西门子变频器在热轧卷取机上的应用

摘要：本文以SIENMENS 6SE70系列变频器为例，阐述了采用TDC控制器，以闭环张力控制模式的交直交变频在热轧板带卷取机上的应用。实践证明应用变频技术设备运行稳定，故障率低，取得了良好的成果和经济效益。

关键词：西门子；变频；张力控制；卷取

1 引言

卷取是热轧带钢最后一道工序，为了保证卷取质量，必须要求控制系统过载能力强，控制精度高，动态响应快，能随时响应主速度变化(轧制速度跟随)，从而保证卷取过程中始终都能保持稳定的张力。这一问题在唐山不锈钢公司08年4月调试投产的1580热轧中宽带生产线上已经得到完美的解决。

2 卷取系统组成

如图1所示，唐山不锈钢公司1580mm中宽带热轧生产线安装有两台地下卷取机，轮流卷取，生产节奏较快。同时允许单台卷取机离线检修，保证全线不间断生产。该轧线自动控制系统使用了先进的高性能SIEMENS TDC控制器，传动装置均采用西门子 6SE70系列装机装柜型交直交变频器，控制器与传动装置采用DP通讯。

末架轧机电机功率为7000KW，辊道电机功率9.2KW，上、下夹送辊电机功率350KW，助卷辊电机功率75KW，芯轴卷筒电机功率为1000KW，但是卷筒电机设计允许3倍过载60秒（卷取完成后，要求快速停车卸卷），所以芯轴的传动由3台1000KW功率装置并联驱动（一主两从），两台从动装置通过通过光纤接收主动装置的CUVC信号。

3 卷取系统主要控制模型

为了获得良好的卷型及卷取质量，卷取系统必须保证有稳定的张力控制，包括卷取与轧机的张力平衡、卷取系统内部张力平衡及卷径实时跟随计算。

3.1系统张力分析

在一个完整的收卷过程中，系统张力有一个明显分水点，就是末架轧机抛钢。参考下图2，以轧制方向为参考正方向。轧机抛钢前，夹送辊力矩M1＋ 芯轴力矩M2≥轧机力矩M0。这时，我们认为轧机力矩M0为负值：转动方向与轧制方向一致，但对钢带的作用力方向与轧制方向相反，轧机为正向制动；夹送辊和芯轴为正向拖动，M1、M2为正值。轧机抛钢后，M0消失，这时为了稳定卷筒张力，夹送辊与芯轴平衡张力，M2≥M1，且M1为负值，夹送辊转为正向制动。PDA实时曲线也能证明这点，

如图3所示。X点就是轧机抛钢的临界点。

在X点之前，夹送辊速度和力矩并没有变化。芯轴力矩在加速过程中有所增长，但咬钢且速度稳定后又回落为低值。X点之后，即轧机抛钢之后，卷筒张力迅速升为15KNm左右，而夹送辊合力矩为-8KNm左右（如图示其中下夹送辊为-2.5KNm，上夹送辊为-5.5KNm）。

图3也反映出张力控制中一个极其重要因素：转矩限幅和速度上限。在C1 mandrel speed曲线中，X点前，电机转速与设定转速的跟随性很好，而X点之后，实际速度与给定速度的偏差十分明显，但这并不是故障，而是限幅的运用。X点之前，因为轧机仍然咬钢，为了既保证张力，又能达到速度平衡，所以利用轧机主机实际速度信号作为卷取恒张力变频器的速度上限，同时TDC放宽了转矩限幅；X之后，已经不存在和轧机速度匹配问题，所以将转矩限幅重新投入，使芯轴和夹送辊间的力平衡按照设定曲线输出。可以看到，夹送辊和芯轴在X点之后，同时有一个降速过程，从而使卷筒带钢表面张力仍能达到平衡。

3.2 张力控制计算

在该线卷取系统中，电机的输出转矩都是通过装置内霍尔电流互感器测得的电流计算得到，速度是通过电机编码器实际反馈。

为了维持带钢表面张力稳定，且调节电机转速。首先由带钢线速度和卷筒的卷径实时计算出同步匹配频率指令，即：

F=(V×p×i)/(π×D)

其中：

F变频器同步匹配频率指令；

V材料线速度；

P电机极对数(变频器根据电机参数自动获得) ；

i机械传动比 ；

D卷筒的卷径。

然后通过张力检测装置反馈的张力信号与张力设定值构成PID闭环，调整变频器的频率指令。

这种控制模式下要求变频装置的PID调节性能非常较高，同步匹配频率指令要准确，这样系统才能稳定运行，否则系统会发生震荡。TDC控制器完全能够胜任模型计算的任务，而经过近一年的设备运转情况来看，西门子 6SE70系列变频器在稳定的PID调节运算方面也有足够的优势。

3.3 卷径计算

忽略其他机械传动比等因素，通过图5，可以得出准确的计算卷径与带钢表面稳定张力的关系：

带钢所受力矩T=芯轴张力F×卷径/2（力臂）

在卷取过程中钢卷的卷径在不断增大，也就是说张力控制必须很好地跟随卷径变化，才能获得稳定的张力控制，可见卷径计算非常重要。TDC模型计算其公式如下：

D=(I×V)/(π×n)

其中：

D所求卷径；

I机械传动比；

n电机转速；

V 线速度 。

当系统运行速度较低时，带钢线速度和变频器输出频率都较低，较小的检测误差就会使卷径计算产生较大的误差，所以要设定一个最低线速度，当材料线速度低于此值时卷径计算停止，卷径当前值保持不变。

4 结束语

08年4月份投产至今，唐山不锈钢公司1580mm热轧生产线的卷取系统一直运行稳定，完全满足生产要求，未发生起套、拉断等事故，充分体现了西门子TDC与6SE70变频器的高性能、维护量小等特点，也是控制器与功率单元良好配合的成功例子。

参考文献

1.变频调速在冷轧机卷取控制系统中的应用 吴亚君，周建洪，金晓晨 现代电子技术2007年12期

2.交-直-交变频器在卷取机传动中的应用周灵强 变频器世界2005年 11期

3.SIMOVERT在冷轧机卷取控制系统中的应用 吴亚君，周建洪，金晓晨 自动化仪表2007年 07期

4.艾默生TD3000变频器在造纸厂的应用机电一体化2007年 03期