连续退火机组入口立式活套的控制技术

张景然

（东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司，北京 100010）

1 前 言

连续冷轧生产线中的一个基本要求是实现生产线的连续运行［1］，在冷轧生产线中，立式活套塔以其占地空间小、存储套量大、控制精度高等优势越来越得到广泛应用。活套塔一般位于两个工艺段之间，在活套塔中设置有张力计、纠偏辊，以及运送带钢的底辊等辅助设备。本文以位于清洗段和中间退火段之间的入口活套为例，详细阐述了活套的自动化控制理论。

2 入口活套简介

2.1 概 述

该连续退火机组由德国西马克公司提供并生产组装，电气控制则由日本TMEIC公司设计，机械设备和电气设备均达到世界领先水平。该机组入口活套采用立式活套结构，增加了活套储套量以及减少活套小车的运行惯量，整体活套由2台活套小车组成，每台小车有单独的卷扬电机驱动，由TMEIC提供的TM-10e2变频器控制，采用矢量闭环控制，最大限度的达到控制精度，保证电机对外部扰动的响应速度和精度。一级控制系统由TMEIC 公司的NV 系列PLC组成，对卷扬电机的控制采用TMEIC公司先进的控制算法，保证电机转矩的平稳的输出和快速的响应，实现了前后工艺段的连续稳定运行，同时确保生产线稳态和静态时张力的稳定和速度的匹配。

2.2 设备布置

入口活套布置如图1所示。

图1 入口活套布置

活套入口为2#张力辊，为入口区域的速度主令辊，出口为3#张力辊，用于控制加热炉入口张力带钢张力的稳定。沿着入口带钢方向，活套设置了2台独立的小车，每台小车由1台260 kW交流电机驱动，每台电机分别装有编码器用于小车的闭环控制，达到快速稳定的响应，每台小车装有激光测距装置用于标定小车的实际位置。每台小车分别设有上层辅助辊10 根，下层辅助辊8 根，其中4 根为电机驱动辊用于减少带钢在运行过程中的张力损失。为了防止带钢跑偏，小车入口和出口，以及两台小车中间，各自小车中间分别设有纠偏装置（CPC），同时在活套小车前后分别设有张力计，用于直接测量带钢张力的实际值。

3 活套的控制方法

3.1 活套的位置控制

首先活套控制的第一目的是为了更多地存储带钢，这样活套的位置控制尤为重要。同时要保证活套的两个小车的位置同步变化，每台活套小车均配有激光测距仪，用来测量小车的实际位置。活套的位置控制是一个反馈控制，通过测得的距离，得出它们的位置偏差，乘以一个调节系数计算出附加速度ΔV，在活套机组充放套过程中，1#活套小车主令速度叠加上ΔV，而2#小车需要减去ΔV，两个活套小车实现位置同步。此外，在HMI画面中人为地设定一个同步位置和差值速度，当活套小车的位置小于设定的同步位置时，入口速度提高至中间工艺段速度加上差值速度，直到活套位置达到同步位置为止。当活套小车的位置大于同步位置时，入口速度降为穿带速度，直到活套位置达到同步为止。

3.2 活套的张力控制

在冷轧连退生产线中，张力至关重要［2］。如果张力过小，则带钢松弛，造成带钢和辊表面不能紧紧贴合，造成表面划伤，同时也会造成全线的跟踪错误，形成大的生产事故。张力过大则容易将带钢拉坏，甚至造成断带，尤其是薄料生产过程中，张力的控制要求更加严格和精准。

在本案中入口活套张力控制是采用直接张力控制，即在活套出入口分别设有张力计用来测量张力的实际值，通过和设定值的比较得出张力的偏差，在一级控制系统中通过PID控制计算出的信号加上根据位置反馈得出的带钢重量补偿、小车的重量补偿来控制电机的转矩输出即电流输出。

根据控制系统图得知系统的外环为张力环，通过张力计TM1、TM2 实现张力控制，活套的张力给定值经过转换，加上带钢重量补偿和小车的重量补偿后，作为活套小车的电机转矩设定值输入到变频器，通过张力计TM1、TM2得到张力反馈，计算出张力偏差ΔT后，通过变频器的张力环ATR 转化为转矩修正值，作为转矩限幅值的一部分。活套小车的电机转速由编码器反馈计算得出，速度反馈通过传动的速度环ASPR 输出作为转矩限幅加在转矩环ATR上。在活套转矩控制中，增加了现场利用张力计直接测出的实际张力，并作为活套的转矩限幅，大大地增加了活套对于张力波动响应的快速性。

3.3 活套的力矩补偿

活套机组在运行过程中，会伴随着各种损耗，因为需要对其进行补偿。其中力矩补偿即张力补偿尤为重要，张力补偿反映在传动侧，即为电机的转矩补偿，反馈在PLC侧为电机的电流。在TMEIC的控制系统中，主要的张力补偿包括机械损耗补偿电流、惯量补偿电流和重量补偿电流。

3.3.1 活套的机械损耗补偿电流

机械损耗补偿电流与卷扬小车的转动速度有关，与加减速无关。在现场调试时通过单体调试测出，在空载状态下，将小车提升，速度由0%按照5%，10%，20%，50%，100%速度分布设定，测得每种速度下的电机电流，在PLC程序中通过二维表的方式写入到小车的转矩给定补偿中。

3.3.2 活套的惯量补偿电流

惯量补偿电流和卷扬的转动惯量和加速度有关，惯量补偿电流也可以通过单体调试时测出，在空载状态下，将小车提升，速度首先提升至50%，在提升至100%记录这个过程中的电流变化曲线和速度曲线，并做出阶跃响应，通过对斜率和电流的分析可以得出惯量补偿电流，直接在TMEIC传动中修正即可。

3.3.3 活套的重量补偿电流

入口立式活套是垂直运动的，当小车高度越来越高时，活套内的带钢套量逐渐增加［3］，带钢重量Gstrip对活套小车的转矩补偿就显得尤为重要，同时要考虑小车自身重量所带来的张力损失。由于入口立式活套配有配重块来减轻小车的重量，配重块的重量GCW 相比小车的重量Gcar 要小10%左右，所以活套小车作用于张力补偿的重量应该为小车的重量减去配重块的重量ΔG由生产机械决定为固定值。所以活套的重量补偿值G为：

式中：ρ为带钢的密度，7 850 kg/m3；L为带钢的长度，由小车的实际位置决定；W为带钢的宽度，由生产实际确定；kg为重力加速度9.8 N/kg。对于电机而言，张力和电流成正比，很容易得出电机的电流补偿值。

4 入口立式活套存在的问题

虽然项目中对入口活套的控制经过调试后，达到了很高的控制指标，基本能满足生产需求，但仍存在一些不足和问题：

1）活套车的转动惯量、摩擦损耗等补偿值大多是在初期调试时采用采样的方式获得，在后续的生产中，由于机组的长期运行，工况改变，这些补偿值会发生变化，需要用户重新测量。

2）立式活套的控制是张力和速度的耦合控制，需要对其进行解耦，同时工艺人员要根据不同的钢种规格，来总结与之匹配的张力设定值，尤其在充放套阶段的控制更加困难，需要不断地总结生产经验来达到更好的控制效果。

5 结 语

该连续退火生产线入口活套机械上采用立式结构，电气控制采用日本TMEIC 公司的位置控制，张力控制等先进算法以及精确的张力补偿，位置精度达到0.01%，动态过程中的张力波动能达到8%以内，满足了高精品板材对张力的要求，保证了高速稳定的生产需求，为其他连续退火生产线和酸轧生产线等多条项目提供了的经验。