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粗轧机连轧微张力控制优化 |
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作者：海宝山钢铁股份有限公司 刘斌 |
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1 引言
宝钢2050热轧厂的粗轧机R3R4机架分别是不可逆式连轧机段的轧辊。由于R4为速度恒定不可调的6kV高压同步机，R3为交－交变频调速的同步机，原R3、R4连轧微张力控制主要由过程机计算的R3速度设定值和粗轧BA计算的速度偏差值△n，送到R3传动控制系统的速度调节器来调节R3的转速，达到与R4速度匹配的效果。
过程机根据带钢的原始信息与目标值，计算粗轧轧制过程中各道次的辊缝、速度等设定值，并把计算结果传送给基础自动化。R3、R4连轧，需要考虑秒流量相等，R3、R4速度与辊缝计算公式在R4投入时，R3速度的计算公式是根据秒流量相等原则推导出来的。
R3设定速度= R4秒流量/(出侧厚度×(1+前滑))
过程机只考虑每种钢的理想初始设定张力控制，往往一个计划中同种同规格的钢R3的设定速度是不变的。具体轧制过程中的参数变化不在考虑之中，因此往往不是很准，瞬时修正值需由粗轧BA算出。
2 粗轧基础自动化微张力控制原理
2.1 控制原理
粗轧立辊和水平辊电机的惯性系数相差六倍以上，即立辊的惯性系数GD2/4远比水平辊小，所以张力影响极小不用考虑。R4由转速恒定的同步机驱动，所以要控制微张力就是调整R3的速度。力臂在带钢进入E4前后变化不大，所以粗轧的力臂就取带钢未进入E4前的计算值。粗轧的小张力控制简单称为转矩平衡控制。它是计算实际张力力矩并与设定张力力矩比较，以这个偏差值作为R3速度修正的比例积分放大器的输入。
在带钢进入E4/R4前计算力臂a和负荷力矩MW(设有张力的力矩)
A=MW/4WK
MW=Mel－MGSH－MLeer＋M3
A:力臂;
MW:无张力力矩;
WK:轧制压力;
Mel: 电磁转矩，Mel=CmфIA;
MGSH:损耗力矩，Mleer:空载磨损力矩;
M3:加速力矩。
上述的MGSH和Mleer基本为常数，故要求取力臂a和无张力力矩的难点在于求取准确的加速转矩M3。为了求取加速力矩专设一个负荷观测器，由比例调节器和积分调节器组合。它的输入是速度的计数模拟值与速度的实测值的差值，积分调节器的输出值即是加速力矩，只要速度的实测值和模拟计算值不等，便有加速力矩。图1是转矩平衡控制的原理图。
图1 转矩平衡控制的原理
图1中: IE:励磁电流，IA:电枢电流，n:转速，WK:轧制力，W:宽度，H:厚度，δ:单位张力，a:力臂，FZ:乘法器，MZS:张力力矩基准值，△M:张力力矩偏差，MZA:实际张力力矩，△n:速度修正值，T:延时器。
计算张力力矩基准值与实际张力力矩的张力力矩偏差值△M,对该偏差值进行比例和积分获得速度瞬时修正值△n，以此对R3速度进行修正,这就是转矩平衡控制的原理。
2.2 存在问题及优化
(1) 问题与原因分析
以上原理看起来非常合理，但是实际应用中遇到了问题。R3、R4连轧过程中存在带钢宽度呈波浪形，常常有起套和拉钢现象，操作因此经常采用R3空设的办法轧钢，影响了R3的功能投入率和粗轧一、三道次轧制的推进。
图2为起套时宽度变化曲线。
图2 起套时宽度变化曲线
存在上述问题的原因是数据采集上存在问题，造成张力控制不准:BA计算微张力时所用的数据必须从传动系统收集好再传输到BA进行计算，然后计算结果再送到传动系统进行速度调节，这就存在传输和速度调节器响应两方面时间差问题(滞后时间)，往往调节延迟，响应不够及时。本来BA的修正值△n就是针对轧制过程中的瞬时变化进行调节的，要求响应必须及时，否则过犹不及，因此效果就不理想，造成宽度呈波浪形，有时调节过头还会造成机架中堆钢的严重事故。
(2) 解决问题与优化
针对这种情况，我们将原BA完成的张力修正功能，下移到传动控制系统中来完成。同时由于粗轧带钢出口厚度较厚，就算机架间张力过大稍微有一定的拉钢也不会有大问题，但是一旦机架间张力不够就容易在机架中堆钢。为了避免机架中堆钢，采取宁拉勿堆的原则，我们采用最小张力控制:即连轧时确保R3、R4机架至少保持一定的张力。
电机转矩公式可以近似为:
Me=Ml+Mt=kId(Me:电机输出转矩，Ml:负载转矩，Mt:张力转矩)
因为电机输出转矩正比于电机电流力矩分量，所以我们直接控制电机电流力矩分量，即可完成最小张力控制，不但减少了数据采集量，而且调节直接作用于速度调节器的输出电流给定值，相当于跳过速度调节器通过电流调节器调节响应时间又上了一个等级。当R3单独轧制时，Mt＝0，Me=Ml，采样此时的电流作为负载电流来计算最小张力电流，这样可以真实反映每块钢的负载变化，然后减去最小张力电流作为连轧时的电流限幅。即R4咬钢后Me 减小，Mt增大不为零，Ml就减少，速度降低，机架张力建立。
其基本控制思路如图3。
图3 控制框图
从R3咬钢到R4咬钢需要3秒钟，传动控制系统根据R4咬钢前R3咬钢后2sR3电机的电枢电流力矩分量，即R3机架单独轧制时的稳轧电流，减去最小张力电流算出连轧时电流力矩分量的限幅值，一般比稳轧电流小5%左右。当R4咬钢以后，速度调节器处于限幅状态，机架微张力建立，如果机架间秒流量不等出现拉钢或堆钢趋势，由于电机力矩电流被限幅，电机输出力矩不变，系统只能通过调节R3的转速来达到转距平衡。
通过这样一优化, 基本消除了R3、R4间堆钢现象，轧制中废钢现象基本消除, 因为R3、R4连轧时系统只允许比最小张力大的情况发生保证机架间有一定的张力存在。
(3) 问题的深入研讨
但是R3、R4拉钢现象还不时出现。见图4：
图4 R3、R4拉钢变化曲线
第一条为粗轧出口宽度曲线，中间被明显拉窄;第二条为R3实际速度曲线，当R4咬钢后速度降低了;第四条为R3轧制力曲线，R3咬钢后到R4咬钢前有很长一段时间轧制力很小几乎只有正常值的一半。
通过一段时间的跟踪发现:目前R3、R4拉钢大多发生在R3因换辊或空过后刚投入使用和轧制高温钢时。通过进一步观察和分析发现:发生拉钢的原因是R3咬入时发生了打滑钢的头部不能正常咬入造成的。
R3、R4连轧时，张力控制是以R3咬入后2s的电流实际值来计算张力的。由于R3咬入打滑时的轧制力矩很小即电流很小，而且持续时间较长超过2s，此时采样的不是真正的轧制电流，从上图第三条曲线可以看出要小一半左右，因此微张力计算值过大，所以造成拉钢。
因此我们对R3传动系统中微张力程序的电流采样时间和方式进行优化:循环采样R3咬钢后的轧制电流，取R4咬钢前800毫秒的电流平均值作为R3的稳轧电流，此时钢已到R4说明R3必已结束打滑。
进一步优化后，当R3发生打滑时，R4咬钢后，粗轧出口宽度基本保持不变(下图的第一条曲线)，从而可以很好的避免了打滑后拉钢现象。
图5为打滑后未拉钢曲线
图5 打滑后未拉钢曲线
3 结束语
经过我们的优化，R3、R4微张力控制更加适合现场生产实际情况，基本消除R3、R4拉钢和堆钢现象，长期困扰我们的R3投入率低的问题得到大幅提高，粗轧一、三道次推进也得到促进，粗轧带钢出口宽度也得到改善，为热轧生产做出了很大贡献。(end)
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(9/13/2006) |
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