侯文武

（銅陵金威銅業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244001）

1 引言

20輥精軋機(jī)是本公司板帶材成品軋制的關(guān)鍵設(shè)備，由于設(shè)備問(wèn)題未完成最終調(diào)試，控制功能尚未完善；其中板形輥的傳動(dòng)控制在生產(chǎn)過(guò)程中表現(xiàn)出與帶材不同步及速度波動(dòng)等問(wèn)題，造成帶材表面劃傷及張力波動(dòng)，嚴(yán)重影響到軋機(jī)的產(chǎn)量及帶材質(zhì)量。本文通過(guò)對(duì)其控制原理的分析研究，找出其存在問(wèn)題，通過(guò)改變板形輥的控制方式及補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化，達(dá)到板形輥的同步和穩(wěn)定運(yùn)行。

2 板形輥控制原理分析

ABB公司Stressometer板形輥測(cè)量的基本原理是基于測(cè)量帶材的張力施加在每個(gè)區(qū)域的徑向力。圖1表明帶材以一定的包角和張力包覆測(cè)量輥的情況，有：

式中：s為帶材張力；r為測(cè)量輥半徑；μ為摩擦系數(shù)；α為包角。

圖1 帶材拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩原理圖Fig.1 Strip drag torque schematic diagram

在帶材的最大拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mvmax的作用下，測(cè)量輥跟隨帶材轉(zhuǎn)動(dòng)。在軋制過(guò)程中，為避免兩者之間的滑動(dòng)造成帶材表面劃傷，測(cè)量輥的摩擦轉(zhuǎn)矩與加速轉(zhuǎn)矩之和應(yīng)不大于帶材的最大拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于板形輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，一般都采用驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)。

測(cè)量輥的摩擦轉(zhuǎn)矩受軸承、密封、空氣阻力等因素影響，而加速轉(zhuǎn)矩與測(cè)量輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角加速度的乘積有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于板形輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，在小張力軋制及加減速的過(guò)程中，帶材與板形輥之間的相對(duì)滑動(dòng)是可能存在的，因此，需要使用輔助驅(qū)動(dòng)裝置以增加一定的轉(zhuǎn)矩，使得所需轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩不超出帶材的最大拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

初步設(shè)想，可通過(guò)有效的速度調(diào)節(jié)控制測(cè)量輥的速度來(lái)避免產(chǎn)生滑動(dòng)；然而，只有絕對(duì)的同步才能防止滑動(dòng)，但由于帶材速度的測(cè)量精度和交流驅(qū)動(dòng)裝置動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的影響，絕對(duì)的同步是做不到的。輔助驅(qū)動(dòng)的策略是建立摩擦轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩的模型，并應(yīng)用與測(cè)量輥連接的電機(jī)產(chǎn)生這些轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值相等的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩。

某些情況下，測(cè)量輥與帶材不相接觸，僅采用轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方式是不可行的，因?yàn)閮H采用轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)將會(huì)產(chǎn)生很大的速度誤差。通過(guò)在速度調(diào)節(jié)方式下增加調(diào)節(jié)死區(qū)，在死區(qū)（低于最小拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩）范圍內(nèi)，很小的速度誤差產(chǎn)生限幅轉(zhuǎn)矩增加，較大的速度誤差產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩。這樣可使得測(cè)量輥的速度快速改變以盡可能達(dá)到同步速度，在測(cè)量輥與帶材接觸的瞬間減小滑動(dòng)。

綜上所述，速度和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)都是需要的，圖2為典型的電機(jī)控制原理圖。

圖2 軋機(jī)板形輥驅(qū)動(dòng)控制原理圖Fig.2 Flatness roll drive control schematic diagram

3 存在的問(wèn)題及分析

3.1 張力、卷徑波動(dòng)原因分析

20輥軋機(jī)的板形輥的驅(qū)動(dòng)控制采用西門子FM458控制，其速度給定通過(guò)光纖傳送到6SE70交流變頻器，在軋機(jī)軋制過(guò)程中，經(jīng)常表現(xiàn)出帶材劃傷及張力、卷徑波動(dòng)的現(xiàn)象。上述板形輥的驅(qū)動(dòng)方案在大部分軋機(jī)上均有應(yīng)用，其速度設(shè)定值取自于帶速測(cè)量的專用編碼器或激光測(cè)速儀，假如獲取的帶材速度是真實(shí)可靠的，上述驅(qū)動(dòng)控制方案是可行的。

因軋機(jī)AGC控制系統(tǒng)的需要，本公司20輥軋機(jī)配置2臺(tái)激光測(cè)速儀用于帶材速度的非接觸測(cè)量，并將其測(cè)量的帶材速度值作為板形輥的速度給定值。由于帶材表面油污及振動(dòng)原因，激光測(cè)速儀在使用過(guò)程中表現(xiàn)出低速波動(dòng)及跳動(dòng)現(xiàn)象，如圖3所示。由于卷取機(jī)上料卷的卷徑是通過(guò)帶材線速度和其芯軸的旋轉(zhuǎn)速度計(jì)算而得，當(dāng)激光測(cè)速儀獲取的帶材速度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，勢(shì)必造成卷徑波動(dòng)，進(jìn)而造成張力波動(dòng)。

圖3 激光測(cè)速儀帶材速度信號(hào)波形圖Fig.3 Strip speed signal waveforms from laser speedmeter

3.2 與帶材不同步原因分析

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，如圖4所示，通過(guò)板形輥電機(jī)編碼器測(cè)得的線速度v1與激光測(cè)速儀測(cè)得的帶材線速度v2相差約0.009～0.010m／s。由于采用6SE70驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及光纖網(wǎng)絡(luò)，其不同步的原因可能是由于軸承摩擦、溫度變化等原因，造成驅(qū)動(dòng)裝置的補(bǔ)償模型不精確所致。

圖4 穩(wěn)態(tài)軋制帶材速度信號(hào)波形圖Fig.4 Strip speed signal waveforms during rolling

當(dāng)激光測(cè)速儀輸出速度信號(hào)失真，出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)，也是導(dǎo)致板形輥速度不同步的原因之一。

4 驅(qū)動(dòng)方案的優(yōu)化

4.1 控制模型優(yōu)化

由于激光測(cè)速儀輸出的帶材速度存在波動(dòng)，因此在軋制過(guò)程中采用激光測(cè)速儀輸出的帶材速度作為板形輥?zhàn)冾l器的速度給定，勢(shì)必導(dǎo)致一系列問(wèn)題，采用上述速度控制模型將難以達(dá)到控制要求。

板形輥控制的最終目標(biāo)是跟隨帶材轉(zhuǎn)動(dòng)，只要驅(qū)動(dòng)裝置在加減速及穩(wěn)態(tài)過(guò)程中所提供的附加轉(zhuǎn)矩能夠克服摩擦轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，只要3種轉(zhuǎn)矩的疊加值在帶材施加與板形輥的最大拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩之內(nèi)，即可保證板形輥與帶材的同步。

基于上述控制方案，并結(jié)合板形輥的控制需要，對(duì)其驅(qū)動(dòng)裝置的控制方案予以優(yōu)化，其控制模式如圖5所示。

圖5 改進(jìn)的板形輥驅(qū)動(dòng)控制原理圖Fig.5 Improved flatness roll drive control schematic diagram

1）在非軋制狀態(tài)下，采用原有的控制方案：由于板形輥的速度給定值來(lái)自于PLC，不存在波動(dòng)及干擾問(wèn)題；變頻器的速度控制器的限幅值為100%。

2）在軋制狀態(tài)下，板形輥?zhàn)冾l器的速度給定設(shè)為零，其速度控制器的輸出限幅也設(shè)為零，這樣相當(dāng)于轉(zhuǎn)速環(huán)不起作用。變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩包括加減速轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩，只要加減速轉(zhuǎn)矩模型和摩擦轉(zhuǎn)矩模型準(zhǔn)確，變頻器提供的轉(zhuǎn)矩與加減速及摩擦轉(zhuǎn)矩之和在帶材的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，即可達(dá)到同步的目的。

4.2 摩擦轉(zhuǎn)矩模型優(yōu)化

圖6 板形輥空氣阻力轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償圖Fig.6 Air resistance torque compensation of flatness roll

板形輥空氣阻力轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償圖如圖6所示。由于測(cè)量輥的摩擦轉(zhuǎn)矩受軸承、密封、空氣阻力等因素影響，因此，影響板形輥摩擦轉(zhuǎn)矩的因素包括軸承的潤(rùn)滑狀況、環(huán)境溫度及板形輥轉(zhuǎn)速等，其中軸承的潤(rùn)滑狀況、環(huán)境溫度與板形輥的靜摩擦有關(guān)，在一定的條件下相對(duì)穩(wěn)定，而空氣阻力主要與板形輥轉(zhuǎn)速有關(guān)。通過(guò)實(shí)際測(cè)量，獲得板形輥轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償量之間的關(guān)系。

5 運(yùn)行結(jié)果分析

通過(guò)修改驅(qū)動(dòng)控制模型及轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模型的優(yōu)化，板形輥的線速度與帶材速度差減小2.5～3倍，實(shí)測(cè)兩者速差為0.003～0.004m／s，實(shí)測(cè)曲線如圖7所示。同時(shí)，將卷取機(jī)料卷卷徑計(jì)算所需的帶材線速度取自板形輥編碼器，避免激光測(cè)速儀輸出的帶材速度波動(dòng)導(dǎo)致卷徑的跳動(dòng)以及張力的跳動(dòng)，減少停機(jī)及斷帶故障的發(fā)生，有效地提高了軋制的產(chǎn)量及成品率。

圖7 改進(jìn)后的速度信號(hào)偏差Fig.7 Speed signal deviation after improvement

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)可逆軋機(jī)板形輥控制的工藝要求及其控制原理分析的基礎(chǔ)上，提出板形輥速度與帶材速度不同步及張力波動(dòng)的原因。并通過(guò)對(duì)原有板形輥傳動(dòng)控制方案的改進(jìn)及補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化，提高了板形輥與帶材的同步度，解決了卷徑跳動(dòng)及張力波動(dòng)問(wèn)題，提高了軋機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而有效地提高了帶材的表面質(zhì)量及產(chǎn)量。

［1］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］西門子公司.Application Module FM 458－1DP－User Manual［Z］.2004.

［3］ABB公司.Commissioning Manual of ACS 800for Stressometer［Z］.2005.

［4］西門子公司.SIMOVERT MASTERDRIVES使用大全［Z］.2004.