连退机组入口活套张力控制与位置控制方法研究

肖至勇，俞鸿毅，崔熙颖

（1.宝山钢铁股份有限公司 宝钢分公司，上海 201900；2.燕山大学 国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北 秦皇岛 066004）

0 引言

目前，在很多工业生产中，为了最大限度地降低生产成本，提高生产效率，减少生产过程中因正常中断造成的经济损失，一般采用连续生产方式［1］。为保证连退机组能以正常的工艺速度连续生产，需要在入口段与工艺段之间增加入口活套以保证原料的持续供应［2］。活套是保证冷轧生产线实现连续生产的关键，连续生产过程中稳定、精确的速度控制和张力控制是提高控制精度、防止带钢抖动的基础，是产品质量的一项重要保证［3］。对于活套张力来讲，其张力的控制目标有两个：一是保证在正常运行条件下带钢不出现跑偏、撕裂等问题；二是在带钢清洗段发生一次断带后，活套各个辊组电机停车过程中，保证活套带钢张力异常时不至于发生二次断带。本文主要研究在发生一次断带后，如何通过控制活套张力和位置来防止带钢在入口活套内发生二次断带。

1 入口活套张力控制方法

张力在轧钢生产中是一个不可忽略的重要因素，张力精度的控制直接影响了产品质量和生产过程的正常进行。张力如果过大可能引起断带，张力如果过小则不能满足生产要求［4－5］。二次断带是带钢在清洗段发生一次断带后由于张力的减小或增大导致后续带钢再次发生断带的现象，二次断带可导致后续带钢逃逸至连退炉内，延长机组事故处理时间。

在机组张力控制的基础上，若机组发生断带，则必须保证活套在一次断带停车时不至于发生二次断带。由于入口活套处的张力和后续炉内带钢张力密切相关，因此本文定义炉内带钢运行状态综合判断指标为ξ，其临界值为ξ＊，所以带钢断带运行预测约束为ξ＜ξ＊。

为保证机组断带后活套内带钢不发生撕裂和跑偏现象，故而特提出活套内带钢运行稳定性的综合控制指标，表示为：

其中：δ为机组跑偏因子；δ＊为机组临界跑偏因子；λ为机组撕裂因子；λ＊为机组临界撕裂因子；β、η为加权系数，β＋η＝1；X 为带钢张力值，X＝｛σii＝1，2，…，N｝，σi为第i段带钢张力值。

带钢运行稳定性的综合控制指标上限为Fmax。当发生一次断带后，活套内各辊子电机的功率会随之发生变化，若保证不发生二次断带，则各辊子电机的功率和扭矩在单位时间内的变化率不能太大，不能超过各临界值。为此，定义电机功率的变化率为KPΔt，电机功率变化率的临界值为KP临界，电机扭矩的变化率为KTΔt，电机扭矩变化率的临界值为KT临界。

综合上述约束条件，可得出活套部分的张力优化函数：

于是，连续退火过程中入口活套的张力综合优化过程可以描述为：寻找一个最佳张力设定值X＝｛σii＝1，2，…，N｝，使得在满足约束条件的情况下，目标函数F（X）最小。

2 入口活套的位置控制方法

当发生一次断带后，后续带钢由于张力上升会使得上半部分活套小车急速下降一段距离，但下降后又容易造成带钢堆叠而造成二次断带，所以在发生断带后需要通过系统控制使活套小车下降一定距离，防止因张力过大导致断带出现带钢堆叠。在现场设计控制器以控制各辊子的转矩，使转角跟踪误差和同步误差收敛趋于零。控制系统由两部分组成：跟踪控制器和同步控制器，如图1所示。以图1左边第一个单元为例，跟踪控制器采用前馈与PD反馈相结合的复合结构，其中θd（t）为前馈的输入，ε＊i（t）为PD反馈的输入。前馈项的作用是不断逼近被控对象，使得输出跟踪参考指令，当被控对象发生参数摄动及扰动变化时通过PD反馈来抑制扰动。同步控制器采用PI控制器，ε＊i（t）为它的输入，采用了相邻耦合策略来减小同步误差。

当检测到断带时，结合张力控制方法，若采用紧急停车，机组降速斜率较大，会使活套处带钢张力异常上升，此时应缓慢下移活套小车上部，降低活套内部带钢的张力，结合抱紧辊的抱紧和张开，不使带钢因张力异常而出现炉内断带。

图1 控制系统组成

3 现场应用

某钢铁企业1420连退机组每年因一次断带引起活套内发生二次断带的故障占清洗段断带故障的80%，发生二次断带后很容易导致后续带钢逃逸至连退炉内，延长了故障排除时间，给机组带来巨大经济损失。为此，采用本文所述相关技术模型进行计算，并利用断带后活套小车的位置控制方法，一方面调节带钢的张力，另一方面通过控制断带后活套小车的位置，确保在清洗段发生断带后活套内不发生二次断带。

采取本文所述技术后，企业每年因一次断带引发活套内发生的二次断带故障仅占清洗段断带故障的10%，减少了机组故障处理时间，给企业带来了巨大的经济效益。

4 结论

（1）通过控制活套内带钢的张力并设置炉内带钢运行状态综合判断指标和活套内带钢运行稳定性的综合控制指标，通过控制活套内各辊子电机的功率和扭矩变化率使得在发生一次断带后减小活套内发生二次断带的概率。

（2）通过设置跟踪控制器的前馈与PD反馈相结合的结构，结合同步控制器的PI控制器，利用相邻耦合策略来减小同步误差，从而控制发生断带后活套小车的升降。