包钢镀锌开卷机张力控制系统的研究

李东明

（包钢集团公司薄板坯连铸连轧厂自动化部，内蒙古 包头014010）

包钢镀锌开卷机张力控制系统的研究

李东明

（包钢集团公司薄板坯连铸连轧厂自动化部，内蒙古 包头014010）

本文主要介绍了包钢薄板厂镀锌线开卷机的工艺技术特点，开卷机的机械配置及开卷机张力控制技术的研究。着重介绍了开卷机的控制系统组成，详细介绍了开卷机卷经计算、速度计算、静阻转矩的计算、动态转矩的计算，以及开卷机张力设定转换为转矩的计算，并结合以上数据的计算，详细分析了开卷机的间接张力控制过程。最后分析开卷机张力在实际生产中存在的问题和处理方法。

张力控制；开卷机；转矩计算；张力转化

包钢薄板厂热镀锌生产线是包钢第一条镀锌生产线，由奥钢联公司设计，产品主要应用于建筑和家电行业。其中开卷机是镀锌生产线中的关键设备，按工艺顺序也是第一个设备。主要功能是把钢卷打开，提供入口区域的张力，为入口区域的顺利运行起关键作用。在开卷过程中，机组速度恒定，随着钢卷卷径不断减小，开卷机电机的转速不断增大，同时保证开卷机和1#张紧辊直接的张力始终保持不变。由于开卷机动态惯性比较大，在加减速过程中必须保证带钢张力相对平稳。如果发现张力波动，如张力过小，会造成钢卷松卷以及层间窜动，损坏带钢；如张力过大，就会把带钢拉断或损坏设备。因此对于开卷机而言，张力控制是核心技术，也是难点。包钢薄板厂镀锌线开卷机的张力控制采用间接恒张力控制的方式。

1 开卷机区域设备及工艺介绍

镀锌的原料卷通过运卷小车上到开卷机上，2个开卷机交替运行，例如1#开卷机开卷，将带钢运到剪子处，切完带头后，再将带运到并线夹送辊处等待，这时是2#开卷机在正常运行，当2#开卷机的卷运行完后，2#开卷机的带尾运到焊机处，1#开卷机的带头也运到焊机，焊机将两卷焊接上后，开卷机先建立静张力，在起线入口区域运行。

2 开卷机张力控制的设计

开卷机有两种运行模式：第一种为点动模式的速度控制，用于设备正反转点动或者传动操作时几个设备的联合点动；第二种为入口区域焊接完成后运行的张力控制模式，以适当的张力保证入口区域机组的平稳运行，入口运行启动时从速度控制模式转为张力控制模式。

开卷机间接张力控制系统，采用检查开卷机电机速度方法，计算开卷机的卷径，通过开卷机的卷直径和张力设定值计算开卷机电机的转矩，进而通过变频器调速装置控制电动机的电枢电流，以达到控制张力的目的。系统由卷径计算、转速给定计算、转矩给定计算、转矩补偿计算、速度调节器、电枢电流调节器等模块组成。

2.1 卷径计算

在间接恒张力控制系统中。卷径D是一个非常重要的参数，直接影响着对张力的控制。在开卷的整个过程中卷径一直在减小，所以需要在线实时地对其进行计算，计算公式如下：

D=v／(Pi×n)

式中：n为开卷机实际转速，可根据电动机上增量编码器的测得信号换算和减速箱的速比算出，n作为变频器转速反馈输入；v为带钢运行的线速度，取自1#张紧辊1#辊电机的速度（入口机组的速度）。为保证计算结果正确，系统内部设有卷径限幅最小卷径为508mm，最大卷径为1900mm。

在机组速度为0或未加载张力时，是无法用以上原理计算卷径的。为确保系统正常工作，就需设定卷径初始值。此初始值由系统内部设定为带钢的最大卷径限幅D=1900mm，第一用于建立静张力(机组速度为O)时计算n和M，第二用于穿带时，开卷机与夹送辊（或卷取机）联合点动（未加载张力）计算n。

2.2 速度给定计算

开卷机的给定是通过入口区域主线速度给定计算的，入口区域主线速度是通过整个线的速度给定根据炉区延伸率计算得出的。通过入口区域主线速度给定、开卷机卷径和减速机齿轮比计算出开卷机的角速度，给到变频器上。计算公式为：

AngSp=(LinSp×GearR×1000)/(Diam×PI)

AngSp：开卷机电机角速度(rpm)

LinSp：入口区域线速度设定值（m/min）

Diam：开卷机的实际卷径（mm）

PI：圆周率

从公式也可以看出，随着卷运行卷径越来越小，电机的角速度就越来越大。

2.3 开卷机转矩相关的计算

2.3.1 静阻转矩的计算

开卷机在匀速运行时所有机械必然存在滑动摩擦力，同时旋转也会形成风的阻力。其中滑动摩擦力主要包括电枢和钢卷等旋转所产生的阻力。在程序中静阻转矩叫“losstorque”计算公式为：

Loss_Tq=Ppro×N±PFix

Ppro:开卷机的摩擦系数

N：开卷机的转速

PFix:转矩摩擦补偿值

其中开卷机的摩擦系数和转矩摩擦补偿值是在调试时测量出来的，都为常数。当速度为正值时，加上转矩摩擦补偿值；当速度为负值时，减去转矩摩擦补偿值。1#开卷机的转矩摩擦补偿值为44.537。

从公式可以看出，速度越高，静阻转矩越大。

2.3.2 动态转矩的计算

开卷机处于加速运行时，整个系统都会沿着电机旋转方向运动并产生角加速度，角加速度与旋转体的转动惯量的乘积就是所需的动态转矩，也叫转动惯量。程序中转动惯量（inertiatorque）的计算公式是：

Inertia_Tq=[（PI×D×W×（D_E－D_I））÷(32×G)+Pd2]×（2×G×ACC）×Eff÷D_E

PI:圆周率

D_E:开卷机的卷的外径

D_I:开卷机的卷的内径

Pd2:转动惯量系数

G：开卷机减速机齿轮比

Acc：加速度（m/s2）

Eff：开卷机的机械效率

通过公式可以看出，开卷机的加速度越大，所需的动态转矩就越大，开卷机的内径是不变的，开卷机卷的外径越大，所需的动态转矩就越大。

2.3.3 开卷区张力值转化为电机转矩

开卷区张力设定值一般是通过二级计算后设定的，也可以手动输入。张力设定值通过转化变为开卷机电机的转矩，通过电机的转矩控制张力。张力转化为电机转矩的公式：

TensT=(TensR×10)×Diam/(1000×GearR)

TensR:张力设定值（DaN）

Diam：开卷机卷径（mm）

GearR：开卷机电机齿轮比

2.4 开卷机张力控制分析

开卷机运行分为两种模式，一种是点动或联动时的速度控制，另外一种是正常运行的间接张力控制。

2.4.1 点动和联动时速度的控制

点动和联动时，开卷机区域不产生张力，此时只是一个速度控制。不过除了速度的主给定，还有一个附件转矩给定，主要是平衡摩擦和加减速时的动态损耗，就是将前面计算的静阻转矩和动态转矩两个的和赋值给附件转矩，给到变频器上，保证开卷机速度稳定。

2.4.2 开卷机间接张力的控制

开卷机间接张力主要是通过负转矩限幅实现的。变频器通过速度给定与速度反馈比较给到速度调节器上，速度设定就为入口区域的主设定，跟入口区域主的速度辊1#张紧辊1#辊的速度设定一样，速度调节器计算完成后给到转矩调节器上。由于没有给附件转矩，这时就相对于没有给定摩擦和加减速时的补偿，转矩调节器就是一个饱和状态，转矩调节器之后是转矩限幅。由于开卷机产生的张力是向后的，跟开卷机速度方向相反，所有对张力的控制只是对负转矩限幅作限制，正转矩不限制为100%。负转矩限幅包括两个部分，一部分为通过张力设定计算出的转矩值，另一部分为开卷运行时损耗的补偿转矩即附件转矩，将两部分的值相加就为负转矩限幅，通过负转矩限幅后经过转矩调节控制变频器输出，从而控制开卷机的张力。因为只是通过张力设定值去控制电机的转矩，没有采用张力反馈，所有这种控制不是闭环控制，即为间接张力控制。

[1]张启富,刘邦津.黄建中.现代钢带连续热镀锌[M].冶金工业出版社，2007.846～869.

[2]姚锡禄.变频器控制技术与应用[M]．福建科学技术出版社．2005,20～35.

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