SIMOVERT卷取机张力控制系统

控制工程C ontrol Engineering of China Mar .2005V ol.12,N o.2

2005年3月第12卷第2期

文章编号:167127848(2005)022*******

收稿日期:2004208209;　收修定稿日期:2004210210

作者简介:马美娜(19682),女,辽宁东港人,工程师,硕士,主要从事工业企业自动化等方面的研究工作。

SIMOVERT 卷取机张力控制系统

马美娜

(本溪钢铁公司热连轧厂,辽宁本溪　117000

)

摘 要:论述了西门子SI M OVERT M ASTER DRI VE 在本钢热连轧厂平整分卷机组卷取机控

制上的应用,重点分析了SI M OVERT M ASTER DRI VE 交流矢量控制中卷取机张力恒定控制原理及自动转矩控制特点。在卷取张力控制中,由于采用了西门子全数字多处理控制系统SI M A 2DY N D 与主传动相联的SI M O LI NK 网络,通过Profibus DP Lan 网络联接的P LC S imatic S7系统以及与管理系统相联接的以太网通讯完成各种数据快速传输,使得SI M OVERT M ASTER DRI VE 高精度高质量的转矩动态控制效果满足了精品板材的生产工艺要求。关　键　词:张力;自动转矩控制;矢量控制中图分类号:TP 273 文献标识码:A

SIM OVERT Reel T ension C ontrol System

MA Mei 2na

(H ot S trip M ill of Ben G ang ,Benxi 117000,China )

Abstract :The application of SI M OVERT M ASTER DRI VE for reel tension control is discussed.The princple for the constant tension control in the SI M OVERT AC vector control and the automatic torque control are analyzed in detail.The high quality and accuracy dynamic torque is satis fied for the need of the fine strip because of all data quick delivery by SI M ADY N D ,including SI M O LI NK,Profibus and ETHERNET 1K ey w ords :tension ;automatic torque control ;vector control

1　引　言

本钢热连轧厂于2002年6月引进的平整分卷机组是由意大利MI NO 公司设计安装的。其电气自动控制部分由意大利E DM 公司完成,采用西门子的“SI MOVERT MASTER DRI VE ”可调速矢量控制传动系统。

平整分卷机组从工艺上是对板材的再加工,一方面可以根据用户需求生产出大小不同的钢卷;另一方面是对钢卷的平整重卷,使生产出来的钢卷更具精品质量。在生产过程中,卷取机与开卷机之间必须保持恒张力。特别是进行平整时,由于带材存在弹性变形,很可能因为张力的波动,影响带材断面尺寸改变或使带材产生波浪形裂边,严重时断带。张力波动,还可能造成带材在卷筒上的层间串动。可见,卷取机张力控制系统调节品质的好坏,直接影响带材的产品质量。

SI MOVERT MASTER DRI VE 卷取机,除了具有

高动态响应精度及在每个方向上精确的电机速度控制外,其恒张力控制的良好效果保证了板材平整及分卷的质量。

2　控制原理和特点

1)张力控制原理　平整分卷机组中,卷取机

采用SI MOVERT MASTER DRI VE 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I sd 与转矩电流分量I sq 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I sq 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

M =DT Π2i

(1)

式中,M 为电动机转矩,Nm ;D 为钢卷直径,m ;T 为卷取机张力,N ;i 为卷取电动机与卷筒的减速比。

电动机转矩M 与磁通Φ及产生转矩的电流分量I sq 关系为

M =C m ΦI sq

(2)

由式(1)及式(2)得出张力T 与Φ,D 及I sq 的关系:

T =K 3ΦΠD 3I sq

式中,K =2C m i 。

可见,基频以下时,Φ恒定,电流I sq 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I sq 变化是卷径变化的函数,即保持I sq ΠD =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Φ的逐渐减小,即产生磁场的电流分量I sd 减小,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,定子最大电流I max 保持恒定,I sd 减小,产生转矩的电流分量I sq 相应地增大。SI MOVERT 卷取机系统设计使得在基速以上时,电机电流变化与卷取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ΦΠD 3I sq 恒定,即实现了张力T 恒定控制。

在平整机组分卷、平整过程中,卷取机与开卷机、卷取机与平整机之间的张力是靠卷取机建立的,为保证在平整分卷过程中,带材张力恒定,对张力卷取机动态性能控制要求很高,卷取机系统不仅要随时跟随开卷机及平整机的速度变化,而且必须能够控制电动机的转矩M 随着卷筒上带材直径D 的变化而变化。考虑到卷径的变化,张力卷取机工艺上要求转矩作为参考值。卷取机张力控制,其基本思想是利用对卷径的各个测量值和预设定的带钢张力来计算转矩的设定值。

2)自动转矩控制　SI MOVERT 卷取机采用转子磁场定向矢量控制。它是一个多环控制系统,转矩环和磁通环属于内环,转速环属于外环。对于转矩调节器,其输入为转速调节器的输出,输出为电压量。该系统通过有效地控制转矩,快速准确地跟踪指令值,满足系统提出的各种性能指标,包括卷

取张力恒定。然而,在实际控制中,由于转速的变化,很可能引起张力波动,实现精确的转矩补偿是跟踪设定值的关键。在SI MOVERT 卷取机张力控制中,根据控制电机的参数,在自动转距控制环节,采用了有效的转矩补偿,使得控制精度及控制效果满足了系统的要求。该系统转矩设定值计算包括以下部分:

①带钢张力的扭矩,等于电动机转矩:

M T =D 3T Π2i

②电机和机械损耗补偿的扭矩:

M F =M static +M sliding =M static +K f 3v ΠD

式中,K f 为常数;v 为线速度。

这部分转矩由静磨擦转矩和滑动磨擦转矩构成,M static 在调试时,根据机械参数,随机找出一些位置,实测其值,然后根据变化规律绘出曲线,在系统中根据曲线进行设定。而滑动磨擦转矩可由上式进行动态控制。

③惯性补偿的扭矩　卷取机加减速时,由于本身G D 2

将产生大的张力变化,大的过渡张力变动在产品质量上是不允许的,因此要进行修正:

M I =M m otor inertial +M coil inertial

M I =K m 3d v Πd t +K c 3[D 2

-D m in 2

]3πΠ43w 3d v Πd t

式中,K m ,K c 为常数;v 为线速度;w 为钢卷宽度。

由此,转矩设定值为

M R =M T +M F +M I

上述补偿输入到CFC “补偿数据调节值”功能块后,输出至“张力调节功能块ST 2213”参与张力调节计算。这样加在电机上的每一点转矩参考值在克服了机械及惯性阻转矩后,其张力转矩正好等于电动机输出转矩,通过系统各功能块的模型控制,实现了卷取机张力恒定的精确控制。

3　控制的实现

分卷机组卷取机动态控制要求很高,生产工艺上要求卷取机随时跟踪轧机或开卷机各种变化,及时响应,保持同步。SI MOVERT 卷取机的自动化控制正是基于这一工艺要求配置的,如图1所示。

SI MOVERT 卷取机控制与平整分卷机组其他主

传动一样,主要由全数字多处理的控制系统SI MA 2DY N D 完成。SI MADY N D 系统尤其适用于对动态

性能和数学精度要求高的各种应用,实时操作最短的基本取样时间是100μs ,对于数字传输和调整可

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621・ 控　制　工　程 第12卷