周吉祥 龍海峰

摘要： 冷連軋活套張力控制的動靜態(tài)精度對于穩(wěn)定軋制過程至關重要。在結合活套張力控制原理的基礎上設計出1 450 mm 冷連軋機活套電氣控制系統(tǒng)， 詳細介紹了活套張力控制系統(tǒng)的控制原理及實現(xiàn)方案， 對慣性力矩、彎曲力矩和摩擦力矩進行補償， 隨后分析活套的運行情況。實踐證明此活套控制系統(tǒng)具有較好的控制效果， 滿足生產工藝的要求。

關鍵詞：冷連軋機;活套;恒張力控制;S120交流傳動裝置

1、概述

在冷軋帶鋼控制系統(tǒng)中，為保證產品質量和工藝過程穩(wěn)定，無論是冷連軋機還是可逆冷軋機均需要穩(wěn)定的張力控制。按照不同的工藝要求：較典型的張力控制方法有間接張力控制和直接張力控制，間接張力控制常用于開卷、卷取、活套的控制;直接張力控制則用于精度較高的張力控制系統(tǒng)，冷連軋生產中常用于機架間的張力控制。文中所設計的1450mm 6輥5機架酸連軋機組已于2019年初正式投產， 其活套控制系統(tǒng)采用間接張力控制。在活套的控制系統(tǒng)中，活套不僅需在同步運行時保持張力恒定，且要求系統(tǒng)能準確地在加減速過程中進行動態(tài)力矩補償，并根據活套車的位置對張力給定進行修正。

2、入口水平活套

2.1設備組成

入口活套為水平活套， 活套系統(tǒng)由活套車、活套車驅動裝置、活套門、底部帶鋼支承輥、換輥小車和鋼繩緩沖裝置組成。

活套車上設有帶鋼轉向輥、滑輪組及帶鋼支承輥和車輪，活套車的一側設有水平滾輪，通過偏心輪來調整滾輪的開口度?；钐总嚿蠋в谢塾靡钥刂苹钐组T的關閉?；钐总囓圀w為焊接鋼結構框架。

活套車驅動裝置由電機減速機驅動，并保證活套車時刻處于可控狀態(tài)。當活套車運動時，設在活套車上的滑槽引導與活套門關聯(lián)的連桿機構開始轉動并帶動活套門開閉。

活套門用于支撐存儲的帶鋼，安裝在活套車行進方向的兩邊，通過連桿機構由活套車驅動來完成開閉擺動。

底部帶鋼支承輥用來支持底部存儲帶鋼的運行。

2.2設備性能

酸洗入口活套由3臺電機組成，電機參數(shù)如下：

其交流傳動采用西門子公司交流傳動裝置，型號為：S120系列?；钐變Υ鎺т撃芰?40m，活套小車有效行程為160m， 帶鋼條數(shù)為4 條， 小車輥子數(shù)量為2。

2.3活套控制系統(tǒng)組成及功能

活套控制系統(tǒng)主要由計算機監(jiān)控、PLC過程控制以及ANSALDO傳動系統(tǒng)3個部分組成。活套控制參數(shù)由操作人員在上位機上輸入，HMI顯示活套充、放套速度，活套張力，活套儲量以及傳動電機的轉矩，故障報警顯示等。PLC控制由SiemensS7400系列可編程控制器組成，從站使用SiemensET200。主站與從站間通訊方式為Profibus DP。

SPDM直流調速系統(tǒng)與可編程控制器通過Profibus DP直接通訊，PLC中進行速度、張力給定信號的處理，并在程序中進行加減速過程中的動態(tài)慣量、帶鋼彎曲力矩、摩擦力矩和套量計算及活套車位置控制。

活套入口操作臺將指令傳送至ENPLC程序段，ENPLC程序段進行信號處理通過Profibus DP總線與EnM AST程序段進行數(shù)據交換，MAST為軋機段主令給定程序，根據工藝需要與入口段主令控制交互數(shù)據，協(xié)調入口段與軋機段的速度，PLC_DR為入口段傳動合閘邏輯，活套主令由EnM AST直接控制，EnM AST與傳動通過Profibus DP進行數(shù)據交換。

3、入口段充放套的實現(xiàn)

3.1、1#張力輥設備結構及性能

1#張力輥主要由機架、4個輥子、2個壓輥、傳動裝置和壓輥擺動裝置組成。其中1、2、4#輥子由電機通過減速機驅動，3#輥子為惰輥。電機與減速機之間，減速機與輥子傳動軸之間安裝有聯(lián)軸器。

3.2、充放套實現(xiàn)過程分析

活套車同步運行時，1#出口張力輥的線速度與軋機入口的鋼帶的線速度相同，即活套入口鋼帶的運行速度與活套出口鋼帶的速度相同，活套車處在相對靜止狀態(tài);當帶頭帶尾焊接完成后，機組入口段開始升速，帶鋼以高于軋機入口的速度經過1#張力輥和1#立式糾偏進入活套，此時，活套的充料速度大于活套內出料的速度，活套內的帶鋼張力變小，為保證活套內帶鋼張力恒定，活套車在鋼絲繩的牽引下向卷揚機方向運行，繃緊帶鋼;當切除帶頭帶尾焊接時，1#張力輥停止工作，壓輥壓下，活套開始放套，由于帶鋼一端固定，另一端連續(xù)運行帶動活套車向軋機方向運行，保持張力恒定，實現(xiàn)活套放套。

4、活套張力控制原理及實現(xiàn)方案

4.1活套張力控制原理

在活套張力控制系統(tǒng)中，活套電機轉矩的計算是該控制環(huán)節(jié)的關鍵?；钐纂姍C轉矩由活套張力力矩、慣性力矩、帶鋼彎曲力矩和摩擦力矩等部分組成。由于活套卷揚機卷筒為一固定卷徑值，所以卷徑計算環(huán)節(jié)便可省略，直接代入卷筒直徑D。根據電動機轉矩公式，可以計算出活套電機電樞電流給定值為

式中：TM為活套電機轉矩;TF為張力力矩;TI為慣性力矩;TB為帶鋼彎曲力矩;TH為摩擦力矩;△TF為張力力矩修正值，N·m;CT為電動機轉矩常數(shù);為電動機磁通?；钐纂姍C轉矩給定值，送至活套電機全數(shù)字調速系統(tǒng)SPDM，并通過活套調速系統(tǒng)的調節(jié)作用，控制電機的負載電流，在活套正常工作中，速度調節(jié)器飽和使電機處于轉矩控制狀態(tài)，從而實現(xiàn)活套的張力控制。

4.1.1速度給定

速度給定來自程序中的運算，并在SPDM中的輔助功能的速度調節(jié)器前加一附加速度給定目的是確保建張后速度環(huán)一直處于飽和狀態(tài)，由可編程控制器中運算出的張力給定信號控制電流限幅，從而輸出對應的張力轉矩。點動時，速度給定為一定值，點動包括正點動與反點動，當點動旋鈕至中位時點動停止，制動器斷電制動。

4.1.2轉矩給定

1）張力力矩在活套中的作用。使帶鋼承受一定張力，繃緊支撐架間的帶鋼，防止帶鋼跑偏和搭落以致刮壞帶鋼?；钐讖埩υO定值取決于HMI給定的單位張力、帶鋼寬度與厚度，張力力矩計算公式如下：

TF=T×6

式中：T為單條帶鋼張力折算到電機的力矩，N·m;F0為活套單位張力，N/mm2;W為帶鋼寬度，mm;H為帶鋼厚度，mm;D為卷揚機卷筒直徑，mm。

2）慣性力矩。充放套過程中，由于活套內帶鋼速度的變化需考慮卷揚機自身套筒的慣性力矩。卷筒的直徑固定不變D=D0。計算公式如下：

可推出

式中：Jo為卷筒轉動慣量。

3）帶鋼彎曲力矩。帶鋼彎曲力矩占電機轉矩的一定比重，它與帶鋼厚度的二次方、帶鋼寬度、帶鋼屈服強度成正比，帶鋼屈服強度與鋼種、帶鋼材質有關。帶鋼彎曲力矩可由以下公式得出：

每層帶鋼彎曲力矩折合到卷筒的力矩為

可推導出：

TB=6TBB/j

式中：TB為帶鋼彎曲力矩，N·m;TBB為單層帶鋼彎曲力矩，N·m;d1，d2，d3為每層帶鋼轉向輥直徑，mm;y為帶鋼屈服強度，N/mm2;H為帶鋼厚度，mm;W為帶鋼寬度，mm。

4）摩擦力矩。該力矩是用于修正活套電機到卷筒之間的機械損耗，摩擦力矩是和速度相關的。一般摩擦力矩補償可視為常量，補償量為電機額定轉矩的2%以下。

4.2恒張力實現(xiàn)方案

卷揚機由一臺電機驅動，安裝在卷揚機的傳動側。電機的正方向為拉緊鋼絲繩的方向。主電機工作時為張力控制方式，電流上限幅通過程序計算經Profibus控制，此時需考慮各力矩環(huán)節(jié);活套電機的勵磁控制器接收全數(shù)字調速系統(tǒng)SPDM的勵磁電流給定，勵磁控制器自動調節(jié)勵磁電流的輸出。電流調節(jié)器的電流限幅給定。至于SPDM工作于何種控制模式，由內部軟件自動切換。活套點動運行時，處于速度控制模式;活套建張運行時，處于張力控制模式。