高精度全液壓四輥銅帶冷軋機組電氣傳動分析

李東萍

(洛陽有色金屬加工設計研究院, 河南 洛陽　471039)

?

高精度全液壓四輥銅帶冷軋機組電氣傳動分析

李東萍

(洛陽有色金屬加工設計研究院, 河南 洛陽471039)

摘要：通過介紹φ280/φ620 mm×560 mm高精度全液壓四輥銅帶冷軋機的設備組成和工藝對控制系統的要求,對主軋機﹑左卷取機和右卷取機的電氣傳動參數進行了詳細的計算并確定各電氣參數的精確控制范圍及保護值.分析了主軋機的速度﹑軋制力控制,左、右卷取機在各種工作制和軋制方式下的張力控制和空載補償、動態補償,在控制程序中對不同的狀態進行參數的選擇和設定.電氣直流傳動系統選用ABB全數字調速系統,說明了以ABB直流傳動裝置DCS600(Multi-drive)和應用控制器AC80(Advant Control 80)為核心的傳動系統的參數設置和整定方法.

關鍵詞：可逆銅帶冷軋機; 工作制; 張力控制; 電氣參數

根據高精度全液壓四輥銅帶冷軋機組的設計以及現場調試經驗,結合工藝要求,針對銅帶軋機功率較大的特點,確定了最優化的加速度.對全數字傳動系統軋機或其他設備的設計﹑調試具有一定的借鑒和指導意義.

1φ280/φ620 mm×560 mm銅帶軋機的主要技術參數和設備組成

1.1帶材主要參數

軋制帶材品種:黃銅、紫銅和錫磷青銅.表1為來料規格(水平連鑄或熱軋銑面后的來料)和成品規格的主要參數.

表1　來料規格和成品規格的主要參數

1.2軋機主要參數

支承輥規格:φ620/φ590 mm×560 mm;

工作輥規格:φ280/φ255 mm×560 mm;

最大軋制力:6 000 kN;

最大軋制力矩:55 kN·m;

小卷筒低速檔卷曲張力:7～70 kN;

小卷筒高速檔卷曲張力:3.5～35 kN;

大卷筒低速檔卷曲張力:7.5～75 kN;

大卷筒高速檔卷曲張力:3.75～37.5 kN;

穿帶速度:0.2 m/s;

軋制速度:0-/2-/4 m/s;

最大加減加速度:0.5 m/s2;

事故最大減速度:1 m/s2;

速度精度:0.5%.

1.3主傳動電機

型號:Z560-3;

功率:732 kW;

轉速:560/1 230 r/min.

1.4左、右卷取機電機

型號:Z4-315-21;

功率:160 kW;

轉速:500/1 500 r/min;

卷取速度:2.2/4.4 m/s.

1.5機列主要設備

機列的主要設備有儲料架、開卷箱、直頭送料機構、左大卷筒、機前裝置、主軋機、機后裝置、右小卷筒和右大卷筒.儲料架,用于接收待軋的帶卷,有液壓缸驅動傾斜,以便向開卷箱上料;開卷箱,帶卷裝到開卷箱的帶有傳動托輥的傾料槽上,料槽側邊有液壓缸可推動料槽移動以適應不同規格的帶卷;直頭送料機構,上部兩只壓料輥由液壓缸驅動,可壓住料卷;兩個夾緊輥和3個矯直輥,用于帶材平整和喂料;過料臺,將直頭送料機構出來的料頭導入機前裝置的夾送輥;左卷曲機,用于帶材的卷曲和開卷;機前裝置,包含三輥展平、液壓剪、吹掃裝置、測導輥、送料壓板和送進裝置等;主軋機為四輥冷軋機;機后裝置,除無切頭剪外,其余同機前裝置;右卷曲機,分為大卷筒和小卷筒.

機組有4種軋制工作制:開卷箱—大卷筒工作制;大卷筒—大卷筒工作制;大卷筒—小卷筒工作制;小卷筒—大卷筒工作制.又分為留頭軋制、不留頭軋制和不松頭軋制3種軋制方式:留頭軋制,帶尾不通過軋機,自動留在軋輥入口附近;不留頭軋制,卷材帶頭和帶尾都通過軋機;不松頭軋制,帶尾不通過軋機留在開卷側卷筒上.

2電氣控制系統構成

圖1為φ280/φ620 mm×560 mm銅帶軋機的電氣控制系統,主要由3部分構成.

圖1　φ280/φ620 mm×560 mm銅帶軋機的電氣控制系統

2.1直流傳動

直流傳動有3套ABB直流全數字裝置DCS600構成,功率160~732 kW,分別控制主軋機和左右卷取機電機,完成對電機的速度電流雙閉環控制.速度反饋采用脈沖編碼器反饋,激光測距直接測量帶材卷徑,同時通過厚度與速度計算一個卷徑疊加量的值,與激光測距的疊加值進行比較,防止卷徑的干擾和波動,影響張力精度.張力控制采用間接最大力矩方式,提高速度控制精度及合理利用電動機功率.DCS600完成包括電機基本參數如功率、基速、最高速、電樞電流和勵磁電流的設定及欠壓、過壓、過流、超速、堵轉和電機超溫等一系列故障的自診斷、報警和保護.

2.2工藝過程控制

系統中張力控制的靜態補償、動態補償,工藝要求的4種軋制工作制和3種軋制方式以及大、小卷筒切換,軋制方向調整,高速、低速等一系列復雜的工藝過程均由應用控制器AC 80實現.控制器AC 80由1個CPU和4個輸入輸出(1個16路數字量輸入DI、1個16路數字量輸出DO、1個8路模擬量輸入AI、1個8位模擬量輸出AO)構成,通過光纖分配器NDBU-95對3套DCS600進行多傳動(Multi-drive)控制,使數據的傳輸具有更高的可靠性.

主機采用速度控制系統,通過AC80向傳動裝置發出各種指令,包括正反向點動、穿帶、升速、保持、降速和停車等.AC80再通過和機列程控器的通訊,經過I/O傳遞,接受各種信號以實現軋機的自動軋制功能.

左、右卷取機為恒張力控制,采用間接張力控制系統,最大力矩控制方式,在實測出電機的性能參數后,根據電動機實時磁通量及卷徑值,根據工藝設定大小卷筒和各道次張力給定值,通過控制電動機電樞電流,來實現帶材張力恒定.為了補償各種摩擦力對張力的影響,在力矩給定上增加了隨速度變化的空載力矩補償.為保證加、減速期間張力的恒定,同樣在力矩給定上增加動態補償.

2.3機列操作和人機界面

各種邏輯命令及可編程終端傳送的模擬量、數字量信息均由OMRON C200H可編程序控制器控制.主操作臺上有一臺NT631C觸摸屏,和PLC之間采用RS485通訊,通過可切換畫面可設置和顯示帶材種類、張力、速度、卷取長度和工作制等生產過程中的參數及故障自診斷.操作手可以通過棒圖、數字模擬儀表盤和趨勢圖來監控各個參數的變化,并對過程參數有全面的了解,及時進行故障判斷.

3電氣參數計算

銅帶可逆軋機的工藝過程比較復雜,分大、小卷筒,高、低速檔,可逆軋制,其速度、張力計算也要相應地進行全面考慮,才能達到最佳控制效果.

3.1軋制速度

電機數據:型號Z560-3;功率732 kW;轉速560/1230 r/min.主減速機傳動比i=4.44.

軋速4 m/s時,電機最高運行轉速:

(1)

式中:i為軋機傳動比;v為軋機線速度;D為軋機工作輥輥徑.

將電機最高運行轉速1 211r/min對應20 000寫入應用控制器AC80后,再傳送給主機傳動裝置作為主軋機的速度給定換算值.對應電機額定轉速ne時的軋制速度:

(2)

3.2電機允許的最大軋制力矩

按額定力矩計算:

(3)

式中:η為傳動效率;Pe為軋機電機額定功率;ne為軋機電機額定轉速.

實際上,最大軋制力矩應考慮電機的過載能力.

Mmax=KMe-MT-Mdt

(4)

式中:MT為前后張力差引起的力矩,取50%最大張力,則MT=0.5Tmax×(D/2)=0.5×75×(0.28/2)=5.25kN·m;Mdt為折算到軋輥上的動態力矩.

(5)

式中:電機轉子GD2=163.75 kg·m2,機械部分GD2估算為180 kg·m2,加速度按0.5 m/s2,從0～4 m/s,加速時間為8 s.

若電機過載倍數整定值k=1.3時,最大軋制力矩應為:

Mmax=1.3×52.7-5.25-6.04=57.2kN·m.

3.3帶材卷徑變化范圍

按卷重3 000 kg計算,當小卷筒最大卷徑為1.25 m時,帶材寬度應為:

(6)

式中:G為最大卷重;r為帶材比重;ρ為帶材占積率;D0為帶卷內徑.

大卷筒的最大外徑為:

將此值作為卷徑計算最大保護值.

3.4左卷取機轉速及張力

左卷取機電機型號Z4-315-21,功率160 kW,轉速500/1 500 r/min,卷取速度2.2/4.4 m/s.

(1) 卷取工作制轉速范圍(前滑率按10%計算)

又額定最大張力T=2iη/D·M

(7)

(2) 開卷工作制轉速范圍(壓下率按20%計算)

3.5右卷取機速度和張力

電機型號及參數同左卷取機電機.

(1) 大卷筒時速度和張力

因左右卷取機電機參數相同,故右卷取機大卷筒時速度、張力參數同左卷取機,即

大卷筒高速檔卷取工作制:T=32.7 kN.

大卷筒低速檔卷取工作制:T=62 kN.

開卷工作制大卷筒高速檔:T=42.6 kN.

開卷工作制大卷筒低速檔:T=91.8 kN.

(2) 小卷筒時速度和張力

右卷取機小卷筒卷取工作制時的速度張力參數計算:

右卷取機小卷筒開卷工作制轉速范圍(壓下率按20%計算):

4加速度的確定

加速度的確定,一是根據工藝要求,二是考慮電機的過載能力.加速度越大,低精度帶材越短,但要求電機的過載能力越大.而銅帶軋機電機的額定功率相對較大,因此要結合工藝要求確定最優化的加速度值.

4.1帶材的GD2(折算到電機軸)

式中:i為卷取機傳動比;γ為帶材比重;b為帶材寬度;ρ為帶材占積率.

通過大小卷筒將D0=0.8 m和D0=0.5 m輸入AC 80程序初始卷徑.

4.2機械部分(包括電機轉子)折算到電機軸上轉動慣量GDJ2高速檔為135 kg·m,低速檔為120 kg·m.

若正常軋制dv/dt為0.5 m/s2,卷取工作制的加速度考慮前滑量應為0.55 m/s2,各檔動態力矩見表2.

表2　大卷筒和小卷筒時Σ GD2變化值

大卷筒和小卷筒時,Σ GD2隨卷徑D變化的值見表2.

快速制動時,卷取機的制動力矩與張力矩相反,制動電流與張力電流相減,電機過載倍數小,開卷機的制動力矩與張力矩方向相同,制動電流與張力電流相加,電機過載倍數大,故制動力矩按開卷側計算,由于壓下率的關系(按20%計算),按1 m/s2快速制動時,開卷側的制動加速度為0.8 m/s2.大卷筒和小卷筒快速制動時,Mdt隨卷徑D的變化見表3.

表3　卷筒快速制動時Mdt變化值

4.3對應空卷筒與最大卷徑

卷取和開卷工作制時各檔的額定力矩變化范圍(按習慣以kg·m為單位)見表4.

4.4確定加速度

將動態力矩與額定力矩比較可知,大卷徑時,動態力矩的最大值為額定力矩的15.2%(右卷大卷筒低速檔Mdt/Me=47.3/312=0.152),但小卷徑時,最大動態力矩為額定力矩的0.915倍(右卷小卷筒低速檔Mdt/Me=107/117=0.915),超過Z4電機過載1.6倍的要求,應重新考慮此時的加速度.計算空補的影響,將最大動態力矩減小為額定力矩的0.5倍,算得加速度為dv/dt=0.5×(0.5/0.915)=0.27 m·s-2,取dv/dt=0.25 m/s2,即從0加速到2 m/s的時間為8 s.

表4　開卷、卷取各檔的額定力矩變化值

其次確定最大減速度,但小卷徑時,最大動態力矩為額定力矩的0.973倍(右卷小卷筒低速檔Md t/Me=155.6/160=0.973).因為快速制動屬非常情況,可犧牲些張力矩用于動態力矩,按1.6倍過載能力,留有62%額定力矩用于維持張力,即能滿足最大減速度要求.

卷取工作制:M=TDη/2i+Mdt+M0

開卷工作制:M=TDη/2i-Mdt-M0

5結論

根據以上分析,在AC 80中進行了控制程序的編制,并將數據傳送至DCS600和機列程控器,對軋機的不同工藝過程進行了速度和張力精確控制.在現場調試的過程中也是按此進行相關電氣參數設置和保護值整定,設備運行良好,各項性能指標均達到設計要求.

參考文獻:

[1]反饋控制理論.反饋控制理論[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1984.

[2]黃俊.半導體變流技術(第2版)[M].北京:機械工業出版社,1986.

[3]鋼鐵企業電力設計手冊編寫組.鋼鐵企業電力設計手冊(上冊)[M].北京:冶金工業出版社,1996.

[4]工廠常用電氣設備手冊編寫組.工廠常用電氣設備手冊[M].北京:中國電力出版社,1997.

[5]陳伯時.電力拖動自動控制系統(第2版)[M]北京:機械工業出版社,2004.

[6]夏德鈐.自動控制理論[M].北京:機械工業出版社,2004.

[7]廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].北京:機械工業出版社,2005.

[8]王建華.電氣工程師手冊[M].北京:機械工業出版社,2006.

Analysis of Electric Drive Process of All Hydraulic Four Roller Copper Strip Cold Rolling Mill with High Accuracy

LI Dongping

(Luoyang Engineering & Research Institute for Nonferrous Metals Processing, Luoyang, 471039, China)

Abstract：In this paper,electric drive parameters of the main rolling mill,left or right coiler were calculated in detail and the electrical parameters of precise control and protection were determined after introducing what the φ280/φ620 mm×560 mm all hydraulic four roller copper strip cold rolling mill with high accuracy was made of and requirements for the control system.The speed of main rolling mill,the control of rolling force,tension control,no-load compensation,dynamic compensation of the left and right coiler at all sorts of working systems and with different rolling methods were analyzed and parameters at different states in the control program were selected and set.The DC drive system used was fully digital variable-speed DC drive labeled with world famous brand ABB.The parameter settings and setting methods of ABB DCS600(Multi-drive) and AC80(Advant Control 80) as core drive system were illustrated.

Keywords：reversing copper strip cold rolling mill; working system; tension control; electrical parameters

中圖分類號：TG 333.4

文獻標志碼：A

作者簡介：李東萍(1980―),女,工程師,主要從事冶金設備自動化系統的開發與研究. E-mail: 523396392@qq.com

收稿日期：2015-09-22