1、板材生產線的張力控制和負荷平衡控制王翠萍（上海億富特鋼鐵技術有限公司，上海， 201206）摘 要：板材生產線開卷段張力控制的效果是提高產品質量的關鍵，本文主要從鍍錫生產線 介紹了開卷段張力輥張力控制的原理；同時，為了防止開卷段張力輥主從輥電機負荷不平衡而 導致電機過熱，本文接著研究了張力輥主從輥的負荷平衡控制的原理。系統達到很好的張力控 制和負荷平衡控制效果。關鍵詞：張力輥；張力控制；負荷平衡；垂度控制Tension Control And Loaded-balanced Control Of Tension RollerWang Cuiping(Shanghai AFDsteel Engi

2、neering Technology Co., Ltd, Shanghai, 201206)Abstract ：It is the crucial measure that the effect of tension control of uncoiling part in the plate production line. The paper introduces the principle of the tension control of uncoiling part from the Electrolytic Tinning Line(ETL). Meanwhile, in orde

3、r to prevent the load imbalances of tension principal roller and subordinate roller resulting motor overheating, this thesis studies the load-balanced control theory of tension principal roller and subordinate roller.The system reached agood system control and load-balanced control effect.Key words:

4、 Tension roller; Tension control; Load-balanced control; Droop control一、 前言板材生產過程中要求對生產線的張力進行控制,張力控制的好壞直接影響到整 個系統的穩定。因此張力控制在整條生產線中是一個關鍵問題。張力控制不好往往 會出現薄板褶皺或折痕、邊緣罩擦帶鋼、厚板無法高速生產等問題。另外對于多電 機傳動系統，只有電動機速度同步并不能滿足實際系統的工作要求，還要求各傳動 點電機負載率相同，否則會出現某臺電機負荷分配大，某臺電機負荷分配小的情況。 因此本文從某鍍錫生產線中對開卷段張力輥的控制來闡述張力控制與負荷分配控制 在傳動系

5、統上的合理運用。上海億富特鋼鐵技術有限公司擁有長期服務于鋼鐵行業的機電設備設計、 制造和成 套、工藝生產、技術服務等，并且研發和生產的特種橡膠輥類產品和橡膠套筒產品 覆蓋大多數冷軋板生產線。近期我公司承接了此電鍍錫生產線的安裝和調試工作， 獲得很好的張力控制和負荷平衡控制效果，滿足了生產要求。二、 張力控制問題2.1 開卷段張力控制原理開卷機采用西門子的 SIMOVERT MASTERDRIVE 交流調速矢量控制方式。矢量 控制原理的出發點是，考慮到異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數 系統，很難直接通過外加信號準確控制電磁轉矩，但若以轉子磁通這一旋轉的空間矢量為參考坐標，利用靜止坐

6、標系到旋轉坐標系之間的變換，可以把定子電流中的 勵磁電流分量I sd與轉矩電流分量I sq變成標量獨立開來，進行分別控制。這樣異步機 與直流電動機有相同的轉矩產生機理，即回到磁場與其相垂直的電流Isq的積為轉矩這一基本原理進行張力分析。張力T和電動機轉矩之間關系為M =T-D（ 1）2in式中，M為電動機的轉矩，T為開卷機的張力，D為帶鋼的直徑，i為開卷電動 機至卷筒的減速比，n為傳動裝置的效率。電動機轉矩M與磁通及產生轉矩的電流分量Isq關系為M 二 Km Isq（ 2）式中，M為電動機的轉矩，K m為電動機常數，？為磁通。由公式（1）和（2 ）可以得出張力T與 ?、D和Isq的關系為M =

7、 K IsqD sq其中 M =2Kmi。可見，基頻以下時，？恒定，電流Isq和轉矩成正比。根據卷徑的變化，通過預 設轉矩參考值的變化，使得在恒定的預設定點上轉矩的變化是卷徑變化的函數，即 電流Isq變化是卷徑變化的函數，即保持Isq/D=常數，實現T為恒定值的控制；基頻以 上工作時，有進行恒功率控制的磁場給定器，磁場電流與速度成反比例減少。隨著 磁通？的逐漸減少，即產生磁通的電流分量Isq減少，由于異步電動機的定子電流是 在電動機內部，禾I用電磁感應作用在電氣上被分解為磁場電流和轉矩電流，根據其 原理，定子最大電流Imax保持恒定，Isd減少，產生轉矩的電流分量Isq相應地增大。 SIMOV

8、ERT卷機系統設計使得在基速以上時，電機電流變化與開卷機電機磁場弱磁 程度協調一致，據此計算轉矩設定值，在限幅范圍內，轉矩設定點和電機電流之間 相對進行調整，使得？/D*Isq恒定，即實現了張力T恒定控制。2.2張力輥控制原理鍍錫生產線入口段的速度以新增的 1 #S型張力輥為主，開卷機的控制速度跟 隨1 #張力輥，維持入口段的張力恒定，開卷機采用間接張力控制方式來保證全線 張力恒定可調。間接張力控制通過 T400工藝板完成，在開發周期較短的情況下， 能夠大大減少了 PLC的編程量，而且控制簡單實用。T400工藝板需要計算卷徑， 因此需要檢測線速度，并需要在開卷機電機主軸上設立脈沖編碼器以檢測角

9、速度。 則卷徑D的計算為：D = 60V/ n n 其中：V為線速度，n為開卷機角速度。 開卷機轉速的給定值是由轉向輥實際轉速得到的，可以計算為n set = n 1# 張 張 / D o電機的實際轉速為則差值nact = (U-IR)/(Ke © ) n n set -n act。該差值作為速度調節器的輸入，以控制開卷機跟蹤轉向輥線速度變化。具體實 施時，電機實際轉速nact由電機上所帶碼盤測出傳給CUVC板，再由CUVC板傳給 T400板；線速度Vact由導向輥測速碼盤測出直接傳給T400板；張力給定Zset由操 作臺觸摸屏設定傳給S7-300，S7-300通過Profibus-

10、DP網傳給T400板。T400板接收 到這些數據后，首先由T400板中直徑計算模塊計算出鋼卷的實際直徑 D，然后再根 據直徑計算出開卷機的轉矩M，做為開卷機的轉矩限幅傳給CUVC板，從而保證張 力的恒定。其控制原理圖如圖1所示：開卷機卷筒導向輥2.3張力輥組張力計算方法1 #張力輥是入口段速度基準。實現入口段速度控制和活套小車同步位置控制。 正常運行時，它通過機組速度設定及活套同步位置控制參考實現自身速度控制。原 理圖圖2所示。充套時，系統向1#張力輥發出充套命令，1#張力輥升速運行。充 套完成后，1 #張力減速停車，開卷機換卷，活套消套。根據生產工藝要求，正常運行時，活套入口張力大于開卷機張

11、力，因此1井張力輥為發電狀態圖2 1#張力輥速度控制原理圖T2與入口端張力T1有以下關系式:發電狀態下，張力輥帶鋼出口端的張力T2 = T1e “發電轉臺張力輥受力分析如圖3所示：a噹運方圖3發電狀態張力輥受力分析張力輥電機應提供的驅動力矩為：MZ = AT ?D = (T2 - T1)?D = T1(e “ - 1)?D2 2 2其中：a:帶鋼與張力輥之間的包角；卩：帶鋼與輥面之間的摩擦系數；D:張力輥 直徑。發電狀態下，帶壓輥的張力輥(如圖4所示)帶鋼出口端的張力T1與入口端張 力T0有以下關系式：T1 = （T0+（P）eF材行向 帶迄方圖4帶壓輥的發電狀態下夾送輥受力分析張力輥電機應提

12、供的傳動力矩為：M X = AT?D = (T1- TO-疔)？D =(T0+ pP)(e g3- 1) ?D2 2 2其中：B：帶鋼與張力輥之間的包角；P：壓輥向下的壓力。由上面分析，并將帶壓輥的張力輥與不帶壓輥的張力輥組合，可得出S型張力輥入口張力(TO)和出口張力(T2)之間的關系如下：T2= (T0+(jP)e “a+ B)通過以上受力分析，可知，張力輥提供了活套前后的張力，通過控制張力輥的 驅動力矩，能夠維持全線所需張力。2.5張力控制實現張力由電機建立，而電機是變頻器控制的，因此如何控制變頻器，讓電機產生 我們所需的張力，就是我們要解決的核心問題。鍍錫線所用的變頻器是西門子公司 的

13、6SE70矢量控制型逆變器。其控制原理如圖示：速度給定速度給定SR電機控制圖5變頻器控制原理示意圖變頻器有兩種控制模式：速度控制模式和張力控制模式。當變頻器工作于張力控制模式時，將需要電機產生的張力折算成一個轉矩給定值TR,提供給變頻器，控制電機產生所需的張力。這時人為的讓變頻器的速度調節器處于飽和狀態，速度- 張力控制模式選擇張力控制模式，轉矩調節器的給定值來自TR,變頻器進行轉矩調節，產生我們所要求的張力。當變頻器工作于速度控制模式時，將生產線速度折算 成一個速度給定值，提供給變頻器，控制電機速度，同時將需要電機產生的張力折 算成一個轉矩補償值T C,提供給變頻器，控制電機產生所需的張力。

14、也就是說既要 讓電機產生所需要的張力，也就是讓電機運行在要求的速度。變頻器工作在何種控 制模式，由控制器中的程序來控制，自動進行切換。西門子6SE70矢量控制功能，可以對不同電機實現高精度矢量控制。特別是帶 PG矢量控制方式具有極高的速度控制精度(+0.01 %)和極高的啟動轉矩(o r/min時150%)，其與PLC配合使用，可以實現速度鏈控制、自動負荷控制、速差控制、張 力控制等功能。該傳動系統采用由S7-315小型PLC作為系統的控制中心；由西門子 6SE70矢量變頻器為驅動單元；變頻專用電機作為執行單元；內密控編碼器提供速 度反饋信號，使系統傳動在速度閉環運行模式下，從而使控制系統穩速

15、精度達到0.01 %。由PLC通過西門子PROFIBU協議、PROFIBUS-D網絡與變頻器實現速度鏈 功能、垂度控制、負荷分配等功能，較理想地滿足系統正常工作的需求。三、負荷分配問題3.1負荷分配原理負荷分配是傳動中的一個關鍵問題，其控制的好壞將直接影響整個系統的正常 運行甚至生產率。傳統的負荷分配問題多由設計好的負荷分配器來控制，由于現場 的干擾較強，因而使其控制的精度受到影響。變頻傳動控制中，我們用PL(和變頻技 術結合起來解決負荷分配問題，自應用以來，控制效果良好，在實際控制當中電 機功率是一間接量。所以實際控制近似以電機定子電流代替電機功率。即I = Iei*ILI Li = N刀e

16、i i=1其中：I u 第i臺電機出力電流；Iei 第i臺電機額定電流；IL 負載總電流；N 參與負荷分配的電機數；負荷分配就是依據電機電流，利用上述原理對控制的各臺電機進行調節，使電 機電流百分比一樣，即各電機轉矩電流和額定電流比值應相等，這樣完成負荷分配 的自動控制。常用的負荷平衡系統有兩類：一類是兩套電機控制系統共用一套轉速調節器(主 系統有轉速調節器,從系統沒有)，其輸出作為兩套轉矩控制環共同的轉矩給定，即 經轉矩環的負荷平衡系統；另一類是主從兩套系統都有各自的轉速調節器及轉矩調 節器，但在從系統的轉速調節器輸入端接有兩套轉矩實際值的差值調節信號，即經轉 速環的負荷平衡系統。這兩類系統

17、都可以實現負荷平衡調節,應用于不同的場合。第1類負荷平衡系統響應快，動態平衡效果好，但有可能產生扭振，即有可能造成兩臺 電機負荷來回波動，嚴重時會出現電流激磁震蕩， 引起系統過流跳閘。這類系統適用 于電機間通過“剛性”聯系的場合，例如兩臺電機的串軸控制。第2類負荷平衡系統 響應慢，但具有一定抑制扭振的能力，適用于電機間通過 “彈性”聯系的場合,例如兩 臺電機傳動機構間無機械軸,彼此通過金屬帶聯系。采用經轉速環負荷平衡系統還有一個優點,就是可以實現“冗余”要求。主從兩 套系統都有轉速調節器,可以獨立工作,即在一臺電機或調速裝置出現故障時,另一 套系統仍能繼續短時工作,以滿足生產需要。而采用轉矩環

18、負荷平衡系統時,在主系 統故障時整個系統則立刻停機，這是因為從系統沒有轉速調節器。即使從系統臨時 投入轉速調節器，也會給系統帶來沖擊。3.2負荷分配的實現負荷平衡控制的基本原理就是從輥按比例分配總的轉矩，在這里通過轉矩限幅 來控制從輥的轉矩電流。具體算法是：先計算從輥平衡比率 K,設定從輥的轉矩限幅為100%然后讀入 主輥和從輥的實際轉矩電流，相加得到總的轉矩電流，接著用K乘以總的轉矩電流得到從輥所需要的轉矩電流，最后算出從輥的轉矩限幅值送到從輥逆變器來實現負 荷平衡控制。張力輥的M2輥需要進行負荷分配控制，分配算法由PLC實施。負荷分配按下面 公式進行：M M 2 = (Mmi + Mm2)

19、*P2p + P2即 Mm2 =0.577*( Mmi + Mm2) 式中：MMi 張力輥M1輥的轉矩;Mm2 張力輥M2輥的轉矩；P 張力輥M1輥的額定功率，11KWF2 張力輥M2輥的額定功率，15KWp + p>四、系統調試按照原來設計思想：1#張力輥為閉環速度控制，同時1#張力輥工作在發電狀態，為保證1#張力輥的M1和M2輥不會由于輥徑磨損或閉環速度控制時的差異導 致兩輥力矩分配不均從而導致打滑等現象，兩輥在正常工作時需工作在不同的方式。 1#張力輥M1輥工作在閉環速度控制，而M2輥工作在閉環速度控制的從動狀態， 跟 隨M1輥的轉矩變化。也就是要進行負荷分配控制；2#張力輥在點動

20、時工作在閉環 速度控制方式P10X4,在正常工作時工作在轉矩控制 P100=5o這種切換由控制字 2中的位18的MDS和位19的MDS選擇不同的功能數據組實現 (P100 ;活套工作 方式同2#張力輥；3#張力輥采用1#輥速度控制，2#昆恒轉矩控制；輔助馬達采用間 接速度控制。開始運行張力波動很大，全線不能建張，1#張力輥負荷平衡系統采用1#張力輥 M1輥工作的閉環速度控制，而M2輥工作在閉環速度控制的從動狀態，跟隨M1輥的轉矩變化。此后修改1#張力輥的工作方式，Ml M2由于是柔性連接，可同時采用速 度閉環、負荷分配、垂度控制進入全線聯動，1#張力輥工作穩定，而在step7中在線監測數據塊0B11中3#張力輥數據，3#張力輥開始張力比較穩定，靜張力均衡， 轉矩較大，但運行一段時間后，轉矩迅速減小，提速后，產生一絕對值很大的負轉 矩，全線停車。全線聯動不能運行：3#張力輥采用 1#輥速度控制，2#昆采用恒轉矩 控制，導致工藝段張力無法形成，因此需要修改。3#張力輥采用速度閉環、負荷分 配、垂度控制