浅谈冷轧机电气控制中的张力控制

浅谈冷轧机电气控制中的张力控制
摘要：经济在不断的发展，社会在不断的进步，在卷材卷取与开卷的时候，随
着卷径的变化，其张力也将随之发生变化，为冷轧机的正常运行造成不利影响。

本文主要阐述了冷轧机生产过程中张力波动的影响因素，以及张力控制的基本原
理和张力的基本概念等，希望通过本文的研究为冷轧机生产过程中的张力控制提
供有益的借鉴。

关键词：冷轧机；电气控制；张力控制
引言
20世纪90年代以后，我国铜加工企业陆续从国外引进了一些现代化铜板带
轧机。

在消化、吸收国外先进技术的基础上，我国近年来也自行开发研制了一批
新型高精度轧机，大大提升了我国铜板带生产的装备水平。

本文介绍我院为某铜
加工厂设计制造的560~可逆铜带冷轧机电气控制系统的原理和系统组成。

1张力在轧制过程中的作用
张力是指轧机的前后卷筒给带材拉紧的力，或者机架之间相互作用使带材承
受的拉力。

以前张力为例，卷筒的外缘线速度只有大于带材的出辊速度，也就是
速度之差大于零，才能建立前张力。

在轧制过程中，张力有如下作用:(1)能降低单位压力，调整主电机的负荷。

张力的作用使变形区的应力状态发生了变化，减少
了纵向的压应力，从而使轧制时金属的变形抗力减少，降低了轧制压力，减少轧
制时的能耗。

前张力使轧制力矩减少，后张力使轧制力矩增加，当前张力大于后
张力时，能减轻主电机的负荷、增大道次的加工率。

(2)调节张力可控制带材厚度。

由弹跳方程H=S+P/K(其中，H为轧出厚度，mm;S为轧辊辊缝，mm;P为轧制压力，kg;K为刚度系数，kg/mm)可知，用改变张力大小的方法来改变轧制压力，可使轧
出的厚度发生变化。

(3)调整张力可控制板形。

改变张力能够改变轧制力，压力的
变化影响到轧辊的弹性弯曲，从而改变了辊缝的形状。

此外，改变张应力沿带材
宽向的分布，使金属沿横向的延伸均匀，从而获得良好的板形。

(4)防止带材跑偏，保证轧制稳定。

在张力作用下，配合对中系统将有效防止带材跑偏。

(5)防止出现
断带、堆料等现象。

高速轧制中前后张力波动太大，会出现断带，如果辊缝在断
带后不及时打开，会堆料引发火灾等灾害性事故。

2有效控制张力的基本方法
2.1直流传动控制装置
主机和卷取机传动都采用ABB公司生产的DCS601〕系列全数字直流传动装置，功率为160一732kW。

速度反馈信号取自脉冲编码器，利用激光测距仪直接测量
卷径;同时，根据带材厚度和圈数计算卷径值，与激光测量的卷径值进行比较，以
防止各种因素对卷径测量的干扰，影响张力控制精度。

张力控制采用间接张力控制、最大力矩工作方式，以提高速度控制精度及合理利用电动机功率。

直流传动
装置通过光纤和AC80控制器相连，使数据的传输具有更高可靠性;系统中张力控
制要求的静态补偿、动态补偿，工艺要求的4种轧制工作制和3种轧制方式，大、小卷筒的切换，以及轧制方向的改变、高速、低速等，均由AC80中的控制程序
实现;主机采用速度控制系统，通过AC80向传动装置发出各种指令，包括正反向
点动、穿带、升速、保持、降速、停车等;AC80通过与机组程控器通讯，经过I/0
传递接受各种信号，以实现轧机的自动轧制功能。

左、右卷取机为恒张力控制，
采用间接张力控制系统中的最大力矩控制方式。

实测出电机的性能参数后，根据
工艺要求、电动机的实时磁通量及卷径值，设定大小卷筒和各道次张力给定值，
通过控制电动机电枢电流实现带材张力恒定。

为了补偿各种摩擦力对张力的影响，在力矩给定上增加了随速度变化的空载力矩补偿。

为保证加、减速阶段张力的恒定，在力矩给定上增加了动态补偿。

2.2比例控制法
比例控制法又称为间接张力控制法，其工作原理是通过对与张力相关的电气
量的控制实现对张力的控制。

比例控制系统由磁场控制和电枢电流控制两个独立
的部分组成。

其中电动机的转矩计算公式为:
其中MD表示电动机的转矩;Cm代表电动机的机构常数;T代表张力;D代表卷
材料卷的直径;i代表减速机的减速比;代表电动机磁通;Ia代表电动机电枢电
流;M0为电动机空转时的转矩;Md代表电动机运转速度增加与降低时的动态转矩。

根据上式我们可以推导出张力T的计算公式:
由上式可以看出，通过使Ia正比D/而变化或维持Ia等于常数，同时使/D等
于常数均能维持张力T的恒定。

通过前面的分析我们可以看出:磁场控制部分的工
作原理是通过对电动机励磁电流的调节，使磁通与卷材料卷D之间呈正比变化，
从而保持/D比值的恒定;电枢电流控制部分的工作原理是通过对电动机电枢电压
的调节维持Ia的恒定。

由于电枢电阻Ｒ的值很小，所以当电势量E和电枢电压μ
发生变化时，即使变化量很细微，电枢电流Ia也会发生较大的变化，因此通过电
枢电流控制部分是主要的，磁场控制部分的变化较慢，通常应用于卷径D发生变
化的情况。

比例控制法具有易于搭建控制系统、结构简单的优点，同时其缺点也
十分明显，当系统不在最大卷径下工作时，电机一直在弱磁状态运转，不能充分
发挥出电机的效率;而当卷径发生较大的变化时，弱磁倍数增加，提高了对电机的
要求，不利于设备的选型。

2.3动态补偿法
当采用间接张力控制法时，保证张力控制的准确性是非常重要的。

为了对张
力控制的准确性给予保障，对冷轧机本身固有的摩擦力和其在运转速度变化过程
中的转动惯量对转矩所造成的影响加以充分的考虑是非常必要的，在实际应用的
过程中，动态转矩和空载转矩是不容忽视的，为了保证冷轧机卷绕过程中的张力
恒定，需要从冷轧机电动机的空载补偿电流、动态补偿电流和张力电流三个部分
对电动机的电流进行有效控制。

2.4机组操作控制装置
PLC采用OMRON公司的C200H系列产品，采用远程I/0控制方式，由主、从
单元组成，主从单元通过串行方式进行通讯，控制直流传动连锁操作、上卸卷、
机前机后装置、换辊及交流辅助传动等。

为保证4种工作制下都能实现精确的不
松头轧制，在各卷筒减速箱上安装了脉冲编码器，通过PLC的高速计数器计算卷
筒上的带材长度并记忆。

在逆向轧制接近料尾时，根据当时的速度优化减速、爬行、停车时间，做到准确停车。

在轧机两侧安装有光电传感器，可测量料头通过
的时间，和编码器计算的带材长度相配合，判断是不留头轧制还是断带，可精确
控制停车时的料头位置及切除卷取机张力(或直接传送断带信号)，以达到最高成
品率。

主操作台上有一台NT631C触摸屏，和PLC之间采用RS485通讯，通过可
切换画面设定和显示带材种类、张力、速度、卷取长度、工作制等生产过程中的
参数。

操作手可以通过棒图、数字/模拟仪表盘、趋势图等，监控各个参数的变化，并对过程参数全面了解，及时进行故障判断。

结语
张力控制在轧机控制中具有相当重要的作用，高速轧制中张力波动会导致断带、火灾等事故，深入研究张力控制对我们工程技术人员而言具有深远的意义。

参考文献
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