摘 要 介绍了微张力的概念，棒材中轧控制系统引入微张力控制，程序算法以及改造效果。
关键词 棒材轧制 微张力 控制系统
中图分类号 TG333.11 文献标识码 B
湘潭钢铁公司棒材厂圆钢中轧机组目前人工调节机架电机转速，机架间速度难以匹配，致使产品通条尺寸不一致，质量较差。为此决定在中轧机组的PLC程序中增加微张力控制。
一、理论分析
1.微张力的引入
棒材正常连续轧制遵循的基本原理是机架间金属秒流量相等，即：
An×Vn=An－1x×Vn－1 (1)
式中An——第n机架的轧件截面面积
Vn——第n机架的轧件出口速度
可见An和Vn决定金属秒流量，其中An受制造工艺限制（诸如孔型道次、辊缝压下量、钢温等），一旦调整就固定不变，因此只能通过调整Vn满足公式（1）。从公式（1）推出相邻机架间速度关系应当满足：
En= Vn/Vn－1=An－1/A. (2)
式中E一前后机架（n－l、n）的轧件面积比，也称金属延伸率
实际生产中轧件受钢温、材质、坯料形状、孔型磨损等扰动因素影响，无法保证精确的截面积，造成轧机间金属秒流量出现偏差，使轧材产生张力，而且偏差严重会在轧机间产生堆、拉钢，影响产品质量甚至发生轧制事故，因此在轧制过程中需要对微张力进行控制。
2.轧制转矩计算
棒材轧制过程张力变化直接影响轧机主传动电机负载转矩，因此可通过检测电机负载转矩间接监测张力。由直流电机运动方程推出电机轧制转矩为：
Mm=Mr+Mt+Ma+Mf (3)
式中Mm——总轧制转矩
Mr——自由轧制转矩，即轧件金属压下量所需的轧制转矩
Mt——张力产生的转矩
Ma——加速转矩
Mf——摩擦转矩
稳定轧制状态，Ma=0，若忽略Mf，则公式(3)变为：
Mm=Mr+Mt (4)
进一步分解Mt，得到：
Mt＝Mt1+ Mt2 (5)
(6)
式中M t1——常数，希望轧件中存在的张力矩，用来补偿钢坯后温度下降而增加的金属秒流量，通过操作者在上位计算机设定σ值间接给出
M t2——机架张力矩，即被控量，系统调节机架转速使其趋于0
S——机架出口截面积刀—机架土作辊径
σ——机架间张力
i—传动比
3.Mr测算
(1)根据轧件在Sn－1机架出口速度Vn－1和Sn－1→Sn机架间距离L，计算出此段轧件运行时间T(L/Vn－1)，其中t1为0.2T(动态速降恢复时间)，t2为0.1T—0.65T(Sn－2→Sn－1微张力控制时间)，t3为0.7T—0.8T(Sn－1机架Mr采样时间)。
(2)Sn机架咬钢后，根据轧件在Sn机架的出口速度和Sn→Sn+1机架间距离，计算出此段轧件运行时间Tn，其中t4为0.1Tn(Sn机架动态时间恢复时间)，t5为0.1Tn—0.65Tn，程序在此时间段内采样Sn－1机架Mm值并同Mr、Mt1值比较（公式4）, PI调节器根据差值控制机架速度，使Sn－1→Sn机架间的轧件张力在允许范围内，系统在t6时间段，停止微张力调节，随后进行下一轮控制（Sn→Sn+1机架间微张力控制）。
(3)PLC程序中Mr采样原理（控制算法）是：轧件在t2运行时，系统采样Sn－1机架的轧制转矩，PLC设置两个累加器(ACCU1、ACCU2)，ACCU1在每个机器周期累加1次机架的轧制转矩，ACCU2每个周期加1，即轧制转矩的累加次数，轧件进入t3时间段时，ACCU1除以ACCU2，得到Mr平均值，以此作为t5时间段机架微张力控制的基准值。
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二、微张力控制系统
1．控制框图
上位计算机HMI设定中轧各机架张力值和PI调节器Kp、K1，通过以太网、直流传动装置6RA24将各阶段转矩值通过Profibus-DP网传至PLC，PLC进行微张力控制计算，上位计算机控制机架张力调整，见图2。
2.程序控制
优化轧线原有程序，PLC引入中轧机组微张力控制是以下列内容为事实前提：(1)对于变化的速度关系，下游机架比上游机架的转矩变化小，即轧件咬入n+1机架前，n－1→n机架间速度校正不会干扰n机架转矩检测；(2)轧件进入下游机架前，上游轧机转矩与该机架辊缝压下量所需转矩相当，忽略其他临时性力矩；(3)轧件进入下游辊缝后，上游轧机转矩的变化，只和不恰当的速度关翁产生的推、拉力有关，忽略温度、摩擦力和压下量对轧制转矩的影响。各机架微张力调节按下式进行：
E1=E0/(1+TCP+TCI) (7)
TCP=KP×MER×(NA /NMA) (8)
TCM=MER×KI (9)
TCI=TCI+TCM×(NA/NMA) (10)
MER=Mt－Mt1－Mr (11)
式中E0——轧机机架设定延伸率
E1——程序实际控制使用的延伸率
KP——张力调节比例系数
KI——张力调节积分系数
TCM——积分累加器，初始为零
NA——电机实际转速
NMA——电机最大转速
MER——张力偏差绝对值
Mt——张力调节时间段机架实际转矩
Mt1——上位计算机设定的机架张力值转换转矩
Mr——自由轧制转矩
(1)张力自适应控制
程序对E0进行自适应调整以消除工艺参数误差，具体实现是：轧本支轧钢时，系统自动记忆各机架的最优值，轧完后自动修正E1并赋值给，使空载速度设定值达到最优。轧制下支钢时使用新的E0值，这样多次校正后可消除原始误差，E0和实际误差保持在正常允许范围内，自适应控制可明显缩短系统暂态响应时间。
(2)PI调节器参数自整定
PI调节器参数（KP、KI）的调整直接影响其效果。转矩偏差较大希望迅速提高比例调节量，即增大KP适当减小KI；转矩偏差较小则希望缓慢降低比例调节量，即减小KP增大KI。原程序中KP、KI经HMI设定后，在轧制过程中保持不变，因此控制效果不理想，改进程序对PI调节器参数进行自整定：系统给出KP、KI的上下限，程序根据MER在此范围内实时改变KP、KI值，使PI调节器的效果更理想，见图3，公式见（12）、（13）。
式中 KPB——比例系数上限
KPA——比例系数下限
KIA——积分系数上限
KIB——积分系数下限
MEB——PI上限对应力矩偏差值
MEA——PI下限对应力矩偏差值
(3)动态速降控制轧机咬钢的瞬间，电机有动态速降，轧件秒流量将发生变化，影响系统动态响应。程序中增加动态补偿控制模块，HMI设定各机架电机动态速降补偿量，轧机空载时，使电机速度比设定值高一些，咬钢后再延时去掉速度补偿量，这样轧机动态速降后正好达到轧制速度，轧线稳定运行。
三、改造效果
中轧机组控制系统引入微张力控制后，解决了圆钢产品通条尺寸不一致的问题，提高了产品成材率，保证了企业高产稳产。
