浅析Carrousel 卷取机的张力控制

浅析Carrousel 卷取机的张力控制

摘要：本文详细阐述了国内某厂1550mm酸连轧机组Carrousel 卷取机卷取机的张力控制原理和和方式，介绍了一些在生产中遇到的问题和改进措施。

关键词：Carrousel卷取机；卷取张力轴；张力控制；ABB DCS800直流传动； The Tension Control of The Carrousel Coiler

Abstract：The paper details the principle and the technical methods of Carrousel coiler tentison control of pick-mill line in Cold Rolling Plant of Liuzhou Iron & Steel.

The author introduces the the problem encountered in the production and the improved measures.

Keywords：Carrousel Coiler； Tension Reel； Tension Control； DCS800 Driver；

1 引言

冷轧的五机架连轧机出口卷取采用的是恒单位张力卷取方式，为了保证板型质量和钢卷卷取的形状规则，张力控制的稳定性和准确性变得尤为重要。柳钢冷轧酸轧线使用的是Carrousel 卷取机，该卷取机有两个卷取芯轴，可以在线连续切换，做到连续不间断卷取，相比单卷取机，大大提高了生产效率和产品质量。

2 Carrousel卷取机的张力分析与控制

该功能的目的是在线计算卷取张力芯轴能建立钢带张力的角速度和转矩输出给定。其相关计算主要包括：转径计算，张力给定计算，转矩给定计算和角速度给定计算。

下面是主要计算功能联络图：

2.1钢卷直径的计算

钢卷的直径是根据导向辊和芯轴电机上的编码器的速度反馈来计算的。该计算是在假设钢带在导向辊上是没有前滑的情况下得出的。即有：

芯轴上钢带的线速度=导向辊的线速度

芯轴每旋转一周，实际钢卷直径可以用以下公式计算：

nd = 芯轴每转一周导向辊的编码数

kd = 导向辊每转的编码数

ndr = 芯轴每转一周芯轴的编码数

kdr = 芯轴每转的编码数

Ddr = 芯轴上的钢卷的直径

Dd = 导向辊的直径

Rd = 导向辊减速比

RRdr = 芯轴的减速比

因为钢带的线速度在芯轴上和在导向辊上都是相等的，故有：

为了校验卷径计算是否有误，可以从以下两个方面着手：

1.前一刻的卷径与当前卷径之差必须是负数。如果校验不满足，当前卷径假设等于前一刻的卷径加上钢带厚度。

2.上述的超出部分不得超过钢带厚度的K倍，（其中K> 2），如果校验不满足，假设当前卷径等于前一刻的卷径加上钢带厚度。

2.2张力给定计算

张力给定来源于二级发送的张力预设和操作工的张力修正值。同时钢卷的张

力给定也受“卷取功能”的调节。

在心轴涨开前，张力给定是运行时正常张力K倍（其中0＜K＜1）。在剪切前，张力降低到低张力水平，与飞剪加送辊的建立的张力保持一致。

硬芯控制功能是为了防止薄规格情况下，形成塌卷的情况，而采取的一种张力控制策略。其策略主要是在钢卷的最初的十几圈、三十圈、五十圈几个区间内采取有梯度的平滑过渡的高于正常张力的过张力控制，直到恢复到正常张力给定为止的控制方式。这种控制功能是在钢卷内层通过大张力形成坚硬的内核，使得钢卷不会塌陷下去。

2.3转矩给定计算

芯轴的转矩主要由张力转矩（Ct）、惯量补偿转矩（Cj）、损耗补偿转矩（Cl）、弯曲补偿转矩（Cb）和带出口张力计的张力闭环给定的转矩组成。

瞬时转矩给定的计算如下：

2.3.1张力力矩：

其中：

= 目标张力

= 钢卷直径

= 电机齿轮箱减速比

2.3.2惯量补偿转矩：

其中：

= 芯轴电机、齿轮箱和芯轴等惯量

= 钢卷和电机轴的惯量

= 芯轴电机角加速度

另外

= 钢卷直径 [m]

= 芯轴直径 [m]

= 钢带宽度 [m]

= 芯轴电机齿轮箱减速比

= 钢卷密度 [Kg/m3]

2.3.3损耗补偿转矩

损耗补偿转矩是指为了补偿电机的转矩损失和齿轮箱的因摩擦和各种机械阻力转矩损耗。

包括固定损耗和速度引起的可变损耗两部分。

其中：

= 定值

= 速度比例系数

= 电机角速度

2.3.4弯曲补偿转矩

弯曲补偿转矩的计算公式如下：

= 钢带的单位屈服应力[kg/mm2]钢带的单位屈服应力

= 钢带厚度 [m]

= 钢带宽度 [m]

= 减速比

对于薄规格的钢卷来说，弯曲转矩可以忽略不计。

闭环控制的张力给定所产生的转矩给定量是基于轧机出口张力计测出的张力反馈形成的张力闭环控制下的调节量。该张力可以由操作工设定。

2.4角速度给定计算

芯轴在穿带位时，钢卷的线速度给定必须大于实际钢带的速度，使得速度调节器处于饱和状态，从而实现张力控制，这样芯轴才能起到卷取钢带的作用。

牵引速度是由一个固定的速度和一个与线速度成比例的附加速度组成。而角速度则是根据卷径和齿轮箱减速比把线速度转换而来的。

下图是角速度的计算原理框图：

芯轴电机在穿带位与卷取位在不同状态下控制模式和转矩补偿情况如下表： 3.ABB DCS800直流传动与控制系统之间的数据传输

本厂卷取芯轴的电机传动系统采用ABB DCS800系列12脉冲并联、独立励磁的传动方式，核心设备为主机柜、从机柜和励磁柜，外围设备包括交流侧35kV 整流变压器、进线断路器、交流过压抑制器、直流过压抑制器、直流快开、空心平波电抗器、码盘与超速开关等。该传动具有快速响应，调速性能优越，过载能力强，谐波小，模块化，维护方便等特点

AMS与ABB传动之间交换的数据通讯是通过PROFIBUS网络，而增量编码器测出的速度反馈和硬急停等是通过硬电缆连接。

AMS输出给传动数据有主控制字、辅控制字、角速度给定、附加电流给定、电流上限、电流下限等。

传动给AMS的数据有主状态字、辅状态字、终端板状态字、角速度反馈，两个模块各自的电流反馈、励磁电流、电枢电压反馈、故障字等。

4 张力控制过程中的问题与改进措施

在轧制0.5mm以下的薄规格时，时常会在新卷刚卷入卷取芯轴上刚卷上几圈时出现断带，而在0.5mm以上规格时，几乎没有出现。

跟踪轧机出口张力，额定张力如果在42时，剪切后新卷绕上时的瞬间有个约250的峰值的单位张力。因为芯轴在准备穿带的助卷建张速度比轧机出口的焊缝速度大很多，从目前的情况来看是基本要超前焊缝速度的20%+50，为了降低穿带建张瞬间的冲击，对超前速度适当地降低25后，峰值张力降低到170左右，该张力下大大降低穿带的建张冲击而导致断带的概率，到目前为止，还未出现之前的断带情况。

5 结束语

卷取的张力控制是一种多变量，多耦合的控制方式，涉及到多方面实时变化的因素，需要对Carrousel 卷取机的工作原理进行分析，也需要对对其电机功率、运动学、动力学参数做精确的分析计算。其中对各种因素的转矩补偿也是尤为重要，补偿的是否合适，对张力控制的稳定性也有着显著的作用。稳定的恒张力卷取是钢带质量良好的重要保证，卷取芯轴的张力分析和控制策略的是这种保证的具体实现。

参考文献：