电解脱脂清洗生产线电控系统的张力控制

李爱英，关朋，刘亚伟（天津电气科学研究院有限公司，天津300180)



电解脱脂清洗生产线电控系统的张力控制

李爱英，关朋，刘亚伟
（天津电气科学研究院有限公司，天津300180)

摘要：介绍了电解脱脂生产线电气传动控制系统的张力控制，系统的入口S辊、出口S辊张力采用欧拉数学模型控制。可以人为设置欧拉系数修改张力设定值，以满足不同的材料对张力的要求。在系统中加入了Droop（软化）功能，在启动、加减速、停车时各辊电机实际转速在动态中保持同步，避免了当负载波动时，因带材速度突变造成带材的拉拽、松带和打滑现象。

关键词：电解脱脂生产线；S辊张力控制；同步控制

在冷轧带钢生产线中，采用电解脱脂工艺，对低碳钢带材进行电解脱脂清洗，当钢带通过加热的碱性溶液的电解槽时，电极及钢带表面会释放大量氧气和氢气，并对钢带表面油膜产生乳化，达到电化学除油或电解脱脂。在油膜被乳化后经过洗刷、水洗、热风干燥后，钢带表面达到除油和清洗的目的，获得高品质的冷轧带材。电解脱脂线生产线由机械设备、电解清洗液循环系统、液压系统和电控系统组成。

脱脂线工艺流程为：带钢钢卷经上卷小车上料开卷→入口液压剪→带头焊机焊接→入口张力辊→预清洗装置、电解清洗装置、热水清洗装置处理→热风吹扫→出口张力辊→出口液压剪→转向辊→EPC自动纠偏→卷取机→成品下料，图1为带钢脱脂线工艺流程图。

图1　脱脂线工艺流程Fig.1 The process of degreasing production line

1　电气控制系统配置及描述

该脱脂线电气控制系统由10 kV电源母线供电，配置1台3绕组整流变压器。电气传动系统由开卷电机、入口S辊电机、入口、出口夹送辊电机、工艺槽驱动辊变频电机、出口S辊电机和卷取电机组成。开卷机、卷取机直流传动装置和生产线上交流变频电机所需的变频调速系统用整流变压器的1个副边绕组，在直流传动装置和交流传动系统进线侧增加交流电抗器进行解耦，消除各整流装置之间的相互影响。3台直流电解电源共用整流变压器的另一个副边绕组，系统配置图见图2。

图2　电气传动系统配置图Fig.2 Electrical drive system configuration diagram

1.1电气传动控制系统

电气控制系统具有速度控制、张力控制、紧急停车控制、故障诊断和显示报警与上位机网络通讯等功能。开卷电机和卷取电机采用间接张力控制方式，通过实际卷径值和转矩给定值计算出张力，具有卷径计算、动态补偿、摩擦补偿等功能。2个入口张力辊（入口S辊）、4个出口张力辊（出口S辊）和27个驱动辊由交流调速电机驱动，交流变频装置采用公共直流母线形式供电，由一套整流单元为交流变频传动模块提供直流电压，各交流电机之间的制动能量在公共直流母线实现电能循环，无需制动斩波器或能量回馈单元。

入口、出口S辊采用间接张力控制，入口2个S辊均为转矩控制，建立入口段张力。出口S辊的其它3个张力辊为转矩控制方式，建立出口段张力。出口4#张力辊的速度作为速度控制系统的基准速度，控制全线升速、运行和降速。

辅助驱动辊传动包括预清洗槽、电解清洗槽、热水槽，3个工艺槽中有24个驱动辊，直联变频调速电动机，采用变频调速运行。

1.2自动化控制系统

电解脱脂线以工业计算机、可编程序控制器（PLC）及全数字交直流传动控制系统为核心，构成全分布式网络化控制系统。基础自动化控制系统由1个西门子S7-412-2DP CPU站和7个ET200远程I/O站组成，CPU与上位机之间采用工业以太网进行通讯，CPU与远程I/O站、触摸屏之间以及传动调速装置之间采用PROFIBUS-DP总线进行通讯。

CPU完成开卷机、卷取机、入口、出口S辊的逻辑控制，静态、动态力矩补偿，建立与实现卷径自动计算，全线液压、气动逻辑控制。完成对全线传动系统速度控制，电解电源联锁，液位、温度以及工艺设备、液压、气动系统的控制，图3为自动化系统网络配置图。

图3　自动化系统网络配置图Fig.3 Network configuration diagram of automatic system

作为集中监视和操作的2台西门子MP277触摸屏分别放置在入口操作台和出口操作台上，用来设定入口段与出口段的工艺参数、设备操作、全线运行监视以及轧线监控动态画面状态显示，完成上卷、卸卷、入口焊缝、减速停车、速度控制，对单机进行起、停控制。

控制室配有1台工控机作为上位机操作站，上位机配置WinCC组态软件，采用工业以太网通讯，完成轧制参数的显示和开卷机、卷取机、入口与出口S辊电机电流、速度、卷径与张力的趋势图，显示生产过程的设定值和实际值，各电气传动装置，辅助设备的运行状态，过程跟踪，数据采集，打印各种生产管理报表。系统还拥有完善的故障诊断功能，对电气控制系统进行在线诊断和事故报警监视，提高了系统的可靠性和可维修性，有效地缩短了故障查找及停机时间。

2　张力控制

2.1 S辊的张力控制

张力按照欧拉数学模型逐级放大，使开卷机、入口S辊、各工艺辊之间、出口S辊、卷取机之间的带钢张力保持平衡，以满足生产要求。2个入口S辊和4个出口S辊，每个辊由1台电动机驱动，出口4#张力辊作为整条生产线的基准线速度v给定，采用双闭环速度调速系统。入口和出口其它5个S辊为通过转矩给定控制张力的调速系统，它是由转矩内环（ATL）和转速外环（ASR）构成的双环系统，其特点是张力控制的转矩给定信号不是直接送到ATL输入，而是从转速调节器（ASR）正限幅输入。

通过欧拉公式计算出在S辊出口和入口张力一定的情况下，考虑轧辊不变的直径，直接计算出电机的转矩，作为转矩限幅给定值，速度调节器中使用附加速度给定Δn使其工作在饱和状态。单动时，Δn=0，这时的调速系统为标准双环转速控制系统；生产联动时，Δn=5%～10%，Ng-Nf≈0，靠Δn维持ASR正饱和，调速系统按张力控制模式工作，张力大小通过改变张力转矩给定Tt来控制。该系统转矩环的转矩给定值由两部分组成：张力转矩给定Tt和动态转矩给定值Td，Tt来自ASR的输出，它是张力F与辊径D0的乘积（见图4）。图4中，F为张力，v为线速度，D0为辊径，Ng为转速给定，Nf为转速反馈，Δn为附加速度给定值。

图4　通过转矩给定控制张力的S辊间接张力控制环节Fig.4 Tension control of S roll with tension control by torque

2.2入口S辊的张力控制

钢带经开卷机上卷后，先经过入口S辊。钢带将入口2个辊子连接，形成入口段张力。2个辊子具有各自独立的传动电动机和各自的速度、转矩闭环控制系统。

张力分配为：出口段张力等于开卷张力与入口段张力之和。即：

式中：F3为出口段张力；Fk为开卷张力；（F1＋F2）为入口段张力之和；F1，F2分别为入口S辊下辊、入口S辊上辊的张力。

入口欧拉数学模型张力给定，入口总张力：

式中；K1为入口下辊欧拉系数；K2为入口上辊欧拉系数；K1，K2设定范围1.0～2.0。

由式（2），入口开卷机张力给定：

入口下张力辊张力给定：

入口上张力辊张力给定：

式中：TM为电机转矩；P为电机功率；Ne为电机额定转速。

式中：i为变速比；D0为辊径为恒定值。入口下张力辊的张力为

入口上张力辊的张力F2S为

式中：P1S为入口下辊功率；P2S为入口上辊功率。

2台驱动电机的额定功率不同，它们的负载始终均衡，即2台电机输出转矩与电机额定功率比例相同。根据生产工艺要求，可以在触摸屏上设定入口下辊、上辊的欧拉系数K1和K2。2台电机按相对值设定转矩，取电机额定转矩为相对值的基数，以满足输入段2个张力辊电机负载均衡。

2.3出口S辊的张力控制

出口1#张力辊欧拉系数= K1，2#，3#张力辊欧拉系数分别为K2，K3，欧拉系数取值1.0～1.6。出口4#张力辊为速度控制，为系统的基准速度，Fj为卷取机张力。

出口段S辊欧拉数学模型张力给定出口总张力：

出口卷取机张力给定：

出口1#张力辊张力给定：

出口2#张力辊张力给定：

出口3#张力辊张力给定：

与入口段张力辊一样，出口段张力辊也要求各个电机按相对值设定转矩，取电机额定转矩为相对值的基数，以满足输出段各个张力辊电机负载均衡。

建张力顺序：出口4#张力辊转速给定为零，先建开卷机和卷取机张力，再建入口S辊、出口S辊张力。

卸张力顺序：先卸掉入口S辊、出口S辊张力，再卸卷取机和开卷机张力，最后停4#张力辊零速给定。为保证出入口不同欧拉系数的张力关系，入口、出口均有张力限幅值，并在触摸屏和上位机画面上显示。

2.4脱脂线中的Droop（软化）特性

由于脱脂生产线辊与辊之间依靠钢带连接，多辊传动要确保所有电机运行时同步。在升速、降速或转矩有突变时，为了保证脱脂生产线各工艺槽中轧辊电动机在动态下快速跟随，避免各辊之间的钢带受前后方向力的拉拽，在轧辊电气传动中使用Droop功能，功能图见图5。

图5　脱脂线Droop功能图Fig.5 Droop function diagram of degreasingline

辊道交流变频器选择不带转速脉冲编码器的矢量控制（f控制）方式，各辊道交流变频器接受同一个速度给定信号。Droop软化功能的输出作为速度调节器的附加值给定，为每台交流变频器加上一个形成下垂特性的频率设定值，即通过转矩设定值的负反馈，在逆变器的频率设定值上增加一个滑差频率。由于下垂特性与电动机的滑差特性类同，在动态时可使电机具有快速跟随性，避免了钢带在升速、降速和负载波动时，因速度突变造成钢带拉拽、松带、打滑。当使用Droop功能后，负载转矩增加到某一值，转矩逐渐下降，当降到所设定的百分比，即进入“硬特性”，不再降低频率，电机机械特性变软，起到了平衡负载分配的作用。图6为下垂度标定曲线。

图6　下垂度标定曲线Fig.6 Say calibration curves

工艺槽中轧辊交流变频器Droop值设定为5%～8%的设定频率，保证逆变器控制电机的机械特性有一定的下垂，这样可在保持速度同步的前提下，输出转矩相对均衡。

3　结论

本文介绍的电解脱脂生产线电气传动控制系统已经在某厂成功应用。实际应用结果表明，该系统设计先进，性能良好，操作简单，维护方便，运行稳定可靠，由于自动化程度高，大大提高了生产效率，降低劳动强度。采用欧拉数学模型张力控制使整条生产线钢带在启动、加减速、停车和运行中达到张力稳定，采用Droop功能后，各电机实际速度在动态中同步性能好，在升速、降速和负载波动速度突变时，带钢无拉拽、松带、打滑现象。

参考文献

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修改稿日期：2016-01-19

Tension Control of the Electric Drive Control System Inelectrolytic Degreasing Production Line

LI Aiying，GUAN Peng，LIU Yawei
（Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）

Abstract:The tension control of the electric drive control system of electrolytic degreasing production line was introduced，the tension of inlet S roll and outlet S roll in the system was controlled by the Euler model. It can artificially set the Euler coefficient to modify the tension set value，to meet the requirements of different materials on the tension. In the system joined the droop（softening）function，in starting，acceleration and deceleration，and stopping，the actual speed of the motor in dynamic synchronized to avoid when the load fluctuation，which caused by the strip pulling and loosening and slipping by mutations in a strip speed.

Key words:electrolytic degreasing production line；S roll tension control；synchronous control

收稿日期：2015-12-02

作者简介：李爱英（1962-），女，本科，高级工程师，Email：13920386017@163.com

中图分类号：TP273

文献标识码：A