萊鋼棒材連軋棒材生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)品為φ16～φ60mm的園鋼和螺紋鋼，機(jī)械設(shè)備從意大利DANIELI公司引進(jìn)，電控系統(tǒng)全套從瑞典ABB公司引進(jìn)。軋線(xiàn)配置有18臺(tái)軋機(jī)，平立交替，單線(xiàn)全無(wú)扭轉(zhuǎn)軋制；分成粗軋6架、中軋6架、精軋6架共3個(gè)機(jī)組，每個(gè)機(jī)組后各帶一套飛剪設(shè)備用于切頭、尾和事故剪切或分段倍尺剪切。主軋線(xiàn)粗、中軋機(jī)架之間采用了頭部微張力控制系統(tǒng)來(lái)控制1#～12#機(jī)架間的張力，而精軋機(jī)組間采用了活套無(wú)張力控制，全線(xiàn)以成品機(jī)架的出口速度為基準(zhǔn)值，采用逆調(diào)速級(jí)聯(lián)控制方式。

為了保證熱連軋的正常連續(xù)軋制，必須遵循的基本原則是：機(jī)架間金屬秒流量相等。即

A_n×V_n=A_n-1×V_n-1 (1)

式中 A_n——第n架的軋件截面面積

V_n——第n架的軋件出口速度

可以看出，決定金屬秒流量大小的因素，一是軋件截面面積，另一個(gè)就是軋制速度。而第一個(gè)因素決定于工藝參數(shù)，如孔型道次、輥縫壓下量、鋼溫等，一旦調(diào)整好就固定不變，所以只能通過(guò)選擇和調(diào)整不同的軋制速度來(lái)滿(mǎn)足這一基本條件。從式(1)可以推出對(duì)于相鄰機(jī)架間的速度關(guān)系應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足公式

R_n=V_n／V_n-1=A_n-1／A_n (2)

式中心——金屬延伸率(或減徑因子)，其物理意義可模擬成進(jìn)入機(jī)架n-1與機(jī)架n的軋件截面之比。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于軋件受鋼溫、材質(zhì)、坯料形狀、孔型磨損等擾動(dòng)因素的影響，無(wú)法保證精確的截面值。這樣，為了達(dá)到式(2)新的平衡關(guān)系，在粗、中軋機(jī)組中引入了張力控制的功能(在精軋機(jī)組中用活套功能來(lái)實(shí)現(xiàn))，得到式

V_n=V_n-1×R_n(1+K_m+K_t) (3)

式中 V_n、V_n-1-機(jī)架n與n-1的出口線(xiàn)速度

R_n——軋件通過(guò)n機(jī)架的延伸系數(shù)

K_m——手動(dòng)干預(yù)時(shí)對(duì)n一1機(jī)架的速度調(diào)整系數(shù)

K_t——張力作用反映到n--1機(jī)架的速度調(diào)整系數(shù)

同時(shí)，根據(jù)張力自動(dòng)調(diào)節(jié)理論，張力變化與速度變化還具有以下傳遞函數(shù)關(guān)系

δF／A=士K_t／(1+T_ts)×δV (4)

式中 δF／A——軋件上單位面積的張力增量

K_t／(1+T_ts)——放大倍數(shù)為K_t，時(shí)間常數(shù)為T(mén)_t的一階慣性環(huán)節(jié)

δV——軋機(jī)速度增量

這樣，調(diào)整張力，就可以協(xié)調(diào)機(jī)架間的速度，從而達(dá)到保證機(jī)架問(wèn)金屬秒流量相等的目的。

在自動(dòng)控制算法中，機(jī)架n與n-1間的張力是通過(guò)測(cè)量機(jī)架n-1電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩變化量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樵谲堉七^(guò)程中．軋制轉(zhuǎn)矩可用下式來(lái)

T_m=T_T+T_t+T_a+T_f (5)

式中 T_m——總的軋制力矩

T_T——軋件金屬壓下量所需的軋制力矩

T_t——張力所產(chǎn)生的力矩

T_a——加速力矩

T_f——機(jī)械摩擦等所產(chǎn)生的附加力矩

在穩(wěn)定軋制狀態(tài)下，T_a=0，若進(jìn)一步忽略T_f，則

T_m=T_T+T_t (6)

其中T_t與工藝參數(shù)有關(guān)．如孔型道次、軋制壓下量、鋼溫、材質(zhì)等，一旦確定，應(yīng)為常數(shù)，則

δT_m=δT_t=(D/2)×δF=i×η×δT_m¹即

δF=(2／D)×i×η×δT_m¹ (7)

式中δF——機(jī)架間張力變化量

D——機(jī)架有效輥徑¹

i——減速箱速比

η——機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)效率

δT_m¹——主電機(jī)上軸輸出轉(zhuǎn)矩

由式(7)可見(jiàn)，在一定的條件下，從電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩變化量上就可以推算出該機(jī)架所受的張力變化。(注意：對(duì)于式(7)中機(jī)架n與n-1間的張力變化，所有參數(shù)總是以機(jī)架n-1為研究對(duì)象)。

同時(shí)，在自動(dòng)控制算法中，粗中軋軋件頭部微張力控制是以下列概念為基礎(chǔ)的。

(1)后張力變化對(duì)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響比前張力小2～4倍。即后張力對(duì)轉(zhuǎn)矩作用較小，這就意味著：對(duì)于變化的速度關(guān)系，下游軋機(jī)比上游軋機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化來(lái)得小。這一結(jié)論也就說(shuō)明在大多數(shù)情況下，即使控制系統(tǒng)已記憶了下游軋機(jī)壓下量所需的轉(zhuǎn)矩，該控制系統(tǒng)仍能繼續(xù)進(jìn)行速度關(guān)系的校正，也就是說(shuō)當(dāng)軋件被咬人n+1機(jī)架前，n機(jī)架與n-1機(jī)架問(wèn)的速度校整不會(huì)影響到該機(jī)架電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

(2)軋件進(jìn)入下游軋機(jī)前，上游軋機(jī)轉(zhuǎn)矩相當(dāng)于該機(jī)架輥縫壓下量所需的轉(zhuǎn)矩，未受其它臨時(shí)性力矩的干擾影響，即式(5)中假定T_a和T_f為零。

(3)軋件一旦進(jìn)入下游輥縫，上游軋機(jī)轉(zhuǎn)矩的一切變化，均是因不恰當(dāng)?shù)乃俣汝P(guān)系產(chǎn)生的推力或拉力所引起的。這一假定是基于溫度、摩擦力和壓下量情況不影響軋制轉(zhuǎn)矩的變化為前提。其實(shí)，材料的頭部微張力控制只是在進(jìn)入下游機(jī)架避開(kāi)

出口導(dǎo)衛(wèi)摩擦的影響后，僅在短時(shí)間內(nèi)起作用(典型值為4 s)。關(guān)鍵的是無(wú)臨時(shí)性轉(zhuǎn)矩干擾，或者干擾可以被包括在表示壓下量的轉(zhuǎn)矩之內(nèi)。否則，當(dāng)這些臨時(shí)性干擾消逝時(shí)，控制系統(tǒng)就認(rèn)為是機(jī)架間產(chǎn)生了拉力或張力。

自動(dòng)控制系統(tǒng)中，以ABB公司為例，其微張力控制邏輯圖.

圖1微張力控制邏輯圖

根據(jù)圖1，有關(guān)控制邏輯分析和參數(shù)設(shè)定解釋如下。

此值為上游機(jī)架n-1電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，由MP200 PLC可編程控制計(jì)算機(jī)的

COM—CVI通信執(zhí)行元素通過(guò)Master Bus 90通信線(xiàn)向DCV700直流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)直接讀取。

此值為3.1項(xiàng)的力矩LDTRQ經(jīng)過(guò)濾波后的力矩值，濾波時(shí)間常數(shù)為T(mén)RQFILT(s)，由用戶(hù)設(shè)定，一般為0.5s。因?yàn)镻LC計(jì)算機(jī)中，程序執(zhí)行周期為200 ms，故400 ms以下的濾波時(shí)問(wèn)將不會(huì)使濾波器起作用。此濾波器對(duì)于消除由短暫加速力矩或臨時(shí)性干擾力矩所產(chǎn)生的高頻噪聲是有幫助的。

TCC=TORQFILTXTCONST

式中，張力常數(shù)TCONST=i X 2×1000000／(D×A)

其中i一軋機(jī)減速箱速比

D——軋機(jī)有效輥徑，mm

A——軋件平均橫截面積，mm²

對(duì)照式(7)，此值應(yīng)為軋件單位面積上的張力值，然而t當(dāng)軋件頭部咬入n機(jī)架前，這個(gè)機(jī)架n-1與機(jī)架n之間的張力如何理解呢?其實(shí)．此時(shí)刻前這個(gè)經(jīng)由電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化后的TCC值，并不代表機(jī)架間軋件的實(shí)際張力，只不過(guò)是軋件經(jīng)過(guò)n-1機(jī)架時(shí)，為了保證此軋件得到所規(guī)定的壓下量所需要的轉(zhuǎn)矩值，即式(5)中的T_t。

此值為記憶轉(zhuǎn)矩的存儲(chǔ)值，是出現(xiàn)在軋件頭部進(jìn)人下游n機(jī)架輥縫前的固定且較短時(shí)間的報(bào)警距離的力矩值。報(bào)警距離WL3由用戶(hù)設(shè)定，原則是避開(kāi)由進(jìn)口導(dǎo)衛(wèi)等所產(chǎn)生的臨時(shí)性干擾的情況下，離下游機(jī)架n軋機(jī)盡量靠近．這樣所記憶的TMEM值更能反映出坯料余下部分所需的力矩值。

TACT=TMEM-TCC

此項(xiàng)中的TACT值可理解成為一個(gè)抵消了材料金屬壓下量所需轉(zhuǎn)矩后的力矩差值。根據(jù)自動(dòng)控制算法中MTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)概念：當(dāng)材料咬入下游n機(jī)架后．上游

n—l機(jī)架轉(zhuǎn)矩的一切變化均是因不恰當(dāng)?shù)乃俣汝P(guān)系所產(chǎn)生的推力或拉力所引起的。即此變化值就是代表了軋件從n—l機(jī)架的自由軋制狀態(tài)至軋件被咬入下游n機(jī)架后所產(chǎn)生的機(jī)架間的張力值。

TDISP為Advant Station 520操作室畫(huà)面中顯示的張力值，供主操作人員判斷分析之用。

TDEV=-TACT+TREF

即張力基準(zhǔn)值TREF與張力信號(hào)TACT相疊加產(chǎn)生了控制信號(hào)的偏差值TDEV。張力基準(zhǔn)值TREF由操作者設(shè)置，一般為0到2N／mm²，以補(bǔ)償因鋼坯后部溫度的下降而增加的金屬物流量。張力基準(zhǔn)值為正號(hào)代表機(jī)架間增加拉力，反之負(fù)號(hào)則代表增加推力。

TINTG=TDEV×TIGAIN，且受邏輯開(kāi)關(guān)信號(hào)L3的控制。其中，TIGAIN為由用戶(hù)定義的張力積分增益系數(shù)，此值一般情況下須小于或等于0.0001，若軋機(jī)間距大于5 m，則此值取較低值。此值在MTC調(diào)試中為關(guān)鍵值，須從實(shí)踐中探索得出。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此值的設(shè)置依據(jù)為：在正常連續(xù)軋制中，軋完5支坯料左右，在MTC的正?？刂谱饔孟?使尺因子基本上能從設(shè)計(jì)理論值轉(zhuǎn)換成實(shí)際需要的R值。而邏輯開(kāi)關(guān)信號(hào)L3受下列兩個(gè)用戶(hù)參數(shù)控制：DELTTC(s)及MAXTTC(s)。

參數(shù)DELTTC(s)表示坯料喂人下游n機(jī)架后,過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間使MTC開(kāi)始作用。此參數(shù)的目的是避開(kāi)下游n機(jī)架出口導(dǎo)衛(wèi)摩擦轉(zhuǎn)矩而引起的干擾以使張力得到充分形成．一般設(shè)置為0.5s。

參數(shù)MAXTTC(s)表示MTC作用于坯料的時(shí)間，過(guò)了這一段時(shí)間之后，沿鋼坯的溫度分布情況或許已經(jīng)改變了正常壓下量所需的轉(zhuǎn)矩，使記憶值MTEM失去意義。一般設(shè)定MTC的控制時(shí)間為4s。

應(yīng)該說(shuō)明，根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的性質(zhì)，控制信號(hào)偏差值TDEV用以校正軋機(jī)的速度關(guān)系，對(duì)尺因子的積分型控制校正是永久性的，而對(duì)上游傳動(dòng)的比例速度校正是暫時(shí)的。一般情況下，張力比例增益TPGAIN設(shè)置為0，只有當(dāng)機(jī)架問(wèn)距較大時(shí)，為了讓MTC系統(tǒng)作用前在機(jī)架間及時(shí)消除過(guò)剩軋材的松馳時(shí)，才設(shè)置TPGAlN參數(shù)。

其關(guān)系簡(jiǎn)化圖如圖2所示。

圖2 TINTG與R因子關(guān)系圖

其中，ESLOPE為用戶(hù)設(shè)置參數(shù)，為一經(jīng)驗(yàn)值，如ESLOPE=0.030dR／Ts，即表示每秒鐘R因子改變量為3％。ACF為微張力自動(dòng)控制標(biāo)志，其輸出特性相當(dāng)于邏輯信號(hào)L3。HLIMT、LLIMT分別為R因子的高、低限制值。Vmax為軋機(jī)最大出口速度，對(duì)每一機(jī)架都有一個(gè)對(duì)應(yīng)常數(shù)。

TINGT與R因子的轉(zhuǎn)換關(guān)系由MP200PLC計(jì)算機(jī)中專(zhuān)用程序模塊SET—R元素來(lái)完成，也就是對(duì)式(4)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)。這樣，MTC系統(tǒng)從軋機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化中得到張力值TACT，與張力基準(zhǔn)值疊加后產(chǎn)生了張力控制信號(hào)偏差值TDEV．經(jīng)過(guò)斜坡元素轉(zhuǎn)換成了積分型的R因子變化值，再由軋機(jī)速度級(jí)聯(lián)控制系統(tǒng)，按照式(4)重新分配上游機(jī)架的速度基準(zhǔn)值，使上游機(jī)架的速度得到了很好的控制．從而使機(jī)架問(wèn)張力值盡可能減小，這就是自動(dòng)控制系統(tǒng)中微張力控制的基本流程和邏輯。

首先要保證自動(dòng)控制系統(tǒng)物料跟蹤的正常功能，這對(duì)于軋線(xiàn)上用于檢測(cè)坯料位置的熱金屬探測(cè)器(HMD)的準(zhǔn)確響應(yīng)是極其重要的，要做到定期檢查和維護(hù)，一旦出現(xiàn)假頭、假尾等報(bào)警信號(hào)必須嚴(yán)肅對(duì)待。因?yàn)槿魏巫詣?dòng)控制均需要正確工作的傳感器，對(duì)MTC也一樣．一個(gè)錯(cuò)誤的HMD信號(hào)會(huì)產(chǎn)生對(duì)鋼坯頭部和尾部的不正確跟蹤而使功能失靈。同時(shí)正確設(shè)置輥徑、孔型修正系數(shù)和隨著輥縫壓下量的調(diào)節(jié)而及時(shí)修改出口坯料的橫截面積等工藝參數(shù)也是絕對(duì)必要的。

盡量避免臨時(shí)性干擾所產(chǎn)生的力矩疊加到MTC作用的時(shí)段中，這對(duì)正確安裝軋機(jī)進(jìn)出口導(dǎo)衛(wèi)有一定的要求；同時(shí)在遇到異常的軋制條件時(shí)，如遇到黑頭子、冷鋼或不規(guī)則坯料等應(yīng)馬上手動(dòng)封鎖MTC系統(tǒng)，以保證正常軋制時(shí)良好的R因子狀況。

由于MTC僅作用于軋制坯料的頭部，對(duì)于鋼坯中、后半段由于溫度不均勻而產(chǎn)生的紅坯尺寸波動(dòng)MTC系統(tǒng)無(wú)能為力，故應(yīng)盡可能提高加熱質(zhì)量，避免鋼溫的大幅波動(dòng)。

對(duì)于鋼溫均勻變化的狀況，可用MTC得到較好的校正。即當(dāng)紅坯鋼溫均勻減小時(shí)，會(huì)形成機(jī)架間的推力·此時(shí)可增大一點(diǎn)張力基準(zhǔn)值，以彌補(bǔ)逐漸增加的金屬秒流量；反之，則需要減小一點(diǎn)張力基準(zhǔn)值。

先進(jìn)的電控系統(tǒng)縮短了試軋時(shí)間，提高了軋機(jī)的生產(chǎn)能力。一般情況下，在更換品種后，連續(xù)軋制3到5支坯料，用MTC系統(tǒng)能很方便地把設(shè)計(jì)時(shí)的理論R因子值自動(dòng)優(yōu)化到實(shí)際軋制時(shí)的R因子值，避免了較長(zhǎng)時(shí)間的試軋過(guò)程，提高了軋機(jī)的生產(chǎn)能力。

同時(shí)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減小了主操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。雖然理論上認(rèn)為，粗中軋機(jī)的紅坯尺寸波動(dòng)在經(jīng)過(guò)精軋機(jī)組的活套無(wú)張力控制后可以消除。但是，在實(shí)際應(yīng)用中仍有一部分未能消除，這必定會(huì)影響成品尺寸精度，同時(shí)若盡寸變化過(guò)大，可能還會(huì)在頭部或尾部造成折疊或耳子。所以正確使用MTC功能，保持微張力軋制．以控制好粗、中軋機(jī)組每道紅坯尺寸，對(duì)改善產(chǎn)品的通條性能，提高產(chǎn)品尺寸精度是很有幫助的。特別是在軋制較大規(guī)格產(chǎn)品，只使用較少數(shù)量活套或不使用活套時(shí)，MTC系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量顯得尤為重要。