連退機(jī)組入口活套張力控制與位置控制方法研究

肖至勇，俞鴻毅，崔熙穎

（1.寶山鋼鐵股份有限公司 寶鋼分公司，上海 201900；2.燕山大學(xué) 國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066004）

0 引言

目前，在很多工業(yè)生產(chǎn)中，為了最大限度地降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)過(guò)程中因正常中斷造成的經(jīng)濟(jì)損失，一般采用連續(xù)生產(chǎn)方式［1］。為保證連退機(jī)組能以正常的工藝速度連續(xù)生產(chǎn)，需要在入口段與工藝段之間增加入口活套以保證原料的持續(xù)供應(yīng)［2］?；钐资潜ＷC冷軋生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵，連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中穩(wěn)定、精確的速度控制和張力控制是提高控制精度、防止帶鋼抖動(dòng)的基礎(chǔ)，是產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要保證［3］。對(duì)于活套張力來(lái)講，其張力的控制目標(biāo)有兩個(gè)：一是保證在正常運(yùn)行條件下帶鋼不出現(xiàn)跑偏、撕裂等問(wèn)題；二是在帶鋼清洗段發(fā)生一次斷帶后，活套各個(gè)輥組電機(jī)停車(chē)過(guò)程中，保證活套帶鋼張力異常時(shí)不至于發(fā)生二次斷帶。本文主要研究在發(fā)生一次斷帶后，如何通過(guò)控制活套張力和位置來(lái)防止帶鋼在入口活套內(nèi)發(fā)生二次斷帶。

1 入口活套張力控制方法

張力在軋鋼生產(chǎn)中是一個(gè)不可忽略的重要因素，張力精度的控制直接影響了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程的正常進(jìn)行。張力如果過(guò)大可能引起斷帶，張力如果過(guò)小則不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求［4－5］。二次斷帶是帶鋼在清洗段發(fā)生一次斷帶后由于張力的減小或增大導(dǎo)致后續(xù)帶鋼再次發(fā)生斷帶的現(xiàn)象，二次斷帶可導(dǎo)致后續(xù)帶鋼逃逸至連退爐內(nèi)，延長(zhǎng)機(jī)組事故處理時(shí)間。

在機(jī)組張力控制的基礎(chǔ)上，若機(jī)組發(fā)生斷帶，則必須保證活套在一次斷帶停車(chē)時(shí)不至于發(fā)生二次斷帶。由于入口活套處的張力和后續(xù)爐內(nèi)帶鋼張力密切相關(guān)，因此本文定義爐內(nèi)帶鋼運(yùn)行狀態(tài)綜合判斷指標(biāo)為ξ，其臨界值為ξ＊，所以帶鋼斷帶運(yùn)行預(yù)測(cè)約束為ξ＜ξ＊。

為保證機(jī)組斷帶后活套內(nèi)帶鋼不發(fā)生撕裂和跑偏現(xiàn)象，故而特提出活套內(nèi)帶鋼運(yùn)行穩(wěn)定性的綜合控制指標(biāo)，表示為：

其中：δ為機(jī)組跑偏因子；δ＊為機(jī)組臨界跑偏因子；λ為機(jī)組撕裂因子；λ＊為機(jī)組臨界撕裂因子；β、η為加權(quán)系數(shù)，β＋η＝1；X 為帶鋼張力值，X＝｛σii＝1，2，…，N｝，σi為第i段帶鋼張力值。

帶鋼運(yùn)行穩(wěn)定性的綜合控制指標(biāo)上限為Fmax。當(dāng)發(fā)生一次斷帶后，活套內(nèi)各輥?zhàn)与姍C(jī)的功率會(huì)隨之發(fā)生變化，若保證不發(fā)生二次斷帶，則各輥?zhàn)与姍C(jī)的功率和扭矩在單位時(shí)間內(nèi)的變化率不能太大，不能超過(guò)各臨界值。為此，定義電機(jī)功率的變化率為KPΔt，電機(jī)功率變化率的臨界值為KP臨界，電機(jī)扭矩的變化率為KTΔt，電機(jī)扭矩變化率的臨界值為KT臨界。

綜合上述約束條件，可得出活套部分的張力優(yōu)化函數(shù)：

于是，連續(xù)退火過(guò)程中入口活套的張力綜合優(yōu)化過(guò)程可以描述為：尋找一個(gè)最佳張力設(shè)定值X＝｛σii＝1，2，…，N｝，使得在滿(mǎn)足約束條件的情況下，目標(biāo)函數(shù)F（X）最小。

2 入口活套的位置控制方法

當(dāng)發(fā)生一次斷帶后，后續(xù)帶鋼由于張力上升會(huì)使得上半部分活套小車(chē)急速下降一段距離，但下降后又容易造成帶鋼堆疊而造成二次斷帶，所以在發(fā)生斷帶后需要通過(guò)系統(tǒng)控制使活套小車(chē)下降一定距離，防止因張力過(guò)大導(dǎo)致斷帶出現(xiàn)帶鋼堆疊。在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)控制器以控制各輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)角跟蹤誤差和同步誤差收斂趨于零。控制系統(tǒng)由兩部分組成：跟蹤控制器和同步控制器，如圖1所示。以圖1左邊第一個(gè)單元為例，跟蹤控制器采用前饋與PD反饋相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中θd（t）為前饋的輸入，ε＊i（t）為PD反饋的輸入。前饋?lái)?xiàng)的作用是不斷逼近被控對(duì)象，使得輸出跟蹤參考指令，當(dāng)被控對(duì)象發(fā)生參數(shù)攝動(dòng)及擾動(dòng)變化時(shí)通過(guò)PD反饋來(lái)抑制擾動(dòng)。同步控制器采用PI控制器，ε＊i（t）為它的輸入，采用了相鄰耦合策略來(lái)減小同步誤差。

當(dāng)檢測(cè)到斷帶時(shí)，結(jié)合張力控制方法，若采用緊急停車(chē)，機(jī)組降速斜率較大，會(huì)使活套處帶鋼張力異常上升，此時(shí)應(yīng)緩慢下移活套小車(chē)上部，降低活套內(nèi)部帶鋼的張力，結(jié)合抱緊輥的抱緊和張開(kāi)，不使帶鋼因張力異常而出現(xiàn)爐內(nèi)斷帶。

圖1 控制系統(tǒng)組成

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某鋼鐵企業(yè)1420連退機(jī)組每年因一次斷帶引起活套內(nèi)發(fā)生二次斷帶的故障占清洗段斷帶故障的80%，發(fā)生二次斷帶后很容易導(dǎo)致后續(xù)帶鋼逃逸至連退爐內(nèi)，延長(zhǎng)了故障排除時(shí)間，給機(jī)組帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失。為此，采用本文所述相關(guān)技術(shù)模型進(jìn)行計(jì)算，并利用斷帶后活套小車(chē)的位置控制方法，一方面調(diào)節(jié)帶鋼的張力，另一方面通過(guò)控制斷帶后活套小車(chē)的位置，確保在清洗段發(fā)生斷帶后活套內(nèi)不發(fā)生二次斷帶。

采取本文所述技術(shù)后，企業(yè)每年因一次斷帶引發(fā)活套內(nèi)發(fā)生的二次斷帶故障僅占清洗段斷帶故障的10%，減少了機(jī)組故障處理時(shí)間，給企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)控制活套內(nèi)帶鋼的張力并設(shè)置爐內(nèi)帶鋼運(yùn)行狀態(tài)綜合判斷指標(biāo)和活套內(nèi)帶鋼運(yùn)行穩(wěn)定性的綜合控制指標(biāo)，通過(guò)控制活套內(nèi)各輥?zhàn)与姍C(jī)的功率和扭矩變化率使得在發(fā)生一次斷帶后減小活套內(nèi)發(fā)生二次斷帶的概率。

（2）通過(guò)設(shè)置跟蹤控制器的前饋與PD反饋相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，結(jié)合同步控制器的PI控制器，利用相鄰耦合策略來(lái)減小同步誤差，從而控制發(fā)生斷帶后活套小車(chē)的升降。