轧钢机在张力控制下运行分析

摘要：在轧钢机的张力控制系统中，应用PLC技术控制的变频调速系统，将收集到的数据―使用张力大小，连续更改轧钢机的从动电机转速，从而使轧钢机自身的主从电机可以同步运行。本文通过PLC技术，使轧钢机实现可以变频调速控制的技术，使轧钢机可以在恒定的张力下运行。

关键词：轧钢机张力控制系统

中图分类号： TG333 文献标识码： A

1 引言

经过改革开放的发展，我国的轧钢技术的机械自动化程度一直在稳步提升，而且随着不断提高机械化程度，对控制轧钢机的精确度的要求也越来越高。轧制钢材的时候，首先要同步两台电机的转速，因为在一般情况下，轧钢机中主动电机转速较大，而从动电机转速较小。所以，当主动电机的转速大于从动电机时就会造成轧钢机堆钢，但是若使主动电机的转速比从动电机的小，也会造成拉钢。为防止上述问题的发生，本文将张力信号作为初始状态量，通过PLC技术对轧钢机实现变频调速控制，最终使得轧钢机可以实现主从电机在转速上的的同步控制，使其满足生产需要。

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用[1]。

2系统构成原理

实现在恒张力下进行轧制的过程，最根本的要求是轧钢机各轧辊间具有保持线性比例关系的线速度，即实现同步控制驱动各机架中的电机。本文采用PLC技术下的变频调速控制系统实现电机的同步调速，如图1所示。主要组成部分有PLC 模块、具有RS- 485通信功能的变频器、交流电机以及旋转编码器等。

进行电机的调速过程时，非常重要的一个因素是能够保持各极的磁通量为标准额定值恒定不变。如果磁通偏弱，就不能充分的利用铁心，就造成了极大的浪费；假如增大磁通，就可能使磁通趋于饱和，最终导致有较大的励磁电流，在比较严重的时候，可能因为绕组有过大的热量导致损坏电机。且对于直流电机，一般来说，励磁系统必须是独立的，因此只需要对其有合适的电枢反应补偿，保持准磁通量的不变是非常容易做到的。而在交流异步电机中，磁通是结合定子以及转子的磁通量合成产生的[2]。

图1PLC控制的轧机张力控制系统

在三相异步电机中，单相电动势有效值为：

(2-1)

式中，Eg代表气隙磁通在每相中感应电动势有效值；

f1代表定子频率；

N1为定子每相绕组串联匝数；

KN1为基波绕组系数；

∅m为每极气隙磁通量。

所以，通过式（2-1）可以得出：使磁通恒定必须控制好Eg与f1。

2.1 基频以下调速

在基频以下进行调速主要是通过不变的电动势值进行控制。由式（2-1）知，必须使∅m恒定，且通过工频调低定子频率f1时，需要减小Eg。值的注意的是，绕组电动势值很难控制，当电动势值比较大时，可以近似的认为定子每相的电压U1≈E，此时f1可看作常数。

2.2 基频以上调速

即在工频的基础上增高频率且保持电压值不变，此时磁通量和频率相互成反比，即频率升高时磁通量降低，此类情况相当于直流电机处于弱磁升速的状态。结合以上两种情况，就能够得出电动机主要的变频调速控制特性。

3 PLC 的工作原理简介

通过PLC 进行闭环控制，最重要的是具有非常精确的采样周期，所以，提高控制电机速度的精度以及响应速度，采样周期一般不能大于100ms。所以，通过PLC通过中断服务程序来实现闭环控制程序，在中断服务程序以外的主程序中，放置与开关量控制有关的部分程序，具体程序如图2所示。

图3 PLC控制程序流程图

与闭环控制系统自身具有的控制精度有紧密关系的是实际速度反馈值所具有的精度。所以，准确的获得实际速度反馈值非常重要。本文主要使用CT001- V1 型高速计数模块与旋转编码器组合在一起以测量实际速度的精确性。因为在控制系统中，采样周期的实现是通过定时中断， 所以在高速计数模块中，采用门控的模式进行计数，如图3，具体的控制时序是控制计数信号输入IN1为ON时，脉冲开始计数，当IN1变为OFF后，则保留计数器的值，当IN1的输入又一次变为ON，计数器在改点从零开始新一轮的计数。

图4 门控模式时序图

在使用数字PI的控制系统过程中，假如系统在启动、停止或者有较大幅度的变换系统的给定值时，系统的输出值就会出现非常大的偏差，经过一定的积分项累积之后， 就有极大的可能出现积分饱和，因此就会增加系统在调整时间以及超调量上的数值，从而极大的影响系统的控制效果。因此，本文在应用PI算法中同时加入了可以防止积分饱和的应对措施，良好的控制开关量是PLC自动控制中的强项，但是使用PLC自动控制系统实现部分模拟量的控制算法(例如PI) 就会有比较大的困难，很大一部分原因是因为PLC算法相对于算术运算，给其提供的支持还是属于比较低层面的，即仅仅对其提供了与微机的汇编语言相当作用的支持。

4 PLC通信网络结构设计

PLC自动控制系统的的管理计算机网络主要使用快速以太网。根据所需的要求，其主要的设备所需要的中心交换机采用的是千兆交换机，并且必须选取千兆的光纤模板。而其网络服务器则通过使用冗余设计以及备份双电源，再通过RAID控制器等较先进的技术，从而可以实现企业级这种较高级别的安全性能保证。为了确保数据的安全性，采用的２台服务器均使用磁盘阵列或者双机容错的技术，从而可以达到比较高级的安全性能保障，对单点故障进行克服。最后为了使抗干扰的能力加强，通过光纤连接进行几个控制站间或者控制站与中控系统之间网络连接[3]。

5基于张力控制的轧钢机运行分析

在一定范围内的误差中，必须同步控制轧钢机主从电机间的转速，主要方法为在主动电机与从动电机之间，同时放置张力传感器，使张力传感器可以和在过辊处的主动电机以及放卷轴处的从电机一起同轴运行，通过过辊处的张力值来提供给定量的参考值，再通过两个张力传感器收集数据，在PLC 中判断。在两个张力的信息量得到的差值大于零且已经到达上限，表明此时从动电机有过快的转动，需要降速。此时通过PLC得到命令，使变频器减小频率，从而让从动电机下调其自身的转速，将两个张力的差值保持在可接受的范围中；同理，两个张力信息量之差小于零且已经达到下限，表明此时从动电机转动比较慢，需要提速，通过PLC 的命令提高变频器自身的频率，调高从动电机转速，让两个张力的差值保持在合理范围内，就可以实现轧钢机的恒张力运行控制，其控制原理图如图4所示。

图4 控制原理图

6结论

通过PLC技术控制的张力系统进行的实验，得出结果见表1。

表1电机速度同步误差值

参数 数值

T(采样周期)/ms 50

Kp 0.85

Kc 1.02

电机速度同步误差

通过PLC 技术精确控制轧钢机，在轧制钢材的过程中，对轧钢机运行中的精确性有了保证。此类方法可以极大的提高产品质量，且使用变频器以及通过PLC技术控制变频器，保证了轧钢机利用电能的经济性，极好的对电能进行了节约。

参考文献：

[1]张晓坤 可编程控制器原理及应用 西安: 西北工业大学出版社, 1998.

[2]熊奠南 轧钢主机变频调速传动技术综述 变频器世界, 2001(11) : 11~ 17

[3]华建新,王占祥等 全连续式冷连轧机过程控制 北京: 冶金工业出版社, 2000.