電氣傳動參數調整在軋機張力中的應用

萊鋼棒材連軋棒材生產線產品為φ16～φ60mm的園鋼和螺紋鋼，機械設備從意大利DANIELI公司引進，電控系統全套從瑞典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，采用逆調速級聯控制方式。

為了保證熱連軋的正常連續軋制，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，如孔型道次、輥縫壓下量、鋼溫等，一旦調整好就固定不變，所以只能通過選擇和調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系應當滿足公式

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，在實際應用中，由于軋件受鋼溫、材質、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)，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

K_m——手動干預時對n一1機架的速度調整系數

K_t——張力作用反映到n--1機架的速度調整系數

同時，根據張力自動調節理論，張力變化與速度變化還具有以下傳遞函數關系

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)——放大倍數為K_t，時間常數為T_t的一階慣性環節

δV——軋機速度增量

這樣，調整張力，就可以協調機架間的速度，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電機的電磁轉矩變化量來實現的。因為在軋制過程中．軋制轉矩可用下式來

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——張力所產生的力矩

T_a——加速力矩

T_f——機械摩擦等所產生的附加力矩

在穩定軋制狀態下，T_a=0，若進一步忽略T_f，則

T_m=T_T+T_t (6)

其中T_t與工藝參數有關．如孔型道次、軋制壓下量、鋼溫、材質等，一旦確定，應為常數，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——機械傳動系統效率

δT_m¹——主電機上軸輸出轉矩

由式(7)可見，在一定的條件下，從電機的輸出轉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的。

(1)后張力變化對傳動轉矩的影響比前張力小2～4倍。即后張力對轉矩作用較小，這就意味著：對于變化的速度關系，下游軋機比上游軋機的轉矩變化來得小。這一結論也就說明在大多數情況下，即使控制系統已記憶了下游軋機壓下量所需的轉矩，該控制系統仍能繼續進行速度關系的校正，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，上游軋機轉矩相當于該機架輥縫壓下量所需的轉矩，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，上游軋機轉矩的一切變化，均是因不恰當的速度關系產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

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

自動控制系統中，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

根據圖1，有關控制邏輯分析和參數設定解釋如下。

此值為上游機架n-1電機的電磁轉矩，由MP200 PLC可編程控制計算機的

COM—CVI通信執行元素通過Master Bus 90通信線向DCV700直流電機數字控制系統直接讀取。

此值為3.1項的力矩LDTRQ經過濾波后的力矩值，濾波時間常數為TRQFILT(s)，由用戶設定，一般為0.5s。因為PLC計算機中，程序執行周期為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生的高頻噪聲是有幫助的。

TCC=TORQFILTXTCONST

式中，張力常數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．此時刻前這個經由電機電磁轉矩轉化后的TCC值，并不代表機架間軋件的實際張力，只不過是軋件經過n-1機架時，為了保證此軋件得到所規定的壓下量所需要的轉矩值，即式(5)中的T_t。

此值為記憶轉矩的存儲值，是出現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由用戶設定，原則是避開由進口導衛等所產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矩后的力矩差值。根據自動控制算法中MTC系統的基礎概念：當材料咬入下游n機架后．上游

n—l機架轉矩的一切變化均是因不恰當的速度關系所產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至軋件被咬入下游n機架后所產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相疊加產生了控制信號的偏差值TDEV。張力基準值TREF由操作者設置，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，且受邏輯開關信號L3的控制。其中，TIGAIN為由用戶定義的張力積分增益系數，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調試中為關鍵值，須從實踐中探索得出。根據經驗，此值的設置依據為：在正常連續軋制中，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計理論值轉換成實際需要的R值。而邏輯開關信號L3受下列兩個用戶參數控制：DELTTC(s)及MAXTTC(s)。

參數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。此參數的目的是避開下游n機架出口導衛摩擦轉矩而引起的干擾以使張力得到充分形成．一般設置為0.5s。

參數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改變了正常壓下量所需的轉矩，使記憶值MTEM失去意義。一般設定MTC的控制時間為4s。

應該說明，根據PI調節器的性質，控制信號偏差值TDEV用以校正軋機的速度關系，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設置為0，只有當機架問距較大時，為了讓MTC系統作用前在機架間及時消除過剩軋材的松馳時，才設置TPGAlN參數。

其關系簡化圖如圖2所示。

圖2 TINTG與R因子關系圖

其中，ESLOPE為用戶設置參數，為一經驗值，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常數。

TINGT與R因子的轉換關系由MP200PLC計算機中專用程序模塊SET—R元素來完成，也就是對式(4)的一階慣性環節數學模型的實現。這樣，MTC系統從軋機電機轉矩的變化中得到張力值TACT，與張力基準值疊加后產生了張力控制信號偏差值TDEV．經過斜坡元素轉換成了積分型的R因子變化值，再由軋機速度級聯控制系統，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)的準確響應是極其重要的，要做到定期檢查和維護，一旦出現假頭、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。同時正確設置輥徑、孔型修正系數和隨著輥縫壓下量的調節而及時修改出口坯料的橫截面積等工藝參數也是絕對必要的。

盡量避免臨時性干擾所產生的力矩疊加到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、冷鋼或不規則坯料等應馬上手動封鎖MTC系統，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生的紅坯尺寸波動MTC系統無能為力，故應盡可能提高加熱質量，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。

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

同時，提高了產品質量，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過精軋機組的活套無張力控制后可以消除。但是，在實際應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，對改善產品的通條性能，提高產品尺寸精度是很有幫助的。特別是在軋制較大規格產品，只使用較少數量活套或不使用活套時，MTC系統對產品質量顯得尤為重要。