连续运行机组张紧辊负荷分配的理论与案例分析

连续运行机组张紧辊负荷分配的理论与案例分析王玉广(宝钢分公司冷轧厂设备管理室)摘要：本文对冷轧连续运行机组的张紧辊组各辊之间负荷分配的原理做了由浅到深的分析，并对宝钢某连续热镀锌机组平整拉矫段长期存在的张紧辊组跳电问题进行了案例分析，对其他机组的张力负荷分配与解决现场问题有一定的参考意义。关键字：张紧辊、负荷分配、张力、跳电、负荷平衡对于冷轧的连续运行机组，一般来说，会根据机组工艺的要求和控制的需要将整个机组分成假设干个段，每个段可以单独地进行张力的设定与控制。各段之间的张力设定值可以不同，也可以相同，这就需要张紧辊组将不同的张力段隔开。张紧辊组的组成一般有两辊式、三辊式和四辊式等，由于张紧辊组前后的张力不同，其中的张力差就需要在组成张紧辊组的各辊子之间进行分配，这就涉及到负荷分配的问题。如果负荷分配不合理，很容易导致张力波动或者某些辊子容易因过载而跳电，下面就负荷分配的理论进行简单分析。我们本着从浅入深的原那么，先假定出下面的一个四辊张紧辊组〔设各辊的带钢包角分别为，，，，摩擦系数均为〕，张紧辊布置示意图见图1，，，，，分别为各处带钢的张力。并假定根据工艺要求，张紧辊组出口张力与入口张力设定值一般按照比例2进行，也就是说，在图1中， ①图1：某个四辊张紧辊组示意图根据欧拉公式，辊子出口张力与入口张力之比满足下面的等式：因此对于图1中所示意的张紧辊组，假设各辊子的与带钢的摩擦系数都一样，可以得到：②为了表达由①和②两组等式得到各辊分担的张力比的计算过程，此处，不失一般性地假设包角〔与图1中的布置示意图稍有不同〕，可以得到下面的表格1，其中,那么此处。包角Degrad1702.967160140130表格1：包角比例计算表那么由于，通过运算，可以得到；；；；进而得到；；因此，1号辊的负荷分配比例为；同理得到2号辊的负荷分配比例为0.247；3号辊的负荷分配比例为0.256；4号辊的负荷分配比例为。得到了各个辊子的负荷分配比例后，就可以进行电机的功率选型以及控制马达的速度。然而，在实际的机组中，每个张紧辊组的出口张力与入口张力之比的设定都是一个不固定的数值，而且操作人员还可能随时调整各段张力的设定，这就需要针对不同的出口张力与入口张力之比，事先算好在各典型的比值下的各辊子负荷的比例，在程序中做成表格或者函数，对于其他的比值，那么根据做好的表格或函数进行差补，得到需要的负荷分配比例。比方宝钢的某条热镀锌机组的5号张紧辊组布置位置和图1中一样，4个辊子的带钢包角都为，计算的出口张力与入口张力的比从0.1到10的经典值和计算后的负荷比例见表格2。出口张力与入口张力比1号辊比例2号辊比例3号辊比例4号辊比例110表格2：四辊张紧辊组负荷分配表〔四个包角都为180度时〕在控制程序中，将上面的表格输入到描点函数(本机组采用三菱的MELPLAC2000系列的PLC，在该系列PLC中，描点函数为FGEN)中，在非经典比值的张力比处，描点函数会自动进行差补，得到最接近附近2个经典比值的负荷比例的负荷比例。将表格2绘制成曲线，见下面的图2。从曲线中可以看出，中间的2号辊和3号辊的负荷比例变化不大；而当张紧辊组的某侧张力设定明显相对变大的时候，处在该侧的辊子负荷比例会比拟大，几乎为整个张紧辊组负荷的一半。图2：四辊张紧辊组各辊负荷比例曲线负荷分配的另一个方面是负荷平衡控制(LoadBalanceControl)，也就是将上面计算出来的目标负荷值作为电流参考值〔CURRENTREF〕，和实际的电流反应值相比拟，如果实际电流小的话就将此辊子速度提高。对被控制的辊子来说，负荷平衡输出就是加到LINESpeedREF〔MRH〕上的一个补偿数值。参见图3。图3：负荷平衡控制框图其中：每个电机的负荷设定值：每个电机的电流反应值〔转矩电流反应〕：每个马电机的额定转矩电流值：每个马达的负荷率(负荷分配比例)综合以上两个方面就得到了负荷分配的全部内容，控制框图见图4。图4：负荷平衡示意图 下面做一个现场应用的案例分析。本热镀锌机组的镀后段布置有平整机和拉矫机，布置示意图见图5，带钢的运行方向为从右向左。机组曾屡次发生因为6号张紧辊组2号辊电机过载而跳电的故障，导致机组停机，影响生产的正常进行。08年5月15日就发生过一次6号张紧辊组2号辊电机的变频器跳电故障，报警代码为OverLoad，当时在使用拉矫机，未使用平整机，焊缝刚经过拉矫机。图5：平整拉矫段布置示意图故障发生后，复位以后机组正常开机，观察几卷均正常，但不使用平整机的时候，拉矫机的6号张紧辊组的各辊负荷都比拟大，但在使用平整机的时候，6号张紧辊组的各辊负荷都下降很多。而使用与不使用平整机的主要区别就是平整机出口段张力的设定值的大小不同〔也就是6号张紧辊组入口张力的设定值〕，使用平整机的时候，平整机出口段张力的设定为不使用平整机的时候张力设定的两倍。6号张紧辊组的负荷分配曲线见图6。图6：6号张紧辊组负荷分配曲线从图6中可以看出，不使用平整机的时候，6号张紧辊组的入口张力比拟小，这样它的出口张力与入口张力设定之比就增加了，导致2号辊的负荷分配比例向不断增大的方向变化，最终可能导致过载跳电。因为图6中的曲线是在假设两个辊子与带钢的摩擦系数一样的情况下得到的，而一般来说，两个辊子更换的时间和磨损情况并一样，因此，上面的曲线就出现了误差。所有的跳电都发生在不使用平整机的时候，因此，6号辊组2号辊的跳电应该与平整拉矫段的各段张力设定有关系。我们在程序中把不使用平整机的时候的平整出口段张力提高了倍，6号张紧辊组的负荷明显下降；5号张紧辊组的负荷在不使用平整机的时候才10％左右，在提高平整机出口段张力设定后，5号张紧辊组的负荷稍有上升。通过更改6号张紧辊组的入口张力设定，最终解决了跳电问题，实际上就是对负荷分配理论的应用。结束语：负荷分配在机组设计初期的辊子布置和电机功率确定等诸多方面都有重要的作用，我们在这个方面还有很多工作可以做