張 冉

(寶山鋼鐵股份有限公司硅鋼事業(yè)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(nèi)爐輥無(wú)包角,并且整個(gè)爐區(qū)的爐輥電動(dòng)機(jī)均不帶PLG轉(zhuǎn)速反饋,張力傳遞過(guò)程較長(zhǎng),使?fàn)t內(nèi)張力較難通過(guò)計(jì)算進(jìn)行精確的間接張力控制,因此,通常使用張力儀進(jìn)行張力閉環(huán)直接控制。在此控制方式中,計(jì)算張力設(shè)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(jù)此張力控制量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),減小偏差值,以達(dá)到張力實(shí)際測(cè)量值趨向設(shè)定值。因爐內(nèi)不設(shè)糾偏裝置,僅依靠出口一個(gè)張力計(jì)參與控制,為消除爐內(nèi)跑偏及提高控制精度,分別針對(duì)邏輯控制與傳動(dòng)控制進(jìn)行了優(yōu)化。

1 PLC張力控制

1.1 PLC系統(tǒng)直接張力控制處理流程

為使張力控制的精度和穩(wěn)定性得到提高,PLC邏輯處理部分需進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理。對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)變量處理的環(huán)節(jié)都應(yīng)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(shè)定值源頭,加入了限幅、滯后、平滑處理等功能,并詳細(xì)說(shuō)明了功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵公式和邏輯。又在控制部分引入了附加速度的概念,通過(guò)比例積分的調(diào)節(jié),依靠速度補(bǔ)償值的變化控制張力。主要分為設(shè)定值處理、邏輯控制、數(shù)據(jù)閉環(huán)傳遞等過(guò)程?？刂七壿嫷牧鞒倘鐖D1所示,以下按控制環(huán)節(jié),在實(shí)際的退火爐張力控制應(yīng)用中詳細(xì)描述張力控制方案的實(shí)施。

圖1 張力控制流程

1.2 張力控制的設(shè)定值處理

張力設(shè)定值來(lái)自上級(jí)物料生產(chǎn)系統(tǒng)下發(fā)的產(chǎn)品參數(shù),即相對(duì)張力設(shè)定參數(shù)(產(chǎn)品寬度、產(chǎn)品厚度、單位張力設(shè)定值)計(jì)算得出初始絕對(duì)張力設(shè)定值,經(jīng)限幅控制器輸出張力參考設(shè)定值,由斜坡生成器計(jì)算有效張力設(shè)定值[1],見(jiàn)圖2。

圖2 設(shè)定值的控制流程

限幅控制器將初始絕對(duì)張力設(shè)定值按設(shè)計(jì)產(chǎn)品規(guī)格范圍對(duì)應(yīng)的張力設(shè)定值進(jìn)行限幅,防止設(shè)定值異常造成的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。因張力設(shè)定值為連續(xù)變量,斜坡發(fā)生器的邏輯處理無(wú)需考慮線性加速度及輸出平滑性,只需生成斜坡設(shè)定即可。斜坡發(fā)生器按可調(diào)正反向變化率,對(duì)張力設(shè)定值變化量(ΔV)進(jìn)行線性輸出,張力設(shè)定值變化量如式(1):

ΔV=K·Tcycle

(1)

式中:K為可調(diào)整的張力變化率;Tcycle為程序掃描時(shí)間。

將張力控制方案中的變化率K設(shè)置為參數(shù)可調(diào)形式,根據(jù)帶鋼運(yùn)行時(shí)的張力反饋狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性優(yōu)化,在變化周期內(nèi)平穩(wěn)過(guò)渡,掃描周期50 ms。當(dāng)張力設(shè)定值變化時(shí),控制器輸出斜坡張力設(shè)定,當(dāng)輸出有效張力設(shè)定值等于張力參考設(shè)定值時(shí)發(fā)生器停止工作。

生成的設(shè)定值進(jìn)入后續(xù)閉環(huán)控制環(huán)節(jié),作為控制的目標(biāo)變量進(jìn)行邏輯的執(zhí)行,最終得出張力設(shè)定值Teff,設(shè)定值給定的切換效果如圖3所示。

圖3 設(shè)定值斜坡波形

1.3 張力控制的實(shí)際值處理

完成有效張力值的設(shè)定計(jì)算后,需采集并處理實(shí)際的張力測(cè)量值,處理流程如圖4所示。

圖4 張力測(cè)量值平滑功能

張力實(shí)際值的處理邏輯具有對(duì)張力儀測(cè)量值的濾波功能,消除系統(tǒng)響應(yīng)、PLC系統(tǒng)掃描周期、張力儀數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)等干擾信號(hào),采用軟件邏輯功能實(shí)現(xiàn)一階低通濾波器的功能[2],其算法公式見(jiàn)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(jìn)行反饋計(jì)算,由邏輯計(jì)算平滑濾波周期內(nèi)的輸入量取消上次控制器的輸出值加權(quán)。

張力實(shí)際值的算法見(jiàn)式(3):

Tact=Tact(n-1)+

(3)

式中:Ttm為張力儀測(cè)量值。

Tact(n-1)為濾波器上采樣周期的實(shí)際輸出值,代替計(jì)算公式中的Y(n-1)。此方式不因?yàn)V波系數(shù)的大小而影響控制器輸入變量,僅對(duì)張力輸出量進(jìn)行過(guò)濾,減小后續(xù)張力控制量的系統(tǒng)波動(dòng),最終得到張力實(shí)際值Tact。濾波效果如圖5所示,消除了波動(dòng)較大的傳感器采集數(shù)據(jù),減小了控制的擾動(dòng)。

圖5 濾波前后張力值對(duì)比

1.4 張力控制邏輯

退火爐張力控制邏輯內(nèi)的張力控制器使用PI調(diào)節(jié)器?？刂破鬏斎肓繛?①斜坡發(fā)生器生成的有效張力設(shè)定值;②濾波后的爐內(nèi)張力實(shí)際值。將兩者差值作為偏差量輸入,經(jīng)比例積分計(jì)算輸出控制量,再經(jīng)速度適配器計(jì)算輸出控制張力的附加速度設(shè)定值?？刂屏鞒倘鐖D6所示。

圖6 張力控制邏輯流程圖

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

(4)

(5)

(6)

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

將控制量帶入傳遞函數(shù)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(diào)節(jié)器的輸入量E(T)為有效張力設(shè)定值Teff與爐內(nèi)張力Tact差值。PI調(diào)節(jié)器最終輸出張力控制量TCON。

速度適配器部分采用兩點(diǎn)插值處理,將PI調(diào)節(jié)器輸出的張力控制量轉(zhuǎn)化為傳動(dòng)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(biāo)橫軸按生產(chǎn)線運(yùn)行速度設(shè)置,縱軸為速度調(diào)節(jié)系數(shù),主線絕對(duì)值速度輸入值滿足下列計(jì)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(diào)節(jié)系數(shù),與PI控制器輸出的張力控制量相乘,形成速度調(diào)節(jié)量,作為傳動(dòng)逆變器側(cè)的速度設(shè)定值。

2 傳動(dòng)控制

2.1 爐輥傳動(dòng)控制

逆變裝置主要功能概括為交流調(diào)速。運(yùn)用變頻和微電子技術(shù),基于逆變裝置的開(kāi)關(guān)頻率[5],通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源電壓幅值及頻率的方式,對(duì)交流電動(dòng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行控制。因爐輥傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)未安裝速度檢測(cè)編碼器,速度設(shè)定值與實(shí)際轉(zhuǎn)速的計(jì)算值,通過(guò)速度環(huán)ASR進(jìn)行閉環(huán)控制。輸出的速度環(huán)電流值與轉(zhuǎn)矩環(huán)ATR計(jì)算出的力矩電流疊加,進(jìn)入電流調(diào)節(jié)器ACR。對(duì)應(yīng)的退火爐傳動(dòng)裝置控制的功能圖如圖8所示。

圖8 張力控制傳動(dòng)功能圖

速度環(huán)內(nèi)設(shè)有平滑、限幅功能,將速度積分的計(jì)算值分量作為前饋,減小速度給定值在加減速時(shí)變化造成的波動(dòng)。轉(zhuǎn)矩環(huán)通過(guò)限幅控制及附加轉(zhuǎn)矩控制,計(jì)算出更精準(zhǔn)的力矩電流。通過(guò)電流環(huán)的頻率及脈寬變化、相位變換的反饋,分別計(jì)算出速度環(huán)的電流與轉(zhuǎn)矩環(huán)電流分量,實(shí)現(xiàn)爐輥電動(dòng)機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩控制。傳動(dòng)逆變裝置通過(guò)速度調(diào)節(jié)器ASR、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR分別動(dòng)態(tài)地計(jì)算、調(diào)整爐輥電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電流值,并最終通過(guò)電流調(diào)節(jié)器ACR輸出至爐輥電動(dòng)機(jī)。

2.2 速度控制

ASR速度調(diào)節(jié)器具備設(shè)定值處理、速度限幅、斜坡生成、速度設(shè)定平滑控制等功能,輸出速度百分比轉(zhuǎn)速設(shè)定值[6]。爐輥實(shí)際控制中,斜坡生成器升降速時(shí)間分別按工藝要求的升速斜率及停止降速斜率進(jìn)行計(jì)算。設(shè)定值平滑控制經(jīng)PLC端速度S曲線功能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)平滑參數(shù)即加速度設(shè)定值與平滑時(shí)間的比值,分別進(jìn)行加減速的積分計(jì)算,輸出速度設(shè)定的S曲線。

為提高速度環(huán)速度控制的實(shí)際效果,在比例積分調(diào)節(jié)器積分量輸出部分,加入DROOP軟化功能[7]。在爐輥勻速運(yùn)行時(shí)可減小速度波動(dòng)量,保持爐內(nèi)張力相對(duì)穩(wěn)定。亦可在速度設(shè)定值變化量過(guò)大、升降速斜率過(guò)大時(shí),例如斷帶緊停時(shí),通過(guò)積分負(fù)反饋,降低電動(dòng)機(jī)設(shè)定速度的給定量,以減小爐輥機(jī)械接手受力或系統(tǒng)內(nèi)電流、電壓的驟變。

速度設(shè)定值通過(guò)PLC計(jì)算并通過(guò)DP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送傳動(dòng)報(bào)文PZD控制字,經(jīng)轉(zhuǎn)速限幅輸入速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器。其工作原理類似于張力控制器的PI 調(diào)節(jié)。其中比例調(diào)節(jié)量P部分將速度設(shè)定放大,加快系統(tǒng)對(duì)速度設(shè)定值輸出的響應(yīng)。積分調(diào)節(jié)I部分將速度變化按積分時(shí)間調(diào)節(jié)頻率響應(yīng)[8],達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)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(zhuǎn)矩控制

該部分為傳動(dòng)ATR轉(zhuǎn)矩環(huán)控制[9],基于磁鏈?zhǔn)噶靠刂频脑韺?duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制[10]。包括的功能有附加轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償、加減速力矩前饋補(bǔ)償?shù)?。附加轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償部分包含機(jī)械損耗補(bǔ)償和慣性補(bǔ)償,機(jī)械損耗補(bǔ)償又稱為摩擦力補(bǔ)償。在爐輥電動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械接手連接爐輥旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電流應(yīng)包含克服機(jī)械負(fù)載及摩擦力產(chǎn)生的電流。摩擦力的大小與爐內(nèi)溫度、轉(zhuǎn)速等外部因素均存在關(guān)聯(lián),因此,這部分電流分量在提高電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩部分應(yīng)予以預(yù)先濾除。電動(dòng)機(jī)連接爐輥后,在無(wú)負(fù)載的情況下測(cè)試不同轉(zhuǎn)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,即可得到該爐輥電動(dòng)機(jī)的負(fù)載補(bǔ)償,通過(guò)負(fù)載補(bǔ)償設(shè)定輸入轉(zhuǎn)矩環(huán)附加轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能[11]。因爐輥電動(dòng)機(jī)控制方式區(qū)別于開(kāi)卷機(jī)、卷取機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制模式,因此慣量補(bǔ)償此處不涉及。對(duì)退火爐的張力控制,轉(zhuǎn)矩環(huán)不包含直接的力矩設(shè)定值給定,轉(zhuǎn)矩的限幅功能切至旁路。速度環(huán)的電流值直接與附加轉(zhuǎn)矩部分疊加計(jì)算,輸出轉(zhuǎn)矩?fù)Q電流。圖10為轉(zhuǎn)矩控制傳動(dòng)功能圖。

圖10 轉(zhuǎn)矩控制傳動(dòng)功能圖

2.4 電流控制

速度調(diào)節(jié)器輸出的百分比速度與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出的速度偏差補(bǔ)償疊加后,輸入電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成電流環(huán)控制。經(jīng)PWM脈沖寬度調(diào)節(jié),通過(guò)PI控制器調(diào)節(jié)電流的階躍響應(yīng),輸入產(chǎn)生抗干擾的正弦脈沖[12],并計(jì)算爐輥電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及運(yùn)行電流。輸出的電流分量再通過(guò)續(xù)流裝置反饋電流環(huán),構(gòu)成檢測(cè)回路。因爐輥電動(dòng)機(jī)未安裝速度反饋編碼器,轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩均以電流形式計(jì)算構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。圖11為電流控制傳動(dòng)功能圖。

3 結(jié)論

通過(guò)PLC及變頻系統(tǒng)的邏輯控制和傳動(dòng)裝置,實(shí)現(xiàn)退火爐張力的基本控制。對(duì)張力控制的過(guò)程及原理進(jìn)行邏輯程序的編譯,對(duì)傳動(dòng)設(shè)備的控制流程及原理進(jìn)行分析說(shuō)明。通過(guò)對(duì)各控制環(huán)節(jié)的研究,進(jìn)行張力控制的實(shí)施,為機(jī)組狀態(tài)維護(hù)和張力控制的研究奠定基礎(chǔ)。

圖11 電流控制傳動(dòng)功能圖