微张力控制在棒材连轧机中的应用

介绍了微张力的概念，将微张力控制、程序算法和改造效果引入棒材轧制控制系统。关键词：棒材轧制微张力控制系统中图分类号TG333.11文件标识码b目前湘潭钢铁公司棒材厂中轧机机架电机转速手动调节，机架间速度难以匹配，导致产品孔型棒材尺寸不一致，质量差。因此，决定在中轧机的PLC程序中增加微张力控制。一、理论分析1。微张力介绍。棒材正常连轧所遵循的基本原理是机架间金属第二流量相等，即在公式(1)中，An—— Vn——中第n个机架轧件的横截面积表明An和Vn决定金属第二流量，其中An受制造工艺限制(如道次， 辊缝减小量由公式(1)推导出相邻机架间的速度关系应满足以下要求：en=VN/VN-1=an-1/a. (2)公式E-前后机架轧件面积比(n-l，n)，这也意味着在金属延伸的实际生产中，轧件受钢材温度、材质、坯料形状、孔型磨损等扰动因素的影响，并且无法保证精确的截面积，导致2。轧制扭矩的计算。棒材轧制过程中的张力变化直接影响轧机主传动电机的负载转矩，因此可以通过检测电机的负载转矩来间接监测张力。根据DC电机的运动方程，电机轧制力矩为：Mm=Mr Mt Ma Mf (3)，其中Mm——总轧制力矩Mr——自由轧制力矩，即轧件金属压下所需的轧制力矩Mt——，张力Ma——加速力矩Mf——摩擦力矩产生的力矩稳定轧制状态，Ma=0，若忽略Mf，则公式(3)变为：Mm=Mr Mt (4)进一步分解Mt，得到：mt=mt1mt2希望利用轧件中存在的拉伸力矩来补偿钢坯后温度下降增加的金属二次流量，M t2——机架的拉伸力矩由操作人员在上位机中设置值间接给出，即控制量。调整系统机架转速使其趋于0 S——机架出口截面积刀架土卷直径 3354机架间张力I-传动比3。Mr计算(1)根据轧件出口速度VN-1与SN-1 SN架之间的距离L，计算出该轧件的运行时间T (L/VN-1)，其中t1为0.2T(SN架咬钢后的动态速度降(2)根据轧件在SN架中的出口速度和SnSn 1架之间的距离，计算出该轧件的运行时间Tn， 其中t4为0.1 TN(SN帧的动态时间恢复时间)，t5为0.1Tn—0.65Tn，程序在此期间对SN-1帧的Mm值进行采样，并将其与Mr和Mt1值进行比较(公式4)。 PI调节器根据差值控制帧。使SN-1 SN站之间的张力在允许范围内，系统在t6时间段停止微张力调整，然后进行下一轮控制(Sn-1Sn 1站间微张力控制)。(3)PLC程序中Mr采样的原理(控制算法)是：轧件在t2运行时，系统对SN-1机架的轧制力矩进行采样，PLC设置两个累加器(ACCU1和ACCU2)。ACCU1在每个机器循环中累计一次机架的轧制扭矩，ACCU2在每个循环中加1，即轧制扭矩的累计次数。当轧件进入t3时，ACCU1除以AC。

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    二、微张力控制系统

    1．控制框图    上位计算机HMI设定中轧各机架张力值和PI调节器Kp、K1，通过以太网、直流传动装置6RA24将各阶段转矩值通过Profibus-DP网传至PLC，PLC进行微张力控制计算，上位计算机控制机架张力调整，见图2。

    2.程序控制    优化轧线原有程序，PLC引入中轧机组微张力控制是以下列内容为事实前提：(1)对于变化的速度关系，下游机架比上游机架的转矩变化小，即轧件咬入n+1机架前，n－1→n机架间速度校正不会干扰n机架转矩检测；(2)轧件进入下游机架前，上游轧机转矩与该机架辊缝压下量所需转矩相当，忽略其他临时性力矩；(3)轧件进入下游辊缝后，上游轧机转矩的变化，只和不恰当的速度关翁产生的推、拉力有关，忽略温度、摩擦力和压下量对轧制转矩的影响。各机架微张力调节按下式进行：    E1=E0/(1+TCP+TCI)                 (7)    TCP=KP×MER×(NA /NMA)          (8)    TCM=MER×KI                     (9)    TCI=TCI+TCM×(NA/NMA)            (10)    MER=Mt－Mt1－Mr                 (11)式中E0——轧机机架设定延伸率    E1——程序实际控制使用的延伸率    KP——张力调节比例系数    KI——张力调节积分系数    TCM——积分累加器，初始为零    NA——电机实际转速    NMA——电机最大转速    MER——张力偏差绝对值    Mt——张力调节时间段机架实际转矩    Mt1——上位计算机设定的机架张力值转换转矩    Mr——自由轧制转矩    (1)张力自适应控制    程序对E0进行自适应调整以消除工艺参数误差，具体实现是：轧本支轧钢时，系统自动记忆各机架的最优值，轧完后自动修正E1并赋值给，使空载速度设定值达到最优。轧制下支钢时使用新的E0值，这样多次校正后可消除原始误差，E0和实际误差保持在正常允许范围内，自适应控制可明显缩短系统暂态响应时间。    (2)PI调节器参数自整定    PI调节器参数（KP、KI）的调整直接影响其效果。转矩偏差较大希望迅速提高比例调节量，即增大KP适当减小KI；转矩偏差较小则希望缓慢降低比例调节量，即减小KP增大KI。原程序中KP、KI经HMI设定后，在轧制过程中保持不变，因此控制效果不理想，改进程序对PI调节器参数进行自整定：系统给出KP、KI的上下限，程序根据MER在此范围内实时改变KP、KI值，使PI调节器的效果更理想，见图3，公式见（12）、（13）。

式中  KPB——比例系数上限      KPA——比例系数下限      KIA——积分系数上限      KIB——积分系数下限      MEB——PI上限对应力矩偏差值      MEA——PI下限对应力矩偏差值

     (3)动态速降控制轧机咬钢的瞬间，电机有动态速降，轧件秒流量将发生变化，影响系统动态响应。程序中增加动态补偿控制模块，HMI设定各机架电机动态速降补偿量，轧机空载时，使电机速度比设定值高一些，咬钢后再延时去掉速度补偿量，这样轧机动态速降后正好达到轧制速度，轧线稳定运行。

    三、改造效果

    中轧机组控制系统引入微张力控制后，解决了圆钢产品通条尺寸不一致的问题，提高了产品成材率，保证了企业高产稳产。