KR100311962B1 - 철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어방법 - Google Patents

철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철강냉연라인에서의 스트립 장력 제어 방법에 관한 것으로써, 스트립의 장력 제어용 제 1 모터와 스트립의 진행 속도 제어용 제 2 모터를 구비하고, 상기 제 1 모터의 구동을 제어하여 상기 스트립의 장력을 제어하는 철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어 방법에 있어서, 라인의 속도 및 장력 기준치를 설정받고, 설정된 라인 속도로부터 제 1 모터의 구동 속도 기준값을 산출하는 단계, 산출된 제 1 모터 구동 속도 기준값에 의거하여 제 1 모터를 구동시키고, 속도검출센서에 의해 제 1 모터의 실제 속도값을 검출함과 동시에 모터의 토크를 연산하는 단계, 연산된 제 1 모터의 속도와 토크값으로부터 현재 스트립의 실제 장력을 산출하는 단계, 산출된 스트립의 실제 장력과 기설정된 스트립 장력 기준값과의 편차를 산출하고, 산출된 장력 편차를 보상하도록 토크값으로 제 1 모터를 구동시키는 단계를 구비한다.

Description

철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어 방법{A TENSION CONTROL METHOD FOR CONTINUOUS STRIP PROCESSING LINE}
본 발명은 철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 별도의 장력 검출센서없이 롤 구동 모터의 전류와 속도를 검출하여 모터의 토크 관계식으로부터 간접적으로 장력을 검출하여 스트립의 장력을 제어하도록 된 철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어 방법에 관한 것이다.
최근 AC 모터 드라이브의 고성능화로 인해 철강 라인에서 유도 전동기가 광범위하게 적용되고 있다. 연동 구동 라인은 속도 제어와 장력 제어에서 정밀성과 고성능이 요구되는 분야이다. 특히 냉연 라인에서는 여러 공정이 정확한 장력 설정에 의해 연속적으로 이루어져야 한다.
산업체에서 주로 적용되고 있는 장력 제어 방법에는 다음과 같은 3가지의 방법이 있다. 첫번째는 로드셀로부터 장력을 검출하여 장력 제어를 수행하는 것이고, 둘째는 직접 장력을 검출하지 않고 간접적인 방법으로 모터의 토크분 전류를 이용하여 장력을 검출하여 제어하는 방법이다. 마지막으로는 장력제어를 위해 설치된별도의 작동롤(dancer roll)에 의해 장력을 제어하는 방법이다. 이러한 모든 경우의 장력제어방법에서 라인 속도 변화에 의해 발생하는 장력 변동을 최소화하는 것이 제어의 중요한 요소가 된다. 이러한 목적을 위해 속도와 장력을 분리하여 적용하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.
도 1은 일반적인 철강냉연 라인에서의 장력 제어 시스템의 개략적인 구성도로써, 도시되지 않은 제어부에서는 스트립진행방향을 기준으로 후단에 위치한 제1롤(11a)과 연결된 제 1 모터(11)의 구동을 제어하여 스트립(14)의 장력을 제어하고, 스트립진행방향을 기준으로 전단에 위치한 제2롤(12a)과 연결된 제 2 모터(12)의 구동을 제어하여 스트립(14)의 속도를 제어하게 된다. 또한, 제어부는 로드셀(13)에 의해 검출된 스트립(14)의 장력 검출값에 따라서 제 1 모터(11)를 제어함으로써 스트립의 장력을 일정값으로 조정하게 된다.
이때, 모터의 마찰 성분 및 롤(11a)(12a)과 스트립(14)의 슬립(slip)은 없다고 가정하고, 구성상 모터와 롤 사이의 기어비는 1:1이라고 하면, 수학식 1과 같이 스트립의 장력(f)은 두 롤의 속도차(ω1-ω2)에 의한 1차 지연 요소로 설명할 수 있다.
이때,는 각각 제1,2모터의 회전각속도이고, J1, J2는 각각 제1,2모터의 관성이며, τ1, τ2는 각각 제1,2모터의 롤 반지름을 나타내며, K는 스트립의 스프링 상수이고, C는 스트립 스팬(strip-span) 시정수의 역수이고, s는 라플라스 연산자를 나타낸다.
도 2는 종래 개루프 장력 제어 시스템에서의 장력 제어를 보인 블록 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 두 롤(11a, 12a)사이의 장력 제어를 위해 제 1 모터(11)에 장력에 해당하는 토크를 수학식 2와 같이 인가하고, 제 2 모터(12)는 PI(비례적분) 제어를 수행한다. 도 2에서 장력 제어부(21a)에 포함된 점선으로 표시된 부분은 속도 제어부(23)로부터의 전향 보상분(FFC:FeedForward Compensation)으로 가감속시 속도 기준치(v*)로부터 변화량만큼을 보상하게 된다. 다음의 수학식 3은 전향 제어에 의한 토크량을 나타낸 것이다.
상기 수학식 2에 있어서,는 제 1모터의 토크 기준값,는 제 1모터 롤의 반지름 기준값, f*는 스트립의 장력 기준값이다.
상기 수학식 3에서,은 제 1모터의 관성 기준값이고, v*는 라인의 속도 기준치이다.
즉, 종래의 개루프 장력 제어 시스템에서 전향 제어를 수행하지 않는 경우에는 일정값으로 기설정된 장력 기준값(f*) 및 기설정된 속도 기준값(v*)에 의하여 제 1 및 제 2 모터(11)(12)를 구동시키게 되고, 전향 제어를 수행하는 경우에는 장력제어부(21a)에서 장력 기준값(f*)에 속도 변화량을 보상하여 산출된 모터의 토크값으로 모터를 구동시켜 스트립의 장력을 제어하게 된다. 이러한 경우에 있어서는 기설정된 장력 기준값(f*)에 의거하여 고정된 장력 제어를 수행하기 때문에 스트립의 실제 장력 변화를 고려하지 않아 효율적인 장력 제어가 불가능한 문제점이 있었다.
한편, 도 3은 종래 타 실시예에 따른 폐루프 장력 제어 시스템에 의한 장력 제어 방법을 보인 기능 블록도로써, 이러한 방법에서는 스트립의 실제 장력 변화를 검출하기 위하여 로드셀과 같은 장력 검출기가 마련되며, 장력제어부(21b)에서는 로드셀로부터 검출된 장력값(f)과 일정값으로 기설정된 장력 기준값(f*)의 편차를 구하여 스트립의 장력 제어를 수행하게 된다. 이때의 장력 제어를 위한 제 1 모터(11)의 토크값()은 다음의 수학식 4와 같이 구할 수 있다.
상기에서, p,i는 각각 비례 이득과 적분 이득을 나타내며, tc,sc는 장력제어기 및 속도제어기를 나타낸다. 따라서,는 제1모터의 회전각속도의 기준값,는 제1모터의 장력제어기의 비례이득을 나타내고,는 제1모터의 장력제어기의 적분이득을 나타내고,는 제1모터 속도제어기의 비례이득을 나타내며,는 제1모터의 속도제어기의 적분이득을 나타내며, f'는 스트립의 실제장력값을 나타낸다.
그러나, 이러한 종래의 폐루프 장력 제어 시스템에 있어서는 장력 기준값(f*)과 장력검출기로부터 검출된 실제 장력값(f')의 편차를 보상함으로써 개루프 시스템보다는 양호한 장력 제어가 가능한 반면에 스트립의 실제 장력 변화를 검출하기 위하여 로드셀과 같은 별도의 장력검출기를 설치해야 하기 때문에 하드웨어의 추가 구성에 따른 장비 설치의 번거로움 및 시스템이 복잡해지고 동시에 그에 따른 시스템 설비의 비용이 증가되는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 그 목적은 스트립의 실제 장력 변화를 검출하기 위하여 별도의 하드웨어 장비를 추가로 설치하지 않고도 냉연 라인의 속도 변화에 따른 스트립 장력 제어의 동특성을 만족시킬 수 있도록 된 철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.
도 1은 종래 일반적인 장력 제어 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 종래의 개루프 장력 제어 시스템의 블록구성도이다.
도 3은 종래의 폐루프 장력 제어 시스템의 블록구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 스트립 장력 제어 방법을 구현하기 위한 일실시예에 따른 장력 제어 시스템의 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스트립 장력 제어 방법을 설명하기 위한 플로우차트를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 스트립 장력 제어 방법을 보인 블록 구성도이다.
도 7은 종래 전향제어가 없는 개루프 시스템의 장력 제어 실험 결과를 보인 파형도이다.
도 8은 종래 전향제어가 있는 개루프 시스템에서의 실험 결과 파형도이다.
도 9는 종래 폐루프 시스템에 의한 스트립 장력 제어 결과를 보인 파형도이다.
도 10은 본 발명에 따른 스트립 장력 제어 장치에 의한 실험 결과를 보인 파형도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
50,60...제 1 및 제 2 제어부 51,61...게이트 구동부
52,62...인버터부 53...제 1 모터
63...제 2 모터 54,64...전류 검출 센서
55,65...속도 검출 센서
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어 방법은 스트립의 장력 제어용 제 1 모터와 스트립의 진행 속도 제어용 제 2 모터를 구비하고, 상기 제 1 모터의 구동을 제어하여 스트립의 장력을 제어하는 스트립 철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어 방법에 있어서,
(가)라인의 속도 및 장력 기준치를 설정받고, 설정된 라인 속도로부터 제 1 모터의 구동 속도 기준값을 산출하는 단계,
(나)상기 단계(가)에서 산출된 제 1 모터 구동 속도 기준값에 의거하여 제 1 모터를 구동시키고, 속도검출센서에 의해 제 1 모터의 실제 속도값을 검출함과 동시에 모터의 토크를 연산하는 단계,
(다)상기 단계(나)에서 연산된 제 1 모터의 속도와 토크값으로부터 현재 스트립의 실제 장력을 산출하는 단계,
(라)상기 단계(다)에서 산출된 스트립의 실제 장력과 상기 단계(가)에서 설정된 스트립 장력 기준값과의 편차를 산출하고, 산출된 장력 편차를 보상하도록 토크값으로 제 1 모터를 구동시키는 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하에는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 구성 및 작용 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 스트립 장력 제어 방법을 구현하기 위한 장력 제어 시스템의 일예를 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 롤을 구동시키는 스트립장력제어용 제 1 모터(53)와, 제 2 롤을 구동시키는 스트립 속도 제어용 제 2 모터(63)와, 상기 제 1 모터(53) 및 제 2 모터(63)에 소정의 구동 전원을 공급하는 인버터부(52)(62)와, 제1,2모터(53,63) 각각의 회전 속도를 검출하기 위하여 마련된 속도 검출 센서(55)(65)와, 상기 인버터부(52)(62)로부터 제 1 모터(53) 및 제 2 모터(63)의 각 상에 인가되는 전류 변화를 검출하는 전류 센서(54)(64)와, 상기 속도 검출 센서(55) 및 전류 센서(54)에 의해 검출된 제 1 모터(53)의 속도 및 전류 변화에 따라 스트립의 실제 장력을 산출하여 기설정된 장력설정값과의 편차를 보상하여 상기 제 1 모터(53)의 구동을 제어하는 제 1 제어부(DSP:Digital Signal Processor)(50)와, 상기 속도검출센서(65)에 의해 검출된 제 2 모터(63)의 속도 측정값과 상기 제 1 제어부(50)로부터 입력받은 제 2 모터(63)의 속도 설정값(v*)과의 편차를 산출하여 산출된 편차를 보상하도록 상기 제 2 모터(63)의 구동 속도를 제어하는 제 2 제어부(DSP)(60)와, 각각 상기 제 1 및 제 2 제어부(50)(60)의 제어신호를 입력받아 상기 제 1 및 제 2 인버터부(52)(62)에 마련된 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 게이트 구동부(51)(61)를 구비하여 이루어진다.
또한, 본 발명의 시뮬레이션을 위해서는 소정의 기준 속도 및 기준 장력을 입력하기 위한 호스트 컴퓨터(40)가 마련되고, 상기 제 1 제어부(50)는 본 발명에 따른 스트립 장력 제어 방법에 의거하여 제 1 모터(53)의 토크를 가변시킴으로써 스트립의 장력을 제어하고, 제 2 제어부(60)는 상기 제 1 제어부(50)로부터 속도 기준값(v*)을 입력받아 제 2 모터(63)의 구동 속도를 제어하여 스트립의 진행 속도를 제어하게 된다. 상기 각 인버터부(52)(62)는 각각 상기 제 1 제어부(50) 및 제 2 제어부(60)로부터 출력되는 제어신호에 따라 제 1 모터(53) 및 제 2 모터(63)에 인가되는 구동 전원을 일예로 펄스폭 변조(PWM)함으로써 제 1 모터(53) 및 제 2 모터(63)의 구동 및 회전속도를 제어함으로서, 스트립의 장력 및 스트립의 속도를 제어하게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어 방법을 설명하기 위한 플로우차트를 도시한 것이고, 도 6은 본발명에 따른 스트립 장력 제어 방법을 설명하기 위한 블록 구성도를 나타낸 것이다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스트립 장력 제어 방법에서는 먼저, 단계(s10)에서 호스트 컴퓨터(40)에 시스템 운전자로부터 기설정된 장력 기준값(f*) 및 냉연 라인의 속도 기준값을 입력받게 된다. 또한, 단계(s12)에서는 호스트 컴퓨터(40)에 설정된 상기 속도 설정치(v*)로부터 제 1 모터(53)에 인가하기 위한 모터의 토크 기준치를 계산하고, 산출된 모터 토크 기준치에 의거하여 제 1 모터(53)를 구동시킨다.
또한, 단계(s14)에서는 속도 검출 센서(55)를 통해 제 1 모터(53)의 회전 속도를 측정하고, 단계(s16)에서 장력 제어부(51)는 상기 단계(s14)에서 측정된 제 1 모터(53)의 속도값에 실린 노이즈를 제거하기 위하여 2차 저역 필터에 의해 고주파 성분을 제거하게 된다. 이는 다음의 수학식 5에 나타낸 바와 같다.
상기 수학식 5에서, 미설명된 부호 K1은 제1모터(53)의 여과기 이득값이고, K2는 제2모터(53)의 여과기 이득값이다.
또한, 단계(s16)에서 장력 제어부(51)는 모터의 토크를 다음의 수학식 6에서와 같이 저역 필터 통과후에 지연 요소를 보상한 후 산출하게 된다.
상기 수학식 6에서, 미설명된 부호 Tcc는 제1모터(53)의 토크 시정수이고,은 제1모터(53)의 토크값이다.
따라서, 단계(s18)에서는 장력제어부(51)는 스트립의 장력 관측값을 다음의 수학식 7에서와 같이 모터의 토크(), 롤의 반지름(r1) 및 롤 속도의 미분()으로부터 계산하여 얻을 수 있다. 즉, 스트립의 실제 장력 변화값을 별도의 장력 검출 장치(tension meter)없이 얻기 위하여 장력 제어를 위해 마련된 제 1 롤 구동 모터(53)의 모터 속도값()과 토크값()으로부터 실제 장력값()을 연산하게 된다. 이때의 제 1 모터(53)의 속도 측정값()과 토크값()으로부터 실제 스트립의 장력값()을 연산하기 위한 관계식은 다음의 수학식 7에 나타낸 것과 같다.
따라서, 상기의 수학식 7에 의해 스트립의 장력 관측값이 얻어지게 되면, 다음의 단계(s20)에서는 스트립의 장력 제어를 위한 제 1 모터(53)를 구동시키기 위한 토크값을 다음의 수학식 8에 의해 산출하여 제 1 모터(53)의 구동제어값으로 출력하게 된다. 이때, 출력되는 제 1 모터(53)의 토크값은 현재 스트립의 장력관측값과 상기 단계(s10)에서 호스트 컴퓨터(40)로부터 설정받은 기준 장력설정값(f*)과의 편차를 보상한 값이 된다.
본 발명에 따른 스트립 장력 제어 방법에 있어서는 정상 상태의 제어 성능은 정속도 영역에서 개루프 특성과 같게 나타나고, 과도 상태에서는 속도의 가감속에 필요한 토크분만큼을 보상하게 된다. 이는 개루프의 전향 보상에 의한 특성과 유사하다.
도 7은 종래 전향제어가 없는 개루프시스템에 의한 장력 제어 실험 결과를 보인 도이고, 도 8은 종래 전향제어가 있는 개루프시스템에서의 실험 결과이고, 도 9는 종래 폐루프 시스템에 의한 실험 결과이며, 도 10은 본 발명에 따른 스트립 장력 제어 장치에 의한 실험 결과를 보인 파형도이다.
이와 같은 실험에서는 속도 제어 특성과 장력 제어 특성을 동시에 확인하기위하여 먼저 정지 상태에서 30kgf의 장력을 인가한 후 소정 시간(일예로, 수 sec)가 경과된 후에 속도 설정값을 30mpm까지 증가시켜 모터를 가속한다. 이때 초기 장력치는 3mpm에서 3kgf이다. 한편, 도 7 내지 도 10에서 (a)는 장력 설정값을 나타낸 파형이고, (b)는 실제 장력, (c)는 모터 1의 토크 지령치, (d)는 라인 속도 지령치, (e)는 실제 라인 속도, (f)는 모터 2의 토크 지령치를 나타낸 것이다.
각각 실험한 결과 전향 보상이 없는 개루프 장력 제어에서는 도 7에서 보는 바와 같이, 모터 1의 토크는 가속시에 장력이 변동하더라도 항상 일정한 값을 갖는다. 한편, 전향 보상을 한 개루프 시스템의 경우에는 도 8의 실험 파형에서 보는 바와 같이, 속도 지령치와 실제 속도와의 차이로 인해 가속시에 장력 변동이 발생하게 된다. 이러한 현상은 모터 2의 속도 제어 이득과 밀접한 관련이 있으며, 효과적인 전향 보상을 위해서는 주변 모터의 속도 제어 특성을 고려하여야 한다.
도 9는 로드셀을 구비한 폐루프 시스템에서의 장력 제어 특성을 나타낸 것으로, 이 경우에는 정상 상태로 오차없이 장력 설정치를 추종하는 것을 알 수 있다. 그러나, 이러한 경우 로드셀에 의한 스트립 장력 측정 과정에서 발생하는 노이즈가 포함되게 된다.
한편, 도 10에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 장력 제어 알고리즘의 실험 결과에 의하면 모터 1의 토크는 가속시에 가속 토크를 보상하는 제어 특성을 보여준다. 본 발명에 따른 실험에서는 장력 설정치의 단위 입력 인가시에 발생되는 속도 저하를 장력의 오버 슈트(overshoot)를 감소시키는 것에 의해 보상한다. 또한, 속도를 가속하는 동안에 도 10의 (b)에서와 같이 장력의 오버 슈트값은 사라지게된다.
본 발명에 따른 철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어 방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어 방법은 스트립의 실제 장력 변화를 검출하기 위하여 별도의 하드웨어 장비를 추가로 설치하지 않고도 모터의 속도 및 토크를 검출하여 스트립의 실제 장력을 검출함으로써 냉연 라인의 속도 변화에 따른 스트립 장력 제어의 동특성을 만족시킬 수 있으며, 속도 가감속시에 뛰어난 과도 응답 특성을 나타내어 효율적인 장력 제어가 가능한 이점을 얻을 수 있다.

Claims (4)

  1. 스트립의 장력 제어용 제 1 모터와 스트립의 진행 속도 제어용 제 2 모터를 구비하고, 상기 제 1 모터의 구동을 제어하여 상기 스트립의 장력을 제어하는 스트립 철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어 방법에 있어서,
    (가)라인의 속도 및 장력 기준치를 설정받고, 설정된 라인 속도로부터 제 1 모터의 구동 속도 기준값을 산출하는 단계,
    (나)상기 단계(가)에서 산출된 제 1 모터 구동 속도 기준값에 의거하여 제 1 모터를 구동시키고, 속도검출센서에 의해 제 1 모터의 실제 속도값을 검출함과 동시에 모터의 토크를 연산하는 단계,
    (다)상기 단계(나)에서 연산된 제 1 모터의 속도와 토크값으로부터 현재 스트립의 실제 장력을 산출하는 단계,
    (라)상기 단계(다)에서 산출된 스트립의 실제 장력과 상기 단계(가)에서 설정된 스트립 장력 기준값과의 편차를 산출하고, 산출된 장력 편차를 보상하도록 토크값으로 제 1 모터를 구동시키는 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 철강 냉연 라인의 스트립 장력 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계(나)에서의 제 1 모터의 속도() 및 토크()는(여기에서, K1 :제1모터 여과기 이득값, K2: 제2모터의 여과기 이득값, ω1: 제1모터의 회전각속도),(여기에서, Tcc : 제1모터의 토크 시정수,: 제1모터의 토크값)에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계(다)의 실제 스트립 장력 검출 단계에서는 상기 단계(나)에서 산출된 모터 속도 및 토크값으로부터(여기에서,: 실제스트립의 장력,:제1모터가 구동시키는 롤의 반지름 기준값,:제1모터의 관성기준값,:제1모터의 각속도,:제1모터의 토크)에 의해 스트립의 실제 장력값을 산출하는 것을 특징으로 하는 철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(라)에서는
    상기 단계(다)에서 산출된 스트립의 실제 장력과 상기 단계(가)에서 설정받은 기준장력값의 편차를 보상하기 위한 제 1 모터의 구동 토크를(여기에서,: 제1모터의 토크기준값,: 장력제어기의 비례이득,: 장력제어기의 적분이득, f*: 스트립의 장력기준값,: 실제 스트립의 장력)에 의해 산출하고, 산출된 토크값에 의거하여 제 1 모터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 철강 냉연 라인에서의 스트립 장력 제어 방법.
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