1 引言


莱钢棒材连轧棒材生产线产品为φ16～φ60mm的园钢和螺纹钢，机械设备从意大利DANIELI公司引进，电控系统全套从瑞典ABB公司引进。轧线配置有18台轧机，平立交替，单线全无扭转轧制；分成粗轧6架、中轧6架、精轧6架共3个机组，每个机组后各带一套飞剪设备用于切头、尾和事故剪切或分段倍尺剪切。主轧线粗、中轧机架之间采用了头部微张力控制系统来控制1#～12#机架间的张力，而精轧机组间采用了活套无张力控制，全线以成品机架的出口速度为基准值，采用逆调速级联控制方式。


2 张力控制的基本原理


为了保证热连轧的正常连续轧制，必须遵循的基本原则是：机架间金属秒流量相等。即


An×Vn=An-1×Vn-1 (1)


式中 An——第n架的轧件截面面积


Vn——第n架的轧件出口速度


可以看出，决定金属秒流量大小的因素，一是轧件截面面积，另一个就是轧制速度。而第一个因素决定于工艺参数，如孔型道次、辊缝压下量、钢温等，一旦调整好就固定不变，所以只能通过选择和调整不同的轧制速度来满足这一基本条件。从式(1)可以推出对于相邻机架间的速度关系应当满足公式


Rn=Vn／Vn-1=An-1／An (2)


式中心——金属延伸率(或减径因子)，其物理意义可模拟成进入机架n-1与机架n的轧件截面之比。


然而，在实际应用中，由于轧件受钢温、材质、坯料形状、孔型磨损等扰动因素的影响，无法保证精确的截面值。这样，为了达到式(2)新的平衡关系，在粗、中轧机组中引入了张力控制的功能(在精轧机组中用活套功能来实现)，得到式


Vn=Vn-1×Rn(1+Km+Kt) (3)


式中 Vn、Vn-1-机架n与n-1的出口线速度


Rn——轧件通过n机架的延伸系数


Km——手动干预时对n一1机架的速度调整系数


Kt——张力作用反映到n--1机架的速度调整系数


同时，根据张力自动调节理论，张力变化与速度变化还具有以下传递函数关系


δF／A=士Kt／(1+Tts)×δV (4)


式中 δF／A——轧件上单位面积的张力增量


Kt／(1+Tts)——放大倍数为Kt，时间常数为Tt的一阶惯性环节


δV——轧机速度增量


这样，调整张力，就可以协调机架间的速度，从而达到保证机架问金属秒流量相等的目的。


在自动控制算法中，机架n与n-1间的张力是通过测量机架n-1电机的电磁转矩变化量来实现的。因为在轧制过程中．轧制转矩可用下式来


Tm=TT+Tt+Ta+Tf (5)


式中 Tm——总的轧制力矩


TT——轧件金属压下量所需的轧制力矩


Tt——张力所产生的力矩


Ta——加速力矩


Tf——机械摩擦等所产生的附加力矩


在稳定轧制状态下，Ta=0，若进一步忽略Tf，则


Tm=TT+Tt (6)


其中Tt与工艺参数有关．如孔型道次、轧制压下量、钢温、材质等，一旦确定，应为常数，则


δTm=δTt=(D/2)×δF=i×η×δTm¹即


δF=(2／D)×i×η×δTm¹ (7)


式中δF——机架间张力变化量


D——机架有效辊径¹


i——减速箱速比


η——机械传动系统效率


δTm¹——主电机上轴输出转矩


由式(7)可见，在一定的条件下，从电机的输出转矩变化量上就可以推算出该机架所受的张力变化。(注意：对于式(7)中机架n与n-1间的张力变化，所有参数总是以机架n-1为研究对象)。


同时，在自动控制算法中，粗中轧轧件头部微张力控制是以下列概念为基础的。


(1)后张力变化对传动转矩的影响比前张力小2～4倍。即后张力对转矩作用较小，这就意味着：对于变化的速度关系，下游轧机比上游轧机的转矩变化来得小。这一结论也就说明在大多数情况下，即使控制系统已记忆了下游轧机压下量所需的转矩，该控制系统仍能继续进行速度关系的校正，也就是说当轧件被咬人n+1机架前，n机架与n-1机架问的速度校整不会影响到该机架电流检测的准确性。


(2)轧件进入下游轧机前，上游轧机转矩相当于该机架辊缝压下量所需的转矩，未受其它临时性力矩的干扰影响，即式(5)中假定Ta和Tf为零。


(3)轧件一旦进入下游辊缝，上游轧机转矩的一切变化，均是因不恰当的速度关系产生的推力或拉力所引起的。这一假定是基于温度、摩擦力和压下量情况不影响轧制转矩的变化为前提。其实，材料的头部微张力控制只是在进入下游机架避开


出口导卫摩擦的影响后，仅在短时间内起作用(典型值为4 s)。关键的是无临时性转矩干扰，或者干扰可以被包括在表示压下量的转矩之内。否则，当这些临时性干扰消逝时，控制系统就认为是机架间产生了拉力或张力。


3 微张力控制系统控制逻辑分析及调试时有关用户参数的设定


自动控制系统中，以ABB公司为例，其微张力控制逻辑图.



图1微张力控制逻辑图


根据图1，有关控制逻辑分析和参数设定解释如下。


3.1 LDTRQ(kN·m)


此值为上游机架n-1电机的电磁转矩，由MP200 PLC可编程控制计算机的


COM—CVI通信执行元素通过Master Bus 90通信线向DCV700直流电机数字控制系统直接读取。


3.2 TORQFILT(kN·m)


此值为3.1项的力矩LDTRQ经过滤波后的力矩值，滤波时间常数为TRQFILT(s)，由用户设定，一般为0.5s。因为PLC计算机中，程序执行周期为200 ms，故400 ms以下的滤波时问将不会使滤波器起作用。此滤波器对于消除由短暂加速力矩或临时性干扰力矩所产生的高频噪声是有帮助的。


3.3 TCC(N／ram2)


TCC=TORQFILTXTCONST


式中，张力常数TCONST=i X 2×1000000／(D×A)


其中i一轧机减速箱速比


D——轧机有效辊径，mm


A——轧件平均横截面积，mm2


对照式(7)，此值应为轧件单位面积上的张力值，然而t当轧件头部咬入n机架前，这个机架n-1与机架n之间的张力如何理解呢?其实．此时刻前这个经由电机电磁转矩转化后的TCC值，并不代表机架间轧件的实际张力，只不过是轧件经过n-1机架时，为了保证此轧件得到所规定的压下量所需要的转矩值，即式(5)中的Tt。


3.4 TMEM(N／mm2)


此值为记忆转矩的存储值，是出现在轧件头部进人下游n机架辊缝前的固定且较短时间的报警距离的力矩值。报警距离WL3由用户设定，原则是避开由进口导卫等所产生的临时性干扰的情况下，离下游机架n轧机尽量靠近．这样所记忆的TMEM值更能反映出坯料余下部分所需的力矩值。


3.5 TACT与TDISP(N／mm2)


TACT=TMEM-TCC


此项中的TACT值可理解成为一个抵消了材料金属压下量所需转矩后的力矩差值。根据自动控制算法中MTC系统的基础概念：当材料咬入下游n机架后．上游


n—l机架转矩的一切变化均是因不恰当的速度关系所产生的推力或拉力所引起的。即此变化值就是代表了轧件从n—l机架的自由轧制状态至轧件被咬入下游n机架后所产生的机架间的张力值。


TDISP为Advant Station 520操作室画面中显示的张力值，供主操作人员判断分析之用。


3.6 TDEV(N／mm2)


TDEV=-TACT+TREF


即张力基准值TREF与张力信号TACT相叠加产生了控制信号的偏差值TDEV。张力基准值TREF由操作者设置，一般为0到2N／mm2，以补偿因钢坯后部温度的下降而增加的金属物流量。张力基准值为正号代表机架间增加拉力，反之负号则代表增加推力。