電氣傳動參數(shù)調(diào)整在軋機張力中的應(yīng)用

萊鋼棒材連軋棒材生產(chǎn)線產(chǎn)品為φ16～φ60mm的園鋼和螺紋鋼，機械設(shè)備從意大利DANIELI公司引進，電控系統(tǒng)全套從瑞典ABB公司引進。軋線配置有18臺軋機，平立交替，單線全無扭轉(zhuǎn)軋制；分成粗軋6架、中軋6架、精軋6架共3個機組，每個機組后各帶一套飛剪設(shè)備用于切頭、尾和事故剪切或分段倍尺剪切。主軋線粗、中軋機架之間采用了頭部微張力控制系統(tǒng)來控制1#～12#機架間的張力，而精軋機組間采用了活套無張力控制，全線以成品機架的出口速度為基準值，采用逆調(diào)速級聯(lián)控制方式。

為了保證熱連軋的正常連續(xù)軋制，必須遵循的基本原則是：機架間金屬秒流量相等。即

A_n×V_n=A_n-1×V_n-1 (1)

式中 A_n——第n架的軋件截面面積

V_n——第n架的軋件出口速度

可以看出，決定金屬秒流量大小的因素，一是軋件截面面積，另一個就是軋制速度。而第一個因素決定于工藝參數(shù)，如孔型道次、輥縫壓下量、鋼溫等，一旦調(diào)整好就固定不變，所以只能通過選擇和調(diào)整不同的軋制速度來滿足這一基本條件。從式(1)可以推出對于相鄰機架間的速度關(guān)系應(yīng)當滿足公式

R_n=V_n／V_n-1=A_n-1／A_n (2)

式中心——金屬延伸率(或減徑因子)，其物理意義可模擬成進入機架n-1與機架n的軋件截面之比。

然而，在實際應(yīng)用中，由于軋件受鋼溫、材質(zhì)、坯料形狀、孔型磨損等擾動因素的影響，無法保證精確的截面值。這樣，為了達到式(2)新的平衡關(guān)系，在粗、中軋機組中引入了張力控制的功能(在精軋機組中用活套功能來實現(xiàn))，得到式

V_n=V_n-1×R_n(1+K_m+K_t) (3)

式中 V_n、V_n-1-機架n與n-1的出口線速度

R_n——軋件通過n機架的延伸系數(shù)

K_m——手動干預時對n一1機架的速度調(diào)整系數(shù)

K_t——張力作用反映到n--1機架的速度調(diào)整系數(shù)

同時，根據(jù)張力自動調(diào)節(jié)理論，張力變化與速度變化還具有以下傳遞函數(shù)關(guān)系

δF／A=士K_t／(1+T_ts)×δV (4)

式中 δF／A——軋件上單位面積的張力增量

K_t／(1+T_ts)——放大倍數(shù)為K_t，時間常數(shù)為T_t的一階慣性環(huán)節(jié)

δV——軋機速度增量

這樣，調(diào)整張力，就可以協(xié)調(diào)機架間的速度，從而達到保證機架問金屬秒流量相等的目的。

在自動控制算法中，機架n與n-1間的張力是通過測量機架n-1電機的電磁轉(zhuǎn)矩變化量來實現(xiàn)的。因為在軋制過程中．軋制轉(zhuǎn)矩可用下式來

T_m=T_T+T_t+T_a+T_f (5)

式中 T_m——總的軋制力矩

T_T——軋件金屬壓下量所需的軋制力矩

T_t——張力所產(chǎn)生的力矩

T_a——加速力矩

T_f——機械摩擦等所產(chǎn)生的附加力矩

在穩(wěn)定軋制狀態(tài)下，T_a=0，若進一步忽略T_f，則

T_m=T_T+T_t (6)

其中T_t與工藝參數(shù)有關(guān)．如孔型道次、軋制壓下量、鋼溫、材質(zhì)等，一旦確定，應(yīng)為常數(shù)，則

δT_m=δT_t=(D/2)×δF=i×η×δT_m¹即

δF=(2／D)×i×η×δT_m¹ (7)

式中δF——機架間張力變化量

D——機架有效輥徑¹

i——減速箱速比

η——機械傳動系統(tǒng)效率

δT_m¹——主電機上軸輸出轉(zhuǎn)矩

由式(7)可見，在一定的條件下，從電機的輸出轉(zhuǎn)矩變化量上就可以推算出該機架所受的張力變化。(注意：對于式(7)中機架n與n-1間的張力變化，所有參數(shù)總是以機架n-1為研究對象)。

同時，在自動控制算法中，粗中軋軋件頭部微張力控制是以下列概念為基礎(chǔ)的。

(1)后張力變化對傳動轉(zhuǎn)矩的影響比前張力小2～4倍。即后張力對轉(zhuǎn)矩作用較小，這就意味著：對于變化的速度關(guān)系，下游軋機比上游軋機的轉(zhuǎn)矩變化來得小。這一結(jié)論也就說明在大多數(shù)情況下，即使控制系統(tǒng)已記憶了下游軋機壓下量所需的轉(zhuǎn)矩，該控制系統(tǒng)仍能繼續(xù)進行速度關(guān)系的校正，也就是說當軋件被咬人n+1機架前，n機架與n-1機架問的速度校整不會影響到該機架電流檢測的準確性。

(2)軋件進入下游軋機前，上游軋機轉(zhuǎn)矩相當于該機架輥縫壓下量所需的轉(zhuǎn)矩，未受其它臨時性力矩的干擾影響，即式(5)中假定T_a和T_f為零。

(3)軋件一旦進入下游輥縫，上游軋機轉(zhuǎn)矩的一切變化，均是因不恰當?shù)乃俣汝P(guān)系產(chǎn)生的推力或拉力所引起的。這一假定是基于溫度、摩擦力和壓下量情況不影響軋制轉(zhuǎn)矩的變化為前提。其實，材料的頭部微張力控制只是在進入下游機架避開

出口導衛(wèi)摩擦的影響后，僅在短時間內(nèi)起作用(典型值為4 s)。關(guān)鍵的是無臨時性轉(zhuǎn)矩干擾，或者干擾可以被包括在表示壓下量的轉(zhuǎn)矩之內(nèi)。否則，當這些臨時性干擾消逝時，控制系統(tǒng)就認為是機架間產(chǎn)生了拉力或張力。

自動控制系統(tǒng)中，以ABB公司為例，其微張力控制邏輯圖.

圖1微張力控制邏輯圖

根據(jù)圖1，有關(guān)控制邏輯分析和參數(shù)設(shè)定解釋如下。

此值為上游機架n-1電機的電磁轉(zhuǎn)矩，由MP200 PLC可編程控制計算機的

COM—CVI通信執(zhí)行元素通過Master Bus 90通信線向DCV700直流電機數(shù)字控制系統(tǒng)直接讀取。

此值為3.1項的力矩LDTRQ經(jīng)過濾波后的力矩值，濾波時間常數(shù)為TRQFILT(s)，由用戶設(shè)定，一般為0.5s。因為PLC計算機中，程序執(zhí)行周期為200 ms，故400 ms以下的濾波時問將不會使濾波器起作用。此濾波器對于消除由短暫加速力矩或臨時性干擾力矩所產(chǎn)生的高頻噪聲是有幫助的。

TCC=TORQFILTXTCONST

式中，張力常數(shù)TCONST=i X 2×1000000／(D×A)

其中i一軋機減速箱速比

D——軋機有效輥徑，mm

A——軋件平均橫截面積，mm²

對照式(7)，此值應(yīng)為軋件單位面積上的張力值，然而t當軋件頭部咬入n機架前，這個機架n-1與機架n之間的張力如何理解呢?其實．此時刻前這個經(jīng)由電機電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化后的TCC值，并不代表機架間軋件的實際張力，只不過是軋件經(jīng)過n-1機架時，為了保證此軋件得到所規(guī)定的壓下量所需要的轉(zhuǎn)矩值，即式(5)中的T_t。

此值為記憶轉(zhuǎn)矩的存儲值，是出現(xiàn)在軋件頭部進人下游n機架輥縫前的固定且較短時間的報警距離的力矩值。報警距離WL3由用戶設(shè)定，原則是避開由進口導衛(wèi)等所產(chǎn)生的臨時性干擾的情況下，離下游機架n軋機盡量靠近．這樣所記憶的TMEM值更能反映出坯料余下部分所需的力矩值。

TACT=TMEM-TCC

此項中的TACT值可理解成為一個抵消了材料金屬壓下量所需轉(zhuǎn)矩后的力矩差值。根據(jù)自動控制算法中MTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)概念：當材料咬入下游n機架后．上游

n—l機架轉(zhuǎn)矩的一切變化均是因不恰當?shù)乃俣汝P(guān)系所產(chǎn)生的推力或拉力所引起的。即此變化值就是代表了軋件從n—l機架的自由軋制狀態(tài)至軋件被咬入下游n機架后所產(chǎn)生的機架間的張力值。

TDISP為Advant Station 520操作室畫面中顯示的張力值，供主操作人員判斷分析之用。

TDEV=-TACT+TREF

即張力基準值TREF與張力信號TACT相疊加產(chǎn)生了控制信號的偏差值TDEV。張力基準值TREF由操作者設(shè)置，一般為0到2N／mm²，以補償因鋼坯后部溫度的下降而增加的金屬物流量。張力基準值為正號代表機架間增加拉力，反之負號則代表增加推力。

TINTG=TDEV×TIGAIN，且受邏輯開關(guān)信號L3的控制。其中，TIGAIN為由用戶定義的張力積分增益系數(shù)，此值一般情況下須小于或等于0.0001，若軋機間距大于5 m，則此值取較低值。此值在MTC調(diào)試中為關(guān)鍵值，須從實踐中探索得出。根據(jù)經(jīng)驗，此值的設(shè)置依據(jù)為：在正常連續(xù)軋制中，軋完5支坯料左右，在MTC的正常控制作用下,使尺因子基本上能從設(shè)計理論值轉(zhuǎn)換成實際需要的R值。而邏輯開關(guān)信號L3受下列兩個用戶參數(shù)控制：DELTTC(s)及MAXTTC(s)。

參數(shù)DELTTC(s)表示坯料喂人下游n機架后,過多長時間使MTC開始作用。此參數(shù)的目的是避開下游n機架出口導衛(wèi)摩擦轉(zhuǎn)矩而引起的干擾以使張力得到充分形成．一般設(shè)置為0.5s。

參數(shù)MAXTTC(s)表示MTC作用于坯料的時間，過了這一段時間之后，沿鋼坯的溫度分布情況或許已經(jīng)改變了正常壓下量所需的轉(zhuǎn)矩，使記憶值MTEM失去意義。一般設(shè)定MTC的控制時間為4s。

應(yīng)該說明，根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的性質(zhì)，控制信號偏差值TDEV用以校正軋機的速度關(guān)系，對尺因子的積分型控制校正是永久性的，而對上游傳動的比例速度校正是暫時的。一般情況下，張力比例增益TPGAIN設(shè)置為0，只有當機架問距較大時，為了讓MTC系統(tǒng)作用前在機架間及時消除過剩軋材的松馳時，才設(shè)置TPGAlN參數(shù)。

其關(guān)系簡化圖如圖2所示。

圖2 TINTG與R因子關(guān)系圖

其中，ESLOPE為用戶設(shè)置參數(shù)，為一經(jīng)驗值，如ESLOPE=0.030dR／Ts，即表示每秒鐘R因子改變量為3％。ACF為微張力自動控制標志，其輸出特性相當于邏輯信號L3。HLIMT、LLIMT分別為R因子的高、低限制值。Vmax為軋機最大出口速度，對每一機架都有一個對應(yīng)常數(shù)。

TINGT與R因子的轉(zhuǎn)換關(guān)系由MP200PLC計算機中專用程序模塊SET—R元素來完成，也就是對式(4)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學模型的實現(xiàn)。這樣，MTC系統(tǒng)從軋機電機轉(zhuǎn)矩的變化中得到張力值TACT，與張力基準值疊加后產(chǎn)生了張力控制信號偏差值TDEV．經(jīng)過斜坡元素轉(zhuǎn)換成了積分型的R因子變化值，再由軋機速度級聯(lián)控制系統(tǒng)，按照式(4)重新分配上游機架的速度基準值，使上游機架的速度得到了很好的控制．從而使機架問張力值盡可能減小，這就是自動控制系統(tǒng)中微張力控制的基本流程和邏輯。

首先要保證自動控制系統(tǒng)物料跟蹤的正常功能，這對于軋線上用于檢測坯料位置的熱金屬探測器(HMD)的準確響應(yīng)是極其重要的，要做到定期檢查和維護，一旦出現(xiàn)假頭、假尾等報警信號必須嚴肅對待。因為任何自動控制均需要正確工作的傳感器，對MTC也一樣．一個錯誤的HMD信號會產(chǎn)生對鋼坯頭部和尾部的不正確跟蹤而使功能失靈。同時正確設(shè)置輥徑、孔型修正系數(shù)和隨著輥縫壓下量的調(diào)節(jié)而及時修改出口坯料的橫截面積等工藝參數(shù)也是絕對必要的。

盡量避免臨時性干擾所產(chǎn)生的力矩疊加到MTC作用的時段中，這對正確安裝軋機進出口導衛(wèi)有一定的要求；同時在遇到異常的軋制條件時，如遇到黑頭子、冷鋼或不規(guī)則坯料等應(yīng)馬上手動封鎖MTC系統(tǒng)，以保證正常軋制時良好的R因子狀況。

由于MTC僅作用于軋制坯料的頭部，對于鋼坯中、后半段由于溫度不均勻而產(chǎn)生的紅坯尺寸波動MTC系統(tǒng)無能為力，故應(yīng)盡可能提高加熱質(zhì)量，避免鋼溫的大幅波動。

對于鋼溫均勻變化的狀況，可用MTC得到較好的校正。即當紅坯鋼溫均勻減小時，會形成機架間的推力·此時可增大一點張力基準值，以彌補逐漸增加的金屬秒流量；反之，則需要減小一點張力基準值。

先進的電控系統(tǒng)縮短了試軋時間，提高了軋機的生產(chǎn)能力。一般情況下，在更換品種后，連續(xù)軋制3到5支坯料，用MTC系統(tǒng)能很方便地把設(shè)計時的理論R因子值自動優(yōu)化到實際軋制時的R因子值，避免了較長時間的試軋過程，提高了軋機的生產(chǎn)能力。

同時，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減小了主操作人員的勞動強度。雖然理論上認為，粗中軋機的紅坯尺寸波動在經(jīng)過精軋機組的活套無張力控制后可以消除。但是，在實際應(yīng)用中仍有一部分未能消除，這必定會影響成品尺寸精度，同時若盡寸變化過大，可能還會在頭部或尾部造成折疊或耳子。所以正確使用MTC功能，保持微張力軋制．以控制好粗、中軋機組每道紅坯尺寸，對改善產(chǎn)品的通條性能，提高產(chǎn)品尺寸精度是很有幫助的。特別是在軋制較大規(guī)格產(chǎn)品，只使用較少數(shù)量活套或不使用活套時，MTC系統(tǒng)對產(chǎn)品質(zhì)量顯得尤為重要。