冷轧立式活套控制原理

金 琳

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司冷轧作业部， 河北 唐山 063210）

1 概述

随着冶金自动化技术的不断发展，冷轧带钢生产多采用连续运行的机组系统。为了实现工艺段带钢的连续运行，需在机组的入口段和出口段分别设置立式活套[1-3]。入口活套的功能为当入口段停车时通过抽套保证工艺段的带钢供应，出口活套的功能为当出口段停车时通过填充活套来存储工艺段送出的带钢[4-5]。

如图1所示，立式活套主要由卷扬机、钢结构、活套小车、链轮组、配重块、定辊和动辊几个部分组成[6-8]。本文将对西门子立式活套控制方案进行研究，并重点分析活套线速度设定、张力控制、张力前馈控制和带钢惯量补偿四个方面的内容。

图1 立式活套结构图

2 活套的张力控制原理

立式活套的张力通过卷扬电机进行调节，卷扬电机采用速度控制模式，其速度设定值包括四个部分，分别为：线速度设定值、张力控制附加值、张力前馈附加值、带钢惯量补偿。其中线速度设定值保证了活套升降套速度与实际套量相匹配，张力控制、张力前馈和带钢惯量补偿通过附加速度调节活套带钢的实际张力。

2.1 卷扬线速度设定

活套卷扬电机采用带增量型编码器的速度控制，线速度设定值由活套入口和出口线速度决定，计算原理如图2所示。

图2 卷扬线速度设定值

活套内带钢的平均线速度为入口线速度与出口线速度的差值，根据动滑轮原理，活套小车的运行速度等于活套带钢平均线速度除以带钢道次，活套小车的速度计算公式如下：

式中：Vstrip为活套带钢的平均线速度，m/s；Vin和Vout分别为活套入口线速度和出口线速度，m/s；Vcar为活套小车的运行速度，m/s；Nrloops为活套的道次数。

活套小车的线速度设定值需要转化为卷扬电机的转速设定值，因此需要考虑卷扬电机与活套带钢之间的综合减速比，该综合减速比包括减速箱的速比、卷筒与小车间的速比两个部分，卷扬电机的设定转速计算公式如下：

式中：iGearbox为减速箱的减速比；icar为卷筒与小车之间的减速比；D为卷筒的直径，m；VDrive为活套卷扬电机的设定转速，r。

根据计算公式，当活套入口速度大于出口速度时活套处于冲套状态，此时VDrive＞0，当活套入口速度小于出口速度时活套处于抽套状态，此时VDrive＜0。

1.2 活套张力控制

活套内的带钢张力由卷扬电机产生的钢绳牵引力控制[9-10]。钢绳牵引力通过滑轮组牵引活套小车，在不计活套损失的情况下，除以活套的道次数后即可得到静止状态下的带钢张力。活套张力采用直接张力控制，设定值由二级下发或操作员设定，实际张力由活套入口或出口的张力计测量。活套采用直接张力控制的优点为：

1）实际张力测量可以弥补带钢的摩擦损失和弯曲损失。

2）可消除相邻区域的张力变化对活套带钢张力的影响，实现张力分段控制。

活套张力控制速度附加值计算原理如图3所示。

图3 活套张力控制原理图

1.3 张力前馈控制

活套入口速度等于出口速度时活套将处于平衡状态。若此时入口带钢加速进入活套，将导致短时间内活套张力值降低，这是因为在张力控制器做出调整前更多的带钢被送入了活套。同理当活套出口带钢加速时，活套也将出现短时间内张力值上升的情况。为了弥补这一问题须设置活套惯量补偿，补偿的原理为发送活套入口和出口的带钢加速度差值给卷扬电机作为附加速度设定值，当活套入口或出口带钢开始加速时卷扬机将提前做出反应，保证过渡区活套张力的稳定。张力前馈控制的附加速度计算公式如下：上述式中：Vtech2为张力前馈控制的附加速度设定值，m/s；Ain、Aout分别为活套入口和出口的带钢加速度，m/s2；Factin、Factout分别为入出口加速度调整因数。

从理论上活套入口和出口加速将对活套产生相同的惯性，所以其调整因数应该一致。活套张力前馈控制速度附加值计算原理如图4所示。

图4 活套张力前馈控制原理

1.4 带钢惯量补偿

活套内带钢处于加速状态时必须向带钢施加一个力保证带钢的加速度，这将产生一个额外的张力导致活套出口侧张力上升。如图5所示，此时活套出口带钢张力等于入口张力与带钢加速度损失的张力之和，活套出口侧带钢张力的计算公式如下：

式中：Tin为活套入口侧带钢张力，N；Tout为活套出口侧带钢张力，N；TA为带钢加速度损失的张力，N。

图5 带钢惯量补偿原理

活套内带钢张力的变化取决于带钢加速度的变化。冲套时活套入口加速度A1＞0且出口加速度A9=0，此时带钢加速度由入口侧至出口侧为等差递减数列，张力为斜率递减的变化趋势。抽套时活套入口加速度A1=0且出口加速度A9＞0，此时带钢加速度由入口至出口为等差递增数列，张力为斜率增加的变化趋势。活套内带钢张力随带钢加速度变化的规律如下页图6和图7所示。

以图5所示的8道次活套为例计算带钢的惯量补偿，为了方便计算只考虑带钢长度随实际套量变化的部分。首先按照道次将活套内的带钢分为8个部分，对应道次的带钢质量分别为m1～m8，且每个道次的带钢质量均等于m。各道次对应带钢的加速度分别为A1～A9，平均加速度为AAver，则带钢加速损失的张力计算公式为：

式中：TA为带钢加速损失的活套张力，N。

图6 冲套时活套张力变化趋势

图7 抽套时活套张力变化趋势

活套处于平衡状态时出口张力等于入口张力，而在加速过程中带钢的惯量损失只影响出口张力，这导致了活套出口张力上升而入口张力保持不变。根据式（5）和式（10）可推导出活套出口侧带钢张力的计算方法：

式中：Tin为活套入口侧的带钢张力，N；Tcar为活套小车的牵引力，N；Nrloops为活套的带钢道次数；A1为活套入口的带钢加速度，m/s2；A9为活套出口的带钢加速度，m/s2。

活套带钢的惯量补偿计算原理如图8所示，根据以上规律：当张力计在活套入口时测量的张力实际值等于活套小车牵引力除以活套道次数。当张力计在活套出口时需要补偿带钢的惯量损失，且补偿速度为负值。带钢惯量补偿的速度计算公式如下：

图8 带钢惯量补偿

式中：Vtech3为活套的带钢惯量补偿附加速度，m/s。

3 结论

1）活套的线速度设定值可通过活套入口侧和出口侧的线速度进行计算，线速度设定值保证了卷扬电机能够配合产线完成升降套过程。

2）立式活套采用直接张力控制能够忽略带钢的摩擦损失和惯量损失，可以简化控制环节。

3）活套设置张力前馈调节能够降低升降套过程中的张力波动，文中给出了张力前馈调节的计算方法。

4）带钢的惯量补偿能够解决活套升降套过程中造成出口侧张力增大问题，并给出了带钢惯量补偿的计算方法。