CN1115223C

CN1115223C - 金属板带横剪生产机组速度同步控制方法

Info

Publication number: CN1115223C
Application number: CN 00113995
Authority: CN
Inventors: 周德奇; 张勇安; 任玉成
Original assignee: Xi'an Heavy-Duty Machinery Inst Ministry Of Machine Building
Current assignee: Xi'an Heavy-Duty Machinery Inst Ministry Of Machine Building
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2003-07-23
Anticipated expiration: 2020-12-01
Also published as: CN1355079A

Abstract

本发明涉及一种复杂工艺条件下的金属板带横剪生产机组速度同步控制方法，其内容是在横剪生产机组中确定一台设备作为机组速度基准并对该设备运用恒速度控制系统进行控制，对其它设备采用恒张力、恒力矩和变特性速度控制系统进行控制，各工艺段设备以张力或力矩的形式与基准速度设备构成同步运行关系，从而实现全机组的速度同步控制，可使生产线在没有速度同步缓冲环节活套的情况下稳定同步运行。

Description

金属板带横剪生产机组速度同步控制方法

技术领域

本发明内容属于机械设备控制技术领域，涉及一种复杂工艺条件下的金属板带横剪生产机组速度同步控制方法。

背景技术

传统的金属板带横剪生产机组的基本设备组成如附图1所示，主要包括开卷机1、张力辊2、切边圆盘剪3、多辊矫直机4、飞剪送料辊5、飞剪机6和活套7等设备，其间各设备的传动控制方式除开卷机1使用张力控制外，其它均采用速度控制。机组运行过程中，飞剪机6的剪切工作为间歇运动，由专门的控制系统控制，其它设备则需要在速度同步状态下向飞剪机6连续输送带材。由于速度控制系统存在有调速误差(包括调速精度误差和线性度误差)和设备制造误差，所以必然存在各单机设备之间的速度同步误差。这种误差会造成输送带材位移误差的积累，并由此产生各设备之间带材的堆拉现象，轻则要影响到圆盘剪切边的质量和横剪定尺剪切的精度，重则将造成带钢严重跑偏，致使机组无法正常工作。可见单靠速度控制实际上是无法实现设备间同步运行的。为降低速度同步控制的难度，传统的做法是在机组设备段间设置缓冲环节，即横剪生产机组一般都用至少一个活套7将机组分为两段，运用硬特性速度控制(速度反馈)和软特性速度控制(电势反馈)方法，实现每段内的速度同步控制。也就是说，现有技术运用活套作为两段间的速度同步控制缓冲和调节环节，借助活套的位置控制在宏观上实现整个机组的同步运行控制。但随着当前生产品种的增加和生产工艺的发展，横剪生产工艺的内容已不再仅仅是简单的切边与矫直要求，新增有表面清洗、烘干、涂层、附膜、衬纸、标印等多项工艺内容，随之要增加有多台与之相对应的工艺处理设备，机组长度也要增加许多，如果仍然按照原横剪机组速度同步控制思路进行控制，安排一个活套依然将存在着多台设备同步控制的困难，而若采用多个活套控制的方式则又会增加整个生产线长度和增加工程投资，带来新的问题与矛盾。

发明内容

本发明的目的在于为克服现有技术的上述不足而提出一种新式金属板带横剪生产机组速度同步控制方法，采用该方法既可去除原生产线中作为速度同步缓冲环节的活套，使生产线尽量缩短，又能满足多台设备间的速度同步控制精度要求，使机组在动态和稳态时都能平稳运行。

根据电力拖动的基本原理可知，解决速度同步的最好方法是使各台设备之间的带材保持一定的恒定张力。本发明的设计原则正是基于该原理而形成的，其技术解决方案是在横剪生产机组中确定一台设备作为机组速度基准并对该设备用恒速度控制系统进行控制，对其它设备采用恒张力、恒力矩和变特性速度控制系统进行控制，各工艺段设备以张力或力矩的形式与基准速度设备构成同步运行关系，从而实现全机组的速度同步控制。

本发明所述的方法包括以下几个步骤：

一、确定各设备电气传动方式

一般选择横剪生产机组中功率较大的主要工艺设备作为机组速度基准并对其采用恒速度控制系统控制，对机组内的其它设备则采用恒张力、恒力矩和变特性速度控制系统。

恒速度与恒张力、恒力矩控制均为已知常用的电力拖动控制方法，变特性速度控制是具有力矩限幅功能的速度控制方法，系统可以根据力矩限幅的变化使速度控制自动转变为力矩控制。

二、根据工艺要求确定各设备工作段间的张力数值范围

由于生产带钢的厚度和宽度规格均有一定变化范围，使得带钢的截面积大约有15倍左右的变化范围，一般生产工艺都要求带钢的张力随带钢截面积的变化而改变。确定其大小范围共有以下四种方式选择：

(1)、恒定单位张力

由工艺确定一个固定不变的单位张力，根据带材的厚度和宽度就能得到这一截面下的张力数值，如式(1)所示。

T＝B·H·P ……………………………(1)式中字母代号T为张力(N)，B为带材宽度(mm)，H为带材厚度(mm)，P为单位面积张应力(N/mm²)。

由于单位张应力是一定数，因此带材张力随带材截面积的变化而线性改变，其变化规律如附图3所示。

(2)、梯级形变化单位张应力

根据生产需要张力随带材截面的变化而非线性变化，由工艺确定一个根据带材截面变化范围而阶梯改变的单位张应力P，通过(2)式得到带材的张力T的数值。

T＝B·H·P+Δ(B·H)·P…………(2)式中Δ(B·H)为带材梯形截面变化值(mm²)。T的变化规律如附图4所示。

(3)、变化范围受限定的张力值

根据生产工艺的要求某段张力随着带材截面的变化只能被限定在某一范围值内变化，不能超出最大和最小限定值，其特性如附图5所示。

根据附图5所示可得到下式

T = \frac{T_{2} - T_{1}}{S_{2} - S_{1}} S - \frac{S_{1} T_{2} - S_{2} T_{1}}{S_{2} - S_{1}} - - - (3)

式中字母代号T₁为该范围内最小张力限定值(N)，T₂为该范围内最大张力限定值(N)，S₁为该范围内带钢最小截面积(mm²)，S₂为该范围内带钢最大截面积(mm²)，S为带钢截面积(mm²)。

(4)、定比张力

定比张力的含义是当某段张力确定后，另一段张力与该段张力成定值比例关系，如下式

T_B＝KT_A………………………………(4)式中T_A为已知某段张力(N)，T_B为本段张力(N)，K为比例系数。

三、确定各设备的负载力矩

负载力矩是指被确定为张力控制、力矩控制和变特性速度控制的设备承担张力所要承担的负载力矩。稳定工作使机械设备的负载力矩由两部分组成，其一是承受张力力矩的负载，其二是承受摩擦力矩的负载，如果张力力矩远大于摩擦力矩，则可忽略摩擦力矩的影响。

设备的负载力矩可由下式得到：

M_F＝(T_R-T_C)R…………………………(5)式中M_F为设备的负载力矩，T_R为设备入口张力，T_C为设备出口张力，R为设备辊径。当T_R＞T_C时，M_F为正值，传动电机为电动力矩状态工作；当T_R＜T_C时，M_F为负值，传动电机为发电力矩状态工作。

四、根据设备负载力矩换算出各电机力矩电流限幅值，即电机负载率

机械设备的负载力矩正比于拖动电机的力矩电流，设备负载力矩占额定力矩的百分比数也就是电机负载电流所占电机额定电流的百分比。按照这一百分数(负载率)对电机电流进行限幅控制就可以实现对设备输出力矩的控制。电机负载率可由下式得到：

C = \frac{M_{F}}{M_{e}} \times 100 % - - - (6)

式中M_F为设备的负载力矩，M_C为设备额定力矩，C为负载率。

五、根据机组不同工作状态和模型计算得到的各电机的具体电流限幅值参数对各电机实施速度同步控制

由恒张力控制、横速度控制和变特性速度控制系统组成的横剪机组的速度链控制系统如附图6所示，其硬件条件包括控制各电机运转的全数字调速装置16(它可以是直流控制也可以是交流矢量变频控制)、进行人机信息交换和基本参数计算的上位监控计算机13、用于顺序和逻辑控制的可编程序控制器14，将上述三部分连接起来，构成具有随机信息交换能力的数字通讯网络15。

系统工作时，将选定的机组各设备电机工作状态及各段张力控制模型事先输入计算机，一旦将生产带材的宽度及厚度等工艺参数通过上位监控计算机13输入系统，即可根据模型计算得到各台电机的具体控制参数电流限幅值以对各电机实施速度同步控制。机组动态过程中为了获得最大动态力矩，变特性速度控制系统均放开电流限幅，使其成为速度控制系统，并能够按照预设的加速度达到工作运行速度。机组一旦进入稳定运行状态，变特性速度控制则按照已确定的电流限幅值对各自的电机进行电流限幅控制，使电机工作状态由速度控制转变为力矩控制，同时根据负载力矩的正负极性决定是对电机的正向电流进行限幅控制还是对电机的反向电流进行限幅控制。

附图说明

图1为传统横剪生产机组从开卷机至飞剪机的设备组成图。

图2为采用本发明所述方法的一种具体实施例机组——不锈钢横剪生产机组从开卷机至飞剪机的设备组成图。

图3为恒定单位张应力工艺条件下带材张力(T)及单位张应力(P)随带材截面积(B×H)变化的规律图。

图4为梯级形变化单位张应力工艺条件下带材张力(T)及单位张应力(P)随带材截面积(B×H)变化的规律图。

图5为张力值变化范围受限定工艺条件下带材张力(T)随带材截面积(B×H)变化的规律图。

图6为同步速度链控制系统图。

具体实施方式

参见图2，不锈钢横剪生产机组中的主要传动设备由卷纸机8、开卷机1、张力辊2、切边圆盘机3、多辊矫直机4、挤干辊9、布膜衬纸机12、膜开卷机10、纸开卷机11、飞剪送料辊5及飞剪机6等组成。机组所要完成的工艺步骤包括衬纸收集、张力开卷、切边、湿式矫直、除湿、烘干、标印、布膜或衬纸、定尺剪切、废品分选、定点堆垛等。

实际应用中，应首先确定机组内各单机设备的电气传动方式，即本发明所述方法的步骤一。

机组以矫直机4作为速度基准，传动特性为恒速度控制；由挤干辊9、布膜衬纸机12和飞剪送料辊5共同建立矫直机前张力，它们的传动系统确定为变特性速度控制系统；开卷机1、张力辊2和圆盘剪3共同建立矫直机的后张力，开卷机1确定为恒张力控制，张力辊2和圆盘剪3确定为变特性速度控制；机组中卷纸机8、膜开卷机10和纸开卷机11均确定为恒张力控制。

机组中的张力分配如附图2所示，图中T_K为开卷张力，T_H为矫直机后张力，T_Q为矫直机前张力，T_P为挤干辊与布膜衬纸机之间的张力，T_F为布膜衬纸机与飞剪送料辊之间的张力。

根据附图2所示张力分段来确定机组各段张力的大小和变化范围是本发明所述方法的第二步骤。

开卷张力T_K为恒定单位张应力，可由来料的厚度H、宽度B和单位张应力P并根据公式T_K＝B×H×P计算得到。在此，我们选择P为“梯级形变化单位张应力”，其随带材截面积变化的规律如附图4所示。

T_H为矫直机的后张力，也就是张力辊2与矫直机4之间的张力，该张力也是由来料厚度H、宽度B和单位张应力决定，由于矫直机4可承受的张力有限，其范围由单位张应力确定，实际应用中选择“恒定单位张应力”方式决定张力范围，如附图3所示，为区分设其为P₁，T_H＝B×H×P₁

为简化控制我们设定矫直机的前张力等于后张力，即T_Q＝T_H＝B×H×P₁。

T_P为挤干辊9与布膜衬纸机12之间的张力，由于该工作段需对带钢进行布膜(或衬纸)工艺处理，若张力过大，布膜衬纸机产生的张力大于布膜(或衬纸)与带钢间的摩擦力，会使膜或纸相对带钢产生滑动错位，影响布膜或衬纸效果；如果张力太小，又会影响带钢在剪切过程中的稳定性，进而影响测量精度和剪切定尺精度，所以对该段张力提出特殊要求，即张力被限定在一个特定范围的最大值和最小值之间，因此就需要选用“张力变化范围受限定”的方法来确定该段张力。如附图6所示。

在确定了最小张力、最大张力和最小带钢截面、最大带钢截面之后，根据来料的厚度、宽度即可得知本段的张力数值。

T_{P} = \frac{T_{2} - T_{1}}{S_{2} - S_{1}} HB - \frac{S_{1} T_{2} - S_{2} T_{1}}{S_{2} - S_{1}}

T_F为布膜衬纸机与飞剪送料辊之间的张力，该段带钢已经布膜(或衬纸)，因此与前段张力有相同的工艺要求。可选用“定比张力”方式确定本段的张力数值，保持与前一段张力T_P之间成比例关系，即T_F＝KT_P，式中比例系数K值的取值范围根据实际需要为K＜1。

圆盘剪3在机组中是一台较为特殊的设备，由于在机组中它仅仅是用于切边，除剪边负载力矩外很难再承受张力力矩，因此在张力辊2与矫直机4的张力段中圆盘剪对张力T_H的影响很小，实际工作中可忽略不计。

在确定了各段张力之后，就可以确定各设备用于产生张力的负载力矩，即完成本发明所述方法的第三步骤。

开卷机的负载力矩M_K为：M_K＝(T_K+T_a)R_K。式中R_K为开卷机卷半径；T_a为卷纸机张力；T_K为开卷张力。

张力辊的负载力矩M_Z为：M_Z＝(T_K-T_H)R_Z。式中R_Z为张力辊半径；T_H为矫直机后张力；T_K为开卷张力。

圆盘剪的负载力矩M_Y是以剪切板厚H和剪切材质的屈服强度σ_S为变量的函数，即M_Y＝M_Y(H，σ_S)。

矫直机的前张力等于后张力，我们可以认为它的电机不承受张力力矩所产生的负载。

挤干辊的负载力矩M_J为：M_J＝(T_Q-T_P)R_J。式中R_J为挤干辊半径；T_Q为矫直机前张力；T_P为挤干辊与布膜衬纸机之间的张力。

布膜衬纸机的负载力矩M_B为：M_B＝(T_P+T_b-T_F)R_B。式中R_B为布膜衬纸机的半径；T_F为布膜衬纸机与飞剪送料辊之间的张力；T_b(或T_C)为膜开卷(或纸开卷)张力。

飞剪送料辊的负载力矩M_F为：M_F＝T_F×R_F。式中R_F为飞剪送料辊半径。

上述各单机负载力矩确定之后便可根据其额定力矩计算出各电机的负载率，进而得到各电机力矩，此即本发明所述方法的第四步骤。

开卷机计算力矩作为开卷张力直接给出，进行恒张力控制，而张力辊、圆盘剪、挤干辊、布膜衬纸机、飞剪送料辊的计算力矩则作为各自力矩限幅值输入到各自的传动装置内，在机组进入稳态速度运行时用来对各电机进行力矩限幅控制，使其进入力矩状态，实现变特性控制，如此即完成了本发明所述方法的第五步骤。

Claims

1、一种金属板带横剪生产机组速度同步控制方法，其特征是在横剪生产机组中确定一台设备作为机组速度基准并对该设备用恒速度控制系统进行控制，对其它设备采用恒张力、恒力矩和变特性速度控制系统进行控制，各工艺段设备以张力或力矩的形式与基准速度设备构成同步运行关系从而实现全机组的速度同步控制。

2、如权利要求1所述的金属板带横剪生产机组速度同步控制方法，其特征在于该方法由以下步骤构成：

(1)在横剪生产机组中选择功率较大的工艺设备作为机组速度基准并对其采用恒速度控制系统控制，对机组内的其它设备采用恒张力、恒力矩和变特性速度控制系统进行控制；

(2)根据带钢的张应力随带钢截面积变化的具体工艺要求确定各工艺段的张力数值范围，包括

a、张力满足T＝B·H·P式的恒定单位张应力控制模式，式中字母代号T为张力，B为带材宽度，H为带材厚度，P为单位面积张应力；

b、张力满足T＝B·H·P+Δ(B·H)·P式的梯级形变化单位张应力控制模式，式中字母代号Δ(B·H)为带材梯形截面变化值；

c、张力满足

T = \frac{T_{2} - T_{1}}{S_{2} - S_{1}} S - \frac{S_{1} T_{2} - S_{2} T_{1}}{S_{2} - S_{1}}

式的位于某变化范围内的张力控制模式，式中字母代号T₁为该范围内最小张力限定值，T₂为该范围内最大张力限定值，S₁为该范围内带钢最小截面积，S₂为该范围内带钢最大截面积，S为带钢截面积；

d、满足与某段已确定张力T_A成正值比例关系的定比张力值T_B＝KT_A的控制模式，式中字母代号K为比例系数；

(3)根据公式M_F＝(T_R-T_C)R确定机组中采用恒张力、恒力矩和变特性速度控制系统控制设备的负载力矩M_F，式中字母代号T_R为设备入口张力，T_C为设备出口张力，R为设备辊径；

(4)根据设备负载力矩M_F和设备额定力矩M_e换算出各电机力矩电流限幅值，即电机负载率C，

C = \frac{M_{F}}{M_{e}} \times 100 %;

(5)将选定的机组各设备电机工作状态及各段张力控制模型输入计算机，根据机组不同工作状态和模型计算得到的各电机的具体电流限幅值参数对各电机实施恒张力、恒力矩、变特性速度控制，从而实现全机组的速度同步控制。