1、1基于重卷机组的开卷取恒张力控制系统【摘 要】本文以宝钢五冷轧冷卷准备机组为工程实例，介绍了基于西门子传动工艺控制板 T400 的开卷取恒张力控制系统，并对其中的关键技术进行了深入分析。 【关键词】开卷取；恒张力控制；T400 开卷取是带钢生产线中不可缺少的设备，相对于其他辅传动而言，其工艺过程更加复杂，控制要求也更高。对于卷取过程来说，钢卷的卷径是由小到大变化的，为了保证张力恒定就要求电机的输出转矩随卷径的变化而随时改变。另外，机组在不同的运行状态下电机的输出转矩也不一样，为了得到平稳的卷取过程还需对电机转矩进行一系列的补偿。因此，卷径计算与转矩补偿就成为了开卷取恒张力控制系统中必须要处理好
2、的两个关键环节。 一、卷径计算 1.卷径计算概述。 （1）随着每转的卷绕，初始直径在现有基础上增加/减少两倍的平均带钢厚度，通过此种方式计算出的卷径称之为计数卷径 DCNT。这个值对于随后的计算而言至关重要，因为它不受外界条件的约束相对独立，在卷径计算的初期可以提供一个大致的参考值。 （2）为了校正和监视计数卷径 DCNT，实际的卷径因而至少要有一种附加的方法来对实际卷径进行测量。可以用下列方法来确定比较卷径：一是通过计算带钢线速度和卷2绕转速的比率来计算直径。带钢线速度 VL 用设定值或实际线速度值（激光测速）都能被使用。二是通过外部传感器直接测量卷径。三是在转向辊上通过路径映射来获得卷径。
3、 （3）为了消除外部干扰（例如辊子打滑） ，来自于路径映射或其他两种方法的比较直径要进行严格的检测。为此，每个测量周期测量直径改变的 的平均值和平均值方差要计算出来。如果方差或者卷径变化值在容许范围内，测量结果被认为是准确的。通过比较标准偏差，来对哪个卷径被使用做出选择。 （4）在较低的带钢速度或较大的卷径时，在两个测量周期的时间间隔时相对较大时，为了不让卷径在测量周期末尾时阶跃变化，实际卷径 Dact 应该通过一个积分器来确定。积分器在算计数直径时起动，其目的是让计数直径加上直径变化值（Dcnt+D） 。积分器斜率用线速度和目前的卷径来计算。 2.卷径的确定。由于它的稳定性和相对独立性，通过
4、计数得到的卷径 DCNT 成为了实际卷径 DACT 的基础。DCNT 在每一个测量周期结束时被计算，公式如下：DCNTmm=DCNT（n-1）mm（2*MRPM*hsmm）+DKORRmm，为了得到连续变化的卷径实际值，可以通过已知的参考辊直径及参考辊和开卷取之间速度的比例来获得。通过这样的方法而得到的卷径可以在很大程度上改善由开卷取设备偏心造成的初始卷径不准的缺陷。通过参考速度计算连续变化卷径的公式如下： 3.卷径误差的校正。在每个测量周期的最后（1n 转） ，变化卷径（Dcoil 将被计算：Dcoilmm=DcoilmmDcoil（n-1） mm，系统也会计算出最后 7 个测量周期的卷径变
5、化平均值MV（DCoil，卷径变化值（Dcoil 与卷径变化平均值 MV（DCoil 同时用于3对卷径最大值 Dmax 进行标么化：=，通过测量得到的卷径必须经过严格的检测后才能与计算卷径 DCNT 相比较，为此选用卷径变化值（Dcoil 与卷径变化平均值 MV（DCoil 的方差做为检测其是否正确的标准。Var2=（D（n）%-MVD%）2。如果该方差值在容许范围以内，那就可以认为通过测量得到的卷径是准确的。此时就可以将测量卷径 DCoil 与计算卷径 DCNT、卷径变化平均值 MV（DCoil 与二倍带钢厚度 2*hS*MRMP 相比较。如果测量卷径 DCoil 与计算卷径 DCNT 相差
6、太大，则卷径计算的校正值（Dkorr 将被计算。该值将会确保计算卷径在三个测量周期后与测量卷径相匹配，而在三周期结束后该校正值自动归零。而上一个计算周期中得到的校正值将会被累加进下一个计算周期的计算卷径之中。 4.积分时间的计算。通过上面的方法，我们就可以在每个测量周期的最后得到一个可被观测且已被校正过的计算卷径 DCNT。在低转速及卷径较大的情况下，测量周期之间的时间间隔是很长的。为了防止卷径在测量周期结束时发生阶跃式变化，实际的输出卷径应通过积分器的计算较为稳妥，积分器的基本方程：yINT=yINT（n-1）+Xd（n-1）*，TIs=。 二、转矩补偿 1.转矩补偿概述。冷轧连续生产机组有
7、穿带、爬行、运行、甩尾及停车等运行方式，在不同的运行状态切换时电机的输出转矩会发生变化。机组爬行过程中，首先要克服静摩擦力所产生的转矩，静摩擦转矩只在4启动的瞬间起作用。进入运行状态时要克服滑动摩擦力产生的动摩擦转矩，该转矩在运行当中一直存在，并且随速度的变化而变化，需要进行不同大小的补偿。系统在加速、减速、停车时为克服系统的惯量，也要进行相应的惯量补偿，否则会造成卷取机塌卷或松卷等现象。开卷取传动转矩补偿包括以下几个部分：Tqadd=TqA+TqF，其中：Tqadd=转矩补偿，TqA=加速转矩，TqF=与速度相关的摩擦转矩，加速转矩 TqA 包括两部分：Tqi（总惯量的加速转矩）和 TqDi
8、a（来自于直径改变的加速转矩） 。 2.惯量及摩擦转矩计算。确定系统惯量必须考虑以下因素：（1）前后相连的电机个数。 （2）变速箱齿轮比。 摩擦转矩 TqF 是开卷取传动速度的一个非线性函数 TqF=f（nact） 。在电机运行过程中，摩擦转矩会被记录下来并保存到一组独立的不规则曲线中。 3.加速转矩计算。当速度给定发生变化时，由传动产生的加速转矩将被计算并前馈至速度调节器。这样做的目的就是要补偿变速传动的速度偏差。对于转矩控制的传动，将加速转矩补偿至张力转矩后可以保证加减速期间的张力恒定。加速转矩 TqA 包括以下两个部分：TqF=固定惯量加速转矩，TqV=变化惯量加速转矩。TqANm=Tq
9、FNm+TqVNm，在速度或频率控制模式下，加速补偿会直接影响到变频器的电流调节器。在转矩控制模式下，该补偿还将影响到电流调节器的限幅值。加速转矩 TqA的计算公式如下所示：TqANm=（Jcoilkgm2 +JFkgm2） ，总的加速度计算公式如下所示：agesm/s2=m/s2 aDiam/s2。 5其中：aDia=由卷径变化产生的加速度，固定加速转矩的计算公式如下所示：TqFNm=*JFkgm2，变加速转矩的计算公式：TqvNm=*JCOILkgm2。 三、工程实例 1.机组传动概述。宝钢五冷轧冷卷准备机组用于取向硅钢和高牌号无取向硅钢冷轧后的钢卷处理，主要功能是切去带钢轧制裂边、断带拼
10、焊、剪切头尾、改变返回常化酸洗机组的钢卷内径等。机组主辅传动电动机全部采用交流异步电动机传动，由西门子 6SE70 系列交直交变频调速控制器驱动。全线传动设备图如下所示： 2.T400 工艺板。在卷取主传动变频控制器中使用了 T400 型工艺板来完成带钢卷取的张力闭环和卷径计算等功能，T400 工艺板可以扩展传动控制器的功能，其主要优点是可以根据所设定的线速度来计算电机转速、实际卷径以及具有摩擦和转动惯量补偿的附加转矩等参数，同时能够完成对传动设备的启制动、点动、急停等的过程控制。系统中，Ll 级 PLC控制器发出的传动信号通过 CBP 板传到 T400 工艺板，然后由 T400 工艺板综合处
11、理工艺控制参数后送到变频控制器的 CUVC 板，最终由变频装置的 CUVC 控制板完成卷取机的转速和转矩闭环控制。张力设定值及张力控制投入时刻由 PLC 控制器通过 Profibus 网络给出，由张力给定与内部计算的实时卷径值可以得到电动机需要提供的卷取转矩，该转矩值用来作为变频系统对电动机的转矩限幅，当张力投入后，电流限幅控制起作用，作用在带钢上的张力也就能够按照自动化系统的设定值来变化。 3.运行效果。下图为开卷取设备卷径计算的实事波形采样，以及机6组运行在最高线速度 400m/min 时的速度、张力精度曲线： 可以看出，基于西门子传动工艺控制板 T400 的开卷取恒张力控制系统具有良好的
12、张力稳定性，能够根据卷径的变化调整电动机转矩输出从而维持带钢卷取时的张力恒定，有效避免了松卷、过紧等现象的发生。 四、结语 宝钢五冷轧冷卷准备机组自 2008 年 6 月初投产以来，在很短的时间内完成达产目标，机组连续运行时间长，成品率高。实践证明，基于西门子传动工艺控制板 T400 的开卷取恒张力控制系统，具有稳定可靠的技术性能，能够满足冷轧开卷取对快速性和精确性的要求，是现代化传动控制系统的发展趋势。 参 考 文 献 1Siemens operation instruction Technology card T400 for Simovert mas ter drives 2安连祥.计算卷取机损失转矩的新方法.冶金自动化.2008，32（6）： 6163
