光整機(jī)速度補(bǔ)償分析與優(yōu)化

王艷強(qiáng) 呂劍 田才 宗志軍 張永國 張森建

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司冷軋作業(yè)部 河北唐山063210）

1 前言

光整機(jī)是冷軋熱鍍鋅產(chǎn)線重要的工藝設(shè)備，帶鋼經(jīng)光整后可以消除屈服平臺(tái)，提高板面平直度，改善帶鋼機(jī)械性能，進(jìn)而提升產(chǎn)品質(zhì)量［1］。延伸率和張力作為光整機(jī)控制的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，其實(shí)現(xiàn)過程都是通過補(bǔ)償光整機(jī)軋輥及張力輥的轉(zhuǎn)速來完成的。速度補(bǔ)償不合理會(huì)導(dǎo)致延伸率和張力控制不穩(wěn)定，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致帶鋼褶皺或斷帶。光整機(jī)控制的相關(guān)文獻(xiàn)［2－4］對(duì)速度補(bǔ)償?shù)难芯亢徒榻B比較寬泛，本文結(jié)合兩個(gè)光整機(jī)斷帶案例，對(duì)光整機(jī)速度補(bǔ)償?shù)木唧w實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了程序中存在的問題并進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)其他產(chǎn)線有一定的借鑒意義。

2 光整機(jī)控制模式

某冷軋廠四輥單機(jī)架光整機(jī)工藝布置圖如圖1所示，主要設(shè)備包括光整機(jī)入口5號(hào)張力輥、入口測張輥、4輥式光整機(jī)、出口測張輥和出口6號(hào)張力輥。

圖1 光整機(jī)區(qū)域工藝布置圖

5號(hào)張力輥為速度基準(zhǔn)輥，入出口張力計(jì)分別安裝在入出口測張輥上，用來檢測光整機(jī)入出口實(shí)際張力，實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制。在入口和出口的測量輥上還分別裝有編碼器，用于檢測光整機(jī)入、出口帶鋼的速度，實(shí)現(xiàn)光整機(jī)延伸率的閉環(huán)控制［5］。

光整機(jī)的控制方式分為延伸率模式和恒軋制力模式［6］。

延伸率控制模式是保持光整機(jī)入出口張力（設(shè)定值）恒定的情況下，通過改變光整機(jī)的軋制力來實(shí)現(xiàn)。將延伸率實(shí)際值與設(shè)定值進(jìn)行比較，結(jié)果輸出給PI調(diào)制器，當(dāng)延伸率實(shí)際值小于設(shè)定值時(shí)，通過增大軋制力來提高延伸率。反之，則減小軋制力，最終使實(shí)際延伸率等于設(shè)定值。

恒軋制力模式是在恒張力閉環(huán)基礎(chǔ)上按設(shè)定軋制力進(jìn)行軋制，在軋制過程中不考慮延伸率的變化，該模式是對(duì)延伸率控制模式的一種補(bǔ)充，控制方式簡單，一般不常用，只是在生產(chǎn)某些特殊鋼種或延伸率無法精確控制時(shí)采用。

光整機(jī)過焊縫模式通常分為微開、降軋制力和保持三種［7］。

微開模式是焊縫距離光整機(jī)一定距離時(shí)光整機(jī)輥縫打開至5mm位置，使焊縫平穩(wěn)通過的一種方式，當(dāng)焊縫質(zhì)量不好或前后卷厚度超差時(shí)使用。

降軋制力模式是當(dāng)輥縫接近光整機(jī)時(shí)光整機(jī)軋制力自動(dòng)降至最小軋制力，焊縫通過后再恢復(fù)至原軋制力。

過焊縫保持模式是當(dāng)焊縫到達(dá)平整機(jī)時(shí)，速度、軋制力和伸長率保持不變，焊縫直接通過平整機(jī)，當(dāng)焊縫質(zhì)量好時(shí)，一般選擇該模式。

3 光整機(jī)速度補(bǔ)償分配原理

光整機(jī)軋制是一個(gè)小壓下量的帶鋼微形變過程，一般采用恒延伸率的控制模式［8］。保持延伸率的恒定是通過調(diào)節(jié)軋制力和光整機(jī)入出口段張力來實(shí)現(xiàn)的。期間還要保持張力的穩(wěn)定，延伸率和張力的恒定最終是通過光整機(jī)軋輥及前后張力輥的速度補(bǔ)償和分配來實(shí)現(xiàn)的。

3.1 張力偏差的速度補(bǔ)償

基于速度的張力控制原理就是以光整機(jī)前的5號(hào)張力輥主速度輥為基準(zhǔn)，計(jì)算出張力實(shí)際值和設(shè)定值之間的偏差，通過PI調(diào)節(jié)器輸出附加速度給定值給軋輥或6號(hào)張力輥，使它們與5號(hào)張力輥間產(chǎn)生速度差，通過對(duì)差值的控制來實(shí)現(xiàn)張力的形成和穩(wěn)定，最終使張力實(shí)際值跟隨設(shè)定值。PI調(diào)節(jié)器內(nèi)部運(yùn)算模型［9］如公式（1）所示：

式中：V－out—為張力調(diào)節(jié)器的輸出；

ΔT—張力設(shè)定值與實(shí)際值的差值；

Kp—為調(diào)節(jié)器比例增益；

Tn—調(diào)節(jié)器積分增益；

Tscandt—PLC掃描時(shí)間。

3.2 延伸率的速度補(bǔ)償

由于帶鋼在平整前后的寬度和厚度變化甚微，因此，可得出延伸率的速度計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：E—帶鋼延伸率；

Ven—光整機(jī)入口張力輥速度，m／min；

Vex—光整機(jī)出口張力輥速度，m／min。

可得出：

從公式（3）中可以看出，光整機(jī)的出口速度等于光整機(jī)的入口速度與帶鋼延伸率附加的速度之和。因此，在張力控制系統(tǒng)中，可以將延伸率設(shè)定值轉(zhuǎn)換成光整機(jī)支撐輥和出口張力輥速度調(diào)節(jié)器的一個(gè)附加速度給定值，通過速度的補(bǔ)償就可彌補(bǔ)因帶鋼延伸引起的帶鋼張力變化，從而也可達(dá)到控制延伸率的目的［10］。

4 案例分析

4.1 案例描述

案例一：生產(chǎn)0.78mm薄規(guī)格帶鋼，操作工發(fā)現(xiàn)原料有孔洞，將光整機(jī)延伸率模式切換為恒軋制力模式，光整機(jī)實(shí)際延伸率和實(shí)際張力開始急劇下降，5秒鐘內(nèi)延伸率由1.1%下降到0.2%，入出口張力分別由30kN和35kN下降至4kN和10kN，帶鋼軋制嚴(yán)重褶皺，最終斷帶停車。PDA曲線如圖2所示。

圖2 光整機(jī)區(qū)域張力及延伸率波動(dòng)情況

案例二：光整機(jī)操作人員在焊縫到達(dá)光整機(jī)前5分鐘將光整機(jī)過焊縫的模式由保持改為降軋制力模式，焊縫到達(dá)光整機(jī)后，軋制力降為最小軋制力，延伸率設(shè)定值由1.3%降為0，機(jī)架入出口張力實(shí)際值分別由28kN和33kN下降至4kN和10kN，帶鋼軋制嚴(yán)重褶皺停車。

4.2 原因分析

這兩起斷帶事故現(xiàn)象上是一樣的，都是模式切換后延伸率和張力實(shí)際值下降太快，帶鋼褶皺進(jìn)入軋輥導(dǎo)致軋斷。為找到斷帶根源，分別對(duì)支撐輥和6號(hào)張力輥的延伸率和張力控制的速度補(bǔ)償計(jì)算原理進(jìn)行分析。

程序中用于實(shí)際控制的支撐輥的速度設(shè)定原理框圖如圖3所示。

圖3 光整機(jī)支撐輥速度設(shè)定原理框圖

通過框圖可知支撐輥的速度設(shè)定值計(jì)算如式（4）。

式中：V－set－spm—支撐輥的速度設(shè)定值，m／min；

VL—平整機(jī)區(qū)域基準(zhǔn)速度，即5號(hào)張力輥速度，m／min；

VTcond1—入口張力的偏差控制器的輸出值，該控制器的輸入和反饋分別為出、入口張力設(shè)定值的差值和實(shí)際值的差值；

VE－tech－Feed1—延伸率的速度補(bǔ)償值，m／min。

為入口段張力控制器預(yù)控級(jí)聯(lián)值，由于5號(hào)張力輥為光整機(jī)區(qū)域速度基準(zhǔn)，所以該值為0。

式中：α—延伸率速度補(bǔ)償支承輥的分配系數(shù)，取值范圍為0～1；

E－set－spm—延伸率設(shè)定值。

程序中用于實(shí)際控制的6號(hào)張力輥的速度設(shè)定原理框圖如圖4所示。

圖4 6號(hào)張力輥速度設(shè)定原理框圖

同理可得6號(hào)張力輥的速度設(shè)定值計(jì)算如式（6）。

式中：V－set－br6—6號(hào)張力輥的速度設(shè)定值，m／min；

VL—平整機(jī)區(qū)域基準(zhǔn)速度，m／min；

VTcond2—出口張力的偏差控制器的輸出值，m／min；

VEtech2—延伸率的速度補(bǔ)償值，m／min；

VT－tech－Feed2—入口段張力控制器預(yù)控級(jí)聯(lián)值，即光整機(jī)支撐輥張力和延伸率的速度補(bǔ)償值，m／min。

式中：β—延伸率速度補(bǔ)償6號(hào)張力輥的分配系數(shù)，取值范圍0～1；

V－set－spm—光整機(jī)支撐輥速度；

E－set－spm—延伸率設(shè)定值。

將公式（7）和公式（8）代入公式（6）可得6號(hào)張力輥的速度設(shè)定值為：

程序中α和β的取值均為1，因此6號(hào)張力輥的最終速度設(shè)定值為：

通過公式（3）可知出口張力輥比入口張力輥速度應(yīng)該只多出1個(gè)VEtech1，而公式（10）顯示實(shí)際出口張力輥速度比入口張力輥多出2個(gè)VEtech1，這顯然是不正確的。原因?yàn)楣庹麢C(jī)的張力級(jí)聯(lián)控制錯(cuò)誤。

張力級(jí)聯(lián)控制是指把前一級(jí)的張力控制輸出給后面一級(jí)的張力控制器的輸出，實(shí)現(xiàn)張力的前饋控制，提高張力的抗擾動(dòng)能力。但光整機(jī)張力輥的速度補(bǔ)償除了張力還有延伸率，如果在延伸率模式下使用張力級(jí)聯(lián)功能，由于入口的速度補(bǔ)償已經(jīng)包括了延伸率的速度補(bǔ)償VEtech1，再帶入出口張力輥會(huì)導(dǎo)致出口張力輥多增加了一倍的延伸率速度補(bǔ)償，如公式（10）所示。這樣，為保持張力恒定，這多出來的一倍的延伸率速度補(bǔ)償會(huì)通過張力的速度補(bǔ)償來彌補(bǔ)，穩(wěn)態(tài)情況下已經(jīng)達(dá)到一種平衡，運(yùn)行沒有問題，一旦控制模式發(fā)生變化，如以上兩個(gè)案例，延伸率補(bǔ)償值突然減小或取消，張力控制器的輸出響應(yīng)無法瞬間補(bǔ)償，就會(huì)導(dǎo)致6號(hào)張力輥的速度突然明顯減小，光整機(jī)入出口張力快速下降最終失控導(dǎo)致斷帶。

4.3 優(yōu)化措施

（1）取消光整機(jī)的張力級(jí)聯(lián)功能，即將VT－tech－Feed2的補(bǔ)償值設(shè)為零，減少延伸率的多余補(bǔ)償。

（2）修正延伸率補(bǔ)償速度對(duì)于支承輥和6號(hào)張力輥的分配系數(shù)α和β，使帶材的實(shí)際延伸和補(bǔ)償速度相匹配，減小其對(duì)張力系統(tǒng)的干擾。

（3）減小延伸率設(shè)定值變化斜率，使延伸率設(shè)定值下降的斜率和實(shí)際值下降的斜率相等，這樣補(bǔ)償速度的值和實(shí)際延伸率能同步，可減少對(duì)張力系統(tǒng)的擾動(dòng)。

（4）關(guān)于延伸率速度補(bǔ)償?shù)挠?jì)算，在投用延伸率的情況下采用延伸率設(shè)定值參與補(bǔ)償速度計(jì)算，但是在關(guān)閉延伸率控制器（包括減小軋制力過焊縫）的狀態(tài)下，延伸率設(shè)定值和實(shí)際值會(huì)產(chǎn)生偏差，可以切換為延伸率的實(shí)際值去計(jì)算補(bǔ)償速度。

5 結(jié)論

（1）光整機(jī)速度補(bǔ)償是實(shí)現(xiàn)延伸率和張力控制穩(wěn)定的基礎(chǔ)，補(bǔ)償不合理會(huì)導(dǎo)致張力和延伸率波動(dòng)，嚴(yán)重的造成帶鋼褶皺或斷帶。

（2）張力級(jí)聯(lián)控制不適合用于光整機(jī)等具有帶鋼延展性的設(shè)備，要考慮延伸率對(duì)速度補(bǔ)償?shù)挠绊憽?/p>

（3）通過合理優(yōu)化張力分配系數(shù)、減緩延伸率設(shè)定值變化及特殊情況下用延伸率實(shí)際值參與速度補(bǔ)償計(jì)算可使延伸率和張力的控制更穩(wěn)定。