板材生产线的张力控制和负荷平衡控制

板材生产线的张力控制和负荷平衡控制王翠萍（上海亿富特钢铁技术有限公司，上海，201206）[摘要]：板材生产线开卷段张力控制的效果是提高产品质量的关键，本文主要从镀锡生产线介绍了开卷段张力辊张力控制的原理；同时，为了防止开卷段张力辊主从辊电机负荷不平衡而导致电机过热，本文接着研究了张力辊主从辊的负荷平衡控制的原理。系统达到很好的张力控制和负荷平衡控制效果。[关键词]：张力辊；张力控制；负荷平衡；垂度控制TensionControlAndLoaded-balancedControlOfTensionRollerWangCuiping(ShanghaiAFDsteelEngineeringTechnologyCo.,Ltd,Shanghai,201206)Abstract：Itisthecrucialmeasurethattheeffectoftensioncontrolofuncoilingpartintheplateproductionline.ThepaperintroducestheprincipleofthetensioncontrolofuncoilingpartfromtheElectrolyticTinningLine(ETL).Meanwhile,inordertopreventtheloadimbalancesoftensionprincipalrollerandsubordinaterollerresultingmotoroverheating,thisthesisstudiestheload-balancedcontroltheoryoftensionprincipalrollerandsubordinateroller.Thesystemreachedagoodsystemcontrolandload-balancedcontroleffect.Keywords:Tensionroller;Tensioncontrol;Load-balancedcontrol;Droopcontrol一、前言板材生产过程中要求对生产线的张力进行控制,张力控制的好坏直接影响到整个系统的稳定。因此张力控制在整条生产线中是一个关键问题。张力控制不好往往会出现薄板褶皱或折痕、边缘罩擦带钢、厚板无法高速生产等问题。另外对于多电机传动系统，只有电动机速度同步并不能满足实际系统的工作要求，还要求各传动点电机负载率相同，否则会出现某台电机负荷分配大，某台电机负荷分配小的情况。因此本文从某镀锡生产线中对开卷段张力辊的控制来阐述张力控制与负荷分配控制在传动系统上的合理运用。上海亿富特钢铁技术有限公司拥有长期服务于钢铁行业的机电设备设计、制造和成套、工艺生产、技术服务等，并且研发和生产的特种橡胶辊类产品和橡胶套筒产品覆盖大多数冷轧板生产线。近期我公司承接了此电镀锡生产线的安装和调试工作，获得很好的张力控制和负荷平衡控制效果，满足了生产要求。二、张力控制问题2.1开卷段张力控制原理开卷机采用西门子的SIMOVERTMASTERDRIVE交流调速矢量控制方式。矢量控制原理的出发点是，考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，可以把定子电流中的励磁电流分量Isd与转矩电流分量Isq变成标量独立开来，进行分别控制。这样异步机与直流电动机有相同的转矩产生机理，即回到磁场与其相垂直的电流Isq的积为转矩这一基本原理进行张力分析。张力T和电动机转矩之间关系为2DMTiη=（1）式中，M为电动机的转矩，T为开卷机的张力，D为带钢的直径，i为开卷电动机至卷筒的减速比，η为传动装置的效率。电动机转矩M与磁通及产生转矩的电流分量Isq关系为msqMKI=Φ（2）式中，M为电动机的转矩，Km为电动机常数，∅为磁通。由公式（1）和（2）可以得出张力T与∅、D和Isq的关系为sqMKIDΦ=其中2mMKi=。可见，基频以下时，∅恒定，电流Isq和转矩成正比。根据卷径的变化，通过预设转矩参考值的变化，使得在恒定的预设定点上转矩的变化是卷径变化的函数，即电流Isq变化是卷径变化的函数，即保持Isq/D=常数，实现T为恒定值的控制；基频以上工作时，有进行恒功率控制的磁场给定器，磁场电流与速度成反比例减少。随着磁通∅的逐渐减少，即产生磁通的电流分量Isq减少，由于异步电动机的定子电流是在电动机内部，利用电磁感应作用在电气上被分解为磁场电流和转矩电流，根据其原理，定子昀大电流Imax保持恒定，Isd减少，产生转矩的电流分量Isq相应地增大。SIMOVERT卷机系统设计使得在基速以上时，电机电流变化与开卷机电机磁场弱磁程度协调一致，据此计算转矩设定值，在限幅范围内，转矩设定点和电机电流之间相对进行调整，使得∅/D*Isq恒定，即实现了张力T恒定控制。2.2张力辊控制原理镀锡生产线入口段的速度以新增的1＃S型张力辊为主，开卷机的控制速度跟随1＃张力辊，维持入口段的张力恒定，开卷机采用间接张力控制方式来保证全线张力恒定可调。间接张力控制通过T400工艺板完成，在开发周期较短的情况下，能够大大减少了PLC的编程量，而且控制简单实用。T400工艺板需要计算卷径，因此需要检测线速度，并需要在开卷机电机主轴上设立脉冲编码器以检测角速度。则卷径D的计算为：D＝60V/πn其中：V为线速度，n为开卷机角速度。开卷机转速的给定值是由转向辊实际转速得到的，可以计算为nset＝n1#张D1＃张/D。电机的实际转速为nact＝(U-IR)/(Keφ)则差值Δn＝nset-nact。该差值作为速度调节器的输入，以控制开卷机跟踪转向辊线速度变化。具体实施时，电机实际转速nact由电机上所带码盘测出传给CUVC板，再由CUVC板传给T400板；线速度Vact由导向辊测速码盘测出直接传给T400板；张力给定Zset由操作台触摸屏设定传给S7-300，S7-300通过Profibus-DP网传给T400板。T400板接收到这些数据后，首先由T400板中直径计算模块计算出钢卷的实际直径D，然后再根据直径计算出开卷机的转矩M，做为开卷机的转矩限幅传给CUVC板，从而保证张力的恒定。其控制原理图如图1所示：1#张力辊组的控制问题M÷导向辊开卷机卷筒开卷机电机码盘码盘VactnactD=Vact÷Nset=Vset÷D张力给定Zset速度调节器电流调节器补偿÷DD-偏置T400CUVCV图1T400工艺板控制原理图2.3张力辊组张力计算方法1＃张力辊是入口段速度基准。实现入口段速度控制和活套小车同步位置控制。正常运行时，它通过机组速度设定及活套同步位置控制参考实现自身速度控制。原理图图2所示。充套时，系统向1＃张力辊发出充套命令，1＃张力辊升速运行。充套完成后，1＃张力减速停车，开卷机换卷，活套消套。根据生产工艺要求，正常运行时，活套入口张力大于开卷机张力，因此1＃张力辊为发电状态。＋Vset逆变器电机机组速度设定活套位置信号－图21#张力辊速度控制原理图发电状态下，张力辊带钢出口端的张力T2与入口端张力T1有以下关系式：μαeTT12=发电转台张力辊受力分析如图3所示：图3发电状态张力辊受力分析张力辊电机应提供的驱动力矩为：2)1(12)12(2DeTDTTDTMZ⋅−=⋅−=⋅Δ=μα其中：α：带钢与张力辊之间的包角；μ：带钢与辊面之间的摩擦系数；D：张力辊直径。发电状态下，带压辊的张力辊（如图4所示）带钢出口端的张力T1与入口端张力T0有以下关系式：μβμePTT)0(1+=图4带压辊的发电状态下夹送辊受力分析张力辊电机应提供的传动力矩为：2)1)(0(2)01(2DePTDPTTDTMX⋅−+=⋅−−=⋅Δ=μβμμ其中：β：带钢与张力辊之间的包角；P：压辊向下的压力。由上面分析，并将带压辊的张力辊与不带压辊的张力辊组合，可得出S型张力辊入口张力(T0)和出口张力(T2)之间的关系如下：)()0(2βαμμ++=ePTT通过以上受力分析，可知，张力辊提供了活套前后的张力，通过控制张力辊的驱动力矩，能够维持全线所需张力。2.5张力控制实现张力由电机建立，而电机是变频器控制的，因此如何控制变频器，让电机产生我们所需的张力，就是我们要解决的核心问题。镀锡线所用的变频器是西门子公司的6SE70矢量控制型逆变器。其控制原理如图示：励磁电流转矩电流SRTRTC转矩补偿转矩给定转矩给定速度给定速度反馈速度给定速度给定给定积分器速度张力控制模式选择转矩控制和转矩补偿电机控制速度调节器速度反馈张力给定图5变频器控制原理示意图变频器有两种控制模式：速度控制模式和张力控制模式。当变频器工作于张力控制模式时，将需要电机产生的张力折算成一个转矩给定值TR，提供给变频器，控制电机产生所需的张力。这时人为的让变频器的速度调节器处于饱和状态，速度-张力控制模式选择张力控制模式，转矩调节器的给定值来自TR，变频器进行转矩调节，产生我们所要求的张力。当变频器工作于速度控制模式时，将生产线速度折算成一个速度给定值，提供给变频器，控制电机速度，同时将需要电机产生的张力折算成一个转矩补偿值TC，提供给变频器，控制电机产生所需的张力。也就是说既要让电机产生所需要的张力，也就是让电机运行在要求的速度。变频器工作在何种控制模式，由控制器中的程序来控制，自动进行切换。西门子6SE70矢量控制功能，可以对不同电机实现高精度矢量控制。特别是带PG矢量控制方式具有极高的速度控制精度(+0.01％)和极高的启动转矩(or/min时150％)，其与PLC配合使用，可以实现速度链控制、自动负荷控制、速差控制、张力控制等功能。该传动系统采用由S7-315小型PLC作为系统的控制中心；由西门子6SE70矢量变频器为驱动单元；变频专用电机作为执行单元；内密控编码器提供速度反馈信号，使系统传动在速度闭环运行模式下，从而使控制系统稳速精度达到0.01％。由PLC通过西门子PROFIBUS协议、PROFIBUS-DP网络与变频器实现速度链功能、垂度控制、负荷分配等功能，较理想地满足系统正常工作的需求。三、负荷分配问题3.1负荷分配原理负荷分配是传动中的一个关键问题，其控制的好坏将直接影响整个系统的正常运行甚至生产率。传统的负荷分配问题多由设计好的负荷分配器来控制，由于现场的干扰较强，因而使其控制的精度受到影响。变频传动控制中，我们用PLC和变频技术结合起来解决负荷分配问题，自应用以来，控制效果良好，在实际控制当中．电机功率是一间接量。所以实际控制近似以电机定子电流代替电机功率。即1*eiLLiNeiiIIII==∑其中：ILi—第i台电机出力电流；Iei—第i台电机额定电流；IL—负载总电流；N—参与负荷分配的电机数；负荷分配就是依据电机电流，利用上述原理对控制的各台电机进行调节，使电机电流百分比一样，即各电机转矩电流和额定电流比值应相等，这样完成负荷分配的自动控制。常用的负荷平衡系统有两类：一类是两套电机控制系统共用一套转速调节器(主系统有转速调节器,从系统没有)，其输出作为两套转矩控制环共同的转矩给定，即经转矩环的负荷平衡系统；另一类是主从两套系统都有各自的转速调节器及转矩调节器，但在从系统的转速调节器输入端接有两套转矩实际值的差值调节信号,即经转速环的负荷平衡系统。这两类系统都可以实现负荷平衡调节,应用于不同的场合。第1类负荷平衡系统响应快，动态平衡效果好，但有可能产生扭振，即有可能造成两台电机负荷来回波动,严重时会出现电流激磁震荡，引起系统过流跳闸。这类系统适用于电机间通过“刚性”联系的场合,例如两台电机的串轴控制。第2类负荷平衡系统响应慢,但具有一定抑制扭振的能力,适用于电机间通过“弹性”联系的场合,例如两台电机传动机构间无机械轴,彼此通过金属带联系。采用经转速环负荷平衡系统还有一个优点,就是可以实现“冗余”要求。主从两套系统都有转速调节器,可以独立工作,即在一台电机或调速装置出现故障时,另一套系统仍能继续短时工作,以满足生产