高速拉矯機(jī)升降速延伸率的控制優(yōu)化

劉鵬飛

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

隨著鋁加工行業(yè)的發(fā)展，客戶(hù)對(duì)鋁帶板型、成品率和設(shè)備效率的要求越來(lái)越高。2017年我公司為某鋁加工廠(chǎng)新設(shè)計(jì)一條拉彎矯直生產(chǎn)線(xiàn)，主要針對(duì)1xxx系、3xxx系、5xxx系、8xxx系等純鋁及鋁合金進(jìn)行拉伸矯直，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足工藝要求為來(lái)料厚度0.1mm～1.0mm、來(lái)料寬度700mm～1500mm的板材，機(jī)組設(shè)計(jì)最高速度500m/min。目前這條生產(chǎn)線(xiàn)處于正常生產(chǎn)階段，薄料正常生產(chǎn)速度為450m/min，穩(wěn)態(tài)延伸率控制精度±0.005%，升降速延伸率控制精度達(dá)到±0.05%，成品率95%以上，矯直板型良好。

1 電氣配置特點(diǎn)

拉彎矯直控制系統(tǒng)主要包含傳動(dòng)控制系統(tǒng)、機(jī)列控制系統(tǒng)和人機(jī)操作界面(HMI)等子系統(tǒng)。系統(tǒng)配置如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)配置Fig.1 System configuration

整個(gè)機(jī)組在線(xiàn)傳動(dòng)電機(jī)均選用交流變頻電機(jī)，控制系統(tǒng)采用西門(mén)子SINAMICS S120系列產(chǎn)品，矢量控制方式，傳動(dòng)控制精度0.001rmp，滿(mǎn)足控制精度和動(dòng)態(tài)性能。針對(duì)拉彎矯直設(shè)備特點(diǎn)，采用公共直流母線(xiàn)技術(shù)，這種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于，直流母線(xiàn)可進(jìn)行能量交換，將運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)的電機(jī)回饋的能量，在母線(xiàn)上直接供給電動(dòng)狀態(tài)消耗能量的電機(jī)。處于發(fā)電狀態(tài)的開(kāi)卷機(jī)、入口張力輥電機(jī)產(chǎn)生的能量，反饋回直流母線(xiàn)，供處于電動(dòng)狀態(tài)的卷取機(jī)、出口張力輥電機(jī)使用，節(jié)省能源的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于本生產(chǎn)線(xiàn)尤為突出。

PLC控制系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-400產(chǎn)品，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)組傳動(dòng)功能控制和機(jī)列輔助功能控制。傳動(dòng)功能主要包含，速度控制、張力控制、延伸率控制、力矩控制、各張力輥間的速度協(xié)調(diào)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、卷徑計(jì)算等功能。機(jī)列輔助功能主要包含輔助泵站控制、操作和連鎖控制等功能。

2 拉彎矯直控制原理

延伸率控制是拉彎矯直設(shè)備中最重要的控制與顯示參數(shù)，它直接影響設(shè)備穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。延伸率定義為，在單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)出口張力輥的帶材長(zhǎng)度減去通過(guò)入口張力輥帶材長(zhǎng)度的差值除以通過(guò)入口張力輥的帶材長(zhǎng)度。單位時(shí)間相同，則帶材實(shí)時(shí)延伸率ε可以定義為：ε=(V2-V1)/V1×100%；式中，V2為出口張力輥組線(xiàn)速度，V1為入口張力輥組線(xiàn)速度為。

延伸率ε是一個(gè)間接計(jì)算值而不是一個(gè)直接的測(cè)量值，入口4號(hào)、出口1號(hào)張力輥實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速可以通過(guò)傳動(dòng)裝置S120讀出，張力輥的輥徑固定，按照V=π×D(輥徑)× N(轉(zhuǎn)速)公式，可以很容易的計(jì)算出實(shí)時(shí)延伸率。延伸率閉環(huán)是根據(jù)設(shè)定的延伸率，調(diào)節(jié)入口4號(hào)張力輥交流電機(jī)的速度來(lái)完成的。對(duì)于不同材料硬度、不同厚度及寬度，其屈服強(qiáng)度必然不同，克服同樣的延伸率偏差所需的力也不同，反映到電氣系統(tǒng)即所需電機(jī)出力大小不同。所以對(duì)于高速運(yùn)行的拉彎矯直機(jī)如何利用PID算法對(duì)延伸率進(jìn)行閉環(huán)控制，使得控制系統(tǒng)能夠快速、穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，是研究的關(guān)鍵。

3 控制方法的改進(jìn)

目前拉彎矯直延伸率的控制，采用一個(gè)PID控制，沒(méi)有單獨(dú)整定升降速、低速時(shí)的PID參數(shù)，根據(jù)延伸率差值調(diào)節(jié)入口4號(hào)張力輥的速度，實(shí)現(xiàn)延伸率閉環(huán)控制。該控制方法的突出問(wèn)題是延伸率穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，升降速時(shí)延伸率控制精度差。

如果拉彎矯設(shè)備高速生產(chǎn)時(shí)，升降速延伸率精度不能保證，那么速度越快，廢品率就越多，高速生產(chǎn)的意義也就沒(méi)有了。按照設(shè)計(jì)的加速度0.35m/s2計(jì)算，由零速到最高速500m/min，大概需要24s，根據(jù)公式S=V0t+1/2at2計(jì)算，升速的廢品長(zhǎng)度為100m，這樣的廢品率是不能夠接受的。

3.1 預(yù)張力控制模式

傳統(tǒng)拉彎矯控制方式有兩種，一種是延伸率控制，另外一種是張力控制。(1)延伸率控制。因?yàn)閺埩佊懈呔鹊木幋a器配置，所以能夠?qū)崿F(xiàn)延伸率閉環(huán)控制，延伸率控制針對(duì)不同合金的材料，更易于調(diào)整拉伸力，方便操作手操作；但是延伸率的控制是通過(guò)調(diào)節(jié)入口4號(hào)張力輥的速度，速度調(diào)節(jié)值經(jīng)過(guò)力矩調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器，最終控制延伸率，所以延伸率控制有滯后的慣性環(huán)節(jié)，升速時(shí)延伸率達(dá)到目標(biāo)值會(huì)慢一些，尤其是厚料和硬合金，問(wèn)題尤為突出。(2)張力方式。這種方法跳過(guò)速度調(diào)節(jié)這一環(huán)節(jié)，直接力矩給定，升速時(shí)張力達(dá)到目標(biāo)值更快一些，但是由于受成本控制，沒(méi)有張力計(jì)不能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，控制精度差。

結(jié)合兩種控制方式的特點(diǎn)，我們提出了預(yù)張力的控制模式。在從零速到目標(biāo)速度的升速階段，入口張力輥采用力矩控制，讓張力輥的力矩很快達(dá)到目標(biāo)值后，改入口4號(hào)張力輥為速度控制，實(shí)現(xiàn)延伸率的閉環(huán)控制。在機(jī)列高速運(yùn)行中，實(shí)驗(yàn)證明力矩控制和速度控制直接切換時(shí)，會(huì)有輕微力矩突變的現(xiàn)象，控制方式的直接切換不能采用。讓入口張力輥在升速初期速度飽和，力矩限幅方式，即可很容易的間接實(shí)現(xiàn)力矩控制，在力矩達(dá)到目標(biāo)值后，逐漸放大限幅值，實(shí)現(xiàn)延伸率閉環(huán)穩(wěn)定控制。

采用簡(jiǎn)單PID速度調(diào)節(jié)入口張力輥的速度，延伸率的穩(wěn)定時(shí)間約為20s，采用預(yù)張力控制后，延伸率穩(wěn)定時(shí)間約為10s。投入預(yù)張力控制下的數(shù)據(jù)采集如圖2所示，圖中曲線(xiàn)一是實(shí)際延伸率(藍(lán)色曲線(xiàn))和設(shè)定延伸率0.4%(紅色曲線(xiàn))；曲線(xiàn)二是出口-張力輥速度(機(jī)列線(xiàn)速度)。

因?yàn)樯a(chǎn)工藝要求，先低速運(yùn)行，如果板型良好再高速生產(chǎn)，圖2中延伸率在速度穩(wěn)定在13m/min 后10s即達(dá)到了實(shí)際延伸率給定值，在加速階段延伸率的誤差也很小，基本保證帶材的板型。按照此工藝生產(chǎn)廢料長(zhǎng)度小于4m，大大縮減了升速階段的廢料長(zhǎng)度。

在升速階段延伸率能很快達(dá)到預(yù)設(shè)值，預(yù)張力值的計(jì)算是關(guān)鍵。預(yù)張力值不僅不能太大也不能太小，太大會(huì)把帶材拉的過(guò)量變形以致拉斷，太小達(dá)不到迅速達(dá)到目標(biāo)延伸率的效果。

圖2 預(yù)張力控制下的數(shù)據(jù)采集Fig.2 Data acquisition under pre-tension control

鋁材在受到外力作用下，會(huì)發(fā)生彈性變形，遵循胡克定律，外力消除，材料會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的尺寸和形狀；外力持續(xù)增大，到一定數(shù)值之后，材料會(huì)進(jìn)入塑性變形，鋁材一旦進(jìn)入塑性變形，當(dāng)外力消除后，鋁材尺寸和形狀不可恢復(fù)。這個(gè)造成兩種變形的臨界點(diǎn)的強(qiáng)度，就是材料的屈服強(qiáng)度，我們可以按照鋁材的屈服強(qiáng)度計(jì)算入口4號(hào)張力輥預(yù)張力的大小。計(jì)算公式為，T=σ0.2×W×Th×K×0.533；式中，T為預(yù)張力；σ0.2為合金鋁材屈服強(qiáng)度；W為帶材寬度；Th為帶材厚度；K為系數(shù)。

根據(jù)公式計(jì)算的預(yù)張力只是初設(shè)值，由于帶材板型不同以及是否投入矯直單元等各種情況的影響，達(dá)到目標(biāo)延伸率的拉伸張力的大小和預(yù)張力的初設(shè)值有很大差別?？梢愿鶕?jù)設(shè)定延伸率和實(shí)際延伸率的差值大小，調(diào)整預(yù)張力的大小，使實(shí)際延伸率逐漸逼近設(shè)定延伸率，最終達(dá)到設(shè)定的預(yù)張力滿(mǎn)足實(shí)際拉伸力的目的。

3.2 PID分級(jí)控制

拉彎矯直機(jī)的延伸率控制主要是采用PID控制，根據(jù)PID控制的特點(diǎn)，結(jié)合設(shè)備使用要求，要想實(shí)現(xiàn)高速、快響應(yīng)、低廢品率穩(wěn)定生產(chǎn)，必須對(duì)PID控制參數(shù)分級(jí)整定。

(1)在整個(gè)生產(chǎn)周期中，必然會(huì)有升速、恒速和降速階段，在升速和降速階段，因?yàn)闄C(jī)械摩擦和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等客觀(guān)因素，所以必須對(duì)開(kāi)卷機(jī)、卷取機(jī)和張力輥進(jìn)行補(bǔ)償控制，延伸率是0.005%控制精度，而動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是估算值，機(jī)列在升降速時(shí)，延伸率誤差都較大，為了彌補(bǔ)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)恼`差，需要在升降速時(shí)分別對(duì)張力輥進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償并獨(dú)立整定PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制延伸率有較高的響應(yīng)速度(圖3)。圖中曲線(xiàn)一是出口一張力輥的速度(機(jī)列速度)，曲線(xiàn)二延伸率的給定值(紅色值)和實(shí)際值(藍(lán)色值)。PID重新整定后加減速階段實(shí)際延伸率控制誤差小于0.05%。

圖3Fig.3

(2)該臺(tái)拉彎矯直機(jī)的來(lái)料多是冷軋料，因?yàn)槔滠垯C(jī)是老舊設(shè)備，所以帶材表面經(jīng)常會(huì)帶有污濁物。工藝生產(chǎn)需要在升速前，以15m/min左右的速度檢查矯直后的帶材板型和查看帶材表面質(zhì)量并處理帶材表面上的污濁物。15m/min的線(xiàn)速度轉(zhuǎn)換交流電機(jī)的頻率低于3Hz，受交流電機(jī)特性的限制，低于3Hz時(shí)速度精準(zhǔn)控制有很大難度。為了減少電機(jī)速度波動(dòng)對(duì)延伸率的影響，加大入口4號(hào)張力輥和出口1號(hào)張力輥編碼器速度反饋的濾波時(shí)間，并且重新整定PID參數(shù)，減小比例值加大積分值，基本實(shí)現(xiàn)低速下的延伸率較精準(zhǔn)控制(圖4)。圖中，曲線(xiàn)一是出口1號(hào)張力輥的速度(機(jī)列速度)16m/min，曲線(xiàn)二延伸率的給定(藍(lán)色值0.3%)和實(shí)際值(紅色)。給定延伸率0.3%，實(shí)際延伸率最小值0.271%，最大值0.326%，延伸率誤差值小于±0.03%，低速下的矯直板型良好，滿(mǎn)足低速生產(chǎn)要求。

圖4Fig.4

(3)PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的跟隨設(shè)定值，要根據(jù)檢測(cè)的實(shí)際值來(lái)反復(fù)調(diào)節(jié)PID參數(shù)。通過(guò)PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)入口張力輥的速度來(lái)保證延伸率的穩(wěn)定，對(duì)于不同的材料，硬度不同、厚度及寬度的不同，其帶材的屈服強(qiáng)度必然不同，反映到電氣設(shè)備上即所需電機(jī)出力大小不同，即不同的來(lái)料，系統(tǒng)的響應(yīng)速度不同。所以為了快速消除設(shè)定延伸率和實(shí)際延伸率的差值Δε，且穩(wěn)定延伸率的控制精度為±0.01%，只依靠PID控制已不能滿(mǎn)足控制精度要求。根據(jù)Δε差值大小設(shè)定4個(gè)范圍，分別限幅PID輸出值ΔV的大小，來(lái)提高實(shí)時(shí)延伸率的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)做精做優(yōu)做細(xì)各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，使該拉彎矯設(shè)備在升降速時(shí)延伸率的響應(yīng)時(shí)間由原來(lái)的約20s，降到10s以下；升降速時(shí)控制精度由原來(lái)的±0.2%，提高到±0.05%，較原來(lái)的控制精度有了很大提高。穩(wěn)態(tài)延伸率控制精度±0.005%，升降速延伸率控制精度達(dá)到±0.05%，延伸率的控制精度較之前的控制方式有了大幅提高；成品率由原來(lái)的約85%，提高到95%，各項(xiàng)指標(biāo)已達(dá)到同類(lèi)型設(shè)備國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。該設(shè)備不僅是國(guó)內(nèi)速度最高的拉彎矯設(shè)備，而且延伸率的控制精度也代表了國(guó)產(chǎn)拉彎矯設(shè)備控制的最高水平。目前該設(shè)備已穩(wěn)定運(yùn)行3年，年生產(chǎn)料卷近9萬(wàn)t。