热轧卷取机的张力控制_于长志
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［ /］
力矩控制曲线来实现的， 卷取机的卷取过程中主 要有两种控制方式， 即速度控制和张力控制， 这两 种控制方式在一定条件下进行转换。卷取机控制 过程可分为 5 个部分。 （/） 自动控制系统读取二级机发送的数据、 操 作台输入的数据和经过实际测量值计算后的带卷 直径数据。 （6 ） 利用这些数据， 计算出电机应输出的速度 值和转矩值。 （5） 设定的速度值和转矩值经过调整后， 送到 传动系统来控制卷取机电机运行。 卷取过程中， 包含三个速度控制阶段， 即超前 速度、 同步速度和滞后速度。卷取机的夹送辊、 助 卷辊以及芯轴的速度依据卷取过程不同而分别配 置有超前系数和滞后系数， 超前系数和滞后系数 可以由操作人员根据具体的轧制情况进行设定和 调整。速度控制情况如图 / 所示。图中横坐标轴 代表同步速度， 横坐标轴上的刻度代表带钢卷取 的各个过程， 纵坐标轴分别是超前速度和滞后速 度， 而超前速度和滞后速度都是以同步速度为基 础。
%" 典型卷取张力事故进行分析
%$ &" 带卷松卷 由于张力引起的松卷主要是指带卷的内、 外 圈松卷 （ 外圈松卷还有其它非张力原因） ， 如图 . 中的 （ 1） 和 （ )） 所示。其中在层流冷却区域由于 张力调整不当， 如输出辊道速度超前率设定不合
式中， ,3 、 , 2 为常数， / 为线速度， * 为带钢宽度。 由此， 转矩设定值为 %: " %( $ %) $ %/ $ %* （;） 上述补偿参与张力调节计算， 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机输出转矩。通过 系统的模型控制， 实现了卷取机张力恒定的精确 控制。
!" 卷取机张力控制
!# $" 张力控制的实现 卷取机张力控制主要是依据速度控制曲线和
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《 冶金自动化》 6;;< 年 !6
数产品， 控制软件是应用全图形化 !"#$% & 编写， 软件编写能够充分考虑系统资源和控制系统实时 性要求， 合理分配各程序的扫描时间。 !’()*+, 主要负责完成数据处理、 物料跟踪、 张力控制、 卷 取机辊缝控制、 芯轴膨胀以及介质系统控制等功 能， 在此主要分析张力控制。传动部分采用西门 子公司的交 . 直 . 交变频器， 夹送辊电机和助卷 辊电机是变压变频调速， 控制方式为电压 . 频率 协调控制。当变频器
《 冶金自动化》 "$$& 年 1"
热轧卷取机的张力控制
" 于长志!， ， 崔桂梅! ， 李德刚"
（ !# 内蒙古科技大学 信息工程学院， 内蒙古 包头 $!%$!$ ； "# 包钢薄板坯连铸连轧厂） 摘要： 针对热连轧机组必须保证恒张力轧制的特点， 介绍卷取机自动控制系统的高精度、 高响应的计算过程以 及自动控制的实现方法。只有通过卷取机相关设备的变结构控制才能实现张力恒定， 最终完成带钢卷取。 关键词： 恒张力； 变结构控制； 超前速度； 滞后速度
， 同时给
《 冶金自动化》 %##= 年 >%
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式中， ! 为钢卷直径，& ( 为芯轴张力， ( 为芯轴的 减速比 （ % ）弯 曲 力 矩。由 于 带 钢 弯 曲 后 的 应 力 作 用， 使得带钢的张力增加， 因此卷取机的力矩给定 值必须克服这一部分转矩。由于带钢钢种不同热 屈服强度不同， 因此弯曲力矩也不同。弯曲力矩 % ) 计算公式： % ) " )% *+ *+,& - ! 屈服强度。 （.） ) 为带钢厚度； * 为带钢宽度； + *+,& 为带钢热 式中，
!" 引言
包钢薄板坯连铸连轧厂是从德国西马克公司 和西门子公司成套引进的 连 铸 连 轧 现 代 化 生 产 线。该生产线轧机区域采用六机架四辊连轧机组 及两台地下卷取机， 设计产量为 !&’ 万 ( ) *， 轧制范 围为宽度： &’$ + ! ,-$ ..， 厚度： !# " + "$ ..。该 生产线 "$$! 年投产， 如今年产量达到 "’$ 万 ( ) *。 在如此高产的情况下， 更要求各个环节的设备必 须达到最优自动化控制。其中热轧卷取机是十分 重要的设备， 卷取机的设备控制水平的高低直接 影响热连轧生产线的产量和带钢的质量。 为了能够深入地了解卷取机恒张力卷取的控 制过程， 对卷取机的张力控制做了仔细地学习和 研究。
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（.） 电机和机械损耗补偿的转矩 % / ： % / " % 0(1(*2 $ , / - ’ ! （!） , / 为常数， - 为线速度， % 0(1(*2 为静摩擦转矩。 式中， 这部分转矩是由静摩擦转矩 % 0(1(*2 和滑动摩 擦转矩 , / - ’ ! 构成， 静摩擦转矩， 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。 而滑动摩擦转矩可以由上式进行动态控制。 加速力矩。在电机拖动系统启动和制动 （! ） 过程中， 电机需要克服负载力矩和加速力矩。对 于卷取机来说， 为了保持作用在带钢上的张力不 变， 需要消除加速力矩对张力的影响， 因此必须对 加速力矩进行计算， 然后作为总力矩给定的一部 分来控制力矩， 以实现张力恒定控制。卷取机加 减速时， 由于本身 .!% 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。加速力矩计算公式： % * " % 34(45 *6+5(*1, $ % 24*, *6+5(*1, （7）
为超前速度， 因此， 为了使带钢更好的咬入芯轴进 行卷取， 芯轴的速度也要设定为超前速度， 并且要 稍大于夹送辊的速度。夹送辊咬钢加载后， 夹送
［ "］ 辊由速度控制切换到力矩控制 ， 使带钢以前向
张力穿过夹送辊。 （0） 芯轴建立张力， 主要是轧机末机架、 输出 辊道、 夹送辊与芯轴之间的张力控制， 夹送辊输出 后向张力以承担一部分卷取张力， 其方向与芯轴 相反。同时， 芯轴由速度控制切换到力矩控制， 通 过调节电机的输出转距设定值， 使带钢承受一定 的张力并以此张力进行卷取。由于带钢已经建立 张力， 为了防止划伤带钢表面， 助卷辊摆开远离带 钢。 （%） 带钢尾部离开轧机末机架， 主要是输出辊 道、 夹送辊与芯轴之间的张力控制， 此时由于带钢 尾部已经离开轧机末机架， 因此， 带钢尾部和芯轴 之间的张力要由速度差来提供， 这样才能保持良 好的卷型。夹送辊承担的后向张力增大， 同时芯 轴由力矩控制切换到速度控制， 以同步速度运转， 助卷辊摆回到设定位置来控制带卷尾部的卷形， 助卷辊与芯轴的距离由预 计 算 卷 径 的 大 小 来 决 定。 （,） 带钢尾部运行到夹送辊， 主要是夹送辊与 芯轴之间的张力控制， 夹送辊由力矩控制切换到 速度控制， 以滞后速度运转， 芯轴开始定位， 最终 带尾定位在 , 点钟位置， 芯轴卷取完毕停止。
#" 卷取机张力控制过程分析
卷取机的主要设备有： 输出辊道、 夹送辊、 助 卷辊、 芯轴， 为了完成带钢卷取， 控制系统必须控 制好相关设备的速度与力矩的实时自动切换， 也 就是说要实现变结构控制。卷取机的张力控制过 程有以下五个部分。 （!） 带钢头部穿出轧机末机架， 到达夹送辊之 前时， 主要是轧机末机架与输出辊道之间的张力 控制， 卷取机为速度控制运行方式， 为了防止带钢 头部跳动， 输出辊道以大于轧机末机架的超前速 度运行， 这样由于带钢前后有一定的速度差而产 生一个向前的张力， 同时夹送辊、 助卷辊、 芯轴均 以设定的超前速度运行。 （"） 带钢头部运行到距夹送辊一定距离处时， 即夹送辊窗口， 主要是轧机末机架、 输出辊道与夹 送辊之间的张力控制 / / 收稿日期： "$$&=$,=", ・ %>%・
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图 !" 力矩控制曲线
#$ !" 张力控制的理论基础 保证恒张力卷取带卷， 对卷取机动态性能控 制要求很高， 卷取机系统不仅要随时跟随轧机的 速度变化， 而且必须能够控制电动机的转矩随着 芯轴上带钢直径的变化而变化。考虑到卷径的变 化， 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
［ !］
$" 控制系统的组成
卷取机为了满足 “ 恒张力卷取” 这一要求， 自 动控制系统由 12.*345 6 和 12.789:( ;*<(9:6:289 变频器组成。12.*345 6 是 0" 位工程设计系统参 / /
， 此时夹送辊ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ速度已经
作者简介： 于长志 （ !&-&=） ， 男， 内蒙古包头人， 高级工程师， 现从事设备管理工作。
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接收到控制系统的速度设
定值后， 通过变压变频调速将会适时的向相关设 备输出超前速度、 滞后速度、 同步速度。而芯轴电 机较为特殊， 采用西门子同步矢量控制的交 . 直 . 交变频器系统， 包括 0)1"2#-#’32 变频器和励磁 整流器 （ 全数字处理器控制系统） ， 励磁由 /4 位 !’()*+, - 完成计算并通过 !- 直流系统进行调 节。电机带有增量型速度反馈码盘和用于电流模 型计算的绝对值码盘， 调速性能优良， 速度动静态 精度高。
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图 $" 速度控制曲线
7 7 力矩控制曲线如图 6 所示。图中横坐标轴代 表带钢卷取的各个过程， 纵坐标轴分别是前向力 矩 （ 电动模式） 和后向力矩 （ 发电模式） 。 下面以从夹送辊加载开始到芯轴建立张力这 一段为例， 结合速度控制曲线和力矩控制曲线来 分析张力控制。带钢头部运行到夹送辊处时， 夹 送辊咬钢称为夹送辊加载， 由速度控制曲线可以 看出从夹送辊加载开始到 芯 轴 建 立 张 力 这 段 时 间， 夹送辊的速度控制器饱和到限幅值
［ !］
。由
于速度和转矩的计算使用了实测数据， 因此卷取 机设定值的计算过程是一个闭环控制过程。速度 设定计算和张力设定计算都涉及到带卷直径这一 变量， 带卷直径的测量是通过实测的芯轴转速来 进行计算的。其基本公式如下： ! " !# $ % "
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式中， ! 为带卷直径， !# 为芯轴直径， " 为带钢厚 度， $ 为芯轴实测转速。 卷取机自动控制系统通过有效的控制转矩， 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， 在实际的控制 中， 由于转速的变化很可能引起张力的波动， 实现 精确的转矩补偿是跟踪设定值的关键。在卷取机 张力控制中， 根据控制电机的参数， 在自动力矩控 制环节采用了有效的力矩补偿， 使得控制精度和 控制效果满足了系统的要求。系统力矩设定值计 算包括以下几个部分： （’） 带钢张力力矩， 等于电机转矩。为了使带 钢在卷取过程中， 能够形成良好的卷形， 必须在带 钢上施加一定的张力， 张力力矩即是为了给带钢 施加张力而设定的力矩值。张力力矩公式： % ( " &（ ( ( ! ’ %） ・ ! < ;・ （%）
［ 5］
电流调节器输出参考值， 提供用于完成带钢卷取 的反向力矩参考值， 完成了由速度控制到力矩控 制的切换。芯轴在夹送辊加载时是以一个较低的 超前速度运行， 随着带钢进入芯轴、 芯轴膨胀， 最 终芯轴咬入带钢后并建立张力， 速度控制器调节 直至饱和， 同时给电流调节器输出参考值， 提供用 于完成带钢卷取的正向力矩参考值， 完成了由速 度控制到力矩控制的切换， 芯轴进入张力控制方 式， 此时速度控制器开环， 实现了变结构控制。 ・:98・
力矩控制曲线来实现的， 卷取机的卷取过程中主 要有两种控制方式， 即速度控制和张力控制， 这两 种控制方式在一定条件下进行转换。卷取机控制 过程可分为 5 个部分。 （/） 自动控制系统读取二级机发送的数据、 操 作台输入的数据和经过实际测量值计算后的带卷 直径数据。 （6 ） 利用这些数据， 计算出电机应输出的速度 值和转矩值。 （5） 设定的速度值和转矩值经过调整后， 送到 传动系统来控制卷取机电机运行。 卷取过程中， 包含三个速度控制阶段， 即超前 速度、 同步速度和滞后速度。卷取机的夹送辊、 助 卷辊以及芯轴的速度依据卷取过程不同而分别配 置有超前系数和滞后系数， 超前系数和滞后系数 可以由操作人员根据具体的轧制情况进行设定和 调整。速度控制情况如图 / 所示。图中横坐标轴 代表同步速度， 横坐标轴上的刻度代表带钢卷取 的各个过程， 纵坐标轴分别是超前速度和滞后速 度， 而超前速度和滞后速度都是以同步速度为基 础。
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%$ &" 带卷松卷 由于张力引起的松卷主要是指带卷的内、 外 圈松卷 （ 外圈松卷还有其它非张力原因） ， 如图 . 中的 （ 1） 和 （ )） 所示。其中在层流冷却区域由于 张力调整不当， 如输出辊道速度超前率设定不合
式中， ,3 、 , 2 为常数， / 为线速度， * 为带钢宽度。 由此， 转矩设定值为 %: " %( $ %) $ %/ $ %* （;） 上述补偿参与张力调节计算， 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机输出转矩。通过 系统的模型控制， 实现了卷取机张力恒定的精确 控制。
!" 卷取机张力控制
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热轧卷取机的张力控制
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张力穿过夹送辊。 （0） 芯轴建立张力， 主要是轧机末机架、 输出 辊道、 夹送辊与芯轴之间的张力控制， 夹送辊输出 后向张力以承担一部分卷取张力， 其方向与芯轴 相反。同时， 芯轴由速度控制切换到力矩控制， 通 过调节电机的输出转距设定值， 使带钢承受一定 的张力并以此张力进行卷取。由于带钢已经建立 张力， 为了防止划伤带钢表面， 助卷辊摆开远离带 钢。 （%） 带钢尾部离开轧机末机架， 主要是输出辊 道、 夹送辊与芯轴之间的张力控制， 此时由于带钢 尾部已经离开轧机末机架， 因此， 带钢尾部和芯轴 之间的张力要由速度差来提供， 这样才能保持良 好的卷型。夹送辊承担的后向张力增大， 同时芯 轴由力矩控制切换到速度控制， 以同步速度运转， 助卷辊摆回到设定位置来控制带卷尾部的卷形， 助卷辊与芯轴的距离由预 计 算 卷 径 的 大 小 来 决 定。 （,） 带钢尾部运行到夹送辊， 主要是夹送辊与 芯轴之间的张力控制， 夹送辊由力矩控制切换到 速度控制， 以滞后速度运转， 芯轴开始定位， 最终 带尾定位在 , 点钟位置， 芯轴卷取完毕停止。
#" 卷取机张力控制过程分析
卷取机的主要设备有： 输出辊道、 夹送辊、 助 卷辊、 芯轴， 为了完成带钢卷取， 控制系统必须控 制好相关设备的速度与力矩的实时自动切换， 也 就是说要实现变结构控制。卷取机的张力控制过 程有以下五个部分。 （!） 带钢头部穿出轧机末机架， 到达夹送辊之 前时， 主要是轧机末机架与输出辊道之间的张力 控制， 卷取机为速度控制运行方式， 为了防止带钢 头部跳动， 输出辊道以大于轧机末机架的超前速 度运行， 这样由于带钢前后有一定的速度差而产 生一个向前的张力， 同时夹送辊、 助卷辊、 芯轴均 以设定的超前速度运行。 （"） 带钢头部运行到距夹送辊一定距离处时， 即夹送辊窗口， 主要是轧机末机架、 输出辊道与夹 送辊之间的张力控制 / / 收稿日期： "$$&=$,=", ・ %>%・
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卷取机为了满足 “ 恒张力卷取” 这一要求， 自 动控制系统由 12.*345 6 和 12.789:( ;*<(9:6:289 变频器组成。12.*345 6 是 0" 位工程设计系统参 / /
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作者简介： 于长志 （ !&-&=） ， 男， 内蒙古包头人， 高级工程师， 现从事设备管理工作。
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接收到控制系统的速度设
定值后， 通过变压变频调速将会适时的向相关设 备输出超前速度、 滞后速度、 同步速度。而芯轴电 机较为特殊， 采用西门子同步矢量控制的交 . 直 . 交变频器系统， 包括 0)1"2#-#’32 变频器和励磁 整流器 （ 全数字处理器控制系统） ， 励磁由 /4 位 !’()*+, - 完成计算并通过 !- 直流系统进行调 节。电机带有增量型速度反馈码盘和用于电流模 型计算的绝对值码盘， 调速性能优良， 速度动静态 精度高。
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图 $" 速度控制曲线
7 7 力矩控制曲线如图 6 所示。图中横坐标轴代 表带钢卷取的各个过程， 纵坐标轴分别是前向力 矩 （ 电动模式） 和后向力矩 （ 发电模式） 。 下面以从夹送辊加载开始到芯轴建立张力这 一段为例， 结合速度控制曲线和力矩控制曲线来 分析张力控制。带钢头部运行到夹送辊处时， 夹 送辊咬钢称为夹送辊加载， 由速度控制曲线可以 看出从夹送辊加载开始到 芯 轴 建 立 张 力 这 段 时 间， 夹送辊的速度控制器饱和到限幅值
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于速度和转矩的计算使用了实测数据， 因此卷取 机设定值的计算过程是一个闭环控制过程。速度 设定计算和张力设定计算都涉及到带卷直径这一 变量， 带卷直径的测量是通过实测的芯轴转速来 进行计算的。其基本公式如下： ! " !# $ % "
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式中， ! 为带卷直径， !# 为芯轴直径， " 为带钢厚 度， $ 为芯轴实测转速。 卷取机自动控制系统通过有效的控制转矩， 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， 在实际的控制 中， 由于转速的变化很可能引起张力的波动， 实现 精确的转矩补偿是跟踪设定值的关键。在卷取机 张力控制中， 根据控制电机的参数， 在自动力矩控 制环节采用了有效的力矩补偿， 使得控制精度和 控制效果满足了系统的要求。系统力矩设定值计 算包括以下几个部分： （’） 带钢张力力矩， 等于电机转矩。为了使带 钢在卷取过程中， 能够形成良好的卷形， 必须在带 钢上施加一定的张力， 张力力矩即是为了给带钢 施加张力而设定的力矩值。张力力矩公式： % ( " &（ ( ( ! ’ %） ・ ! < ;・ （%）
［ 5］
电流调节器输出参考值， 提供用于完成带钢卷取 的反向力矩参考值， 完成了由速度控制到力矩控 制的切换。芯轴在夹送辊加载时是以一个较低的 超前速度运行， 随着带钢进入芯轴、 芯轴膨胀， 最 终芯轴咬入带钢后并建立张力， 速度控制器调节 直至饱和， 同时给电流调节器输出参考值， 提供用 于完成带钢卷取的正向力矩参考值， 完成了由速 度控制到力矩控制的切换， 芯轴进入张力控制方 式， 此时速度控制器开环， 实现了变结构控制。 ・:98・