的張力控制等。需要在生產(chǎn)線的相應(yīng)位置設(shè)置張力檢測設(shè)備進(jìn)行張力的檢測并與張力的期望值做閉環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)結(jié)果根據(jù)需要可以疊加到轉(zhuǎn)速環(huán)或者轉(zhuǎn)矩環(huán)上。

圖4中三輥測張儀利用了頂角120°等腰三角形的幾何性質(zhì)，將帶鋼方向的張力轉(zhuǎn)換至垂直方向上，再通過張力計(jì)壓頭將張力大小傳入PLC，通過PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行張力閉環(huán)的控制。

圖4 張力檢測設(shè)備示意圖Fig.4 Chart of tension detection equipment

張力調(diào)節(jié)器如圖5所示，采用PLC中自帶的PID調(diào)節(jié)器制作張力調(diào)節(jié)器，給定值大小是根據(jù)工藝要求計(jì)算出的，實(shí)際值是通過張力檢測設(shè)備作反饋，根據(jù)機(jī)械情況適當(dāng)設(shè)定死區(qū)寬度可防止PI調(diào)節(jié)器對(duì)機(jī)械振動(dòng)造成的誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)。PI參數(shù)的整定可以通過建靜張完成。為了防止過快的調(diào)節(jié)，限幅器限幅的大小一般為被調(diào)節(jié)量最大值的5%。

圖6所示系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩限幅器是完全放開的，并將張力調(diào)節(jié)量疊加在速度環(huán)上，這樣調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)是通過控制測張儀上游帶鋼的流量來控制張力大小的，當(dāng)被控區(qū)域內(nèi)帶鋼量較多的時(shí)候帶鋼較松馳，相應(yīng)的張力就較小，反之被控區(qū)域內(nèi)帶量較少的時(shí)候帶鋼較緊相應(yīng)的張力就較大。這種設(shè)備前一般直接與活套相連，方便張力輥從活套中抽出額外的鋼帶。

圖5 張力PI調(diào)節(jié)器Fig.5 PI tension adjuster

圖6 速度——張力環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic of speed－tension loop regulating system

圖6中張力設(shè)定值F＝k×h×w，其中k是張力參數(shù)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)鋼帶規(guī)格的不同，k的大小也不同，h為帶鋼的厚度，w為帶鋼的寬度。生產(chǎn)時(shí)操作人員根據(jù)爐內(nèi)鋼帶的規(guī)格計(jì)算出爐內(nèi)張力的設(shè)定范圍。

最終速度--張力環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速度給定為

式中：v為變頻器的速度總給定；KC為PI調(diào)節(jié)器的輸出量；vACT為生產(chǎn)線當(dāng)前速度的當(dāng)量反饋。

PI調(diào)節(jié)器輸出值KC為對(duì)應(yīng)被調(diào)節(jié)量最大值的百分?jǐn)?shù)，vACT取自變頻器的速度反饋，并對(duì)它們的乘積做下限幅，防止調(diào)節(jié)量過小造成張力失控，KC×vACT可以適應(yīng)各種速度時(shí)的不同調(diào)節(jié)要求。同樣，也可以將調(diào)節(jié)結(jié)果疊加到轉(zhuǎn)矩限幅器如圖7所示。

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，使用轉(zhuǎn)矩環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)，張力調(diào)節(jié)響應(yīng)很快，所以在調(diào)節(jié)器輸出后增加了斜坡和限幅，來抑制調(diào)節(jié)過快產(chǎn)生的超調(diào)。

圖7 轉(zhuǎn)矩環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic of torque loop regulating system

轉(zhuǎn)矩環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速度給定公式同式（4）。轉(zhuǎn)矩給定為

將式（4）帶入式（8），得出：

式中：Qf為帶調(diào)節(jié)量的轉(zhuǎn)矩限幅器給定。

4.2.3 速度控制方式

速度控制方式一般用于對(duì)速度需要精確控制的地方，例如：速度基準(zhǔn)輥，光整機(jī)與拉矯機(jī)的延伸率控制模式等。通常使用電機(jī)編碼器反饋、激光測速儀等作為速度檢測手段，并且在設(shè)計(jì)時(shí)選用功率較大的電機(jī)，使其能夠平衡入口段與出口段的張力差，如圖8所示。

圖8 速度控制系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic of speed control system

由于此系統(tǒng)用于控制速度基準(zhǔn)輥，為了保證速度，需要將此系統(tǒng)的限幅完全放開，具體出力的大小由張力輥入口側(cè)與出口側(cè)的張力差來決定。速度給定為

5 結(jié)論

本文對(duì)連續(xù)熱鍍鋅鋼板生產(chǎn)線上各工段多種張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和控制方法進(jìn)行了介紹，并針對(duì)調(diào)試中遇到的問題進(jìn)行了分析并且予以解決，所介紹的張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)先后在7條生產(chǎn)線上應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。