高速拉矫机升降速延伸率的控制优化

刘鹏飞

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471000)

随着铝加工行业的发展，客户对铝带板型、成品率和设备效率的要求越来越高。2017年我公司为某铝加工厂新设计一条拉弯矫直生产线，主要针对1xxx系、3xxx系、5xxx系、8xxx系等纯铝及铝合金进行拉伸矫直，设计满足工艺要求为来料厚度0.1mm～1.0mm、来料宽度700mm～1500mm的板材，机组设计最高速度500m/min。目前这条生产线处于正常生产阶段，薄料正常生产速度为450m/min，稳态延伸率控制精度±0.005%，升降速延伸率控制精度达到±0.05%，成品率95%以上，矫直板型良好。

1 电气配置特点

拉弯矫直控制系统主要包含传动控制系统、机列控制系统和人机操作界面(HMI)等子系统。系统配置如图1所示。

图1 系统配置Fig.1 System configuration

整个机组在线传动电机均选用交流变频电机，控制系统采用西门子SINAMICS S120系列产品，矢量控制方式，传动控制精度0.001rmp，满足控制精度和动态性能。针对拉弯矫直设备特点，采用公共直流母线技术，这种系统的优势在于，直流母线可进行能量交换，将运行在发电状态的电机回馈的能量，在母线上直接供给电动状态消耗能量的电机。处于发电状态的开卷机、入口张力辊电机产生的能量，反馈回直流母线，供处于电动状态的卷取机、出口张力辊电机使用，节省能源的优势，对于本生产线尤为突出。

PLC控制系统采用西门子S7-400产品，具有强大的数据处理能力，主要实现机组传动功能控制和机列辅助功能控制。传动功能主要包含，速度控制、张力控制、延伸率控制、力矩控制、各张力辊间的速度协调、动态补偿、卷径计算等功能。机列辅助功能主要包含辅助泵站控制、操作和连锁控制等功能。

2 拉弯矫直控制原理

延伸率控制是拉弯矫直设备中最重要的控制与显示参数，它直接影响设备稳定性和产品质量。延伸率定义为，在单位时间内，通过出口张力辊的带材长度减去通过入口张力辊带材长度的差值除以通过入口张力辊的带材长度。单位时间相同，则带材实时延伸率ε可以定义为：ε=(V2-V1)/V1×100%；式中，V2为出口张力辊组线速度，V1为入口张力辊组线速度为。

延伸率ε是一个间接计算值而不是一个直接的测量值，入口4号、出口1号张力辊实时转速可以通过传动装置S120读出，张力辊的辊径固定，按照V=π×D(辊径)× N(转速)公式，可以很容易的计算出实时延伸率。延伸率闭环是根据设定的延伸率，调节入口4号张力辊交流电机的速度来完成的。对于不同材料硬度、不同厚度及宽度，其屈服强度必然不同，克服同样的延伸率偏差所需的力也不同，反映到电气系统即所需电机出力大小不同。所以对于高速运行的拉弯矫直机如何利用PID算法对延伸率进行闭环控制，使得控制系统能够快速、稳定的调节，是研究的关键。

3 控制方法的改进

目前拉弯矫直延伸率的控制，采用一个PID控制，没有单独整定升降速、低速时的PID参数，根据延伸率差值调节入口4号张力辊的速度，实现延伸率闭环控制。该控制方法的突出问题是延伸率稳定时间长，升降速时延伸率控制精度差。

如果拉弯矫设备高速生产时，升降速延伸率精度不能保证，那么速度越快，废品率就越多，高速生产的意义也就没有了。按照设计的加速度0.35m/s2计算，由零速到最高速500m/min，大概需要24s，根据公式S=V0t+1/2at2计算，升速的废品长度为100m，这样的废品率是不能够接受的。

3.1 预张力控制模式

传统拉弯矫控制方式有两种，一种是延伸率控制，另外一种是张力控制。(1)延伸率控制。因为张力辊有高精度的编码器配置，所以能够实现延伸率闭环控制，延伸率控制针对不同合金的材料，更易于调整拉伸力，方便操作手操作；但是延伸率的控制是通过调节入口4号张力辊的速度，速度调节值经过力矩调节器、电流调节器，最终控制延伸率，所以延伸率控制有滞后的惯性环节，升速时延伸率达到目标值会慢一些，尤其是厚料和硬合金，问题尤为突出。(2)张力方式。这种方法跳过速度调节这一环节，直接力矩给定，升速时张力达到目标值更快一些，但是由于受成本控制，没有张力计不能实现闭环控制，控制精度差。

结合两种控制方式的特点，我们提出了预张力的控制模式。在从零速到目标速度的升速阶段，入口张力辊采用力矩控制，让张力辊的力矩很快达到目标值后，改入口4号张力辊为速度控制，实现延伸率的闭环控制。在机列高速运行中，实验证明力矩控制和速度控制直接切换时，会有轻微力矩突变的现象，控制方式的直接切换不能采用。让入口张力辊在升速初期速度饱和，力矩限幅方式，即可很容易的间接实现力矩控制，在力矩达到目标值后，逐渐放大限幅值，实现延伸率闭环稳定控制。

采用简单PID速度调节入口张力辊的速度，延伸率的稳定时间约为20s，采用预张力控制后，延伸率稳定时间约为10s。投入预张力控制下的数据采集如图2所示，图中曲线一是实际延伸率(蓝色曲线)和设定延伸率0.4%(红色曲线)；曲线二是出口-张力辊速度(机列线速度)。

因为生产工艺要求，先低速运行，如果板型良好再高速生产，图2中延伸率在速度稳定在13m/min 后10s即达到了实际延伸率给定值，在加速阶段延伸率的误差也很小，基本保证带材的板型。按照此工艺生产废料长度小于4m，大大缩减了升速阶段的废料长度。

在升速阶段延伸率能很快达到预设值，预张力值的计算是关键。预张力值不仅不能太大也不能太小，太大会把带材拉的过量变形以致拉断，太小达不到迅速达到目标延伸率的效果。

图2 预张力控制下的数据采集Fig.2 Data acquisition under pre-tension control

铝材在受到外力作用下，会发生弹性变形，遵循胡克定律，外力消除，材料会恢复到原来的尺寸和形状；外力持续增大，到一定数值之后，材料会进入塑性变形，铝材一旦进入塑性变形，当外力消除后，铝材尺寸和形状不可恢复。这个造成两种变形的临界点的强度，就是材料的屈服强度，我们可以按照铝材的屈服强度计算入口4号张力辊预张力的大小。计算公式为，T=σ0.2×W×Th×K×0.533；式中，T为预张力；σ0.2为合金铝材屈服强度；W为带材宽度；Th为带材厚度；K为系数。

根据公式计算的预张力只是初设值，由于带材板型不同以及是否投入矫直单元等各种情况的影响，达到目标延伸率的拉伸张力的大小和预张力的初设值有很大差别。可以根据设定延伸率和实际延伸率的差值大小，调整预张力的大小，使实际延伸率逐渐逼近设定延伸率，最终达到设定的预张力满足实际拉伸力的目的。

3.2 PID分级控制

拉弯矫直机的延伸率控制主要是采用PID控制，根据PID控制的特点，结合设备使用要求，要想实现高速、快响应、低废品率稳定生产，必须对PID控制参数分级整定。

(1)在整个生产周期中，必然会有升速、恒速和降速阶段，在升速和降速阶段，因为机械摩擦和转动惯量等客观因素，所以必须对开卷机、卷取机和张力辊进行补偿控制，延伸率是0.005%控制精度，而动态补偿是估算值，机列在升降速时，延伸率误差都较大，为了弥补动态补偿的误差，需要在升降速时分别对张力辊进行动态补偿并独立整定PID参数，实现控制延伸率有较高的响应速度(图3)。图中曲线一是出口一张力辊的速度(机列速度)，曲线二延伸率的给定值(红色值)和实际值(蓝色值)。PID重新整定后加减速阶段实际延伸率控制误差小于0.05%。

图3Fig.3

(2)该台拉弯矫直机的来料多是冷轧料，因为冷轧机是老旧设备，所以带材表面经常会带有污浊物。工艺生产需要在升速前，以15m/min左右的速度检查矫直后的带材板型和查看带材表面质量并处理带材表面上的污浊物。15m/min的线速度转换交流电机的频率低于3Hz，受交流电机特性的限制，低于3Hz时速度精准控制有很大难度。为了减少电机速度波动对延伸率的影响，加大入口4号张力辊和出口1号张力辊编码器速度反馈的滤波时间，并且重新整定PID参数，减小比例值加大积分值，基本实现低速下的延伸率较精准控制(图4)。图中，曲线一是出口1号张力辊的速度(机列速度)16m/min，曲线二延伸率的给定(蓝色值0.3%)和实际值(红色)。给定延伸率0.3%，实际延伸率最小值0.271%，最大值0.326%，延伸率误差值小于±0.03%，低速下的矫直板型良好，满足低速生产要求。

图4Fig.4

(3)PID调节器实现快速稳定的跟随设定值，要根据检测的实际值来反复调节PID参数。通过PID调节器调节入口张力辊的速度来保证延伸率的稳定，对于不同的材料，硬度不同、厚度及宽度的不同，其带材的屈服强度必然不同，反映到电气设备上即所需电机出力大小不同，即不同的来料，系统的响应速度不同。所以为了快速消除设定延伸率和实际延伸率的差值Δε，且稳定延伸率的控制精度为±0.01%，只依靠PID控制已不能满足控制精度要求。根据Δε差值大小设定4个范围，分别限幅PID输出值ΔV的大小，来提高实时延伸率的响应速度和稳定性。

4 结束语

通过做精做优做细各个技术环节，使该拉弯矫设备在升降速时延伸率的响应时间由原来的约20s，降到10s以下；升降速时控制精度由原来的±0.2%，提高到±0.05%，较原来的控制精度有了很大提高。稳态延伸率控制精度±0.005%，升降速延伸率控制精度达到±0.05%，延伸率的控制精度较之前的控制方式有了大幅提高；成品率由原来的约85%，提高到95%，各项指标已达到同类型设备国内领先水平。该设备不仅是国内速度最高的拉弯矫设备，而且延伸率的控制精度也代表了国产拉弯矫设备控制的最高水平。目前该设备已稳定运行3年，年生产料卷近9万t。