連續熱鍍鋅鋼板生產線張力調節系統和實現方法

展鵬，張曉琳，張軍保

（天津電氣傳動設計研究所，天津300180）

1 引言

在鍍鋅鋼板生產過程中，精確的張力控制是提高鍍鋅鋼板質量和產量的關鍵因素之一，也是防止帶鋼跑偏的重要手段。本文介紹了連續熱鍍鋅鋼板生產線張力調節系統和張力控制實現的方法。

2 生產線的組成

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

生產線由入口段、工藝段和出口段3個工段組成，A開卷機到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卷取機為出口段。工段之間設置了活套機構，用于檢測工段之間的速度差。

圖1 熱鍍鋅鋼板生產線結構示意圖Fig.1 Chart of continuous hot－dip galvanized line

3 熱鍍鋅鋼板生產線的速度設定

連續熱鍍鋅鋼板生產線每個工段的速度應保持匹配，張力控制才能較好的實現，各工段的速度設定是獨立的。每個工段中設置有1個速度基準輥，入口段、工藝段和出口段的速度基準輥分別為2號張力輥、6號張力輥和10號張力輥。

3.1 入口段和出口段速度設定

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個人為速度修正量Δv得到的。

3.2 活套電機的速度設定

各工段之間的速度差造成的帶量差由活套檢測并通過調節活套量保持恒定張力。當生產線需要上下料時，操作工根據生產線狀態對Δv進行設定，Δv最小為v0的30%作為活套電機的速度標定，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，首先規定從開卷到卷取的方向為正方向，活套的重力方向為正方向。入口段由開卷機、1號張力輥、2號張力輥和入口活套組成。其中開卷機和1號張力輥提供負方向的張力，入口活套提供正方向的張力，2號張力輥平衡它們中間的張力差值。2號張力輥作為入口段速度基準輥保持入口段的設定速度，其他張力輥在張力方向上疊加1個飽和速度，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（0.05～0.1）；β為張力方向（正方向為1，負方向為－1）；vmax為工藝段的最大速度。

4 熱鍍鋅鋼板生產線的張力控制方法

4.1 控制系統構成

控制系統硬件是由上位機（人機界面）、PLC、交流變頻電氣傳動系統以及電機構成，操作人員通過上位機對生產線速度以及各個工段的張力參數進行設定，由PLC進行轉換同時對各變頻器發布指令，實現對各個工段的張力進行控制，如圖2所示。

圖2 電控系統示意圖Fig.2 Chart of electronic control system

4.2 生產線各段張力控制方式

生產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。電氣傳動系統采用加入了轉矩限幅的雙閉環控制系統，如圖3所示。來自PLC的轉速給定作為電氣傳動系統的給定輸入。由于有轉矩限幅環節的加入，通過對此速度調節器的輸出（即轉矩給定值）是否飽和的控制，形成速度控制模式運行或者張力控制模式運行，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所示速度調節加轉矩限幅的雙閉環控制系統的間接張力控制模式。

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

人為地對張力輥速度給定上疊加一個速度飽和給定，目的是為了在系統運行時，讓轉速調節器的輸出始終處于飽和狀態，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為生產線的速度給定；vMAX為生產線最大速度；Av為變頻器速度當量。

又因為轉速調節器的輸出值是轉矩的給定值，所以通過轉矩限幅器限制轉矩給定的大小，控制電流環的給定值，這樣就可以達到對電機出力的控制。操作人員通過上位機設定所需張力，再由PLC將張力轉換為轉矩限幅器的限幅，這樣可以滿足運行時實時控制張力的要求，見下式：

式中：QS1為轉矩限幅器的給定；FSET為上位機的張力設定；FMAX為電機最大出力；AQ為變頻器轉矩當量；Qk為空載轉矩。

由設備摩擦力產生的空載轉矩也需引入公式中。

當負載為卷取機和開卷機時，需要引入卷徑計算以及轉動慣量補償，根據卷徑的變化，線性的改變轉矩來保證張力恒定，如下式所示：

式中：G為負載的轉動慣量；ρ為材料密度；L為材料長度；D1為圓柱直徑；D2為卷芯直徑。

加入卷徑計算的間接張力控制轉矩給定為

式中：r為當前卷徑；R為工藝設計的最大卷徑；α為生產線加速度；G為轉動慣量；kc為人為測定參數；QS2為加入卷徑計算的轉矩限幅器的給定。

在式（6）中引入了加速度，這樣可以使轉動慣量補償只在加減速時起作用。

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張力精確控制的設備，例如：退火爐內張力控制，光整機、拉矯機的張力控制等。需要在生產線的相應位置設置張力檢測設備進行張力的檢測并與張力的期望值做閉環調節，調節結果根據需要可以疊加到轉速環或者轉矩環上。

圖4中三輥測張儀利用了頂角120°等腰三角形的幾何性質，將帶鋼方向的張力轉換至垂直方向上，再通過張力計壓頭將張力大小傳入PLC，通過PI調節器進行張力閉環的控制。

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

張力調節器如圖5所示，采用PLC中自帶的PID調節器制作張力調節器，給定值大小是根據工藝要求計算出的，實際值是通過張力檢測設備作反饋，根據機械情況適當設定死區寬度可防止PI調節器對機械振動造成的誤差進行調節。PI參數的整定可以通過建靜張完成。為了防止過快的調節，限幅器限幅的大小一般為被調節量最大值的5%。

圖6所示系統的轉矩限幅器是完全放開的，并將張力調節量疊加在速度環上，這樣調節的實質是通過控制測張儀上游帶鋼的流量來控制張力大小的，當被控區域內帶鋼量較多的時候帶鋼較松馳，相應的張力就較小，反之被控區域內帶量較少的時候帶鋼較緊相應的張力就較大。這種設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調節器Fig.5 PI tension adjuster

圖6 速度——張力環調節系統示意圖Fig.6 Schematic of speed－tension loop regulating system

圖6中張力設定值F＝k×h×w，其中k是張力參數經驗系數，根據鋼帶規格的不同，k的大小也不同，h為帶鋼的厚度，w為帶鋼的寬度。生產時操作人員根據爐內鋼帶的規格計算出爐內張力的設定范圍。

最終速度--張力環調節系統的速度給定為

式中：v為變頻器的速度總給定；KC為PI調節器的輸出量；vACT為生產線當前速度的當量反饋。

PI調節器輸出值KC為對應被調節量最大值的百分數，vACT取自變頻器的速度反饋，并對它們的乘積做下限幅，防止調節量過小造成張力失控，KC×vACT可以適應各種速度時的不同調節要求。同樣，也可以將調節結果疊加到轉矩限幅器如圖7所示。

在實際應用中發現，使用轉矩環調節時，張力調節響應很快，所以在調節器輸出后增加了斜坡和限幅，來抑制調節過快產生的超調。

圖7 轉矩環調節系統示意圖Fig.7 Schematic of torque loop regulating system

轉矩環調節系統的速度給定公式同式（4）。轉矩給定為

將式（4）帶入式（8），得出：

式中：Qf為帶調節量的轉矩限幅器給定。

4.2.3 速度控制方式

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

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

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

5 結論

本文對連續熱鍍鋅鋼板生產線上各工段多種張力調節系統和控制方法進行了介紹，并針對調試中遇到的問題進行了分析并且予以解決，所介紹的張力調節系統先后在7條生產線上應用，運行穩定，效果良好。