包鋼鍍鋅開卷機張力控制系統的研究

李東明

（包鋼集團公司薄板坯連鑄連軋廠自動化部，內蒙古 包頭014010）

包鋼鍍鋅開卷機張力控制系統的研究

李東明

（包鋼集團公司薄板坯連鑄連軋廠自動化部，內蒙古 包頭014010）

本文主要介紹了包鋼薄板廠鍍鋅線開卷機的工藝技術特點，開卷機的機械配置及開卷機張力控制技術的研究。著重介紹了開卷機的控制系統組成，詳細介紹了開卷機卷經計算、速度計算、靜阻轉矩的計算、動態轉矩的計算，以及開卷機張力設定轉換為轉矩的計算，并結合以上數據的計算，詳細分析了開卷機的間接張力控制過程。最后分析開卷機張力在實際生產中存在的問題和處理方法。

張力控制；開卷機；轉矩計算；張力轉化

包鋼薄板廠熱鍍鋅生產線是包鋼第一條鍍鋅生產線，由奧鋼聯公司設計，產品主要應用于建筑和家電行業。其中開卷機是鍍鋅生產線中的關鍵設備，按工藝順序也是第一個設備。主要功能是把鋼卷打開，提供入口區域的張力，為入口區域的順利運行起關鍵作用。在開卷過程中，機組速度恒定，隨著鋼卷卷徑不斷減小，開卷機電機的轉速不斷增大，同時保證開卷機和1#張緊輥直接的張力始終保持不變。由于開卷機動態慣性比較大，在加減速過程中必須保證帶鋼張力相對平穩。如果發現張力波動，如張力過小，會造成鋼卷松卷以及層間竄動，損壞帶鋼；如張力過大，就會把帶鋼拉斷或損壞設備。因此對于開卷機而言，張力控制是核心技術，也是難點。包鋼薄板廠鍍鋅線開卷機的張力控制采用間接恒張力控制的方式。

1 開卷機區域設備及工藝介紹

鍍鋅的原料卷通過運卷小車上到開卷機上，2個開卷機交替運行，例如1#開卷機開卷，將帶鋼運到剪子處，切完帶頭后，再將帶運到并線夾送輥處等待，這時是2#開卷機在正常運行，當2#開卷機的卷運行完后，2#開卷機的帶尾運到焊機處，1#開卷機的帶頭也運到焊機，焊機將兩卷焊接上后，開卷機先建立靜張力，在起線入口區域運行。

2 開卷機張力控制的設計

開卷機有兩種運行模式：第一種為點動模式的速度控制，用于設備正反轉點動或者傳動操作時幾個設備的聯合點動；第二種為入口區域焊接完成后運行的張力控制模式，以適當的張力保證入口區域機組的平穩運行，入口運行啟動時從速度控制模式轉為張力控制模式。

開卷機間接張力控制系統，采用檢查開卷機電機速度方法，計算開卷機的卷徑，通過開卷機的卷直徑和張力設定值計算開卷機電機的轉矩，進而通過變頻器調速裝置控制電動機的電樞電流，以達到控制張力的目的。系統由卷徑計算、轉速給定計算、轉矩給定計算、轉矩補償計算、速度調節器、電樞電流調節器等模塊組成。

2.1 卷徑計算

在間接恒張力控制系統中。卷徑D是一個非常重要的參數，直接影響著對張力的控制。在開卷的整個過程中卷徑一直在減小，所以需要在線實時地對其進行計算，計算公式如下：

D=v／(Pi×n)

式中：n為開卷機實際轉速，可根據電動機上增量編碼器的測得信號換算和減速箱的速比算出，n作為變頻器轉速反饋輸入；v為帶鋼運行的線速度，取自1#張緊輥1#輥電機的速度（入口機組的速度）。為保證計算結果正確，系統內部設有卷徑限幅最小卷徑為508mm，最大卷徑為1900mm。

在機組速度為0或未加載張力時，是無法用以上原理計算卷徑的。為確保系統正常工作，就需設定卷徑初始值。此初始值由系統內部設定為帶鋼的最大卷徑限幅D=1900mm，第一用于建立靜張力(機組速度為O)時計算n和M，第二用于穿帶時，開卷機與夾送輥（或卷取機）聯合點動（未加載張力）計算n。

2.2 速度給定計算

開卷機的給定是通過入口區域主線速度給定計算的，入口區域主線速度是通過整個線的速度給定根據爐區延伸率計算得出的。通過入口區域主線速度給定、開卷機卷徑和減速機齒輪比計算出開卷機的角速度，給到變頻器上。計算公式為：

AngSp=(LinSp×GearR×1000)/(Diam×PI)

AngSp：開卷機電機角速度(rpm)

LinSp：入口區域線速度設定值（m/min）

Diam：開卷機的實際卷徑（mm）

PI：圓周率

從公式也可以看出，隨著卷運行卷徑越來越小，電機的角速度就越來越大。

2.3 開卷機轉矩相關的計算

2.3.1 靜阻轉矩的計算

開卷機在勻速運行時所有機械必然存在滑動摩擦力，同時旋轉也會形成風的阻力。其中滑動摩擦力主要包括電樞和鋼卷等旋轉所產生的阻力。在程序中靜阻轉矩叫“losstorque”計算公式為：

Loss_Tq=Ppro×N±PFix

Ppro:開卷機的摩擦系數

N：開卷機的轉速

PFix:轉矩摩擦補償值

其中開卷機的摩擦系數和轉矩摩擦補償值是在調試時測量出來的，都為常數。當速度為正值時，加上轉矩摩擦補償值；當速度為負值時，減去轉矩摩擦補償值。1#開卷機的轉矩摩擦補償值為44.537。

從公式可以看出，速度越高，靜阻轉矩越大。

2.3.2 動態轉矩的計算

開卷機處于加速運行時，整個系統都會沿著電機旋轉方向運動并產生角加速度，角加速度與旋轉體的轉動慣量的乘積就是所需的動態轉矩，也叫轉動慣量。程序中轉動慣量（inertiatorque）的計算公式是：

Inertia_Tq=[（PI×D×W×（D_E－D_I））÷(32×G)+Pd2]×（2×G×ACC）×Eff÷D_E

PI:圓周率

D_E:開卷機的卷的外徑

D_I:開卷機的卷的內徑

Pd2:轉動慣量系數

G：開卷機減速機齒輪比

Acc：加速度（m/s2）

Eff：開卷機的機械效率

通過公式可以看出，開卷機的加速度越大，所需的動態轉矩就越大，開卷機的內徑是不變的，開卷機卷的外徑越大，所需的動態轉矩就越大。

2.3.3 開卷區張力值轉化為電機轉矩

開卷區張力設定值一般是通過二級計算后設定的，也可以手動輸入。張力設定值通過轉化變為開卷機電機的轉矩，通過電機的轉矩控制張力。張力轉化為電機轉矩的公式：

TensT=(TensR×10)×Diam/(1000×GearR)

TensR:張力設定值（DaN）

Diam：開卷機卷徑（mm）

GearR：開卷機電機齒輪比

2.4 開卷機張力控制分析

開卷機運行分為兩種模式，一種是點動或聯動時的速度控制，另外一種是正常運行的間接張力控制。

2.4.1 點動和聯動時速度的控制

點動和聯動時，開卷機區域不產生張力，此時只是一個速度控制。不過除了速度的主給定，還有一個附件轉矩給定，主要是平衡摩擦和加減速時的動態損耗，就是將前面計算的靜阻轉矩和動態轉矩兩個的和賦值給附件轉矩，給到變頻器上，保證開卷機速度穩定。

2.4.2 開卷機間接張力的控制

開卷機間接張力主要是通過負轉矩限幅實現的。變頻器通過速度給定與速度反饋比較給到速度調節器上，速度設定就為入口區域的主設定，跟入口區域主的速度輥1#張緊輥1#輥的速度設定一樣，速度調節器計算完成后給到轉矩調節器上。由于沒有給附件轉矩，這時就相對于沒有給定摩擦和加減速時的補償，轉矩調節器就是一個飽和狀態，轉矩調節器之后是轉矩限幅。由于開卷機產生的張力是向后的，跟開卷機速度方向相反，所有對張力的控制只是對負轉矩限幅作限制，正轉矩不限制為100%。負轉矩限幅包括兩個部分，一部分為通過張力設定計算出的轉矩值，另一部分為開卷運行時損耗的補償轉矩即附件轉矩，將兩部分的值相加就為負轉矩限幅，通過負轉矩限幅后經過轉矩調節控制變頻器輸出，從而控制開卷機的張力。因為只是通過張力設定值去控制電機的轉矩，沒有采用張力反饋，所有這種控制不是閉環控制，即為間接張力控制。

[1]張啟富,劉邦津.黃建中.現代鋼帶連續熱鍍鋅[M].冶金工業出版社，2007.846～869.

[2]姚錫祿.變頻器控制技術與應用[M]．福建科學技術出版社．2005,20～35.

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