張力控制系統(tǒng)與卷徑計(jì)算

徐 江，劉 峰，李宏偉，高朝波

(中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

同理，卷取機(jī)的瞬時(shí)卷徑

1 張力控制的必要性

張力是線材、帶材在生產(chǎn)過程中形成的表面拉伸力。在軋機(jī)、鍍鋅線、彩涂線、剪切線等板帶材的延伸處理中，生產(chǎn)線的速度都很高，需要對帶鋼的張力進(jìn)行準(zhǔn)確的控制與及時(shí)的調(diào)節(jié)。合理的張力控制可以穩(wěn)定傳送帶鋼，防止材料變形，確保尺寸精度。如果鋼帶張力比較小，帶材和輥?zhàn)又g的摩擦力減小，就會產(chǎn)生打滑，不能保證帶鋼在生產(chǎn)線的中心線上運(yùn)行，而會產(chǎn)生跑偏，引起刮傷邊部、斷帶等。張力不合適，還會使帶鋼產(chǎn)生褶皺，拉伸變形。開卷張力不合適，硬卷發(fā)生松動(dòng)，形成喇叭狀，影響鋼帶沿著中心線前行。卷取張力不合適，鋼卷造成塌卷，或卷取翹邊、鼓起等缺陷，鋼卷再次打開時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的邊浪或中部波浪。因此，張力控制是十分必要的。

2 張力控制的方法

張力控制的根本目的是實(shí)際張力值等于設(shè)定值。張力控制可以通過兩個(gè)方法來實(shí)現(xiàn)，一是通過電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)(張力閉環(huán)速度控制)，二是通過控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)(張力開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制和張力閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制)。

2.1 張力閉環(huán)速度控制

在張力閉環(huán)速度控制模式下，首先由線速度和輥?zhàn)拥木韽綄?shí)時(shí)計(jì)算出頻率指令，然后通過張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)，調(diào)整變頻器的實(shí)際頻率，控制原理如圖1所示。

根據(jù)線速度v=πDn/i，轉(zhuǎn)速n=60f(1－s)/p，得出

式中，v為線速度;n為轉(zhuǎn)速;s為轉(zhuǎn)差率;D為卷徑;i為齒輪傳動(dòng)比;p為電機(jī)極對數(shù);f為變頻器實(shí)時(shí)頻率;f理論為理論計(jì)算值;Δf為PID修正值。

圖1 張力閉環(huán)速度控制系統(tǒng)Fig.1 Close-loop speed control system of tension

這種控制模式下變頻器的PID調(diào)節(jié)性能好，系統(tǒng)才能容易穩(wěn)定，否則系統(tǒng)就會震蕩、不穩(wěn)定。

2.2 張力開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制

張力開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制模式下，無需張力檢測反饋裝置就可以獲得更為穩(wěn)定的張力控制效果，但變頻器需選擇閉環(huán)矢量控制方式，必須安裝測速電機(jī)或編碼器，以便對電機(jī)的轉(zhuǎn)速做精確測量反饋，控制原理如圖2所示。

圖2 張力開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)Fig.2 Open-loop torque control system of tension

電機(jī)轉(zhuǎn)矩

式中，F(xiàn)為張力設(shè)定值。

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算出來后，用來控制變頻器的電流環(huán)，這樣就可以控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。該控制多用在對張力精度要求不高的場合。

2.3 張力閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制

張力閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制是在張力開環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加了張力反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)。通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)整變頻器輸出轉(zhuǎn)矩指令，可以獲得更高的張力控制精度。其張力計(jì)算與開環(huán)控制相同，控制原理如圖3所示。

圖3 張力閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)Fig.3 Close-loop torque control system of tension

不論采用張力開環(huán)模式還是閉環(huán)模式，在系統(tǒng)加、減速的過程中，需要提供額外的轉(zhuǎn)矩用于克服整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(動(dòng)態(tài)補(bǔ)償)。如果不加補(bǔ)償，將出現(xiàn)收卷過程加速時(shí)張力偏小，減速時(shí)張力偏大，放卷過程加速時(shí)張力偏大，減速時(shí)張力偏小的現(xiàn)象。

3 卷徑計(jì)算

從張力控制方法可知，無論是在速度模式還是轉(zhuǎn)矩模式下，都需要知道卷筒的卷徑，卷徑的計(jì)算是張力控制的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容。在生產(chǎn)過程中，開卷機(jī)的卷徑是在不斷變小，卷取機(jī)的卷徑是在不斷變大，因此轉(zhuǎn)矩必須隨著卷徑的變化而變化，才能獲得穩(wěn)定的張力。可見卷筒的瞬時(shí)卷徑計(jì)算是必需的。

卷徑計(jì)算有兩種途徑:一種是通過PLC計(jì)算好的卷徑直接傳送給變頻器;另一種是變頻器自己運(yùn)算獲得。矢量控制的變頻器都具有卷徑計(jì)算功能，生產(chǎn)中大多數(shù)都是通過變頻器自己運(yùn)算獲得。這樣可以減少PLC程序的復(fù)雜性和調(diào)試難度、降低成本。在實(shí)際應(yīng)用中，卷徑計(jì)算的主要方法有三種。

3.1 速度、厚度設(shè)定方式

速度、厚度設(shè)定方式原理如圖4所示。

圖4 速度、厚度設(shè)定方式Fig.4 Setting mode of speed and thickness

以線速度放卷、收卷厚度為h的材料時(shí)，卷徑D如式(5)所示。

2017年，哈電電機(jī)簽訂幾內(nèi)亞蘇阿皮蒂4臺11.25萬千瓦混流式水輪發(fā)電機(jī)和印尼明古魯兩臺11.5萬千瓦空冷汽輪發(fā)電機(jī)項(xiàng)目合同。2018年，相繼中標(biāo)巴西伊利亞和朱比亞EPC改造項(xiàng)目、秘魯圣加旺Ⅲ兩臺10.465萬千瓦沖擊式水輪發(fā)電機(jī)主機(jī)設(shè)備合同以及巴基斯坦SK項(xiàng)目。

開卷機(jī)的瞬時(shí)卷徑

同理，卷取機(jī)的瞬時(shí)卷徑

式中，Dmin(收卷)和Dmax(放卷)為初始直徑設(shè)定;v為平均速度。

根據(jù)經(jīng)過時(shí)間，卷徑D可由(5)、(6)式自動(dòng)算出。

3.2 速度檢測方式

速度檢測方式原理如圖5所示。

圖5 速度檢測方式Fig.5 Mode of speed detection

由于帶材各點(diǎn)的線速度相同，不考慮打滑，相同時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過的帶材長度也是相同的，根據(jù)線速度v=πDn/i，得出

機(jī)組速度

式中，D1，n1，i1分別為開卷機(jī)或卷取機(jī)的瞬時(shí)卷徑、所對應(yīng)的電機(jī)的轉(zhuǎn)速、機(jī)械速比，D2，n2，i2分別為工作輥的輥徑、電機(jī)轉(zhuǎn)速、速比。轉(zhuǎn)速可從傳動(dòng)電機(jī)的編碼器讀出，所以

瞬時(shí)卷徑

由式(8)，即使不知道帶材厚度、初始卷徑，也可計(jì)算出卷徑。但是在實(shí)際應(yīng)用中，張力開始時(shí)需要設(shè)置初始卷徑。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行速度較低時(shí)，帶材線速度和變頻器輸出頻率都較低，較小的檢測誤差就會使卷徑計(jì)算產(chǎn)生較大的誤差，所以要設(shè)定一個(gè)最低線速度，當(dāng)帶材線速度低于此值時(shí)卷徑計(jì)算停止，卷徑當(dāng)前值保持。變頻器矢量控制方式下，大多都使用這種方法進(jìn)行卷徑計(jì)算。

3.3 累積厚度檢測方式

累積厚度檢測方式原理如圖6所示。

圖6 累積厚度檢測方式Fig.6 Detection mode of cumulating thickness

設(shè)置接近開關(guān)，檢測旋轉(zhuǎn)角度，可在卷筒軸上設(shè)置鐵塊，卷筒每旋轉(zhuǎn)一圈，鐵塊接近2次，接近開關(guān)發(fā)生的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)該累計(jì)數(shù)N和初始半徑，自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前的半徑。

4 結(jié)論

(1)張力控制的實(shí)現(xiàn)方法多種多樣，但形式相近，根據(jù)其使用設(shè)備的工藝和精度要求，選擇適當(dāng)?shù)姆椒ň涂梢允股a(chǎn)線張力控制平穩(wěn)，達(dá)到控制要求。

(2)卷徑計(jì)算是穩(wěn)定張力控制必需的，隨著卷徑的變化，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)的增加和減小，這樣才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的開卷、卷取張力，順利地進(jìn)行生產(chǎn)。

［1］ 曾光，陳曉鋒．連續(xù)熱鍍鋅線的張力控制［J］．鞍鋼技術(shù)，2005(4):20－23．

［2］ 許秀飛．鋼帶熱鍍鋅技術(shù)問答［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007．

［3］ 王志為．淺談冷軋機(jī)電氣控制中的張力控制［J］．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007(1):142－144．