臥式退火爐爐內張力控制

張 冉

(寶山鋼鐵股份有限公司硅鋼事業部,上海 200941)

臥式退火爐張力控制形式分為直接張力控制與間接張力控制。因臥式爐爐輥均以托輥形式與帶鋼接觸,爐內爐輥無包角,并且整個爐區的爐輥電動機均不帶PLG轉速反饋,張力傳遞過程較長,使爐內張力較難通過計算進行精確的間接張力控制,因此,通常使用張力儀進行張力閉環直接控制。在此控制方式中,計算張力設定值與張力儀反饋值的偏差量,將張力差作為張力控制器輸入的控制量。張力控制器根據此張力控制量進行動態調節,減小偏差值,以達到張力實際測量值趨向設定值。因爐內不設糾偏裝置,僅依靠出口一個張力計參與控制,為消除爐內跑偏及提高控制精度,分別針對邏輯控制與傳動控制進行了優化。

1 PLC張力控制

1.1 PLC系統直接張力控制處理流程

為使張力控制的精度和穩定性得到提高,PLC邏輯處理部分需進行大量的數據處理。對每個數據變量處理的環節都應提高精確性,消除已知影響控制精度的因素。為此,在張力控制的設定值源頭,加入了限幅、滯后、平滑處理等功能,并詳細說明了功能實現的關鍵公式和邏輯。又在控制部分引入了附加速度的概念,通過比例積分的調節,依靠速度補償值的變化控制張力。主要分為設定值處理、邏輯控制、數據閉環傳遞等過程。控制邏輯的流程如圖1所示,以下按控制環節,在實際的退火爐張力控制應用中詳細描述張力控制方案的實施。

圖1 張力控制流程

1.2 張力控制的設定值處理

張力設定值來自上級物料生產系統下發的產品參數,即相對張力設定參數(產品寬度、產品厚度、單位張力設定值)計算得出初始絕對張力設定值,經限幅控制器輸出張力參考設定值,由斜坡生成器計算有效張力設定值[1],見圖2。

圖2 設定值的控制流程

限幅控制器將初始絕對張力設定值按設計產品規格范圍對應的張力設定值進行限幅,防止設定值異常造成的質量風險。因張力設定值為連續變量,斜坡發生器的邏輯處理無需考慮線性加速度及輸出平滑性,只需生成斜坡設定即可。斜坡發生器按可調正反向變化率,對張力設定值變化量(ΔV)進行線性輸出,張力設定值變化量如式(1):

ΔV=K·Tcycle

(1)

式中:K為可調整的張力變化率;Tcycle為程序掃描時間。

將張力控制方案中的變化率K設置為參數可調形式,根據帶鋼運行時的張力反饋狀態進行穩定性優化,在變化周期內平穩過渡,掃描周期50 ms。當張力設定值變化時,控制器輸出斜坡張力設定,當輸出有效張力設定值等于張力參考設定值時發生器停止工作。

生成的設定值進入后續閉環控制環節,作為控制的目標變量進行邏輯的執行,最終得出張力設定值Teff,設定值給定的切換效果如圖3所示。

圖3 設定值斜坡波形

1.3 張力控制的實際值處理

完成有效張力值的設定計算后,需采集并處理實際的張力測量值,處理流程如圖4所示。

圖4 張力測量值平滑功能

張力實際值的處理邏輯具有對張力儀測量值的濾波功能,消除系統響應、PLC系統掃描周期、張力儀數據傳輸延時等干擾信號,采用軟件邏輯功能實現一階低通濾波器的功能[2],其算法公式見式(2):

Y(n)=KX(n)+(1-K)Y(n-1)

(2)

該形式的一階滯后控制邏輯,將本次采樣值與控制器上次輸出值,進行反饋計算,由邏輯計算平滑濾波周期內的輸入量取消上次控制器的輸出值加權。

張力實際值的算法見式(3):

Tact=Tact(n-1)+

(3)

式中:Ttm為張力儀測量值。

Tact(n-1)為濾波器上采樣周期的實際輸出值,代替計算公式中的Y(n-1)。此方式不因濾波系數的大小而影響控制器輸入變量,僅對張力輸出量進行過濾,減小后續張力控制量的系統波動,最終得到張力實際值Tact。濾波效果如圖5所示,消除了波動較大的傳感器采集數據,減小了控制的擾動。

圖5 濾波前后張力值對比

1.4 張力控制邏輯

退火爐張力控制邏輯內的張力控制器使用PI調節器。控制器輸入量為:①斜坡發生器生成的有效張力設定值;②濾波后的爐內張力實際值。將兩者差值作為偏差量輸入,經比例積分計算輸出控制量,再經速度適配器計算輸出控制張力的附加速度設定值。控制流程如圖6所示。

圖6 張力控制邏輯流程圖

PI控制器計算輸出值邏輯為:對比例部分計算值與積分部分計算值求和,輸出控制量。傳遞函數[3]如下:

(4)

(5)

(6)

式中:S為無量綱參數,含義為輸出控制量作全量程范圍計算時,被控制量即輸入差值的變化占全量程變化范圍的百分數,1/S即為比例系數;TI為積分時間。

將控制量帶入傳遞函數后分別求出比例和積分部分并整合如下:

(7)

I:U(T)=KIS0-T·E(T)dT+U0=

(8)

(9)

張力控制調節器的輸入量E(T)為有效張力設定值Teff與爐內張力Tact差值。PI調節器最終輸出張力控制量TCON。

速度適配器部分采用兩點插值處理,將PI調節器輸出的張力控制量轉化為傳動控制附加速度。圖7為速度適配器邏輯流程圖。

PLC處理邏輯如下,坐標橫軸按生產線運行速度設置,縱軸為速度調節系數,主線絕對值速度輸入值滿足下列計算邏輯:

Vin≤X0?Output=Y0

Vin≥X1?Output=Y1

X0≤Vin≤X1?Output=

圖7 速度適配器邏輯流程圖

輸出值為速度調節系數,與PI控制器輸出的張力控制量相乘,形成速度調節量,作為傳動逆變器側的速度設定值。

2 傳動控制

2.1 爐輥傳動控制

逆變裝置主要功能概括為交流調速。運用變頻和微電子技術,基于逆變裝置的開關頻率[5],通過改變電動機工作電源電壓幅值及頻率的方式,對交流電動機設備進行控制。因爐輥傳動電動機未安裝速度檢測編碼器,速度設定值與實際轉速的計算值,通過速度環ASR進行閉環控制。輸出的速度環電流值與轉矩環ATR計算出的力矩電流疊加,進入電流調節器ACR。對應的退火爐傳動裝置控制的功能圖如圖8所示。

圖8 張力控制傳動功能圖

速度環內設有平滑、限幅功能,將速度積分的計算值分量作為前饋,減小速度給定值在加減速時變化造成的波動。轉矩環通過限幅控制及附加轉矩控制,計算出更精準的力矩電流。通過電流環的頻率及脈寬變化、相位變換的反饋,分別計算出速度環的電流與轉矩環電流分量,實現爐輥電動機的速度、轉矩控制。傳動逆變裝置通過速度調節器ASR、轉矩調節器ATR分別動態地計算、調整爐輥電動機運轉的電流值,并最終通過電流調節器ACR輸出至爐輥電動機。

2.2 速度控制

ASR速度調節器具備設定值處理、速度限幅、斜坡生成、速度設定平滑控制等功能,輸出速度百分比轉速設定值[6]。爐輥實際控制中,斜坡生成器升降速時間分別按工藝要求的升速斜率及停止降速斜率進行計算。設定值平滑控制經PLC端速度S曲線功能實現。通過平滑參數即加速度設定值與平滑時間的比值,分別進行加減速的積分計算,輸出速度設定的S曲線。

為提高速度環速度控制的實際效果,在比例積分調節器積分量輸出部分,加入DROOP軟化功能[7]。在爐輥勻速運行時可減小速度波動量,保持爐內張力相對穩定。亦可在速度設定值變化量過大、升降速斜率過大時,例如斷帶緊停時,通過積分負反饋,降低電動機設定速度的給定量,以減小爐輥機械接手受力或系統內電流、電壓的驟變。

速度設定值通過PLC計算并通過DP網絡發送傳動報文PZD控制字,經轉速限幅輸入速度環PI調節器。其工作原理類似于張力控制器的PI 調節。其中比例調節量P部分將速度設定放大,加快系統對速度設定值輸出的響應。積分調節I部分將速度變化按積分時間調節頻率響應[8],達到系統穩定的目的。速度控制邏輯功能圖如圖9所示。

圖9 速度控制邏輯功能圖

2.3 轉矩控制

該部分為傳動ATR轉矩環控制[9],基于磁鏈矢量控制的原理對轉矩進行控制[10]。包括的功能有附加轉矩補償、加減速力矩前饋補償等。附加轉矩補償部分包含機械損耗補償和慣性補償,機械損耗補償又稱為摩擦力補償。在爐輥電動機通過機械接手連接爐輥旋轉過程中,電動機產生的電流應包含克服機械負載及摩擦力產生的電流。摩擦力的大小與爐內溫度、轉速等外部因素均存在關聯,因此,這部分電流分量在提高電動機輸出轉矩部分應予以預先濾除。電動機連接爐輥后,在無負載的情況下測試不同轉速時電動機的輸出轉矩,即可得到該爐輥電動機的負載補償,通過負載補償設定輸入轉矩環附加轉矩補償功能[11]。因爐輥電動機控制方式區別于開卷機、卷取機的轉矩控制模式,因此慣量補償此處不涉及。對退火爐的張力控制,轉矩環不包含直接的力矩設定值給定,轉矩的限幅功能切至旁路。速度環的電流值直接與附加轉矩部分疊加計算,輸出轉矩換電流。圖10為轉矩控制傳動功能圖。

圖10 轉矩控制傳動功能圖

2.4 電流控制

速度調節器輸出的百分比速度與轉矩調節器輸出的速度偏差補償疊加后,輸入電流調節器構成電流環控制。經PWM脈沖寬度調節,通過PI控制器調節電流的階躍響應,輸入產生抗干擾的正弦脈沖[12],并計算爐輥電動機的轉速及運行電流。輸出的電流分量再通過續流裝置反饋電流環,構成檢測回路。因爐輥電動機未安裝速度反饋編碼器,轉速及轉矩均以電流形式計算構成閉環系統。圖11為電流控制傳動功能圖。

3 結論

通過PLC及變頻系統的邏輯控制和傳動裝置,實現退火爐張力的基本控制。對張力控制的過程及原理進行邏輯程序的編譯,對傳動設備的控制流程及原理進行分析說明。通過對各控制環節的研究,進行張力控制的實施,為機組狀態維護和張力控制的研究奠定基礎。

圖11 電流控制傳動功能圖