?

基于西门子6RA80的开卷机张力开环控制

江选东

(上海鼎实科技有限公司 系统部，上海　200940)

摘要：基于西门子6RA80直流传动装置和S7-300 PLC控制器，详细论述开卷机在没有张力反馈的情况下，通过采用转矩前馈补偿控制方式、计算直流传动的转矩设定值以及直流传动装置在不同情况下进行转矩模式与速度模式切换，稳定地控制开卷机张力。工程应用证明了该方法的有效性。

关键词：开卷机；6RA80直流传动；张力控制

0　引言

开卷机是开卷生产线中必不可少的一台重要设备，通常开卷机的功能是将钢卷上料至套筒，卷筒涨开将钢卷内径撑紧；开卷机低速旋转将带钢穿带至后续设备；开卷机与夹送辊之间建立反张力，以保证带钢运行时不跑偏；全线紧急停车时开卷机能迅速制动，防止开卷机与后续设备之间出现堆钢。

宝钢高强钢横切机组生产线是带钢板材加工线，根据用户产品尺寸要求，通过飞剪将带钢横切成一块块的钢板，横切长度误差为±0.3 mm，机组运行速度为15 m/min～80 m/min。要求开卷机不但能够产生一定的开卷张力，而且在生产过程中应保持开卷机张力稳定。

1　无张力反馈的张力控制系统

1.1　控制系统结构

无张力反馈的张力控制系统主要控制对象是开卷机直流电机，直流电机具有低转速大转矩的特点，对此采用西门子6RA80直流调速器进行驱动。6RA80直流调速器是西门子新一代全数字直流调速装置，具有启动性能平稳、转矩特性优良、过载能力强、高启动转矩等优点。

由于没有张力反馈装置，开卷机张力为开环控制，控制系统结构框图如图1所示。操作员根据带钢产品规格设定带钢张力值，PLC自动计算出对应到电机轴上的所需转矩值，直流传动设备根据计算值输出相应的控制电流至开卷机直流电机。

图1　开卷机张力控制系统结构框图

1.2　钢卷直径计算

开卷机张力控制最终是转换成转矩来实现控制的，张力与转矩的关系为：

.

(1)

其中：T为转矩；F为带钢张力；D为钢卷直径；i为传动比。

由式(1)可知，随着开卷的进行，钢卷卷径会不断减小，要使张力保持恒定，转矩必须根据卷径实时变化，因此必须对卷径进行实时计算。机组线速度可由开卷机后的夹送辊测出，而开卷机电机上安装的编码器可测出开卷机的实际转速，因此可计算出钢卷实际卷径Dact：

.

(2)

其中：vstrip为带钢实际速度；nact为开卷机实际转速。

根据张力设定值和式(2)计算出钢卷实际卷径，PLC按式(1)可实时计算出相应的转矩，并将其输出给直流传动装置。

1.3　前馈补偿转矩

机组在生产过程中会因为各种原因进行升速或降速，这就要求开卷机能快速响应全线变速。但由于开卷机上的钢卷是大惯量物体(钢卷重量可达十几吨)，速度响应相对滞后，因此会导致机组降速时出现堆钢，机组升速时夹送辊负载增大甚至过载导致机组停车。针对这种滞后较大的控制对象，必须采用前馈控制方式。前馈控制的特点是基于不变性原理，比反馈控制及时、有效。当机组变速时，PLC提前计算出开卷机变速时所需的动态转矩，并将计算结果作为直流传动装置转矩设定值的附加给定补偿给开卷机，因此可提高开卷机的响应速度，避免开卷机动作滞后造成拉钢或堆钢。

除开卷机转动惯量补偿转矩外，开卷机克服转轴机械摩擦所损耗的转矩在惯量补偿计算时也不能忽略，因此最终转矩设定值Tr为：

.

(3)

其中：Tqi为转动惯量补偿转矩；Tqf为摩擦损耗补偿转矩。

1.3.1　转动惯量补偿转矩

开卷机转动惯量包括固定转动惯量和变化转动惯量。固定转动惯量是由电机、减速箱、连接轴、卷筒等固定机械构件的转动惯量组成。变化转动惯量由带钢规格、传动比、加速度等参数决定。转动惯量补偿转矩计算公式为：

.

(4)

其中：JC为开卷机固定转动惯量；k为转动惯量补偿转矩系数；m为钢卷质量；R为钢卷半径；R0为卷筒半径；α为开卷机角加速度。

角加速度α计算公式为：

.

(5)

其中：ωt为开卷机设定角速度；ωact为开卷机实际角速度；t为开卷机变速时间。

钢卷质量m计算公式为：

.

(6)

其中：ρ为带钢密度；w为带钢宽度。

将式(6)代入式(4)得：

.

(7)

根据式(7)可知，当机组升速时角加速度α为正，转动惯量补偿转矩Tqi计算值亦为正，即给直流传动装置一个正向的附加转矩，使开卷机快速跟随主线加速。而当机组减速时，角加速度α为负，转动惯量补偿转矩Tqi计算值亦为负，即给直流传动装置一个反向的附加转矩，使开卷机快速跟随主线减速。这样就消除了开卷机动作滞后，使开卷机能快速响应机组速度变化，以保持开卷机的恒张力。

1.3.2　摩擦补偿转矩

开卷机摩擦转矩与开卷机线速度可近似认为成正比，因此摩擦补偿转矩为：

Tqf=Kv.

(8)

其中：K为摩擦补偿转矩系数；v为带钢线速度。

2　无张力反馈的张力控制系统的实现

无张力反馈的张力控制原理如图2所示。直流传动装置转矩设定值的来源有两个：①速度调节器的输出；②转矩设定的输入。图2中开卷机旋转速度设定值nref为：

.

(9)

其中：vref为生产线速度。

开卷机速度附加值Δn为：

.

(10)

其中：Dmin为最小卷径；nmax为最大转速；fabsolut和freletiv为附加速度的因数。

附加速度的正负与转矩的方向有关，开卷机的Δn为负时，使速度调节器负饱和，开卷机工作在转矩下限。当系统正常工作时，由于开卷机速度设定值中加入负的附加给定速度，由编码器反馈的实际速度始终大于设定速度，很快速度调节器达到负饱和，速度调节器不再起作用。转矩设定的输入大于速度调节器输出时，直流传动装置为转矩控制模式，转矩设定值根据式(3)动态计算，而一旦发生带钢断带或甩尾时，开卷机张力变为零，速度调节器退出负饱和进入调节状态，直流传动装置转换到速度控制模式，避免发生“飞车”。

图2　无张力反馈的张力控制原理图

3　结束语

6RA80直流调速器的优良特性，在保证开卷机张力稳定性方面发挥了重要作用。通过控制直流传动输出转矩，稳定地控制了开卷机张力，因此转矩设定值计算成为控制的关键。合理设定带钢张力、实时计算钢卷卷径和转动惯量补偿转矩，都是实现准确计算转矩设定值的必要条件。无张力反馈的开卷机张力开环控制方式已在宝钢高强钢横切机组生产线中得到应用，并且自投产以来，系统运行稳定，完全能够满足要求，具有一定的推广价值。

参考文献：

[1]陈振翼，杨公源，沈洪勋.张力控制系统.北京：纺织工业出版社，2003.

[2]天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册.北京：机械工业出版社，2005.

[3]马竹梧.冶金工业自动化.北京：机械工业出版社，2007.

[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京.机械工业出版社，2000.

文章编号：1672-6413(2016)04-0167-02

收稿日期：2015-11-22；

修订日期：2016-05-28

作者简介：江选东(1980-)，男，江西南昌人，工程师，本科，主要从事自动化仪表方面的工作。

中图分类号：TP273∶TG333.2+5

文献标识码：A

Tension Open-loop Control System Based on 6RA80 for Uncoiler

JIANG Xuan-dong

(System Department, Shanghai Kings-Tech Corporation Limited, Shanghai 200940, China)

Abstract： By use of 6RA80 DC driver and S7-300 PLC controller, a tension open-loop control system is developed, which can control the tension of the uncoiler without tension feedback by adopting torque feedforward compensation, calculating the torque set value of the DC driver, and shifting the DC driver control mode between torque mode and speed mode in different conditions. The application result shows the effectiveness of the proposed method.

Key words： uncoiler; 6RA80 DC driver; tension control