（控制理论与控制工程专业论文）彩涂钢板生产线卷取机张力控制.pdf

摘要 在彩涂钢板生产线中，卷取机的张力控制是极其重要的一环，良好的张力控 制可以保证彩涂产品的质量，提高生产效率。本文具体针对卷取机的卷取张力控 制展开讨论。 首先，本文简要介绍了广东韩钢2 # 彩涂钢板生产线，包括：生产线工艺流 程、基本电气设备、全线自动化控制方案的设计、生产线技术性能等。 其次，本文分析与研究了卷取机的设备特性和工作原理，重点研究了卷取机 的张力控制原理，其中包括：张力控制基本原理、动态卷径计算、动态力矩补偿、 力矩补偿电流计算等。 最后，本文探讨卷取机间接张力控制系统算法及其实现，研究了卷取机的卷 绕特性、动态张力模型，建立了卷取机间接张力控制系统数学模型，引入传统p i d 控制技术，并在m a t l a b 环境中进行仿真。在实验过程中表明间接张力控制系统的 数学模型基本上能够反映张力控制的动态过程，采用传统的p i d 控制算法可以满 足卷取机张力控制的性能要求。 关键词：卷取机；张力控制；动态力矩补偿；彩涂钢板 a b s t r a c t i nm ep m d u c t i o nl i l l eo fc o l o rp r e c o a t e ds t e e l ，t e n s i o nc o n t r o lo fc o i l c ri so n eo f m em o s t 曲p o n a n ts e c t i o s g o o dt c i l s i o nc o m m l 丽l ll e v e lu pt h eq i l a l 毋o fc o l o r p r e c o a t e ds t c c lp r o d u c t i o n s 锄di m p r o v ep r o d u c t i v i 啊t h i sp 印e rw i l lm a i l l l yd i s c u s s t e n s i o nc o m r 0 1o f c o i l e l f i r s t l y t 1 1 i sp 印e ri n t r o d u c e st h ec o l o rp r e c o a t e ds t e e ll i i l eo f g u a n g d o n gh 咖i a l l g s t e e lc o m p a n y i n c l u d i l l gp r o d u c t i o nn o w ，b a s i ce l e c t r i c a le q l l i p m e m s ，t h ea u t o m a t i o n c o m r o ld e s i 驴o f w h o l el i n e ，t l l ep e r 】 b r i l l a n c eo f t t l ep r o d u c t i o nl i n e ，e t c s e c o n d l y t h i sp a p e rr c s e a r c h c sd e v i c ec h a r a c t e r i s t i c sa 1 1 d 岫gt t l c o r yo fc o i l e r a n de m p h a s i z e st c n s i o nc o n 仃0 1 恤e o r yo f c o i l w h i c hi 1 1 c l u d e sb a s i c 也e o r yo f t e n s i o n c o n 扛d l ，d y n a m i cd i 锄e t e rc a l c u l a t i o n ，d y n 柚i c m o m e i l tc o m p e n s a t i o n s ，m o m e n t c u r r 髓l tc a l c u l a t i o n a n ds oo n i nt h ee n d ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sn l er c a l i z a t i o no fi 1 1 d i r e c tt e n s i o nc o n t m l a r i t m e t i co fc o i l e lna l s or e s e a r c h e sc o n v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed y n a m i c t e n s i o nm o d e ts oa st os c tu pm em a h e m a t i cm o d e lo fi n d i r e c tt e n s i o nc o m r 0 1s y s t e m a n dt os i m u l a t ei tw i mm a t l a b t h r o u 曲s i m u l a t i o n ，i ts h o w st 1 1 a tm em a t h e m a t i c m o d e lo fi n d i r e c tt e n s i o nc 伽t r o ls y s t e mi sp r o p e rt ot h ec 0 1 0 rp r e c o a t e ds t e e l l i n ea n d p dc o n 仃o la 血h i n e t i cc a l lm e e tt 1 1 ep e 面册a n c ed e 眦m do f t e n s i o nc o n t m lo f c o i l e l k e y w o r d s ： c o i l e r ；t b n s i o nc m l ；d y n a m i cm o m e n tc o n l p e n s a t i o n ；c 0 1 0 rp r e c o d t e d s t e e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 卷取机张力控制设备的研究现状 卷取机是彩涂钢板生产线的重要辅助设备。卷取机的用途是收集超长带钢， 将其卷取成卷以便于贮存和运输n ，。卷取机在带材和线材生产中均被广泛应用。 彩涂钢板生产实践证明：卷取机的工作状态直接影响着带材和线材的质量， 特别是彩涂生产线的生产能力的发挥。因此，对卷取设备及其系统的研究一直受 到人们的重视。 在上世纪八十年代以前，卷取张力控制系统一般以模拟器件为主。传统的模 拟控制系统张力精度低、调试难度大、张力波动范围大，这些因素直接影响到彩 涂钢板的产品质量；又因其硬件成本高，所以花费巨大。 进入九十年代后，随着机电制造技术、电力电子技术、计算机技术、自动化 检测技术的发展，专用张力控制设备有了飞速的发展。近十余年来，在国外有公 司将卷径测量及张力控制系统做成标准控制板并配有专用卷绕软件，在国内也有 人开发了单片机张力控制系统。这样，虽然张力控制系统的精度提高了，但是在 一些中小型项目中，由于硬件和软件的投资较大，投资方往往不愿意承受昂贵的 价格。 近几年来，卷取张力控制设备有以下两个方面发展： 1 以磁粉离合器( 制动器) 为基础的张力控制设备 其特点是磁粉离合器( 制动器) 的励磁电流与输出力矩有较好的线性关系，通 过相应的检测元件的信号来控制和调节磁粉离合器的励磁电流的大小，控制其输 出力矩，从而实现卷取过程中的张力控制。该控制系统由于受到磁粉离合器输出 力矩的大小限制，主要应用领域为轻工业，如造纸、纺织、印刷等行业。主要代 表产品有w a r n e r 电气公司的张力控制系统、n i r e c o 公司的卷材张力控制系统、日 本三菱公司的张力控制系统等。 2 以变频器为基础的张力控制系统 其特点是采用专用的张力控制板来完成张力控制所需的动态力矩补偿、卷径 广东工业大学工学硕士学位论文 计算、恒张力控制等功能，通过变频器来实现恒张力控制。其主要代表产品有德 国西门子公司的张力控制系列板及相应变频器系列；张力控制板从p t l 0 、t 3 0 0 到 目前最新的t 4 0 0 ，由张力控制板与相应的变频器结合，完成恒张力控制。 改革开发以来，随着与国外技术交流日益密切，国内卷取张力控制设备基本 上与国外保持同步。对于以永磁式离合器( 阻力器) 为基础的永磁式张力控制系统， 有上海佐林电器有限公司生产的y z 系列产品；以磁粉离合器( 阻力器) 为基础的张 力控制系统，有上海佐林电器有限公司生产的z a 系列产品、海安前卫机电厂生产 的z k o 系列张力控制系统。另外，国内有许多厂家、科研院所、高校研制和开发了 以变频器为基础的张力控制系统，其中有南京航天航空大学开发的h i 系列高性能 微机控制变频器，其力矩补偿可进行2 5 6 种选择；华为公司生产的t d 3 3 0 0 系列张力 控制专用变频器，本身自带有惯量静态和动态补偿、弯曲力矩补偿等功能，不需 要专用的张力控制工艺板就能完成张力控制的功能。 相对来说，国外的张力控制系统设备不仅对于卷取过程中张力有严格精确的 控制，而且对于初始建立张力、抛尾过程张力都有较好的控制，有友好的人机界 面、完善的功能，如缓冲启动、防松卷功能、手动自动控制、模式选取、控制参 数的保存和调用、自诊断模式、多种通讯接口等。国外公司的张力控制设备一般 都是系列产品，能提供多种方案选择，以满足不同用户的不同卷取工艺需求。 从国内外现有的张力控制设备的状况来看，张力控制设备的发展趋势是向功 能多样化、产品系列化方向发展，集机械、液压、电气、计算机控制于一体。对 张力检测元件的开发和张力控制算法的研究也是张力控制设备开发研究的一个重 点。在直接张力控制系统中，检测元件精度直接影响张力控制精度；在间接张力 控制系统中，其张力控制算法直接关系到张力控制精度。近来有一些新的控制算 法的出现，如n i r e c o 公司的指数算法，它使张力控制与卷径无关，并且提高了系 统的稳定性、快速性。随着智能控制理论的发展，新型张力控制系统也得到了应 用，如模糊参数自整定p i d 张力控制系统、基于神经网络的张力控制系统，这也是 张力控制设备发展的另一个方向。1 。 1 2 课题来源及研究意义 本课题来源于“广东韩江钢板有限公司2 # 彩涂生产线电控设备设计和制造” 第一章绪论 项目。 彩涂钢板生产线的卷取机是基于调速控制的一类机电一体化卷材加工设备， 布置在彩涂线的出口段。卷取机在带材和线材生产中( 比如：造纸、印刷、纺织、 线材等工业领域) 均被广泛应用。 在彩涂钢板的生产过程中，卷取机的收卷控制是很关键的一道工序。由于卷 取机负载力矩包含了空载力矩、摩擦力矩、材料的弯曲力矩、张力力矩以及加减 速力矩，其控制通常比较复杂，因此系统设计和调试较为困难，难以达到最佳控 制效果一，。 在卷取机的调速控制中，卷材张力和卷取速度( 即生产效率) 是两个重要指标。 除了轴辊、制动等机械部件的固有特性外，电机速度与输出力矩( 对应张力) 的精 确控制非常重要。卷取机最终产品的质量在很大程度上取决于收卷张力的控制， 如收卷的松紧度、端面的平整度、定直径下的长度偏差、定长度下的质量偏差、 厚度均匀性等。成品彩涂钢板在收卷时的张力波动直接影响其卷形和厚度公差， 如果在收卷时张力波动过大，就会出现松卷、绷卷现象，严重时甚至出现断带现 象，使生产无法正常进行，上述质量指标将很难满足w 。 1 3 本课题的主要研究内容 以前，卷取机的调速控制通常采用直流电机加转速电流双闭环方式，可以达 到满意的控制精度。近年来由于彩涂钢板生产线速度不断提高，若仍旧用直流控 制，装置会更趋复杂；同时由于直流电机本身惯性较大，机电时间常数较大，存 在较长的控制滞后时间，很难满足高动态响应要求，也难以确保张力的稳定性。 随着交流电力电子技术的日益成熟，彩涂钢板卷取机的调速控制大量采用了交流 变频器。 卷取机将彩涂钢板卷绕成筒形时，由于对产品质量的要求，必须使彩涂钢板的 张力和线速度为一恒定值。由于卷径是逐步增加的，为了保持卷取张力恒定，也 就是卷取的线速度应保持恒定，需要在卷取过程中改变卷取电机的速度，相应降低 卷筒转速，最终要实现速度的精确控制。 基于以上分析，本文将以卷取机张力控制系统为主要研究内容，在查阅大量 国内外有关卷取机的文献和与项目相关公司的产品的内部资料的基础上，对彩涂 广东工、i k 大学工学硕士学位论文 生产线卷取机的工作原理及工艺要求进行深入研究，具体包括以下几个方面： 1 卷取机卷绕彩涂钢板过程分析； 2 卷取机张力控制的基本方式分析； 3 卷取机张力控制基本原理的研究； 4 卷取机卷筒上的钢卷的动态卷径的计算： 5 卷取机张力补偿控制和力矩电流给定值计算； 6 卷取机的卷绕特性分析； 7 卷取张力动态模型的建立； 8 卷取机间接张力控制系统的p i d 参数整定； 9 卷取机间接张力控制系统仿真分析。 由于卷取机及相关设备体积庞大、笨重，同时其工作条件比较恶劣，许多力 学行为无法采用现场实验的方法预先获得，所以本文将通过综合分析的基础上， 建立对应的控制系统数学模型，然后运用m a t l a b 仿真技术对其工作过程进行仿真 分析。 4 第二章彩色涂层钢板生产技术概述 第二章彩色涂层钢板生产技术概述 彩色涂层钢板( 简称彩板) 即有机涂层钢板，又称之为预涂层钢板。它是以金 属带钢为基材( 如冷轧钢板、热镀锌板、电镀锌板等) 通过严格的工艺控制，在其 表面涂覆各种高分子涂料( 如聚酯、硅改聚酯、偏聚氟乙烯树脂、聚氯乙烯、丙烯 酸树脂、环氧树脂等) 或粘贴上各种塑料薄膜( 如聚氯乙烯薄膜、聚乙烯薄膜等) 制成的产品”，。 彩涂板具有优良的耐蚀性、耐久性、冷弯加工成型性、美丽的装饰性、良好 的经济性及环保作用。它可供用户直接使用，广泛用于建筑、家电、交通等行业。 在彩涂板消费中，建筑行业是彩涂板的最大需求领域，占彩涂板市场的7 0 9 0 ， 各类建筑，包括仓库、超市、车站、机场、体育馆、商务楼、民宅等，都需要彩 涂钢板，主要用于生产瓦楞板、夹心板、门窗等；家电行业使用的彩涂板主要以 覆膜彩板( p v c ) 为主，主要用于冰箱、冰柜、洗衣机、消毒柜、微波炉、影碟机、 高档装饰品等醒目的外壳。 2 1 彩色涂层钢板生产技术现状 国外的彩板技术于1 9 2 7 年首创于美国，并于1 9 3 6 年建成世界上第一条涂层 钢板生产线。自6 0 年代以来，彩涂板生产急剧发展，产量不断增加。目前全世界 已有4 7 0 多条彩色涂层生产线，生产能力超过1 4 0 0 万吨以上。彩板生产线主要分 布在北美、欧洲、日本、澳大利亚及新西兰。除此之外，南美、南非、东欧及中 东地区也有一些生产线。彩板生产线的生产能力的分布估计为：北美占5 5 ；日 本及远东占1 6 ；欧洲及其它地区占2 9 。国外彩涂板产品主要用于建筑、家电 等行业n m 。 我国彩涂板的生产起步比较晚，从“七五”开始研究彩板，相继从彩涂板 生产技术先进的国家( 如美国、英国、日本等) 引进彩涂板生产线，且主要建于钢 铁厂或合资企业，而彩涂工艺设备和质检仪器基本上是从国外配套引进的。国家 科委也从“七五”开始组织原冶金部、化工部进行了彩板生产技术的国产化( 主 广东工业太学工学硕士学位论文 要是彩板预处理剂、涂料、彩涂板加工应用技术、设备等) 研究，取得了一定成效 ”“。到目前为止，我国己超过3 0 家企业已建或在建彩涂生产线。随着我国经济快 速增长，不断地有新企业、新厂房、办公楼投人建设，以往建筑厂房、车间大部 分以粘土烧制的红砖砌成，近些年由于我国保护土地，限制使用粘土砖，逐渐被 其它的建筑材料所代替，所以在国外发展多年的彩色涂层钢板，由于其具有环保、 美观漂亮、施工迅速、加工性好、颜色可以随意变化等优点，逐渐得到国内建筑 商和业主的青睐，彩涂板的需求量也越来越大，导致我国彩涂板生产能力也相应 得到了快速增长。据不完全统计，截止2 0 0 3 年底，全国己建成彩涂线5 0 多条， 生产能力已超过4 0 0 万吨年。高档次彩涂板在中国的潜在市场十分巨大。随着中 国的奥运会、世博会项目的建设速度加快，高档次彩涂板的需求量将逐渐增加， 而目前中国缺少的正是这类高端产品。同时，随着中国的入世，国内市场也将为 众多国外企业所看好。中国彩涂板生产企业将面临国内生产能力的迅速扩大和国 外产品大量进入的双重压力。预计在今后几年内，中国彩涂板生产企业将面临优 胜劣汰的局面“。 2 2 彩色涂层钢板生产技术发展趋势 目前，彩涂板的技术发展趋势主要体现在板采用高耐蚀性铝一锌合金镀层板， 且薄规格、高强度、耐腐蚀彩涂板将占据主导市场；另外，厚规格的大跨度板也 将有一定市场空间。全世界彩涂板的生产已趋饱和，国外己集中于提高产品质量、 开发新的功能型产品，因此，一些新工艺、新技术的开发和应用日趋活跃。工艺 上由辊涂新增了覆膜、压花和印花；品种上由最初的预涂钢板( p c m ) 发展到彩色层 压板( v c m ) 以及环保彩色钢板( e c m ) ；应用上从建筑内外装饰材料拓展到汽车制造、 家具、集装箱、家电用品等更广泛的领域m “】。 此外，国外彩涂板技术关注热点主要有m ，： 1 ) 基板：采用高质量的基板，多采用g a l f a n ( 5 a 1 ) 、g a l v a l u m e ( 5 5 a 1 ) 、 g a l v a n n e a l ( z n f e ) 、电镀z n n i 甚至不锈钢。无论采用何种涂装工艺，对其表 面质量、板形及尺寸精度的要求愈来愈高；增加在线板形矫直设备，大大提高产 品质量。 2 ) 预处理：趋向于采用无铬的表面预处理工艺，以满足愈来愈苛刻的环保 6 第二章彩色涂层钢板生产技术概述 要求：改用立式化学烘烤炉，节约能耗和厂房空间。 3 ) 涂层技术：关注于粉末涂层及p e t 膜( 聚乙烯对苯二酸盐膜) 与油漆复合 涂层技术； 4 ) 涂装机：采用新型双精涂和单滑轨涂装机，涂装机设置博士刀，使涂层 厚度更均匀、表面更光滑。采用测厚仪表在线闭环的膜厚控制精确控制涂层厚度， 加设在线色差仪和光泽度仪全面监控产品性能。 5 ) 其他：采用蓄热式( r t o ) 焚烧炉与常规的直燃式( d f i ) 焚烧炉相比较，更 加节能、环保；印花、贴膜等一系列特殊彩涂产品技术正在兴起；对于化学涂层 和初涂采用集中供给系统，可以提高生产效率。 2 3 彩涂钢板生产线的工艺流程 彩涂生产工艺主要有3 种：辊涂法、贴膜法、粉涂法。 广东韩江钢板有限公司2 # 彩涂机组是以退火平整后的冷轧碳素结构钢及优 质碳素结构钢钢卷、镀锌( 包括热镀锌和电镀锌) 钢卷为原料，采用两涂两烘生产 工艺，连续生产彩涂板卷。机组年产彩涂板1 0 万吨。 生产线主要工艺流程为：上料斗开卷送料_ 剪切头、尾一带头带尾焊接斗 去毛刺斗入口活套斗热水预清洗寸碱刷洗一碱喷淋斗热水洗寸脱盐冷水洗斗 风干寸化学涂层斗干燥成膜专初涂初涂固化成膜_ 风干斗水淬冷却斗吹干 斗精涂斗精涂固化成膜斗风干斗水淬冷却专吹干斗出口活套存料_ 夹送送料 t 齐、错边卷取成卷。 生产线按工段分可分为三段：入口段、工艺段和出口段。 入口段包括2 台运卷车、2 台开卷机、入口双切剪、半自动缝焊机、亚毛刺 机以及夹送辊等。原料钢卷在上料前首先由人工拆去外包装，再由吊车或叉车运 到入口上卷小车上，上卷小车将钢卷送到开卷机前，将钢卷套入卷筒。压辊压下， 开卷机启动，卷筒旋转，带钢头通过摆动穿带台送至夹送辊，由夹送辊送往双切 剪进行切头。切头后，经过人工对中后进入半自动缝焊机与前一卷带钢尾部( 带钢 尾部在停机时已切掉废边) 焊接。焊接后的带钢经压毛刺辊碾压缝合缝后，进入 l # 张紧辊，压毛刺辊抬起，入口段升速，带钢以高于工艺段的速度，使带钢充满 入口水平活套。机组换卷时，入口段需自动减速，然后停车，剪后留下一定长度 广东l 一业大学工学硕士学位论文 的带钢：进行换卷操作时，入口水平活套将放出贮存的带钢以使工艺段仍按正常 速度运行。换卷后入口段再启动时，活套内存的带钢已不满，需加速充套。当入 口活套充满时，入口段与工艺段的带钢保持同步运行。 工艺段包括带钢清洗、化学预处理、涂层、固化及涂后冷却等工艺。带钢清 洗，由预清洗、碱刷洗、碱喷淋、热水喷淋、冷水喷淋等工序组成，其作用是清 洗带钢表面的油脂与赃物，再经热风干燥后，可获得清洁而干燥的基板表面，为 接下来的化学预处理提供清洁、干燥和钝态的基板表面。各清洗处理工序出口处 均有挤干辊。带钢从入口水平活套出来，经过2 # 单辊纠偏辊、2 # 转向辊、3 # 转 向辊和2 # 张紧辊后即进入带钢清洗段。化学处理，为增强涂料与基板间的附着 力与涂层的抗腐蚀能力，清洁干燥的带钢从清洗段出来后，进入化学辊涂机，在 带钢正反两面，按同向或反向均匀地涂上极薄的一层化学剂涂层。然后，带钢进 入化涂烘干炉进行脱水烘干。带钢经3 # 张紧装置与3 # 纠偏辊进入涂层工序。涂 层工艺，由初涂与精涂及其后的烘干、冷却工序完成。涂层的固化分别在两座固 化炉中进行，均分为四个温度控制段，带钢在炉内悬垂状态运行，带钢的垂度通 过安装在炉子入口处的垂度检测仪控制。涂后冷却由分别设在初涂炉与精涂炉后 的冷却装置来完成，带钢在此装置经喷雾和喷水冷却使涂层得到硬化。带钢通过 冷却装置后，温度可降至5 0 摄氏度以下，然后带钢经过水平热风干燥器吹干带 钢表面的水份。初涂冷却后经4 # 张力器及转向辊、支撑辊组、5 # 纠偏辊进入精 涂机，经过精涂冷却装置、冷风吹干装置与5 # 张力器，进入出口段。 出口段工艺设备原理图如图2 1 所示。机组正常运行时，出口立式活套不存 储带钢，但当出口段换卷操作，分断剪切，取样及卸卷时或出口段因故停车时， 出口活套充套，以保证工艺段的正常运转，当出口段再启动时，卷取机以最大速 度运行，直到出口活套内的带钢放空，出口段再与工艺段同步运行。带钢从出口 立式活套经转向辊进入6 # 张力器、夹送辊：通过出口剪切机及出口转向夹送辊， 进入卷取机卷取。带钢的头部借助皮带助卷器以穿带速度卷到卷筒上，皮带助卷 器协助卷取机卷筒在开始几圈将带钢紧紧的缠绕在卷筒上，在卷取张力建立后， 皮带助卷器水平移动返回到原地等待，此时带钢既以高于机组工艺段的速度运 行，将出口活套中的带钢放空，为下一钢卷的卷取操作做好准备。当带钢分卷时， 用出口剪切分和切去缝合缝，下一卷带钢头部通过皮带助卷器重新绕到卷取机卷 筒上。卷好的钢卷利用出口卸卷小车从卷取机卷筒上卸下，人工用胶带粘贴住带 第二章彩色涂层钢板生产技术概述 头后运往成品包装区。带钢在成品包装区利用吊车辅助作业，进行称重和人工包 装。包装好的成品卷用吊车或叉车运至成品堆放区存放，等待发货。 6 # s 辊夹送辊 单层剪卷取机、卸卷小车 图2 1 出口段工艺设备原理图 f i g 2 1t e c l l n i c se q u i p m e n t p r 沁i p l ed i a g r 锄o f o u t p u ts e c t i o n 2 4 彩涂生产线机组主要技术性能 1 原料：热镀锌带卷和少量冷轧带钢 厚度：o 2 1 2 m ( 最薄可生产o 1 5 ) 宽度：6 0 0 1 2 5 0 m ： 卷径内径：9 5 0 8 m m ： 卷径外径：m a x a l 5 0 0 m ： 卷重：m a x l o o o o k g 。 2 成品：彩色涂层板卷 厚度：0 2 1 2 m m ( 最薄可生产0 1 5 哪) 宽度：6 0 0 1 2 5 0 m ； 卷径内径：0 5 0 8 m ； 卷径外径：m a x 0 1 5 0 0 哪： 卷重：m a x l 0 0 0 0 k g 。 9 及 广东工业大学工学硕士学位论文 3 机组速度( 参考带钢：o 5 咖1 0 0 0 哪8 0 m m i n ) 1 ) 机组正常运行速度： 入口段、出口段1 0 0 m m i n ( 设计能力可以到1 3 0 m m i n ) 工艺段8 0 m m i n ( 设计能力可以到1 0 0 m m i n ) 。 2 ) 穿带时机组速度： 入口段、出口段2 0 m i n ； 工艺段2 0 m m i n 。 3 ) 机组停车时间( 8 0 o m m i n ) ： 正常停车：1 5 s ： 快速停车：8 s 。 2 5 彩涂钢板生产线自动化系统控制方案 2 5 1 彩涂钢板生产线控制系统构成 1 自动化控制系统选用西门子公司s 7 4 0 0 系列的l 台c p u 4 1 2 2 d p 为p l c 系统主站，以生产线内所有的交流装置和操作台内远程终端e t 2 0 0 m 为从站，构成 通用的1 级p r o f i b u s d p 网，完成对生产线的实时控制任务。p l c 系统总线电源 采用u p s 供电方案。采用工业以太网及p r o f i b u s 现场总线技术将监控设备连接起 来，构成了一个稳定、易于扩充的硬件环境n ”。 电控室设工控机1 台( 可完成编程和监控) ，入口和出口操作台各设工控机1 台，与s 7 4 0 0 主站构成2 级工业以太网，实现人机对话功能，并通过工控机多幅 画面，完成对生产线工艺参数设定和全线工况监控，涂机操作箱配西门子触摸屏 2 台。3 台工控机之间采用工业以太网连接，形成一个系统数据共享的统一解决方 案。 西门子s 7 4 0 0p l c 在我们的方案中为主设备，它有总线访问的权限，并可以 读取或改写从设备变频器、e t 2 0 0 远程i o 的状态，从而达到控制和监视设备运行 状态之目的。 自动化系统编程采用s t e p 7 软件，画面组态采用w i n c c 软件，运用图形化的 方式提供强大的控制功能，具有统一的操作、运行界面，同时便于系统的再开发 与维护。 l o 第二章彩色涂层钢板生产技术概述 2 为了降低电缆成本，使系统具有灵活的可扩展性，我们采用e t 2 0 0 远程 i o ，并在设备旁就近安装。现场的接近开关、行程开关、电磁阀等开关量直接进 入远程i o 控制箱，模拟信号也通过本地的a d 模板转换成数字量，通过现场总线 电缆传递至主p l c 。 入口和出口操作台内均配置远程终端e t 2 0 0 m ，并与s 7 4 0 0 p l c 主站相连，台 内控制信号就近接入相应的e t 2 0 0 m 输入输出模板。 3 系统根据工艺要求能实现正爬、反爬、张力控制、张力显示、活套套量 显示、速度闭环控制、交流工频电机控制、现场逻辑联锁和全线自动化控制。 4 为了提高控制精度，测速装置选用测速码盘。 5 系统张力控制精度为2 ，码盘反馈时速度调节精度为o 5 。 彩涂生产线自动化系统单线原理图如图2 2 所示。 图2 2 彩涂生产线自动化系统单线原理图 f i g 2 2a u 七o m a t i o ns y s t e mp 血c i p l ed i a g r a mo f c o l o rp r e c o a t e dl i l l e 2 5 2 彩涂钢板生产线控制系统功能 1 操作人员通过人机交互控制整条生产线的正常运行，设备运行的状态、 参数、实时过程数据都通过画面显示出来，并作为历史数据保存在数据库中。 2 自动监视系统运行状态，对异常情况如变频器故障、电动机过热、断带、 温度异常等进行报警，并存储报警记录。 3 自动控制各主传动电动机之间的速度、张力的大小、风机和泵的起停、 阀门的开闭。 4 通过帮助画面对系统的使用提供指导。 5 生产数据库及历史数据库管理，并可查询及打印相关数据。 2 5 3 彩涂钢板生产线控制系统的特点及优势 1 三个操作台之间的联系均通过网络构成，在每个操作点上都可以浏览整 个生产线上的过程信息，操作方式较之传统方式更加简单可靠。 2 由于采用了网络及现场总线传递过程数据，多种信息的交换仅依靠网线 或屏蔽双绞线即可完成，这样就大大减少了系统施工时的布线工作量，也为今后 系统的维护及故障查找提供了方便。 3 过程参数的数字化传递，避免了模拟量传输所带来的漂移、抗干扰等问 题，大大提高了系统的稳定性。 4 若今后机组工艺、设备发生变更，只需要在总线上增添或摘除相应节点， 并对软件作少量修改即可。所以这种柔性的系统连接方式具有一定的适应性，可 以最大程度地保护用户的投资。 1 2 第三章卷取机概述 第三章卷取机概述 在彩涂钢板生产线上，卷取机是出口段的关键设备，其工作状态与设备性能 的优劣关系到彩涂钢板成品的质量好坏。卷取机的收卷控制也是整个彩涂钢板生 产线控制系统的一个重要的组成部分。 本章在分析卷取机的特点的基础上，着重介绍本课题所涉及的相关类型卷取 机的设备结构、工作原理和设备性能，并对彩涂钢板生产线出口段与收卷控制相 关联的设备的结构及其工作原理作简单的介绍，为本文下面各章的研究工作打下 扎实的基础。 3 1 卷取机的分类及特点 1 卷取机的分类 1 ) 卷取机按其抱辊数目分：八辊式卷取机，四辊式卷取机，三辊式卷取机， 二辊式卷取机； 2 ) 卷取机按其卷筒结构分：连杆式卷取机，斜楔式卷取机； 3 ) 卷取机按其抱辊滑架移动方式分：滑道式卷取机，无滑道式卷取机。 2 卷取机有以下特点 1 ) 卷绕速度的调节范围大，从绷紧的零转速到额定转速均可为正常工作状 态； 2 ) 为保证产品( 如原料钢板、纸张、 工的全部时间内应保持卷材张力的恒定； 3 ) 根据卷材的物理性质和加工需要， 3 2 带e p c 装置的卷取机设备结构 布匹、电缆等) 的最终质量，在卷取加 张力可任意调节。 本课题的彩涂生产线卷取机由卷筒、回转涨缩缸、齿轮箱、传动直流电机及 制动器、底座和横移液压缸组成。 彩涂生产线卷取机的设备结构图如图3 1 所示。 广东工业大学工学硕士学位论文 图3 1 卷取机设备结构图 f i g 3 1s t n l c t l l r ed i a g r a m o f c o i l e re q l l i p m e n t 卷筒为四斜楔涨缩式，扇形块与四棱锥套的斜楔通过t 型槽相连，扇形块与 卷筒轴沿轴向固定，四棱锥套在卷筒轴上滑动，使卷筒涨缩。 回转涨缩缸活塞向后移动时卷简涨开，活塞向前移动时卷筒收缩。回转涨缩 缸尾部是旋转接头，以保证涨缩缸转动时，液压管线不动。 齿轮箱支撑着卷筒轴，速比配置可以保证卷筒速度满足工艺要求。齿轮箱及 安装在其上的电机、卷筒一起在底座的滑道上移动，以满足齐边和错边卷取的需 要。齿轮箱的移动由横移缸操作，伺服阀控制。 3 3e p c 装置的设备结构 在带钢连续作业机组中，为防止带钢跑偏或卷取时出现塔形卷，专门设置了 一套e p c 装置。e p c 装置是张力卷筒在卷取时为使板边对齐而设置的边缘液压位 置控制系统。e p c 系统的动态性能对机组增加卷重和提高卷取速度十分重要。 e p c 系统由卷取机芯轴、光电头、薄带导向放大器、电液伺服阀、位置检测 器、油缸等部件组成。当带钢出现跑偏时，检测带钢边缘位置的光电头导向放大 器发出的跑偏信号，放大器将信号放大并转换成电流信号，再传至射流管式电液 伺服阀的可动线圈，这样，喷射管的喷嘴左右摆动，使得和液压缸连成一体的卷 1 4 第三章卷取机概述 取机随带钢跑偏作相同方向的移动，从而实现纠偏动作。 3 4 皮带助卷器的设备结构 皮带助卷器作用是帮助带钢头咬入卷筒，并使带钢绕紧卷筒。 皮带助卷器的设备结构：助卷器由两个摆动臂、液压缸、支座、皮带等组成。 皮带绕在摆臂的辊子上，由液压缸张紧，工作时支架上部的液压缸推动大摆臂靠 近卷筒，另一液压缸推动小摆臂抱住卷筒，皮带包在卷筒上并随卷筒转动而运动， 带钢咬入后被压在卷筒上。 3 5 卸卷小车的设备结构 卸卷小车的作用是把卷取机卷筒上的钢卷从卷取机上卸下，然后由天车运送 钢卷到成品区进行包装。卸卷小车由底座、小车传动装置、小车托架升降装置、 升降液压缸和液压站组成。 底座为钢板焊接框架结构，车轮及小车传动装置固定在底座上，小车行走带 动车上的钢卷移动。 小车行走机构是液压马达通过链轮链条传动车轮轴，一对车轮靠键连接在轴 上作为主动车轮，另一对车轮为从动车轮，通过销轴悬臂连接在底座上。液压马 达传动的特点是结构小巧，并能产生较大的扭矩。 小车托架升降装置为中间铰接式连杆机构，升降液压缸通过头部辊轮推动连 杆，使其交叉角度变化，项起托架。上卷时，钢卷放在托架上，液压缸带动托架 及钢卷升起，当钢卷中心对正卷筒中心时，小车移动进行上卷。 安装在运卷小车底座内的液压站，为升降液压缸和小车传动机构的液压马达 提供动力。这种安装在地坪轨道上的运卷小车结构简单，基础不用挖深坑。 3 6 出口段液压站设备结构 卷取机液压站为卷筒涨缩缸、助卷器架体摆动缸、摆臂摆动缸、皮带张紧缸 及出口夹送辊液压马达、伸缩导板液压缸提供液压源。 广东工业大学工学硕士学位论文 3 7 卷取机设备性能 型式：悬臂式可涨缩卷筒，上卷取。 钢卷规格： 1 ) 重量：m a x l 0 吨； 2 ) 带钢厚度：o 2 1 2 m m ； 3 ) 内径外径：9 5 0 8 m a x o l 5 0 0 姗； 4 ) 宽度：m i n 7 0 0 m a x l 2 5 0 衄。 卷筒涨缩范围：m a x 0 4 8 0 ，m i n a 4 5 5 ( 含橡胶套筒：m a x 0 4 8 5 ，m i n a 5 0 8 ) 回转涨缩液压缸：a 2 8 0 0 1 6 0 1 0 0 m 。 机座浮动横移范匾：1 0 0 衄； 横移液压缸：9 1 6 0 0 1 1 0 2 2 0 舢。 卷取机主传动交流变频电机：y t s p 3 1 5 l 一8 ，p 一9 0 k w ，n = 7 5 0 r m i n ，a c 3 8 0 v ； 电机尾部带冷却风机。 制动器型号：硎眩3 。一5 0 0 1 8 0 ，1 台； 工作电压：a c 3 8 0 v ( 得电抱紧) 。 卷取机主传动稀油润滑泵： 1 ) 型号：w b z 一2 5 ； 2 ) 公称压力：2 5 仲a ； 3 ) 电机：p = 1 5 k w ，n = 1 4 0 0 r m i n ； 4 ) 稀油润滑带油流信号器。 卷取机主传动速比：i = 1 6 8 8 。 卷取速度：m a x l 3 0 m m i n 。 穿带速度：约2 0 m m i n 。 卷取张力：m a x 2 7 0 0 k g 。 1 6 第四章卷取机张力控制基本原理 第四章卷取机张力控制基本原理 卷取机在卷绕带钢时，必须具有一定卷取张力。卷取张力值的大小取决于卷 取机工作状态和产品规格。过大的张力数值会破坏产品内部组织，以及使设备电 机容量增大；反之，过小的卷取张力数值也会影响产品质量，并发生带钢跑偏、 松卷等现象。可见，卷取张力过大或过小，均会直接影响到卷取机的正常工作。 卷取机张力控制在本课题中采用间接张力控制方式，即通过对相应变频器力 矩电流给定值的调节实现张力控制。由于直接调定的是变频器电机的力矩，而在 带钢运行过程中卷取机卷筒上带钢卷径在动态改变，要保证带钢张力恒定必须在 调节力矩给定电流时加入卷径动态补偿部分，需对卷取机卷筒上带钢卷径进行测 量计算以便计算卷径动态补偿力矩，同时还对电机在带钢加减速时因系统机械惯 性而要消耗的动态力矩以及存在的摩擦力矩的补偿进行分析。 本章从卷取机卷绕彩涂钢板过程分析入手，重点介绍卷取张力理论值的计算 公式、卷取机张力控制方式及其基本控制原理，并在此基础上着重研究卷取机问 接张力控制方式下的张力补偿控制和变频器力矩补偿电流的计算。 4 1 卷取机卷绕彩涂钢板过程分析 带钢经过正常彩涂工艺后，通过6 # s 辊、剪前夹送辊、单层剪、剪后夹送辊 后，经卷取机卷取成一定卷径的钢卷。 在彩涂工艺中，从6 # s 辊到卷取机的整个区域称为彩涂生产线的出口段。出 口段是彩涂生产线上的最后环节，在卷取机上卷取的钢卷即为彩涂钢板的最终成 品。彩涂生产线出口段示意图如图4 1 所示。 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 6 # s 辊出口段转向夹送辊 电机 图4 1 彩涂生产线出口段示意图 f i g 4 1s k e t c hd i a g r a mo f o u q ) u ts e c t i o ni nc 0 1 0 rp r e c o a t e dl i n e 4 1 1 卷取机咬钢速度给定曲线的确定 单层剪在每次剪切完成后，下一卷带钢的带头即出现在单层剪处。在剪前夹 送辊的牵引下，带头进入剪后夹送辊，然后被送入卷取机卷筒中，此时卷取机进 入咬钢状态。如果卷取机咬钢不顺利，以正常运行速度前进的带钢势必在卷取机 旁形成堆积，造成事故停车。为了顺利咬钢，咬钢时卷取机应采用斜坡函数速度 给定，并以正、反向交替工作模式进行，这样才能使带头顺利咬入“”，如图4 2 所 不。 o ln ( 咬铡速度) 7 、 一 、，。 t 图4 2 咬钢时卷取机速度给定函数 f i g 4 - 2s p e e dd e s i g n a t i o n 矗m c t i o no f c o i l e r 咬钢时的速度给定较低，其斜率与幅值由以太网上的工控机给出，它要根据 带钢的材质、厚度等参数以及彩涂工艺要求来确定，其值的修改也只能在工控机 第四章卷取机张力控制基本原理 上进行。 4 1 2 卷取机卷取过程中张力的设定 卷取机一旦完成咬钢，为了保证带钢卷取的质量，带钢就要承受一定的张力。 该张力是在卷取机与6 # s 辊之间形成的。在卷取机卷取的各个阶段，带钢承受的 张力不同。 在咬钢过程中，为使带钢从卷芯开始卷取紧实，卷取机一旦咬住带头，就要 以较大的张力值进行卷取，此时的张力通常比正常运行时的张力要大“”。在卷取 机卷取过程中，卷径不断增大，当卷径达到一定数值d n 时，应当把张力降下来， 以正常运行时的张力进行卷取。 张力降下来后，由于时间较短，卷径变化并不大，为d 。从卷取的整个进程 来看，这个阶段时间最长、卷径变化最大，直到卷径接近剪切时的卷径d ，。 在剪切时( 卷径为d ，) ，带钢需要承受较小的张力，以利于剪切，所以此时通 过剪前夹送辊建张的办法把带钢张力降低为剪切张力。 张力随卷径按一定斜度变化，这样可以改善卷取机卷取的钢卷外形，从而提 高彩涂钢卷产品的质量n 。 卷取过程中卷取带钢的单位张力与钢卷外径问的递变函数关系见图4 3 。图中 的各张力值都是由以太网上的工控机根据彩涂工艺要求给出的。剪切后的带钢经 带尾定位后，卷在卷取机上，被卸卷小车运走，这样就完成了一卷带钢的彩涂与 卷取的任务。 穿带张力 彩涂张力 剪切张力 d od 1d 2 d 3 图4 3 带钢承受张力设定 f i g 4 3e n a c 咖e n tt e 璐i o no f s t e e l 1 9 径d 4 2 卷取机张力值理论计算公式 在连续作业机组中，张力是一个重要的参数，只有建立合适的张力，才能使 带钢在机组中正常运行。带钢的开卷和卷取都需要一定的张力，对于某些机组， 如酸洗、退火、镀层等工艺上都要求有一定的张力，因而卷取张力的大小对于后 续工序有很大的影响。 在卷取的过程中，正确的选择张力值，能使带钢始终保持在机组中对中运行， 不致左右跑偏。在建张过程中，张力选择过小，容易使带钢出现跑偏现象；过小 的张力会出现松卷、塔卷现象。大张力对于控制带钢跑偏以及使带钢卷紧有利， 但是，过大的张力会使张力装置和卷取机传动设备加大，增加了对设备的投资； 此外过大的张力有可能会拉断带钢而影响机组的正常运行，卷太紧还会使带钢表 面损伤，影响钢卷的质量1 。 为了卷紧带钢，使带钢在卷筒上产生较大的塑性变形，一般认为带钢在卷取 过程中塑性渗透率k = o 8 为宜，而在设计卷筒时卷径是依据公式( 4 1 ) 来计算的 1 ： d 塑丝( 4 1 ) 盯s 式中：卜卷筒卷经； e 卷取带钢的弹性模数； h 卷取带钢的厚度； 盯。卷取带钢的屈服极限。 一般一台卷取机是要卷取一定厚度范围内的带钢，因此厚度h 一般是以平均值 或卷取最多的带钢来决定。在卷取最薄带钢时是达不到所要求的塑性变形的，其 结果是使带钢卷不紧。采用减少卷筒的直径来满足上述所要求的塑性变形，往往 受到卷筒强度和结构方面的限制；若采用提高带钢温度、降低屈服极限盯。来满足 带钢的塑性变形要求，往往又受到带钢机械性能的限制，故一般采用适当的卷取 张力来满足上述所要求的塑性变形。 从理论上讲卷取张力值的选择应从这一观点出发，由此可得张力t 的计算公 式： 因为： 第四章卷取机张力控制基本原理 盯。：三+ 坚丝 ( 4 2 ) 2 丽十1 厂 h 纠 由上式推得： t _ b h ( 旷警) ( 4 3 ) 式中：b _ 卷取带钢的宽度； t 带钢张力。 式( 4 3 ) 是卷取机张力值理论计算公式，也就是张力大小的选取理论上的依 据。 设计时，一般可按照下列经验公式进行初步计算，然后按生产实践的经验加 以最后确定，即： t = c r o b h ( 4 4 ) 式中： 口。单位张力； 盯。值可按表4 1 选取。 值可按表4 2 选取。 选定屈服极限= 1 4 0 n i i i l2 ，根据彩涂原料卷的规格参数：带钢厚度h = o 5 m ，带钢宽度b = 1 0 0 0 m m ，则根据表4 一l 、表4 2 和式( 4 4 ) 得卷取机给定张力： t 2 盯0 b h 2 0 5 b h = 3 5 0 0 0 n 。 利用该公式计算正确值比较差，对薄带钢的卷取十分不利。上述公式进行张 力的理论计算是有很大的不合理性，在工作中只能作为一个参考值，因为在实际 的运行中，考虑到助卷力等的作用，选择张力并不需要那么大。 表4 一l 带钢的单位张力c r 0 值计算公式 t a b 4 1c a l c u l a 的nf o n n u l a ro f u n “t e n s i o no f c o l o rs t e e l 带钢厚度h ( m m ) o 3 1l 22 4 i 单位张力仃。( n 咖z )o 5 0 8 0 2 0 5 0 1 o 2 表4 2 碳素钢钢板及钢带性能指标( 备注：c r 为c o l dr o l l ) t a b 4 -