浅谈铝带拉弯矫直机组的电气传动控制原理

李旭亮

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

铝带拉弯矫直机组属于精整设备，主要起到消除板带材板型不良，使板带材内应力分布趋于均匀，矫正板型的作用。拉弯矫直机组具有对带材进行拉伸弯曲矫直、卷取、切边、清洗等功能。

1 电控系统的配置结构

我公司研制的铝带拉弯矫直机组可对多种系列的纯铝及铝合金料卷进行加工处理，满足了多数市场需求，并获得了好评。作为精整设备，拉弯矫直机组(以下简称拉弯矫)除了在设备的制造安装上要精益求精，其电气控制也非常重要，因为电气控制的精度直接影响带材的板型、表面清洁度以及是否有擦划伤等问题。我公司拉弯矫的电控系统配备了当今工业自动化控制领域的一系列主流设备，选用了西门子控制器S7-1500及分布式子站完成整个机组的控制及操作功能，传动部分采用了ABB公司的交流多传模块ACS880/ACS860 和单传模块ACS550/ACS580，通过PROFINET现场总线实现PLC控制器与所有传动模块以及分布式子站的通讯，以达到CPU对整个系统的精准控制，同时也是通过这个PROFINET现场总线将CPU与各操作台上的HMI、上位机电脑连通，实现有效的人机对话。

2 传动系统控制原理

在铝带拉弯矫直机组中，包含了众多传动辊，但起核心作用的为开卷机、卷取机、入口4个张力辊、出口4个张力辊，同时圆盘剪的控制精度也要求比较高，因此在电气系统中，这11个传动辊电机的控制我们采用了ABB的交流多传动系统(ACS880整流单元和ACS860/ACS880 逆变模块)。该系统采用公共直流母线结构，采用矢量/DTC 控制技术可精确控制电机的速度和转矩，并利用斩波器和制动电阻器来限制直流母线电压过度上升并提供有效的电机制动和缩短制动时间。

在整个传动控制系统中，最重要的部分就在于出口1号张力辊、入口4号张力辊、开卷机、卷取机的控制。对于整个机列来说，控制方式分为速差控制和张力控制两种方式；而对于带材延伸率的控制又分为延伸率闭环控制和延伸率开环控制两种；这两项机列控制方式的选择和延伸率控制方式的选择是由操作人员在主操作台人机界面HMI上操作实现的。

带材的实际延伸率是拉弯矫机组中电气控制的一个重要参数，而入口4个张力辊和出口4个张力辊对带材延伸率的控制至关重要。正常生产中，为保证控制精度，以延伸率闭环方式生产的时间居多，因此我们对延伸率闭环控制的情况加以详述。当机列整体投入正常生产运行后，出口1号张力辊是整个机列的运行速度标准，它始终为速度控制方式，在控制程序中其线速度给定就是整个机列的线速度给定。入口4号张力辊选用的是与出口1号张力辊同等功率的电机，它与出口1号张力辊分别分布在矫直单元的入口侧和出口侧，通过向机列运行的反方向输出转矩而使带材产生张力，也正是它与出口1号张力辊配合着共同作用来对带材的延伸率进行控制调整。根据机列的整体控制方式，入口4号张力辊电机分为速度控制方式和窗口控制方式(ABB的ACS880驱动器特有的窗口控制方式，可保证电机实际速度在给定值所允许的偏差范围内进行转矩控制)。在此，入口4号张力辊的线速度理论给定值V1可表示为：V1=V2/(1+ε)；式中，V2为出口1号张力辊线速度给定，及机组线速度设定值；ε为延伸率设定值。

传动控制程序中有一个延伸率PID控制器，控制器的输入值和比较值分别为上述延伸率设定值ε和由入口4号张力辊的实际线速度与出口1号张力辊的实际线速度计算出来的实际延伸率ε′，PID控制器的输出为V2。若机列为速差控制方式，则入口4号张力辊为速度控制方式，在程序中其线速度给定值是由上述机列速度设定值和延伸率设定值推算出来的理论线速度给定值V1与延伸率PID控制器的输出V2叠加而成的，即，V入4=V1+V2 。

若机列为张力控制方式则，入口4号张力辊为窗口控制方式，其速度给定值为上述的V1，而转矩给定是由另一个以延伸率设定值和实际反馈值为输入的PID控制器的输出而来，在机列稳态运行、带材不打滑的情况下其相当于纯转矩控制方式。这样，虽然控制方式有所不同，但总的原理都是在出口1号张力辊电机保证机列整体线速度的情况下，通过入口4号张力辊电机在一个以延伸率设定值和实际反馈值作为输入的PID控制器的干预下对输出转矩的大小进行调整，最终保证带材实际延伸率达到工艺要求设定值。

在延伸率开环的情况下，出口1号张力辊的控制方式不变，与上述完全相同。对于入口4号张力辊，其控制方式也不变化，只是在给定上都取消了PID控制器的调节作用，即在机列速差控制方式时，入口4号张力辊的速度给定为由机列速度设定值和延伸率设定值推算出来的V1，在机列张力控制方式时其速度给定为V1，转矩给定为由入口总张力设定值经过折算再根据辊径计算出来的转矩值。

对于入口1号、入口2号、入口3号张力辊均为窗口控制方式，它们帮助入口4号张力辊一起向机列运行的反方向输出转矩，以便在矫直机处形成较大的张力。同理对于出口2号、出口3号、出口4号张力辊也为窗口控制方式，其跟随出口1号张力辊一起向机列运行方向输出转矩。

开卷机的控制为转矩控制，在机列正常生产运行时，它起到向机列运行的反方向输出转矩建立开卷机张力的作用。对于开卷电机力矩的给定是由开卷张力设定值、开卷空补力矩、开卷动补力矩共同决定的。同理，卷取机的控制也为转矩控制，它向机列的运行方向输出转矩，建立卷取张力，对于卷取电机力矩的给定也是由卷取张力设定值、卷取空补力矩、卷取动补力矩共同决定的。因此，在计算开卷、卷取电机力矩给定值的时候，一定要特别注意张力对应力矩值、空补力矩、动补力矩的方向性(及在PLC程序中各部分力矩叠加值的正负符号，最终计算出总的力矩给定值通过PROFINET网络给入到ACS880传动模块)，如若错误，则必然导致给定力矩或叠加力矩的错误，从而导致实际产生的开卷张力、卷取张力不准确甚至无法继续生产。

这套控制系统的优点就在于传动部分的实时性、同步性控制非常好。对于拉弯矫设备来说，其生产线较长，8个张力辊控制的一致性尤其重要，在穿带和正常生产中的启动、停止、升降速过程要保持一致的线速度曲线以避免拽料、堆料以及张力不稳的问题发生。这套电气系统的控制核心是西门子S7-1500控制器，其CPU内集成了整个控制系统的运行程序，其中传动程序被分配到单独的OB块中，连接着8个张力辊电机、开卷电机、卷取电机的ACS880交流多传动模块相当于执行机构，各传动模块的内部参数结构完全相同，在基本参数设置好后由S7-1500 PLC通过PROFINET通讯网络进行实时控制输出转矩，以达到所需的转速。在PLC程序中有一个统一的速度斜坡发生器，程序会根据人机界面上机列速度设定值和延伸率设定值，自动计算出机组启动后带材在矫直单元出口侧和入口侧的带材线速度给定，对于出口4个张力辊以同一个线加速度值、张力辊辊径值、传动比分别实时计算出出口张力辊对应电机的转速给定，并通过通讯实时传送到各传动模块中。同理对于入口4个张力辊电机的控制也相同，这样在设备不打滑的前提下8个张力辊可以同步实现升降速。由于卷取机的线加速度与出口张力辊应保持一致，而出口张力辊的线加速度给定值可由上述速度斜坡发生器得出，因此很容易推出卷取机的动补力矩，将其叠加到卷取电机的转矩给定中去即可。同理对于开卷电机的动补力矩给定计算也是这个原理。

3 其它辅助设备注意事项

除上述一系列重点传动辊组的传动电机由交流多传动系统控制外，还有一些辅助设备，如挤干辊、托辊、刷辊、圆盘剪开度电机、废边卷取电机等，其传动电机由ABB 单传模块ACS550/ACS580实现控制。尤其对于挤干辊和托辊，当机组正常运行时，其采用速度给定转矩限幅的方式控制实现与整条机列的随动运行，以避免辊子的线速度与带材速度不匹配产生打滑从而对带材表面产生不利影响。对于机列PLC这部分，要使各液动、气动部分正常工作，并做好相应的控制连锁程序；还有相对独立的水循环控制系统和板式过滤机的程序也要做好手动、自动程序。