森吉米尔20辊可逆冷轧机交流控制系统.docx

森吉米尔 20 辊可逆冷轧机交流控制系统王亚杰，郭甜，王福星，赵文静，齐怀轩（天津电气传动设计研究所有限公司 ，天津 300180）摘 要 ：全 交 流 s120 控制系统应用于森吉米尔 20 辊 轧 机 ，实 现 速 度 、直 接 张 力 控 制 。 介绍了森吉米尔 20 辊轧 机 的 特 点 ，传动系统在驱动控制图中实现卷径计算 、直 接 张 力 控 制 、加减速补偿及摩擦补偿的控制方法 。 采 用 高 精 度 、快速响应的数字式速度控制 ，使该轧机的张力系 统 具 有 先 进 、可 靠 、精 度 高 等 特 点 ，张 力 波 动 小 ，满 足用户对张力的高精度要求 。关 键 词 ：驱 动 控 制 图 ；卷 径 计 算 ；直 接 张 力 控 制中 图 分 类 号 ：tm921文 献 标 识 码 ：b20 high reversing z- mill ac control systemwang ya- jie，guo tian，wang fu- xing，zhao wen- jing，qi huai- xuan（tianjin design research inst.of electric drive co.，ltd，tianjin 300180，china)abstract: ac s120 control system applies to 20 high reversing z - mill，to achieve the control of speed andthe direct tension.the features of z- mill and the methods of diameter calculation，direct tension control，acceleration and deceleration compensation,friction compensation in dcc were introduced.based on high accuracy，fast response digital speed control，the automatic gauge control for tension is advanced，reliable and accurate，the tension fluctuation is low，so the system can meet userrequirements for high accuracy of tension.key words: drive control chart(dcc)；diameter calculation；direct tension control间 辊 传 递 到 多 点 支 撑 背 衬 辊 最 终 传 递 到 轧 机 刚体机座。2） 森 吉 米 尔 20 辊 轧 机 是 整 体 结 构 ， 中 间 辊 系 空 间 是 由 整 体 轧 机 中 掏 空 高 精 度 加 工 出 来 的 ， 所 以 这 种 辊 系 设 计 保 证 了 工 作 辊 在 长 度 方 向 和 垂 直 方 向 具 有 很 高 的 强 度 ， 挠 度 降 低 到 最 小 ，带 材 轧 制 过 程 中 在 长 度 和 宽 度 上 达 到 很 小 的 厚 度 公差范围。3）森吉米尔 20 辊轧机由于特殊的支撑结构， 能够使用直径极其小的工作辊 。 结果是这种轧机 和 经 典 轧 机 比 起 来 ， 轧 制 力 更 小 、 轧 制 和 轧 机 偏 差更小。 相应地，中间辊的退火次减少 ，并且使快 速更换工作辊成为可能 。4）通 过 旋 转 背 衬 辊 偏 心 轴 ，背 衬 轴 承 相 对 于 牌 坊 的 位 置 能 够 得 到 改 变 ，从 而 精 确 控 制 工 作 辊 之 间 的 距 离 。 这 是 基 础 的 控 制 动 作 ，能 够 实 现 辊 的快速、平行和非常精确的定位。1引言zr23wf-19 是 20 辊 可 逆 式 森 吉 米 尔 冷 轧机 ，具 有 适 合 大 压 下 量 的 整 体 框 架 ， 在 轧 制 薄 带和 超 薄 带 具 有 独 特 的 优 势 ，能 够 达 到 一 个 更 好 的 公差范围。 在不锈钢、有色金属、合金领域受到越 来 越 多 的 关 注 ，并 得 到 广 泛 应 用 。 某 材 料 公 司 为了 完 善 自 身 产 业 结 构 满 足 生 产 的 需 要 引 进 20 辊 森 吉 米 尔 可 逆 冷 轧 机 ，主 要 生 产 尺 寸 及 平 直 精 度较 高 的 合 金 。 该 轧 机 传 动 系 统 采 用 西 门 子 s120变频器控制 。森吉米尔轧机简介森吉米尔轧机不同于 4 辊轧机和其他形式的 多辊轧机， 它们最根本的区别就是辊系的不同设 计导致轧制力的分配方式不同。 具有以下特点。1）森 吉 米 尔 20 辊 轧 机 工 作 辊 轧 制 力 通 过 中2作 者 简 介 ：王 亚 杰 （1979-），男 ，本 科 ，工 程 师 ，email： 22电 气 传 动 2013 年 第 43 卷 第 4 期王 亚 杰 ，等 ：森 吉 米 尔 20 辊可逆冷轧机交流控制系统 表 1传动系统电机配置 3 交流传动控制系统3.1 传动设备3.1.1 整流电源模块slm 新 一 代 回 馈 整 流 单 元 整 流 通 过 二 极 管 完成，再生 反馈时，通过 igbt 实现 网 侧 换 流 并 提供 100%连续再 生 能 量 反 馈 。 当 传 动 系 统 处 于 再生 工 作 状 态 时 ， 直 流 回 路 电 压 增 加 ，igbt 导 通 ，将能量回馈至电网。在 计 算 电 源 模 块 的 容 量 时 ， 考 虑 到 20 辊 主 电 机 、前 后 张 力 卷 取 机 与 上 卷 段 、 下 卷 段 的 开 卷 机 、收 卷 机 不 会 同 时 工 作 ， 还 考 虑 到 前 后 张 力 卷 取 机 的 工作状态（一个处在电动状态，另一个处在 发电状态）。 计算电机用电总容量pmc 为pmc=0.62（315）+315=693 kw选择西 门 子 800 kw，1 700 a智 能 整 流 模 块 6sl-3330 - 6te41-7aa0。3.1.2 变频调速模块sinamics s120 dc/ac 多 机 传 动 变 频 调 速 模 块 具 有 以 下 特点：1）控制单元 cu320 与电机模 块分开，它们之间通过 drive-cliq 电 缆连接。 1 台控制单元可以连接多台电机模块。 所有的电机模块的控制和调节都在控制单元中实现，方便调试；2）外部的开关量输入输出或者模拟量输入输出都 可以通过扩展的模块连接到控制单元中， 方便在 pc 中查看各个量的状态；3）整个控制回路从输 入 给 定 到 变 频 器 输 出 ， 都 图 形 化 在 控 制 单 元 中 ，各 个 环节一目了然 ， 直 观 地 对 控 制 状 态 进 行 了 解 ；4）根据电 机 优 化 流 程 ，很 方 便 对 电 机 进 行 辨 识 和 矢 量 控 制 优 化 ， 节 约 时 间 提 高 调 试 效 率 ；5）s120 中的 dcc 使用图形化编程，可以和装置内部参数 连接，扩展了控制功能，方便实现工艺的控制。tab.1configuration of drive motor system（380 v，840 a）6sl3120-控 制 范 围 为 9100 kn， 大 张 力 段 ） 以 及 55 kw（张力控制范围为 212 kn，小张力段）。3）2 台 电 机 交 替 工 作 完 全 满 足 2100 kn 的 张 力 范 围 。 如 果 卷 取 机 选 择 电 机 为 单 电 机 315 kw，在 2 kn 张力段，张力电流与电机额定电流的 比 值 为 2.2%，几 乎 接 近 电 机 的 空 载 电 流 ，如 此 小 的 电 流 ， 控 制 系 统 本 身 已 经 无 法 保 证 控 制 精 度 ， 更不能保证其稳定性。 所以在小张力段用 1 台大 的 电 机 （315 kw）时 ，保 证 带 材 的 张 力 控 制 精 度 ， 是完全没有保障的。 如果在小张力段将张力电机 切 换 为 55 kw， 张 力 电 流 /额 定 电 流 的 比 值 为12.5%，这样保证 张 力 控 制 精 度 没 有 问 题 ，且 其 他 电气参数也较为合理。 所以，采用前、后张力卷取 电 机 选 择 一 大 （315 kw）一 小 （55 kw），加 双 进 单 出减速机配置。4）主机入口和出口侧装有测速偏导辊和非接 触 式 激 光 测 速 ， 两 种 测 速 方 式 可 以 选 择 使 用 ，方 便维 修。 前后配备 非接触式 x 射 线测厚仪 ，将 带 材实 际 厚 度 反 馈 给 agc 控 制 系 统 。 abb 张 力 计 测 量 实 际 张 力 ，测 量 范 围 2100 kn，用 于 直 接 张 力控制，保证张力的稳定，安装在主机前后。5）上卷段电机功率为 45 kw。 配备对中装置 一 套 ，测 量 开 卷 机 带 材 边 缘 部 分 ， 并 反 馈 到 开 卷 机 上 做 轴 向 调 节 ，确 保 带 材 始 终 在 中 心 位 置 。 激 光 测 径 安 装 在 开 卷 机 前 ， 保 证 卷 径 正 确 ， 便 于 张 力控制。6）下卷段电机功率为 37 kw。 配备激光测径，装于开卷侧 。3.1.4 网络配置simotion-d435 主 要 负 责 传 动 系 统 与 plc23传动系统配置传动系统电机配置如表 1 所示。 在可逆冷轧 系 统 中 ，主 机 与 前 后 卷 取 机 张 力 控 制 的 稳 定 性 和 精 度 对 整 个 生 产 线 产 品 的 质 量 、 板 型 、 厚 度 等 产 品 参 数 的 影 响 是 至 关 重 要 的 。 尤 其 是 在 小 张 力 段 ，此 时 带 材 的 厚 度 已 经 很 薄 ， 张 力 的 波 动 对 产 品 精 度 的 影 响 更 为 明 显 ， 结 合 生 产 工 艺 数 据 ，经 严格论证得出以下配置 。1）主 轧 机 电 机 功 率 为 315 kw。 主 机 前 后 配 备 2 辊 擦 拭 器 ，当 带 材 从 轧 机 穿 出 时 将 表 面 的 工 艺润滑油刮去，将工艺润滑油留在轧机内 。2）前、后张力卷取电机功率为 315 kw （张力3.1.3序 号电 机 名 称功 率/kw电 压/v电 流/a转 速/（rmin-1）电 机 型 号s120 变 频 器1上 卷 段 开 卷 机（卷 取 机 ）4538092741ytps280m-86sl3120-1te31-3aa3（380 v，132 a）2前 张 力 电 机315/55380580/1107411pq8357-8pb40-zytps315s-86sl3320-1te38-4aa06sl3120-1te31-3aa3（380 v，132 a）3主 机3153805807411pq8357-8pb40-z6sl3320-1te38-4aa0（380 v，840 a）4后 张 力 电 机315/55380580/1107411pq8357-8pb40-zytps315s-86sl3320-1te38-4aa0（380 v，840 a）1te31-3aa3（380 v，132 a）5下 卷 段 开 卷 机（卷 取 机 ）3738075741ytps280s-86sl3120-1te28-5aa3（380 v，85 a）电 气 传 动 2013 年 第 43 卷 第 4 期王 亚 杰 ，等 ：森 吉 米 尔 20 辊可逆冷轧机交流控制系统 之间的数据的统一处理，比如控制字、状态字、速度给定、张力设定值以及一些返回状态等，由 d435 统 一发送和接收，而后分配给各个 cu320 控制单元。 卷径计算和直接张力控制以及控制逻辑和连锁都在 装置中通 过 s120 中 的 dcc 实 现 。 dcc 是 专 为 sinamics 变频器提供的一种可编程环境，用图形 化的语言通过编程来完成特定的工艺 。 在此项目 中，dcc 输入输出量比如张力给定、卷径实际值等 都使用相对量，所以在使用之前首先要标定。3.2 控制系统3.2.1 卷径计算卷 径 计 算 的 准 确 与 否 直 接 影 响 着 张 力 控 制 的稳定性和精度 。对于卷取机有：计 算 出 的 卷 径 值 会 进 行 合 理 性 校 验 ，如 果 验 证 不合 理 之 处 ，则 对 其 进 行 校 正 。 每 个 扫 描 周 期 内 卷 径的变化不会超过其最大变化量 dmax，可以以此进行卷径变化的校验。 dmax 公式如下：n wth tadmax=tol（3）260i1 000式 中 ：dmax 为 每 个 扫 描 周 期 内 卷 径 最 大 变 化 量 ，m；tol 为 调 节 因 子 ；n 为 电 机 转 速 值 ，r/min；i 为 减速比；wth 为材料厚度，m；ta 为采样时间，s。3.2.2 张力控制张 力 控 制 分 为 直 接 张 力 控 制 系 统 和 间 接 张 力 控 制 系 统 。 直 接 张 力 控 制 系 统 需 要 张 力 传 感 器 ，通 过 张 力 闭 环 来 控 制 转 矩 或 转 速 。 间 接 张 力控 制 系 统 不 需 要 张 力 传 感 器 ，而 是 根 据 张 力 设 定 值 计 算 转 矩 给 定 ，通 过 转 矩 限 幅 来 控 制 张 力 。 间 接 张 力 控 制 虽 然 稳 定 ，但 是 由 于 各 种 摩 擦 和 电 机 本身效率很难保证精度 。 直接张力精度比间接张 力 要 高 ，但 是 易 出 现 稳 定 问 题 ， 实 际 应 用 中 应 以间 接 张 力 为 基 础 ，做 好 摩 擦 补 偿 ，加 减 速 补 偿 等 ，张力闭环只用来微调转矩或者转速 。 张力控制流 程见图 2 所示。v2=dact n/（60i）（1）式中：v2 为计算带钢线速度 ，m/s；dact 为实际卷径 ，m；n 为电机实际转速，r/min；i 为机械减速比。偏导辊线速度：v1=d0n/60（2）式 中 ：v1 为 带 钢 实 际 线 速 度 ，m/s；d0 为 偏 导 辊 辊径，m；n 为偏导辊实际转速，r/min。卷 取 过 程 中 在 任 何 时 刻 2 个 线 速 度 应 该 是 相等的，即 v1=v2 。 假设计算得到线速度 v1 和实际 线速度 v2 有差 值，那么卷径 就在不断的 增加或 减 少 ，所 以 整 个 卷 取 的 过 程 是 一 个 在 初 始 卷 径 基 础 上 卷 径 积 分 的 过 程 ，2 个 速 度 差 值 的 积 分 就 是 实 际的卷径。 只要有合适的积分器就可以完成卷径 的计算。 卷径计算器结构如图 1 所示。图 2 张力控制流程fig.2 the process of tension control考虑影响张力的主要因素有：tm =tf+th+ti式 中 ：tm 为 卷 取 电 机 电 动 转 矩 ；tf 为 卷 取 电 机 张 力力矩；th 为摩擦力矩 ；ti 为惯量力矩。摩擦 力 矩 补 偿 和 惯 量 力 矩 补 偿 在 后 续 环 节中 说 明 ， 在 实 际 应 用 的 过 程 中 ， 先 投 入 间 接 张 力 给 定 观 察 直 接 张 力 的 反 馈 值 ， 如 果 两 值 相 差超 过 间 接 张 力 给 定 值 5% ，可 以 用 系 数 调 整 间 接 张 力 给 定 值 ，使 差 值 缩 小 ，而 后 投 入 直 接 张 力 pi调 节 器 。dcc 中 有 专 门 的 pi 调 节 器 ，可 以 用 来 做张 力 调 节 。 直 接 张 力 pi 调 节 器 要 保 证 调 节 的 快 速 性 ，但 是 又 不 能 造 成 张 力 波 动 震 荡 ， 据 此 调 整p，i 系 数 的 值 。 pi 调 节 器 的 输 出 调 节 量 要 做 限 幅 ，一 般 在 5%10%之 间 。如 果 调 节 量 太 大 ，调 节图 1 dcc 卷径计算器fig.1 the calculator of diameter dcc“卷 径 设 定 ”为 高 电 平 时 ，可 以 把 初 始 卷 径 值设 定 到 卷 径 实 际 值 ，卷 径 实 际 值 在 此 基 础 上 增 加 或者 减小 ；“最 大 卷 径 ”和 “最 小 卷 径 ”限 制 计 算 器 的 卷 径 输 出 值 在 合 理 的 范 围 之 内 ；当 电 机 速 度 或 者实 际 线 速 度 小 于 最 小 值 时 ，卷 径 保 持 ，不 计 算 。24电 气 传 动 2013 年 第 43 卷 第 4 期王 亚 杰 ，等 ：森 吉 米 尔 20 辊可逆冷轧机交流控制系统 器 深 度 饱 和 ，一 旦 张 力 波 动 很 容 易 断 带 。摩擦补偿dcc 中 有 20 断 点 的 pli20 多 段 线 ， 可 以 用 来做摩擦曲线的设计 。 摩擦补偿在间接张力控制 时 是 必 要 的 ， 直 接 张 力 控 制 时 ， 为 了 保 证 张 力 控 制 的 调 节 量 尽 可 能 在 一 个 小 的 范 围 内 ，也 是 需 要 做的。 摩擦补偿与电机轴速度和减速机温度有密 切 关 系 ，在 测 量 摩 擦 补 偿 时 ， 可 以 先 使 电 机 工 作 一 段 时 间 ，减 速 机 温 度 上 升 后 ， 测 量 出 的 补 偿 值 会更准确。 摩擦补偿的测量如下：通过 s120 中控 制 面 板 加 速 电 机 ，曲 线 记 录 速 度 调 节 器 的 输 出 稳 态值，作为摩 擦补偿值 。 分别记录从 速 度 0 r/min 到 最 高 转 速 共 10 个 点 的 值 ， 绘 制 pli20 摩 擦 补 偿曲线。 图 3 为某速度值时摩擦补偿记录。3.2.3图 4 加减速补偿曲线fig.4 deceleration compensating curves3.2.5 断带保护在 生 产 过 程 中 如 果 发 生 断 带 ， 张 力 突 然 消 失 ，由 于 此 时 速 度 环 不 工 作 ， 转 矩 限 幅 维 持 电 机 转 矩 不 变 ，张 力 转 矩 变 成 加 减 速 转 矩 ， 造 成 电 机 突然 加 速 ，非 常 危 险 ，此 时 系 统 要 判 断 出 已 断 带 ， 发 急 停 命 令 ， 使 电 机 以 最 大 转 矩 限 幅 制 动 停 车 。在 间 接 张 力 控 制 系 统 中 ，可 以 用 张 力 给 定 值 与 转 矩 实 际 值 进 行 比 较 做 出 断 带 判 断 。 此 项 目 中 ，可 以 用 张 力 实 际 值 取 代 转 矩 实 际 值 ，这 样 判 断 更 准确，在 dcc 中可以实现此控制功能 。图 5 所示。控制结构如图 3 摩擦补偿曲线fig.3 frictional compensation curves图 3 中 ，速 度 调 节 器 输 出 值 的 稳 态 值 即 为 此速度下摩擦补偿值 。3.2.4 加减速转动惯量补偿当 电 机 加 减 速 的 时 候 ，需 要 补 偿 一 个 加 速 或 者 减 速 转 矩 ， 这 个 补 偿 称 为 加 减 速 转 动 惯 量 补 偿 ， 以 保 证 加 减 速 时 实 际 张 力 维 持 在 一 稳 定 值 。加 减 速 转 动 惯 量 补 偿 是 由 dv/dt 与 电 机 转 动 惯 量