张力控制的基本原理

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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。
3.7 TINTG
TINTG=TDEV×TIGAIN，且受逻辑开关信号L3的控制。其中，TIGAIN为由用户定义的张力积分增益系数，此值一般情况下须小于或等于0.0001，若轧机间距大于5 m，则此值取较低值。此值在MTC调试中为关键值，须从实践中探索得出。根据经验，此值的设置依据为：在正常连续轧制中，轧完5支坯料左右，在MTC的正常控制作用下,使尺因子基本上能从设计理论值转换成实际需要的R值。而逻辑开关信号L3受下列两个用户参数控制：DELTTC(s)及MAXTTC(s)。
参数DELTTC(s)表示坯料喂人下游n机架后,过多长时间使MTC开始作用。此参数的目的是避开下游n机架出口导卫摩擦转矩而引起的干扰以使张力得到充分形成．一般设置为0.5s。
参数MAXTTC(s)表示MTC作用于坯料的时间，过了这一段时间之后，沿钢坯的温度分布情况或许已经改变了正常压下量所需的转矩，使记忆值MTEM失去意义。一般设定MTC的控制时间为4s。
应该说明，根据PI调节器的性质，控制信号偏差值TDEV用以校正轧机的速度关系，对尺因子的积分型控制校正是永久性的，而对上游传动的比例速度校正是暂时的。一般情况下，张力比例增益TPGAIN设置为0，只有当机架问距较大时，为了让MTC系统作用前在机架间及时消除过剩轧材的松驰时，才设置TPGAlN参数。
3.8 TINTG与R因子的关系
其关系简化图如图2所示。

图2 TINTG与R因子关系图
其中，ESLOPE为用户设置参数，为一经验值，如ESLOPE=0.030dR／Ts，即表示每秒钟R因子改变量为3％。ACF为微张力自动控制标志，其输出特性相当于逻辑信号L3。HLIMT、LLIMT分别为R因子的高、低限制值。Vmax为轧机最大出口速度，对每一机架都有一个对应常数。
TINGT与R因子的转换关系由MP200PLC计算机中专用程序模块SET—R元素来完成，也就是对式(4)的一阶惯性环节数学模型的实现。这样，MTC系统从轧机电机转矩的变化中得到张力值TACT，与张力基准值叠加后产生了张力控制信号偏差值TDEV．经过斜坡元素转换成了积分型的R因子变化值，再由轧机速度级联控制系统，按照式(4)重新分配上游机架的速度基准值，使上游机架的速度得到了很好的控制．从而使机架问张力值尽可能减小，这就是自动控制系统中微张力控制的基本流程和逻辑。
4 MTC(微张力)系统应用时的有关注意事项及实行MTC的意义
首先要保证自动控制系统物料跟踪的正常功能，这对于轧线上用于检测坯料位置的热金属探测器(HMD)的准确响应是极其重要的，要做到定期检查和维护，一旦出现假头、假尾等报警信号必须严肃对待。因为任何自动控制均需要正确工作的传感器，对MTC也一样．一个错误的HMD信号会产生对钢坯头部和尾部的不正确跟踪而使功能失灵。同时正确设置辊径、孔型修正系数和随着辊缝压下量的调节而及时修改出口坯料的横截面积等工艺参数也是绝对必要的。
尽量避免临时性干扰所产生的力矩叠加到MTC作用的时段中，这对正确安装轧机进出口导卫有一定的要求；同时在遇到异常的轧制条件时，如遇到黑头子、冷钢或不规则坯料等应马上手动封锁MTC系统，以保证正常轧制时良好的R因子状况。
由于MTC仅作用于轧制坯料的头部，对于钢坯中、后半段由于温度不均匀而产生的红坯尺寸波动MTC系统无能为力，故应尽可能提高加热质量，避免钢温的大幅波动。
对于钢温均匀变化的状况，可用MTC得到较好的校正。即当红坯钢温均匀减小时，会形成机架间的推力•此时可增大一点张力基准值，以弥补逐渐增加的金属秒流量；反之，则需要减小一点张力基准值。
5结束语
先进的电控系统缩短了试轧时间，提高了轧机的生产能力。一般情况下，在更换品种后，连续轧制3到5支坯料，用MTC系统能很方便地把设计时的理论R因子值自动优化到实际轧制时的R因子值，避免了较长时间的试轧过程，提高了轧机的生产能力。
同时，提高了产品质量，减小了主操作人员的劳动强度。虽然理论上认为，粗中轧机的红坯尺寸波动在经过精轧机组的活套无张力控制后可以消除。但是，在实际应用中仍有一部分未能消除，这必定会影响成品尺寸精度，同时若尽寸变化过大，可能还会在头部或尾部造成折叠或耳子。所以正确使用MTC功能，保持微张力轧制．以控制好粗、中轧机组每道红坯尺寸，对改善产品的通条性能，提高产品尺寸精度是很有帮助的。特别是在轧制较大规格产品，只使用较少数量活套或不使用活套时，MTC系统对产品质量显得尤为重要。