水平活套控制要点

马 辉

在冷连轧、连续酸洗、镀锌等生产线上，为保证在入口段或出口段更换物料时生产工艺段能够继续生产，在入口段和工艺段间设置有水平活套装置，其主要任务是储存带材物料，并且保证同前后设备之间张力的稳定，以维持生产的连续性。正常工作时，活套入口速度v1等于出口速度v2，活套车不动，电机处于堵转状态。当需要充套时，v2＞v1，放套时则反之。在整个生产过程中带材张力应保持不变。

1 套量控制

1.1 放套控制

在生产线入口段停机时，为保证工艺段继续生产，此时由活套放出带钢来供料。由于活套出口段直接和工艺段相接，所以其速度需和工艺段速度相协调，一般情况下活套放套速度应由工艺段生产速度控制，为了避免活套被拉空而损坏活套，控制系统需要周期地计算活套存储量，计算周期一般 100～300 ms。

式中，LREAL1—活套内实际尚有的带钢长度，通过实时计算获得（m）；LMIN1—活套最小储量，自动化系统设定（m）；LSAVE1—保证活套安全留有的裕量（不能完全放完），由自动化系统设定（m）；L1—尚可以放出的带材长度（m）；LDEC1—由活套出口段目前运行的速度减速至零速时所需的长度（m）；β1—活套减速度（m/s2）。

当L1＞LDEC1时，活套可正常完成放套功能。当L1≤LDEC1时，必须向工艺段发出停车指令，停止放套。

1.2 充套控制

当生产线入口段已做好投入工作的准备时，入口段应该以能达到的最高速度完成快速充套，使活套具有最大储存量。和放套过程一样，充套时需要实时计算尚可充入的带材长度，避免活套充套过量而损坏活套设备。

式中，LREAL2—活套内目前已经充套完成的带材长度，通过实时计算获得（m）；LMAX—活套能充入的最大带材长度，由自动化系统设定（m）；LSAVE2—保证活套安全留有的裕量（不能完全充满套），由自动化系统设定（m）；L2—尚可以充入活套的带材长度 （m）；LDEC2—由活套入口段目前充套的速度减速至工艺段目前运行速度时活套充入带材的长度（m）；β2—活套减速度（m/s2）。

当L2>LDEC2时，活套可正常完成充套任务。当L2≤LDEC2时，必须向入口段发出降速指令，入口段速度降至V2，和工艺段速度一致，停止充套。

2 张力控制[1]

由于活套电机的转角正比于活套车的水平移动距离，随转角加大，水平位移量也加大，带钢被拉紧，下垂量减小，张力加大。因此，电机负载转矩也正比于电机转角，属于弹性张力系统。从表面上看，要使带钢保持张力恒定，只需要对活套电机施加固定的转矩给定，即活套的驱动控制器只需要转矩环，不需要速度环，就可以实现张力恒定的控制任务。但在实际工作中，当完成充放套任务后，尽管电机转矩保持不变，但电机仍将来回转动，使带材产生一松一紧的抖动现象，即产生柔性振荡。该现象严重时将可能造成断带，甚至损坏设备。

通过对处于振荡过程中的带材进行受力分析，将带材张力F3分解为两个方向：垂直分量F1和水平分量F2。设带材重力为G，带材下垂高度为d，L为带材最低点至活套车距离，则有

电机负载转矩：

当电机角速度ω增加时，转角θ增大，活套车前移，L加大，d减小，α角减小，此时若要保持带材张力不变，电机负载转矩TL将加大。尽管负载转矩TL和转角θ之间是非线性关系，但通过采用小信号增量，即经过小信号线性化后，它们之间的关系可以近似表示为：

式中，K1—线性化比例系数。

通过上面公式，我们可以将活套车近似看成弹性系数为K的弹性负载。对于弹性负载，电机运动方程可表示为：

式中，J—水平活套的机械惯量。

当电机转矩实际值保持恒定时，则小信号增量方程为：

故可得出：

可以看出活套车的运动方程是无阻尼振荡方程，该系统产生柔性振荡不可避免。

下面我们以直流传动控制系统为例，说明在实际应用中如何克服柔性振荡[2]。该系统只有转矩环工作，速度环正常工作时处于饱和状态，转矩给定为限幅值。要想克服柔性振荡，则可引入附加转矩给定ΔT：

当系统稳定时v1-v2=ω，ΔT为0。

振荡时

所以，引入ΔT后，活套车的运动方程

可见，该运动方程是含有Δθ的一阶微分项，是具有阻尼的二阶运动方程，活套车的柔性振荡被抑制。

3 断带保护功能[3]

每当开始生产前，先要进行上料和穿带，此时水平活套处于单动工作状态，与其前后设备无联系，调速系统应是有转速环和转矩环的双环转速控制系统，通过点动和爬行来完成上述任务。开始生产时，系统转入联动工作状态，水平活套通过爬行把带材绷紧，在水平活套和前后S辊间逐步建立起张力，然后带材速度随生产线加速至工作速度，此时的调速系统应是只有转矩环的张力控制系统，转速调节器退出控制。生产结束前，水平活套和前后S辊带张力一同降速至停止，系统仍处于联动工作状态，调速系统只有转矩环。

上述工艺过程要求水平活套调速系统能够在转速控制和张力控制系统之间平滑切换。

在生产过程中如果发生断带，张力突然消失，由于此时转速环不工作，张力控制系统的转矩环将维持电动机转矩不变，则由张力转矩变成加减速的动态转矩会造成水平活套突然加速，直至飞车损坏设备。因此需要增加断带保护。

通过转矩给定控制张力的调速系统是由转矩内环ATL和转速外环ASR构成的双环系统，其特点是张力控制的转矩给定信号不是直接送至ATL输入，而是从转速调节器ASR正限幅T*max输入（见图 1）。

单动时，附加转速给定n*=0，ASR限幅值为固定值，调速系统是标准双环转速控制系统，转速环和转矩环都工作，由于张力尚未建立，所以水平活套的转速等于其给定值，直至完成上料及穿带任务。穿带完成后，系统发出联动指令，附加转速给定n*按5%～10%的比例施加到ASR输入，水平活套电动机低速爬行，慢慢绷紧带材。在带材绷紧后，受张力牵制电动机爬不动，转速n＜n*，ASR正向饱和并退出控制，此时ATL的转矩给定输入T*等于ASR的正限幅值T*max，从而实现从转速控制到张力控制的平滑切换，张力大小通过改变T*max来控制 (ASR的负限幅仍为固定值)。在联动期间，主转速给定n*按满足带材以线速度V移动所需的电动机转速来设定，因此在整个生产过程 (加速、稳速及减速)中都是n*－n≈0，靠n*维持ASR正饱和，调速系统按张力控制模式工作。

图1 通过转矩给定控制张力调速系统框图

如果在工作中发生断带事故，水平活套电动机突然加速，在转速升高5%～10%后，n*－n=0，ASR退出饱和并恢复控制，调速系统自动转回转速控制模式，转矩给定T*减小，转速被限制在n=n*，不会发生飞车事故。

监测ASR是否饱和的信号还可用作发出“断带”联锁信号的依据之一，如果在联动期间，张力已建立 (张力大于门槛值)，发现ASR退出饱和且能维持一定时间后便可判断发生“断带”事故。这里延时时间很重要，可以避免因转速信号抖动而误发“断带”信号（见图2）。

图2 转速信号判断断带信号框图

此外，也可以根据水平活套电机转矩实际值T的变化量作为断带信号判断的依据。正常工作状态下调速系统ASR处于饱和工作状态，电机转矩实际值T等于转矩给定T*，即转矩实际值T保持恒定。当发生断带故障时，由于ASR退出饱和工作状态，电机转矩实际值T不再等于转矩给定T*，两者之间将产生一个较大的偏差值。通过对这个偏差值作比较判断，当偏差值大于一定阈值时，就可判断发生断带故障。和依据转速信号判断一样，也需要增加延时环节，否则会因转矩信号抖动而发生误判断（见图3）。

图3 转矩信号判断断带信号框图

4 结语

实践证明，在引入ΔT信号和断带信号判断逻辑控制后，活套系统柔性振荡现象得到有效控制，断带事故大为减少，生产设备得到有效保护。

[1]西门子公司．SIMOREG DC Master 6RA70全数字直流调速装置．

[2]马小亮．高性能变频调速及典型控制系统．机械工业出版社．2010．

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