轧机卷曲机张力的测量和控制

轧机卷曲机张力的测量和控制张富生王静波（上海北整成套工程有限公司）摘要：本文讨论了精轧机的多段张力检测和控制，如何克服张力要求严格和张力范围大的矛盾。关键词：张力精度，张力范围随着我国经济的飞速发展，尤其是电子行业要求生产出的带材越来越薄，且要求的厚度公差越来越小，在生产带材时张力是非常关键的一环，若张力控制不准，要实现高精带材的生产是不可思议的。本文以沈阳有色金属加工厂的Ø53×50020辊精轧机和辽阳铜业集团的Ø130×450精轧机为例，论述了精轧机张力检测的具体办法和控制，提供一个解决精轧机张力系统中张力要求范围大且张力控制要求高的一个方案，此方案已在两台轧机上成功使用多年，望此文发表后能给同行们一点启发，起到抛砖引玉的效果。1张力的概念在一般初、中、精轧机的张力系统中，最大力矩的方法已使用非常广泛，并且非常成功，即M=CMØI（M：电机力矩，CM常数，Ø：磁场强度，电机电流）而F=M÷R（F：张力，M：电机力矩，R：卷筒带材半径）R=V÷W（R：卷筒带材半径，V：带材线速度，W：带材角速度）根据以上公式，控制系统能计算出实际张力的瞬时值，然后用这个值和给定张力相比，从而控制轧机的张力。当张力控制要求不高，特别在中精轧机上次方法非常成功，2采集直接张力的偏差信号的问题的提出在带材张力要求非常高时，用以上方法测得的张力误差很大，因此必须使用直接张力检测法。即分别在轧机两边偏转辊（张力辊）下面各安装一对压力传感器，并经变送后输出4到20MA的输出信号，然后进入控制系统。沈阳有色金属加工厂的Ø53×500二十辊精轧机张力要求是：（1）50Kg-1000Kg,（2）350Kg—3500Kg（3）1000Kg--5000Kg辽阳铜业集团的Ø130×450四辊精轧机张力要求是：（1）22Kg-220Kg（2）145Kg--1450Kg（3）220Kg--2200Kg张力控制的具体要求是：稳速时张力精度为给定张力的0.5%,增减速时张力精度为给定张力的2.5%。以上两台轧机最大张力和最小张力之比为100，3段张力中每一段张力最大值和最小值之比为10。以辽阳铜业集团的Ø130×450四辊精轧机为例，压力传感器的信号经变送后输出4-20MA（或0-10V）信号相对应于（22÷2）Kg—（2200÷2）Kg（线性关系），一般说来将此信号输入到PLC或数字传动中然后和给定张力相比较输出偏差信号就可以控制张力了，其实不然，下面我们简单计算一下就不难发现问题：我们假设偏转辊（张力辊）上带材的转角不变为20度（有的轧机是变化的，须作转角补偿），则偏转辊（张力辊）单个压力传感器的最小压力为：（22÷2）×Sin20=3.7622(Kg)，最大压力为：（2200÷2）×Sin20=376.22(Kg),我们选400Kg的压力传感器，而400Kg的压力代表的实际张力为：（400÷Sin20）×2=2339.1813(Kg),（在实际计算使用2个传感器信号相加再除以2变为总信号进入传动系统，最后信号4到20MA（或0-10V）相应于0到2339.1813Kg实际张力）为了计算简单我们假设带材正好处于轧机中间，一个传感器0到400Kg信号变送输出4到20MA（或0-10V）相应于实际张力0到1169.5907Kg（线性关系），要求的最大张力2200Kg相应于一个传感器为376.22Kg。通常来说PLC模拟量模板的分辨率为15位加上符号位，精度最高的也就是16位不带符号位，4到20MA转换成数字量为0到32768，0到400Kg相应于0到32768（线性关系），带材张力在第二段和第三段时问题还不明显，此时计算一下在小张力时传感器的信号：单个压力传感器的最小压力为：（22÷2）×Sin20=3.7622(Kg)，3.7622Kg相应于数字量为（32768×3.7622）÷400=308个（布尔数），而308的0.5%为1.54个（布尔数）,而张力要求范围在0.5%的给定张力误差，因此它的分辨率根本无法满足工艺的要求。另外PLC模拟量模板的输入误差最小在正负0.03%，这样就更无法解决这个问题。ABB公司虽然有成型的张力仪，但最大和最小力之比最大为30，仍然不能解决问题且造价很贵。3解决方案3.1每段张力设定后，我们改变偏转辊（张力辊）上带材的转角，即将偏转辊（张力辊）向牌坊移近或移远，三段张力设三个固定的偏转辊（张力辊）的机械位置，这样也能解决问题，但是机械造价太高，工人操作不方便，若是新设备还有机会，若是旧设备根本不可能。3.2大家都知道只要将模拟信号转换成数字信号就永远存在分辨率的问题，而模拟信号无论是微小的变化范围它永远是连续的，轧机要求三段张力，总张力范围比为100，但每段张力的比只有10，当选定一个张力段后，我们若将这段张力信号标定成4到20MA然后进入控制系统,即（1）22Kg-220Kg时输出4到20MA（或0-10V）（2）22Kg--1450Kg时输出4到20MA（或0-10V）（3）22Kg--2200Kg时输出4到20MA（或0-10V），这样问题马上会应刃而解。4关于3.2中提到设想的具体解决办法（见图）每个张力辊下面有2个张力穿感器，传感器信号经变送后送到控制系统，经过一级跟随和调节后，两个信号相加，送到AD543乘法器，和转角补偿混合后，送到跟随器，主要在下一级比例放大，三段张力选择信号控制开关管ADC201，在调整三个电位器输出合适的信号。最后由一级输出到PLC或传动系统。这样就成功地解决了小张力数字系统分辨率不够的问题。结束语：沈阳有色金属加工厂的Ø53×500二十辊精轧机和辽阳铜业集团的Ø130×450四辊精轧机自投入运行以来张力系统稳定可靠，效果良好。作者简介：张富生，男1986作者毕业于北方工业大学工业自动化系，1988年到1996年在沈阳有色金属加工厂水箱带工程指挥部任工程师，负责引进水箱带设备，全面参与了设备调试，尤其对引进的二十辊轧机有独到的见解；2002年到2004年在辽阳铜业集团任电气总工，全面负责整个年产5万吨铜板带全部电气和控制设备的设计、安装和调试；现任上海北整成套工程有限公司技术顾问。王静波，女1983年毕业于辽宁广播电视大学机械制造专业，现任沈阳有色金属加工厂科学技术协会主任。