--41-第1章緒論1.1課題研究背景作為最重要的基礎工業之一，鋼鐵工業在社會發展、經濟建設、國防建設、財政稅收以及穩定就業率等方面發揮著重要的作用，是國家基礎設施建設和國防建設的基礎，鋼鐵工業的發展水平直接決定了汽車、建筑、家電、機械、造船以及國防航天等產業的發展水平，是衡量一個國家經濟水平和綜合國力的重要標志。我國粗鋼產量高，低檔次普通鋼材產能相對過剩，高端鋼材產品自給能力不足，而且隨著中國城市化進程的進行，汽車行業和家電制造業有了飛速的發展，同時我國也正在進行自主飛機、高速鐵路和電動汽車的重點工程建設。這些都加大了對連退板、鍍鋅板及其他冷軋后處理板材等高附加值產品的需求。針對行業現狀和市場需求情況，鞍鋼集團在近年做出了一系列調整措施：先后通過引進西門子控制系統建設了冷軋1#-3#鍍鋅線，4#-5#鍍鋅線，2007年以鞍鋼自動化公司為基礎建成了第一條自主知識的鞍鋼1450連續退火線，而后在2011年建成莆田冷軋1450連續退火線，2013年建成莆田冷軋鍍鋅線。本文擬通過現場數據的采集結合實際設計參數，對活套進行數學模型仿真，并針對其不同規格不同材質不同的張力設定值的特點，以單神經元自適應PID代替原有的老式經典PID算法，達到在編程的過程中能使用模型進行初步測試，設定初始參數，在現場調試過程中通過自適應匹配更適合的參數，在提高調試效率及安全性的同時使系統有更好的快速性和穩定性。1.2鞍鋼莆田冷軋熱鍍鋅線項目概述鞍鋼莆田冷軋是鞍鋼集團繼朝陽和鲅魚圈戰略發展后的又一重大發展規劃，為了更好的滿足國內外市場需求，充分利用福建沿海優勢，從而增強公司對東南沿海地區市場的輻射能力，項目規模為年產冷軋產品100萬噸，以家電板為主，同時兼顧建筑和汽車用板。鞍鋼莆田冷軋主要包括：1條酸洗軋機聯合機組、1條連續退火機組、1條熱鍍鋅機組、2條重卷機組、3條包裝機組及相應的配套公輔設施組成。在該項目年產100萬噸的冷軋產品中，熱鍍鋅卷年產量為30萬噸、冷軋卷年產量為70萬噸。冷軋產品的生產標準按照JIS3135、JIS4141標準執行，熱鍍鋅產品生產標準按照EN10147、EN10142標準執行。產品規格為寬度700-1350mm，厚度0.25-2mm。為確保產品質量和生產能力，該項目采用Alstom公司的HPC系列高性能控制器組成自動化控制系統，采用最先進的工藝控制和產品質量控制系統，同時在生產操作管理、產品及合同管理和設備管理方面也采用了最先進計算機控制系統。冷軋處理線一般按活套進行區域劃分，入口活套前一直到開卷機為入口段，從入口活套到出口活套為工藝段，出口活套到檢查臺活套為光整區，從檢查臺活套到卷曲機為出口段，在加上出入口的鋼卷運輸系統與液壓站系統，就構成了整個生產線。該鍍鋅線入口段為上下線雙開卷布置方式，單線從開卷機開始經磁力皮帶、入口夾送輥、矯直機前夾送輥、矯直機、剪前夾送輥、橫切剪、轉向夾送輥到公共夾送輥合并進入焊機，上下線設備布置和功能完全一致，正常生產狀況下兩臺開卷機交替工作，一臺工作的同時，另一臺進行上卷，帶頭廢料剪切等準備工作，然后將帶鋼頭部定位到焊機前等待，等另一臺開卷的帶鋼甩尾結束后馬上進行焊接，從而減少入口段因準備工作而產生的停機時間，緩解活套的存儲壓力，保證帶鋼的連續運行。工藝段為生產線的核心區域，在生產過程中，出入口段應利用活套的存儲能力產生的停機時間進行鋼卷的上下線工作，保證工藝段的連續運行，如果發生故障，引起工藝段停機，輕則產生大量的廢品造成損失，重則產生斷帶事故。工藝段由入口活套開始，經清洗段、連續退火爐、鋅鍋、冷卻塔、光整機、拉矯機、輥涂機、圓盤剪完成一系列的工藝過程，改變帶鋼從金相、屈服強度、表面粗糙度等一系列的工藝參數，帶到客戶的需求，具體過程下面再詳細介紹。出口段從出口活套開始，依次經檢查臺、測厚測寬儀、涂油機到飛剪進行帶鋼的采樣、頭尾廢料及焊縫的剪切，最后在開卷卷成成品卷，成品卷由出口卸卷小車從卷曲機上運送到出口步進梁，再由步進梁運輸至打包機組對成品卷進行包裝。生產線整體布局簡圖如圖1.1所示。圖1.1生產線整體布局圖Fig1.1ProductLinePosition設備中文說明如下表：表1.1生產設備說明Table1.1Descriptionofproductdevice符號說明符號說明POR開卷機TOWER冷卻塔BR張力輥DLP出口活套ELP入口活套SPM光整機STOVE加熱爐LEVEL拉矯機ZINCPOT鋅鍋ILP檢查活套OLIER涂油機TR卷曲機下面簡要介紹一下一卷帶鋼在鍍鋅線上的生產流程。首先吊車將原料卷吊放到入口步進梁上，同時鋼卷跟蹤系統接收到鞍座的占用信號，就會將來自三級生產管理的鋼卷基本信息顯示到畫面并存入緩存區待鋼卷上線后使用，隨著鋼卷不斷上線，步進梁會自動步進，保持最內側的卷位有卷，等待運輸小車接卷，鋼卷運輸車根據卷曲的選擇信息將鋼卷運送到相應的開卷機入口。每臺開卷機都有一個單獨的上卷小車，主要負責從鋼卷運輸車上將鋼卷運送到開卷地輥位，生產操作人員將在地輥位給鋼卷拆打捆帶，并用地輥將帶頭旋轉到合適的角度準備上卷。待開卷機上的鋼卷甩尾完成后，小車將對鋼卷進行直徑測量，同時自動調整到芯軸高度上卷，小車前進到芯軸中心位置后，抬起芯軸外支撐臂，同時將芯軸漲緊固定鋼卷。利用磁力皮帶吸住帶頭，配合開卷伸縮導板將帶頭引入入口夾送輥。同時將入口矯直機根據來料厚度調整好輥縫，待帶頭進入矯直機后壓下，保證帶頭的板型，防止卡在機械的縫隙中。而后帶頭自動定位到入口橫切剪，進行帶頭超差部分的廢料剪切，切下的廢料由運輸帶運到廢料箱內。廢料剪切完成后將帶頭自動定位到焊機入口等待，等上卷帶尾定位焊機完成后進行焊接，焊接完成啟動定位到月牙剪，進行焊縫的背凸測試，測試合格就可以入口段建張運行了。帶鋼從入口上線以后首先進入到清洗段，清洗段主要由堿洗槽、電解清洗槽、熱水漂洗槽、刷洗單元、擠干輥單元、熱風干燥系統以及循環系統組成，主要為除去帶鋼表面在冷軋時吸附的軋制油，改善帶鋼表面清潔度以滿足后續的工藝要求。循環系統主要為給部分配置所需濃度的清洗液及電解液，根據電導率反饋進行配置流量的調節，同時還通過各部分的噴嘴進行噴射清洗，并利用蒸汽調節各部分的溫度。電解清洗是利加直流電壓的電極板，在帶鋼經過兩個電極板過程中。通過電場電流降低帶鋼與電解質溶液的界面張力，電解質溶液滲透到帶鋼表面的油脂下面，通過氧化還原反應在界面產生大量的起泡，從污物和金屬的縫隙中逸出，使得污物從帶鋼表面脫落，達到清洗的目的。擠干輥單元和熱風干燥的目的是防止帶鋼將水帶到后續工藝，影響其他的工藝效果。帶鋼出清洗段后經由2#張力輥進入入口活套。入口活套為單立式活套，在生產線正常運行的時候保持滿套位置，保證在入口上卷焊接的時間工藝段不受影響，在入口焊接結束后便高速充套，等待下一次焊接。在活套底部裝有CPC即帶鋼對中裝置，防止在生產線運行過程中由于帶鋼跑偏剮蹭引起斷帶等事故。CPC裝置利用電磁檢測或自動巡邊裝置檢測帶鋼的實際位置，通過糾偏輥進行調節，保證帶鋼始終運行在中心線附近。全線根據機械結構設有多處對中裝置，在帶鋼建立張力并以一定速度運行時自動投入使用。帶鋼離開入口活套經過3#張力輥進入爐區。退火爐的主要功能是根據帶鋼的熱力學模型，把帶鋼沿一定的溫度曲線加熱到設定的溫度、并根據適當的冷卻曲線冷卻。降低的冷加工硬化，改善薄板的成型性能。加熱段由上下導輥形成通道，在通道兩側裝有輻射管，透過燃燒控制加熱輻射管從兩面加熱帶鋼，對帶鋼寬度方向均勻加熱，從輻射管排出的燃燒氣體集中到匯流室，在排煙風機的作用下形成負壓狀態，每段的溫度通過調節燃燒氣體的流量和助燃風量的大小進行控制。根據冶金學原理，退火分為兩個階段，第一階段是再結晶和晶粒長大過程，這一階段包括加熱、退火溫度下的保溫和第一段中速冷卻，這一階段的目的是形成對帶鋼成型性能很重要的組織結構特征，第二階段包括快速冷卻和過時效處理，這一階段決定了帶鋼組織中碳化物分部特性和過飽和固溶的碳含量，給定了帶鋼的實效行為。鋅鍋位于爐子出口處，鋅鍋利用大功率感應電爐來融化鋅錠，同時補償鍍帶鋼從鋅鍋中通過帶走的熱量，維持穩定的鍍鋅溫度，帶鋼經爐鼻進入鋅鍋中的鋅液進行浸鍍，繞過沉沒輥后出鋅鍋，再通過穩定輥和氣刀進入冷卻階段。浸在鋅液中的穩定輥用于控制帶鋼的擺動，帶鋼從鋅鍋出來后，氣動和冷卻風箱的巨大氣流會使帶鋼發生擺動，通過調整沉沒輥上部穩定輥的水平距離，可增大帶鋼張力防止擺動，氣刀是利用氣體噴吹來控制鍍層的厚度，通過安裝在后面的鍍層測厚儀進行反饋，調節氣刀風機的氣刀間隙角度和風量，達到要求的鍍層厚度。帶鋼出鋅鍋經冷卻塔冷卻進入光整區，光整機利用軋制力控制，可以產生一定的延伸率，能夠改善帶鋼的機械性能，消除屈服平臺，同時控制板型，提高產品質量，光整的另一功能是對帶鋼表面質量的改善，壓平帶鋼表面，使鋅層能夠更好的附著在帶鋼表面上，傳遞粗糙度，使帶鋼更容易進行防銹處理，拉矯機是通過調整輥的插入量，利用張力產生一定的延伸率，區別于光整機主要針對帶鋼表面，拉矯機作用于帶鋼整個截面，具有橫向、縱向和垂直于厚度方向的三個自由度的變形，因而在所有軸線上的滑移面都能活動，可以消除帶鋼浪邊、浪形、瓢曲和輕度鐮刀彎。后經過滾涂機進行表面涂層，滾涂機后布置有圓盤剪，對帶鋼進行切邊后就進入出口活套。出口活套在正常轉車時保持空套，當出口段進行剪切、卸卷或檢查臺對帶鋼進行表面質量檢查時，活套會向上拉升，存儲帶鋼，保證工藝段的生產速度，出口活套后帶鋼進入檢查臺，檢查臺內有測寬、測厚及表面檢查儀用于測量產品規格和質量，同時質量檢查員，通過垂直檢查室和水平檢查臺進行監測。尾部攝有靜電涂油機，對帶鋼表面進行涂油。出口飛剪可以在運行的情況下進行帶鋼的連續剪切，當飛剪分切完成后，前一卷帶鋼進行自動甩尾，飛剪繼續按操作設定進行帶尾帶頭的樣品和廢料剪切，剪切完成后帶頭到等待位等待，前一卷鋼卷下線并且卷曲穿帶準備好后進行穿帶。帶頭由穿帶導板引入卷取機。皮帶助卷器用于將帶鋼頭部纏繞到卷筒上。通過對帶鋼頭部的跟蹤，當纏繞一定圈數后，各穿帶輔助設備就會自動打開。成品卷甩尾完成后，出口卸卷小車上升頂住鋼卷，卷取機芯軸收縮，小車將鋼卷先將運到稱重位稱重，并由打捆機打捆，再將鋼卷運送到出口步進梁，步進梁將鋼卷送到包裝線進行包裝，然后就可以吊到成品卷庫等待發貨了。1.3冷軋立式活套的研究現狀鍍鋅、彩涂、連續退火、酸洗連軋、等冷軋生產線之所以能夠保持連續運行，就是因為有活套的存在，作為帶鋼貯存系統在頭部焊接、尾部剪切及光整換輥等情況下保證工藝段生產的連續性，同時作為重要張力分區影響相鄰區域的張力控制及帶鋼糾偏裝置的工作性能。作為同時包含位置控制和張力控制的全線最為復雜的系統，活套的控制性能直接影響全線控制系統性能。活套在冷軋帶鋼處理線中可以分三種結構，分別是立式活套、臥式活套和螺旋式活套。臥式活套是橫向水平布置，特點是對空間的橫向占用不要求廠方的高度，而且有較大的牽引力，一般用于空間較充足且對帶鋼張力要求較大的生產線，螺旋式活套機械部分比較復雜，且在安裝維護上要求較高，同時在速度和張力方面有些限制，沒有得到廣泛的應用。而立式活套是在近些年發展起來的一種技術，雖然還不是十分成熟。但相對于臥式活套有很多優點，其占用空間較小，活套套量卻可以很大，對帶鋼張力的控制精度很高。雖然目前國內冷軋生產線多使用臥式活套，但從目前國內外的發展趨勢看，立式活套的優點將會使他逐漸取代臥式活套，成為主流應用，因此本文選用立式活套作為研究對象。目前活套裝置有以下幾個廣泛應用的方面：（1）活套位置的測量裝置由于在生產過程中需要對活套位置進行控制，所以必須實時檢測活套的實際位置，在熱軋以及棒線材生產線，由于活套的機械結構的關系，一般采用活套位置掃描器對活套位置進行檢測，活套位置掃描器通過對熱金屬檢測的原理來測量活套高度，也有的生產線使用內置于液壓缸中的位置傳感器來計算活套的位置。而冷軋立式活套的機械結構和熱軋有很大區別，通常套量要大很多，無法使用直接的掃描裝置檢測活套位置，所以一般使用安裝在活套卷筒后面的絕對值碼盤來計算活套的位置，使用現場總線將數據采集到PLC，使用編碼器便于安裝和維護，而且可以保持一定的檢測精度，目前多數冷軋立式活套都采用這種位置檢測方法。（2）活套塔的設計活套塔一般根據生產線的生產節奏和運行速度來進行設計，對于生產節奏和運行速度都比較慢的生產線，對活套的套量需求較小，活套塔可以設計為單塔，單活套的系統慣量小，所以控制起來比較簡單，而且不存在雙活套位置同步問題；而對于鍍鋅線等大型系統而言，其雙開卷雙卷曲的結構使得其生產節奏很快，運行速度也比較快，薄料可以達到1000m/min左右，單塔活套難以滿足生產線大套量的需求，如果將單塔活套設計的很大，又很難保證其控制的精度。所以一般對于有較大套量需求的生產線，通常設計為雙立式活套，將一個大活套拆分成兩個獨立的小活套，只是在兩個獨立活套之間增加位置同步控制。活套通過對傳動裝置對卷揚電機進行雙閉環控制，帶動卷筒纏繞鋼繩，通過滑輪組拉動小車在活套內產生帶鋼張力，通過控制卷揚電機的速度和轉矩來實現對活套卷揚的位置、速度和張力的控制。目前的活套控制方式：（1）傳統的活套控制傳統的活套控制方法是通過改變卷揚電機的輸出力矩來調節活套張力的，這種控制方法是以活套的實際檢測張力為反饋，通過速度電流的雙閉環調速系統進行調節，在調試過程中需要對張力環、速度環與電流環的參數進行整定，但其并未考慮速度與轉矩的耦合關系，只是構建了張力的閉環控制系統，所以在控制過程中難以達到很好的控制精度，傳動的活套控制方法結構清晰容易理解實現，并且在以往的調試過程中積累的經驗參數也使得調試過程簡單化，所以目前的應用較為廣泛。（2）互不相關活套控制考慮到活套卷揚電機速度與轉矩之間的耦合關系，為更好的對活套進行控制，需要對兩者進行解耦，采用前置補償器的解耦方法是目前應有較多的解耦方法，使用狀態解耦、角形解耦和對角優勢解耦等方法，可以避免活套卷揚速度與轉矩之間互相干涉，使控制簡化為單變量的閉環控制，所以也叫做互不相關活套控制，互不相關活套控制也存在著一些缺點：卷揚傳動的速度調節器依然影響張力控制；張力調節的快速性會受到影響，因為速度調節的快速性受到了限制，而因此會產生張力波動。（3）活套多變量最優控制活套張力控制系統是由三個部分組成的：活套卷揚電機的傳動控制系統；活套張力控制系統和活套提升系統。可以使用最優化的調節理論對這三個部分進行控制建模，對三部分進行協調控制，使整個系統近似線性化，活套的最優多變量控制系統的優點是能把活套的張力控制與速度控制進行協調，但由于需要對三部分建立相應的控制矩陣，所以在控制器的設計和調試上都有一定的難度，所以這種控制方法沒有的到廣泛的應用，只有在個別對控制有特殊要求的場合進行使用。（4）模糊PID控制活套張力控制系統采用常規PID控制，很難達到較高的控制精度。因為傳統的PID調節器在系統進入穩態時也就是偏差相對較少的時候有較好的控制性能，但在建立初始張力和張力波動較大的情況下，由于系統偏差較大，常規PID控制器會產生較大的超調量，同時需要很長的調節時間，會對帶鋼的質量產生影響。而模糊控制在大偏差系統的調節上有很好的控制性能。國內外在近些年提出了Fuzzy-PID復合控制方法。該方法的控制思想是：在活套建立初始張力的階段，使用模糊控制器對活套張力進行控制，而當活套建張完成進入穩態運行階段，則切換到傳統的PID進行控制，利用兩種控制的特點，使活套在初始階段據有較快的響應速度，而在穩態運行階段具有較好的穩態性能。模糊控制器需要較長時間完成其解模糊化和模糊推理的工作，但在實際過程中受掃描周期的時間限制，所以需要對模糊控制設計控制查詢表，將活套張力偏差E和偏差變化率EC作為輸入，通過一個輸入域到輸出域的查詢表。輸出活套的附加轉速給定。在模糊控制器的設計過程中，能夠借助以往現場調試經驗對復雜的問題進行簡單有效的處理，如果對模糊控制器的結構和層級設計的合適，同時對控制對象的先驗知識較豐富，在對控制器的設計和調試當中能夠很好的整定，模糊控制器可以達到較好的效果，但其受人為經驗的影響也較大，且其本質上是一個變參數的PID控制器，很容易產生振蕩。1.3.1出口活套的控制原則出口活套若要滿足工藝需求，需遵循以下兩點的控制原則：（1）物料平衡原則活套入口、出口的物料流量和活套內帶鋼的存量應保持物料平衡的原則，即活套的套量、運行速度與活套出入口的運行速度遵循如下的關系：(1.1)(1.2)其中h、表示活套的行程、速度；、表示活套入口側即工藝段的帶鋼的行程和速度，、表示活套出口側帶鋼的行程和速度；n表示活套內帶鋼的股數。（2）張力恒定原則對同一規格的帶鋼，活套的帶鋼張力T應該保持設定值不變即：(1.3)活套內帶鋼的重量正比與活套的套量，所以在充套、放套過程中應該根據套量的變化對張力設定進行補償，保證活套內帶鋼張力維持不變，修正值與活套套量的變化范圍也就是帶鋼的重量成比例，即，補償方式為。對于出口活套來說，活套的機械結構包括活套高度和帶鋼股數都已經固定，所以活套內帶鋼重量只由活套套量來決定；在生產過程中，工藝段速度即活套入口速度恒定，所以活套的套量和活套出口的速度，即光整段的速度有緊密關系。綜上所述，出口活套想要滿足生產的工藝需求和技術要求，就必須準確、實時地控制活套小車的速度。1.4本文的研究內容本文以莆田鍍鋅生產線為背景，以出口立式活套為研究對象，首先通過現場的調試工作了解立式活套的控制的原理及方法，同時發現了一些在活套控制方面的不足，在對活套的特點和控制原理方法進行分析后，提出使用新型的智能控制方法對活套進行控制。主要完成了以下幾個方面的工作：（1）對鞍鋼莆田鍍鋅線進行整體上的概述，簡要介紹了冷軋立式活套的發展和研究現狀；（2）介紹連續鍍鋅生產過程中立式活套機械裝置的結構、技術參數和生產工作過程，介紹立式活套的位置、速度及張力控制原理和方法，結合項目對張力的控制方法及原理進行分析，同時提出當前廣泛使用的常規PID的控制方式存在的一些問題；（3）基于立式活套耦合、非線性、時變的對象特點，使用BP網絡建立活套的張力模型，使用現場采集的PDA歷史數據對模型進行訓練，通過改進算法和參數使模型達到預期精度，并使用數據對模型精度進行驗證；（4）結合活套時變、非線性的控制特點，提出將單神經元自適應PID控制算法應用到活套的張力控制系統中。然后設計了單神經元自適應PID控制器，并使用S函數構建了單神經元控制器，通過在simulink中對帶鋼張力模型的仿真，驗證了單神經元自適應PID控制器在活套張力控制中的可行性；（5）通過對帶鋼建模和單神經元自適應控制器的仿真研究，提出了對建模精度、建模參數與算法選擇、以及單神經元控制器的穩定性分析等新的改進與研究方向。東北大學專業學位論文第2章立式活套的速度和張力控制第2章立式活套的速度和張力控制2.1出口立式活套的分析2.1.1出口活套裝置技術參數出口活套由活套車、輥系、卷揚裝置、配重、軌道及塔式鋼架等部分組成，立式活套為機械配重式結構，鋼繩的一端固定在卷揚卷筒上，一端固定在活套小車上，卷揚電機通過變速箱帶動卷筒旋轉纏繞鋼繩，經安裝在活套塔頂部的轉向輪提升活套小車，在活套小車上安裝有一定數量的活套輥，活套小車帶動活套輥上升下降來進行充放套。小車上的活套輥一般為被動輥，在活套塔下面還安裝有對應數量的固定底輥，一般帶有傳動系統，用來補償帶鋼在轉向時產生的張力損失，在部分活套底輥的軸承座上安裝有活套安全銷，在張力達到一定大小的時候會使安全銷動作，發送給PLC急停信號，起到安全保護作用，同時還安裝有斷帶制動器，當PLC通過計算檢測到斷帶發生時，斷帶制動器就會動作夾緊帶鋼，防止高處的帶鋼掉落造成設備和人員的傷害，活套上還裝有糾偏單元，用來防止活套塔中的帶鋼跑偏。出口活套示意如圖2.1所示。圖2.1出口活套示意圖Fig2.1Exitlooper2.1.2出口段工作過程描述出口活套位于工藝段與出口段之間，主要用來在出口段剪切卸卷的過程中保持工藝段連續運行。出口活套通常有一個較低的位置設定值，在機組正常連續運行時，工藝段與出口段保持相同的速度，出口活套工作在設定位置，當焊縫距離飛剪一定距離的時候，出口速度降到甩尾速度準備剪切，這是出口活套開始充套，保證工藝段的速度保持不變，直到出口段卸卷完成，下一卷帶鋼卷入卷曲后，出口加速拉套，把出口活套拉空到設定值后，出口速度降為和工藝段相同的速度，此時活套位置保持不變，等待下一個焊縫再進行上述動作。圖2.2活套速度與套量變化圖Fig2.2Changeoflooperspeedandreserves出口活套塔出口帶鋼速度變化過程為：首先工藝段出口段同速運行，活套工作在設定位置，當焊縫到達減速位，出口帶鋼速度從工藝段速度降至剪切速度60m/min，為保證帶鋼在飛剪處達到剪切速度，從減速位到飛剪的距離應稍大于帶鋼由最大工藝降到剪切速度的距離，當跟蹤程序計算焊縫位置到達飛剪時啟動剪切程序，第一刀分切完成后卷取機啟動帶尾定位程序進行甩尾，飛剪按照操作人員的設定進行帶頭帶尾的取樣和廢料剪切，剪切完成后降到零速等待，卷曲機完成卸卷后進行穿帶準備，穿帶準備完成后出口啟動到60m/min的穿帶速度進行穿帶，帶鋼經磁力皮帶導入助卷器，由帶頭跟蹤程序計算纏繞3圈后產生engage信號，落下磁力皮帶，打開助卷器抱臂，待輔助設備動作到位后出口段開始升速，并上升到最大速度對出口活套進行放套。待出口活套套量達到設定位置后，出口速度也同步到工藝段速度，至此出口活套完成了一個工作循環。在出口卸卷剪切過程中，出口段速度、出口活套小車速度及出口活套套量變化趨勢如圖2.2所示。2.2立式活套的位置控制通過對出口活套工作過程的分析，活套在生產過程中是通過控制套量來保證全線的速度連接，主令控制系統根據活套的套量給定全線的速度，確保活套保持合適的位置既不被拉空，也不會充滿。出口活套塔的上下兩端分別裝有4個極限開關，其中在小于0%和大于100%的位置裝有2個羊角開關，作為機械保護，當開關被觸發時產生急停信號，在套量0%和100%處裝有2個磁感應的快停開關，這兩個開關被觸發時產生快停，通常這4個極限開關是不被觸發的，在操作室的HMI上有限制在5%到95%之間的活套空滿兩個設定值，正常生產過程中活套一直工作在空滿套設定值之間。出口活套位置控制的設計思想是當活套運行到設定點時，出口段速度能夠跟工藝段速度保持一致，當設定值發生變化時，根據新的位置設定值和當前的實際位置計算出附加速度，調整出口段的運行速度使活套重新達到設定位置，當活套重新達到設定位置后，出口段速度又將等同于工藝段速度，當工藝段速度發生變化時，出口段的速度也隨之變化，保持活套位置維持在設定位置不變。若要達到活套位置的實時控制，需要以下幾個功能：對活套位置的實時監測對活套位置的標定通過活套位置控制器對充放套速度進行調節對活套小車的速度調節2.2.1活套的實時套量計算活套套量既活套內儲存的帶鋼長度，分為固定長度和變化長度兩部分：(2.1)其中固定長度為活套上輥上表面到輥的軸心高度加上下輥軸心高度到下表面高度的存儲帶鋼長度，這部分長度不隨活套位置發生變化，實際長度等于活套輥的半周長乘活套輥的個數：(2.2)式中：D為活套輥直徑N為活套輥個數而可變長度部分則對應于活套上輥系和下輥系軸心高度差再乘以帶鋼的層數：(2.3)式中：H為上下活套輥中心高度差K為活套內帶鋼的水平層數其中H為時變的測量值，由于下輥為固定輥，所以H是由活套小車的實際位置決定的，活套小車的位置測量由安裝在卷筒上的編碼器來測量，編碼器的測量脈沖數通過PROFIBUS網絡傳到PLC，活套的實際位置由以下公式計算：(2.4)式中表示活套小車的實際位置表示編碼器的標定值表示編碼器轉一圈產生的脈沖數4096D表示活套卷揚卷筒的直徑i表示鋼繩在活套車上纏繞的匝數，現場實際為6，既卷筒轉6個單位長度，小車移動1個單位長度其中表示編碼器的標定值，在活套中部安裝有一個磁感應開關，用于活套小車的位置標定，每當小車經過標定開關時，PLC中的活套標定程序就將標定為標定開關所對應的實際位置，用來消除累計誤差。2.2.2活套的速度控制活套的位置控制實際上是由控制活套小車的速度實現的，而活套小車的速度是由活套的入口速度和出口速度決定的：(2.5)式中：為活套小車的速度為工藝段速度為出口段速度N為活套內帶鋼的股數當時，,活套小車向上移動，活套處于充套狀態，套量增大；當時，,活套小車向下移動，活套處于放套狀態，套量減小；當時，,活套小車位置不變，套量不變；就出口活套而言，當出口進入焊縫定位階段，工藝段速度大于出口速度，活套車向上移動，當出口穿帶完成后出口段加速，出口段速度大于工藝段速度，活套車向下移動，當到達設定位置時，達到同步控制。控制活套的位置基于控制活套車的速度，又工藝段速度在正常生產時是保持不變的，所以調節活套車速度實際是基于的出口速度的控制，在出口剪切時，出口段退出同步控制執行剪切速度，當穿帶完成后進入同步控制，則出口速度如下式：(2.6)其中為出口速度設定值，為工藝段速度實際值，為活套位置調節器輸出的速度調節量，活套位置調節器根據輸入的活套位置設定值和活套位置實際值，計算出出口附加速度：(2.7)式中：為位置調節附加速度為活套位置設定值為活套位置實際值為活套位置調節區間為活套所允許的最大速度限幅當設定值與實際值偏差大于調節區間時，調節器輸出為最大允許速度，最大允許速度的大小取決于卷揚電機的額定速度，當位置偏差值小于調節區間時，調節速度開始下降，當設定值與實際值相同時，偏差為零，調節器輸入也為零，活套進入同步位置穩定運行。出口活套的同步工作位置為下限設定值，而出口活套的上限設定值是當出口降速或停車時間過長時，活套套量達到上限設定，出口PLC將會通過PLC間通訊告知工藝段PLC，進行減速停車。2.3立式活套的張力控制張力控制是冷軋生產線中非常重要的一個環節，冷軋帶鋼只有在適當的張力下才能穩定連續的運行，并且在短時間的停車期間也要保持一定的靜態張力，可以說張力控制貫穿著整個生產的式中，不但影響生產的穩定性和連續性，同時還會影響產品的質量，甚至如果張力控制的不好，過大的張力會拉斷帶鋼，造成重大事故，下面就從張力的基本概念入手，詳細的闡述一下出口立式活套的張力控制原理。2.3.1張力產生的基本原理冷軋生產線中帶鋼的張力是靠帶有傳動的輥子對帶鋼的拉伸產生的，帶鋼由拉伸所產生速差，使金屬各處產生相對位移，從而產生張應力，也叫做平均單位張力，用帶鋼的截面積A乘以平均單位張力，可以計算出作用在整段帶鋼上的張力：圖2.3作用在帶鋼上的張力Fig2.3Tensiononthestrip張力計算公式如下：(2.8)式中：T是作用于帶鋼橫截面上的張力；A是帶鋼的截面積；是單位平均張力。由胡克定律可知，金屬的彈性應變與單位張應力成正比的關系：(2.9)其中E是帶鋼的楊氏彈性模數，定義為張應力與應變的比值，在數值上等于單位應變時的張應力；為彈性應變，即帶鋼在單位長度上的伸長量。據上圖所示在帶鋼上分別取任意兩點a和b來分析，兩點之間的距離用表示，用和分別表示a、b兩點的運動速度，方向是從a到b，并且，帶鋼在長度方向上的位移為。彈性應變的表達式應為：(2.10)如果對張力進行幾何分析，則如下圖所示：:圖2.4張力產生原因Fig2.4causeoftensiongeneration材料在長度方向上的形變決定了所產生應力的大小，形變的量值既兩點間的相對位移量，a和b兩點以不同的速度運動，由其相對速差產生相對的位移量。先求出應變值，再通過應變值計算出產生的應力，得出的就是張應力，用表示：(2.11)(2.12)所以(2.13)因此，當a、b兩點分別以、速度運動時，帶鋼上產生的張力值為：(2.14)其中A、E和L在具體情況下皆為常數值，所以生產過程中張力的大小全部取決于a點和b點的速度偏差。在實際生產過程中，和是不斷變化的，當和分別產生大小為和的微小變化時，其在帶鋼上形成的張力也會產生相應的變化量，其對應關系為：(2.15)(2.16)所以作用于帶鋼上的張應力除了兩點速度差的分量外，還應包含由速度本身變化所產生的分量，則張應力和張力分別為：(2.17)(2.18)由以上關系式可知，由電氣傳動系統拉伸帶鋼，使帶鋼各處產生微小的速度差，從而產生的張力，同時張力的變化是由各處速度的變化引起的。單位張力和張力只與各處的速度差大小有關系，而與帶鋼本身的運行速度沒有關系。2.3.2帶鋼張力的種類和作用（1）帶鋼張力的種類（a）穿帶張力：是指帶鋼在剪切以后進行穿帶或甩尾的張力，因為在穿帶和甩尾時的速度很低，所以穿帶張力也比較小，一般為運行張力的40%。活套沒有穿帶張力。（b）運行張力：全線正常運行時的張力，根據帶鋼規格和工藝要求有不同的運行張力值。（c）靜張力：生產線在進行維護檢修和事故臨時停車時的張力。機組臨時停車達到一定的時間，張力就切換為靜張力，等生產線恢復運行時再切換為運行張力。靜張力為了降低電機長期堵轉所產生的熱量，電機在機組沒有運行的靜態建張中實際是處于堵轉狀態，所以靜張力不宜過大，時間也不宜過長。靜張力一般為運行張力的50%。如果機組長時間沒有恢復運行，則進行張力切斷。（d）點動張力：電動張力是為了在操作人員需要對機組進行手動前進后退時使用，避免在手動電動過程中產生跑偏和擦劃，點動張力也比較小，一般為運行張力的30%。（2）帶鋼張力的作用張力在生產過程中主要有四方面的作用：即使帶鋼獲得一定的延伸率；防止帶鋼跑偏；使帶鋼獲得較好的板型；工藝需求（開卷與卷取）。張力主要作用有一下幾個方面：（a）有利于生產線穩定帶鋼在沒有張力的情況下非常容易跑偏，單獨依靠自動對中裝置CPC很難完成帶鋼的糾偏工作，只有在合適的帶鋼張力下才能充分的發揮自動糾偏裝置的功能，保證帶鋼在連續生產的過程中始終處于中心線附近。（b）有助帶鋼板形平直（SPM/WCR）張力控制的不好可能會在生產過程中產生一些板型問題，如：邊浪、中間浪、鐮刀彎、寬度及長度方向反彎等，其主要原因是各方向延伸不均，帶鋼中的殘余應力引起帶鋼在各方向上的變形。拉矯機就是利用大張力，消減帶鋼中的殘余應力，使帶鋼在各方向上的變形趨于一致，在經過拉矯后得到比較平直的板型。另外在爐區的各個加熱段和隨后的各種冷卻段中，如果沒有合適的張力，則帶鋼在與輥面接觸時可能產生瓢曲，進而影響加熱的均勻性，使帶鋼的溫度分布不均，待溫度冷卻后就會產生板型問題。（c）調節帶鋼延伸率（平整機）光整機是通過調節軋制力來使帶鋼產生一定的延伸率的，一定的延伸率可以改變帶鋼內部的應力情況，使帶鋼獲得較好的性能和表面質量，但如果沒有張力的作用，金屬在變形區中只有三向的壓應力作用，需要很大的軋制力才能產生形變，而通過對帶鋼施加一定的張力，可以使水平的張應力變為拉力，垂直方向的壓應力變得更小，較小的軋制力就可以產生很大的形變，使得光整機的控制更加容易，可以達到更好的控制精度，同時，使用較小的軋制力還可以降低產生延伸率的能源消耗。（d）輔助生產線開卷工作開卷機的張力主要是保證帶鋼能順利開卷，如果張力過大，則無法進行穿帶，如果張力過小，會在開卷前產生堆鋼現象，而且開關的張力應充分考慮前道生產工序的張力，否則過大的張力會引起帶鋼的層間滑動，造成表面擦劃傷，同時，如果在升減速過程中對開卷的張力控制不好的話，會使較薄的帶鋼變形甚至斷代。（e）輔助生產線卷取機工作帶鋼張力對卷起來說更為重要，一般對卷曲機來講都會有帶鋼的硬核控制，就是在最初的一段帶鋼施加較大的張力來進行卷曲，避免因張力小而引起的內圈松動，在卸卷的過程中出現問題，同時，如果在卷曲過程中張力不適合，會在卸卷后發生塌卷現象，無法進行下一步工序，卷曲的張力波動能導致EPC裝置的振動，產生塔形或溢出邊的情況，如果生產的是成品卷，則不能滿足合同的要求。在機組停車期間也必須維持一定的靜態張力，即前文提到的靜張力，防止帶鋼在沒有張力的情況下與設備和輥子之間產生相對位移，使帶鋼表面產生擦劃傷，帶鋼張力在整個生產過程中起到至關重要的作用。2.4張力的控制方式及原理冷軋鍍鋅線和其他的冷軋處理線都采用分區張力控制的方式，利用張力輥和活套的張力隔斷作用，把整條生產線按工藝需求分割成許多大小不同的張力區，對每個張力區進行單獨的張力控制。冷軋處理線一般有直接張力控制、間接張力控制和復合張力控制三種不同的張力控制方法，根據每個張力去的實際情況選擇合適的張力控制方式，直接張力控制就是指直接讀取張力計的數值作為張力反饋，進入張力控制器進行張力閉環控制；而間接張力控制則是使用一些其他的如轉矩等反饋值計算出實際張力，再用計算值來進行張力的閉環調節，另外還有一種復合張力控制的方法，在目前的實際生產中也有比較廣泛的應用，他是結合前兩種控制方式，混合使用，達到一個理想的控制效果，下文將進行詳細介紹。2.4.1直接張力控制我們稱用張力計測量值作為反饋的張力控制方式為直接張力控制，直接張力控制是目前使用最為廣泛的一種張力控制方式，他的控制精度高和響應速度快，一般都用在對張力控制精度和響應速度要求較高的張力區，因為張力計成本較高，所以在對張力控制性能要求不高的張力區，一般用其他的控制方式代替直接張力控制，同時，直接張力控制由于其響應速度快，所以比較容易振蕩，要求在調試過程中反復修改參數，調試比較復雜。莆田鍍鋅生產線爐子段、鋅鍋段、平整機段以及立式活套部分等工藝段的張力控制采用直接張力控制，用來滿足這些工藝段對張力精度要求高，要求張力調節響應速度快的工藝需求。下面簡單介紹一下直接張力控制的基本原理：由上一小節的公式可知影響張力的變量為關于時間的積分，公式給出了a到b點長度為l的帶鋼的張力隨時間變化的函數。但是如何求得對于兩個固定傳動輥之間的張力呢?不妨假定存在從a到b長度為l的一段帶鋼(l很短)，當a和b點進入圖3．4所示的L區域時，這段長為l的帶鋼的張力變化為：（2.19）圖2.5速度差與張力的關系Fig2.5TesionandSpeed由于l很短，對于長度L可以認為l是一個點，那么這段帶鋼在上述區域經過的時間可以近似計算：（2.20)又各小段的拉伸量在整段帶鋼是均勻分布的，則可以得到：（2.21)將式(2．19和(2．20帶入到(2．21)，可以得到a-b段經過此區域時的張力變化量：（2.22)如果速度差值是固定的，那么此段帶鋼的張力變化量為：（2.23)對張力基本表達是中的積分運算的慣性問題進行處理。一般可以將積分環節等效為大慣性環節，將積分時間常數等效為大慣性環節的時間常數。將慣性環節引入系統的動態函數當中，并在不考慮入口張力的情況下，張力的實際處理模型T的s函數如下：（2.24)式中，E為楊氏模量；A表示截面積；L表示帶鋼長度。根據上面的公式，要想維持張力的恒定，則需要控制的值保持恒定。但是根據每個張力去的結構不同，根據情況選擇控制入口或出口的速度或者。但無論選擇控制哪個速度，都必須滿足速度差保持恒定，直接張力控制從本質上就是控制速度差。假定出口速度保持不變，入口速度同張力成反比，因此應使用張力偏差作為控制器輸入量，張力偏差經過控制器運算后，作為附加速度加到入口速度上。通過上面的描述可以繪制出直接張力控制的控制框圖。圖2.6直接張力控制框圖Fig2.6DirectTensionControl直接張力控制器通常采用PI調節器，按照無靜差系統設計系統時，一般使用純積分環節設計前向開環傳遞函數，使閉環傳函成為一個一階慣性環節。2.4.2間接張力控制由于直接張力控制存在著一些問題，特別是張力計成本很高，在一些惡劣的生產環境容易損壞。并且隨著矢量控制理論在變頻器上的應用，使變頻器能夠進行直接轉矩控制，間接張力控制方法因此產生。間接張力控制是一種張力開環控制，有電機的額定功率、齒輪比、輥徑以及張力設定，計算出電機應該輸出的電磁轉矩，直接對變頻器進行轉矩控制。這種方法控制結構簡單，張力控制穩定，但由于其開環的特性，實際是一種有靜差的張力控制。在目前的冷軋生產線中，應用最廣泛的就是直接張力控制和間接張力控制，基本上在對精度和響應速度要求高的地方采用直接張力控制，而在對張力控制精度要求不高，但的控制的穩定性有要求的地方使用間接張力控制。間接張力控制的原理如下:在張力輥的工作過程中，張力力矩與電動機電磁轉矩、空載轉矩、動態轉矩有以之間下關系：(2.25)又因為電動機電磁轉矩為：(2.26)張力為：(2.27)若忽略電動機和機械系統的空載損耗，并在恒速時，可忽略不計，于是張力(張力差)為：(2.28)在式(2.24)～(2.26)中，為張力力矩；為電動機電磁轉矩；為空載轉矩；為加速過程中的加速轉矩；U、I為電動機的電樞電壓、電動勢和電樞電流：V為生產線運行速度；對于開卷(卷取)機T為開卷(卷取)張力，對于張力輥和傳動輥，;D為輥子的直徑；Gr為減速箱的齒輪比；為電動機的轉矩常數；為電動機磁通量：P為電動機功率。控制電機轉矩是間接張力控制的核心問題，對于傳動裝置本身就是要使電流I和磁場按照指定的要求變化。根據矢量控制的原理，可以單獨調節磁場使其保持恒定，這樣問題就轉化為如何使按照張力的要求控制轉矩電流I，即I可以用函數表示。因此間接張力控制也可叫做轉矩控制。間接張力控制不需要對張力進行直接的測量，所以間接張力控制系統中沒有張力控制器，張力設定值通過計算得出電磁轉矩給定，直接發送到傳動裝置進行控制，在工作過程中只有傳動裝置的電流調節器處于工作狀態，而對于傳動裝置的速度調節器，通常是附加一個偏差速度使其處于飽和狀態。不需要測量張力反饋是間接張力控制最大的優點，同時間接張力控制與直接張力控制相比，沒有張力控制器，速度調節器也工作在飽和狀態，少了兩個調節環節，使得其控制性能比較穩定，僅僅依靠電流環對勵磁和轉矩電流的矢量控制，實現對張力的開環調節。所以當系統受到擾動影響時，如摩擦、升降速等因素，只能依靠補償值來微調轉矩，消除擾動的影響，補償值的準確與否極大的影響了張力的控制效果。最典型的間接張力控制為開卷機和卷曲機。開收卷電機由矢量型變頻器S120控制，工作在轉矩限幅模式下，在PLC程序中始終疊加一個附加速度在開卷和卷曲的速度給定上（開卷為負速度），由于速度調節器的輸入始終不為零，所以速度調節器始終工作在飽和狀態，這個時候只有轉矩限幅起作用，將速度調節器的輸出限制在想要的工作轉矩輸出給電流調節器。電流調節器根據設定與實際的偏差進行PI調節以控制活套卷揚。在轉矩控制下的傳動裝置同樣也有附加轉矩給定，同時附加轉矩給定也相應的加到限幅值上，這種控制方法也稱為轉矩限幅控制，控制框圖如圖2.7所示：圖2.7變頻器的雙閉環轉矩控制Fig2.7Double-closed-loopscontrol對于轉矩控制方式下，張力參考值加上張力控制器的附加張力值作為傳動設備的張力設定值，即轉矩限幅值，PLC通過調整傳動的轉矩限幅去控制實際張力。2.4.3立式活套的復合張力控制不同的張力控制方式使用與不同的場合，而對于立式活套的張力控制，其控制性能的判定取決于三個方面的調節能力：第一，在靜態建張階段，使活套穩定在靜態張力。第二，在活套出入口速度有差的情況下，即活套小車處于運動的狀態下，克服加減速對活套張力的影響，避免活套張力的波動。第三，在機組穩態運行的階段，即活套出入口同速運行，活套能過保持運行張力穩定，避免擾動帶來的張力波動。針對第一個和第三個問題，因為卷揚機的機械結構是通過鋼繩經滑輪組拉升活套小車，活套小車拉動帶鋼產生張力，在力傳導的過程中，鋼繩的重量、帶鋼的自重以及鋼繩的彈性都會對活套張力產生一定的影響，因此要通過張力的閉環控制達到無差調節。針對第二個問題，一般靠在升減速過程中投入速度調節器或者加長升減速的時間來改善，但是以上兩種方法都是以犧牲系統的快速性來換取穩定性，這在活套的控制上是不可取的。由于張力的閉環控制是靠反饋張力來進行調節，實際上要等到張力出現偏差以后才能反映到活套卷揚的轉矩上，反饋閉環控制實際上是一種滯后的控制，而如果想消除因之后而引起的張力波動，則需要對系統引入前饋控制，對于活套的升降速而言，就是通過在調試過程中測得的活套系統的轉動慣量，根據系統的加速度，計算出活套所需的加速轉矩，以前饋的方式補償到活套的轉矩上，使其代替由閉環控制調節出的那部分加速轉矩，同時還對不同速度的摩擦力變化進行補償，通過補償的引入，能使系統在升減速過程中始終跟隨生產線的速度變化，解決加減速過程中產生張力波動的問題。綜上所述，使用傳統的直接張力控制和間接張力控制都很難達到很好的控制效果，因此，結合直接張力控制響應快精度高，間接張力控制穩定的特點，設計出兩者結合的復合張力控制，即保留速度調節的快速性，又利用轉矩限幅調節的穩定性。對于本項目中出口活套的張力控制采用復合張力控制，如圖2.7所示。圖2.7復合張力控制原理圖Fig2.7compositetensioncontroltheory系統外環為張力環，運用張力傳感器進行直接張力控制；對活套張力起直接影響的2#卷揚電機作為張力系統的內環，運用矢量變頻器進行間接張力控制。系統的張力設定值經過張力/轉矩轉換，在加上各種前饋補償后，作為轉矩設定值輸入到變頻器，而張力環的反饋信號為張力傳感器輸入給PLC的實際張力值。輸入到變頻器的轉矩值作為轉矩調節器的限幅，編碼器反饋的頻率值作為內環的反饋信號。需要指出的是，在活套的復合張力控制中，根據張力傳感器反饋得到控制偏差ΔT后，通過ATR（自動張力調節器）轉化為轉矩修正值ΔMT，而不是轉化為速度修正值，然后將其作為張力矩補償加到轉矩限幅上，作為轉矩限幅值的一部分。因此這與一般ATR是有不同的。而正是因為在活套轉矩的限幅中加入了直接張力控制的偏差分量，這樣就有效提高了張力控制的精度。同時張力設定值（相當于前饋量）作為控制電流限幅的一部分，在不影響張力控制精度的同時，有效地提高了系統響應快速性能。張力復合控制的PI調節器的設計方法，基本與前文直接張力控制方式中所述的“速度差控制算法”的PI調節器設計方法類似，這里不再贅述。2.5立式活套張力控制的前饋補償要準確快速地控制活套張力，有必要對活套轉動過程中的各種損耗進行補償。活套前饋補償力矩包括：轉動慣量補償力矩（加速度補償）、機械損失補償力矩、風量損耗補償力矩，帶鋼自重補償力矩。前饋補償的前提條件是對系統的數學模型有準確的了解。下面分析一下轉動慣量補償力矩、機械損失補償力矩、風量損耗補償力矩、帶鋼自重補償力矩各自的作用和數學模型。2.5.1轉動慣量補償力矩活套卷揚的運動是旋轉式的，運動方程為：(2.29)式中為電機電磁轉矩；為負載轉矩；是角速度；為活套的轉動慣量；是動量矩。項對于那些變慣量轉動裝置是很重要的。例如離心機和卷曲機的傳動裝置，它們的負載幾何形狀與轉速或時間有關，幾何形狀可變的工業機器人也是這樣的。然而在很場合如活套裝置，可以假設轉動慣量是常數，因此：(2.30)式（2.9）表明，電動機內部電磁轉矩與負載轉矩之差，便是電動機本身的慣量加速和克服電動機內部摩擦轉矩所需的轉矩。在加減速過程中，變頻器根據速度給定和速度反饋計算電動機所需的電磁轉矩，從而達到加減速的目的，這是典型的反饋控制系統。反饋控制系統在響應時間要求較快，同步性要求較高的場合無法滿足用戶的要求。轉動慣量補償就是針對反饋控制的不足，在活套加減速時人為地加大或者減小傳動電機的輸出電磁力矩，相當于轉速起變化之前提前插入額外的電磁力矩，用于，從而加快系統加減速時的響應速度。這是一種動態的前饋補償，需要實時計算轉動慣量補償的值。要計算系統的轉動慣量補償力矩，首先必須要了解系統的轉動慣量。活套轉動慣量由活套卷揚傳動機構、卷筒等部分的轉動慣量組成。理論上一個為M，半徑為r的圓柱體剛體的轉動慣量J可由下式計算得出：（2.31）因此轉動慣量力矩計算公式如下：（2.32）可由線加速度得出：（2.33）其中a是加速度；R是卷揚卷筒的半徑；V是線速度。對于一個復雜的非勻質物體，例如包含形狀復雜的鐵、銅和絕緣材料的電機轉子，其轉動慣量實際上只能用近似方法確定。在帶有機械負載時，問題就變得更復雜了，用戶通常并不知道負載在結構上的細節。有時轉動慣量不是一個常數，而是一個在平均值附近周期性的變化著，例如帶有曲軸和連桿的活套壓縮機就是這種情況。所以在實際工程中無法采用式（2.32）計算轉動慣量，工程中都采用實驗測定法確定其轉動慣量。2.5.2機械損耗補償力矩摩擦補償力矩由以下公式計算得到：（2.34）式中D是軸徑直徑;F是卷重和張力的合力;是軸徑摩擦因數。但此式只用作理論研究，目前實際工程上的摩擦補償力矩計算采用如圖2.8所示的曲線。摩擦補償力矩在電機轉速較小時電機轉速成正比，當電機達到一定的轉速后，電機克服的摩擦力矩為一定值。該值需要在現場調試時給出。圖2.8摩擦補償與電機速度關系Fig2.8Relationshipbetweenfrictionlosstorqueandmotorspeed還有一些其他的補償量，諸如：鋼繩重量補償、風量損耗補償等，所占總轉矩的百分數較小，在要求不高的情況下通常忽略，這里就不再贅述了。2.6立式活套控制中存在的問題雖然項目中的復合張力控制經調試后，整定出一組能基本滿足設計需求的張力控制器PID參數值，但這樣的設計仍然存在著以下一些問題：（1）出口活套的一個工作周期包括套量穩定階段、勻速充放套階段、加減速充放套階段，在每個工作階段均使用同一組PID參數，必然不能使每個工作階段的張力控制效果達到最優，這組PID參數只能是各個工作階段的一個折衷值；（2）前面介紹的轉動慣量補償、摩擦損耗補償、風量損耗補償等前饋力矩都是通過一些近似的工程測定手段獲得的，難以保證其補償的精確性；（3）立式活套是一個非線性、時變的對象，對于一個變化的對象使用簡單的PID控制顯然不能達到很好的控制效果；（4）對于速度控制的1#活套和轉矩控制的2#活套之間，使用同步模塊來使它們同步，雖然基本滿足調試要求，但對于快速性要求較高的情況，這種簡單的同步方式將產生兩個活套的短時異步，嚴重時甚至會造成機械損壞。基于以上問題，改進活套內帶鋼張力PID控制器是十分具有意義的一個工程問題。所以本文擬采用一種能夠克服這些控制缺陷的智能控制策略，即單神經元自調整PID控制。通過理論論證和仿真驗證這種控制器的控制效果和可行性。同時，為了避免出現活套異步的問題，并給張力單神經元自調整PID控制器的仿真研究提供合理的活套系統模型，將運用神經網絡建立活套的速度和張力模型。2.7本章小結首先從物理角度分析了帶鋼中產生張力的根本原因，簡要介紹了冷軋處理線中帶鋼張力的作用和種類。接著介紹了目前廣泛應用的三種張力控制方式，重點分析了冷軋鍍鋅線立式活套卷揚張力控制方式的獨特設計，以及各種轉矩前饋補償的實現方法。現場在使用了上述設計方案后，基本可以實現在生產過程中維持活套帶鋼張力恒定的目的。但當前的控制系統還存在著諸多缺陷，于是提出使用一種能夠克服控制缺陷的智能化張力控制策略，即單神經元自調整PID控制。這種控制策略即發揮了單神經元控制在線參數自整定的優勢，同時保留了PID對過程控制良好的控制效果和適應性。該控制器的設計工作在第五章中完成。同時，為了給張力單神經元自調整PID控制器的仿真研究提供合理套內帶鋼張力模型，將運用神經網絡建立活套內帶鋼張力的模型。東北大學專業學位論文第3章莆田鍍鋅線活套控制的實現第3章莆田鍍鋅線活套控制的實現3.1莆田鍍鋅線活套控制系統配置莆田鍍鋅線基礎自動化系統的主要任務是:傳動、工藝控制功能和儀表儀器處理相關的控制；設定值如張力,延伸率等控制和實際值處理；入、出口的自動順序控制；帶鋼跟蹤；HMI顯示等。基礎自動化控制器主要由高性能控制器HPC所組成，對于不同的功能,每一個控制器獨立地運行。這些自動化控制器之間的通訊協議采用EGD通訊。CPU之間單獨網段保證通訊速度。每個控制器能連接到分別的儀表、智能遠程I/O、傳動控制器，CPU控制器與這些設備的通訊以流行的現場總線ProfiBusDP為主，對于實時性求低的采用以太網通訊。一級通過高性能控制器經由100Mb/s以太網接受來自二級的輸入數據和經由HMI的操作員輸入數據,并在HMI系統做必要數據顯示，HMI計算機基礎自動化畫面同二級畫面合二為一，HMI單獨網段同二級服務器和HMI服務器通訊。二級同三級計算機通訊獨立網卡完成。連退線的緊急停車由德國PILZE公司的過程安全PLC系統構成。系統配置示意圖如圖3.1所示。圖3.1莆田生產線控制系統結構Fig3.1ControlsystemofputianCGLline整個鍍鋅線自動化系統的配置由五部分通訊網絡構成：第一部分為現場總線ProfibusDP網，主要是提供各區域的控制器與主/輔電氣傳動、遠程I/O及部分儀表的通訊，最高通訊速度達12Mb/s。軋線上的所有主、輔電氣傳動都通過ProfibusDP網與相應區域的控制器相連，控制器為DP網主站，電氣傳動控制器為從站；各區域的遠程I/O及相應操作臺與操作箱I/O和操作單元OPU的I/O單元均通過ProfibusDP網與主控制器相連。第二部分是100Mb/s的基于TCP/IP協議的以太網，主要完成HPC控制器之間、HPC控制器同急停PLC的數據通訊，HPC之間采用EGD通訊，HPC同急停PLC采用標準TCP/IP協議通訊。第三部分調試工程師站、特殊功能站、第三方具有以太網通訊能力的儀表、控制器；以及HMI服務器、二級系統之間通訊。第四部分是二級服務器、HMI服務器、各個操作室的HMI客戶機之間的通訊。完成畫面的顯示。第五部分是二級服務器的一個單獨1000Mb/s網卡，單獨連接到三級計算機的交換機上，該網不連接連退線的任何其他設備。其中包含出口活套控制的光整區控制器配置和主要控制功能為：光整和出口區域從出口活套開始，由一個HPC框架組成，兩個HPC的CPU完成光整區域和出口區域的控制。控制包括：出口活套的控制，光整區域的順序控制、點動、聯動及運行控制，張力、速度控制，光整機的順序、工藝控制功能，光整機電氣傳動設備控制，光整機液壓系統控制，濕平整控制，換輥控制，光整機油氣潤滑控制，空氣吹掃控制，與板型控制系統的接口，數據通訊等，主機架配置如下圖：圖3.2光整段HPC系統配置Fig3.2SPMsectionsystemconfiguration配置有雙口PROFIBUS網板，完成同電氣傳動變頻器通訊、遠程站的通訊、碼盤和位置傳感器通訊，CPC、張力計第三方控制設備的通訊。一塊IBA數據采集板。本文使用的PDA歷史數據就是通過IBA板卡采集到PDA服務器進行記錄的，計數器板作為電氣傳動碼盤數據采集接口。用來對帶鋼位置進行跟蹤，絕對值信號接口板用于連接光整機的磁尺等，模擬量板用于連接液壓控制器，出口CPU雙以太網接口，一個接口采用EGD通訊方式，完成CPU之間通訊，完成同急停CPU的通訊。另一個以太網口負責同HMI服務器通訊、編程調試工程師站、其他第三方需要以太網通訊的設備通訊。采用高性能控制器多CPU結構，CPU為PentiumM1.6GHz產品，內存512MB，最快控制周期可小于1ms,適用于對控制精度要求高的快速系統。使用高集成度的工業級芯片，對惡劣的工業環境有很強的適應能力。辦卡帶有視頻、鼠標鍵盤接口，可以方便的使用顯示器監視其運行狀態，方便故障診斷。圖3.3為高性能控制器的CPU板卡。圖3.3高性能控制器VMIC7807Fig3.3HighperformancecontrollerVMIC7807多CPU結構和實時多任務VxWorks嵌入式操作系統環境,適合于冷軋處理線控制系統這樣的實時多任務多時間周期的工作方式。根據實際需求對程序定義不同的掃描周期。從表3.1程序掃描周期分配表中看到，在CPU中根據程序所處理內容對實時性和控制精度的要求分配不同的掃描周期，對實時性和控制精度要求高的程序如：（1）活套張力、位置控制及光整機軋制力、延伸率控制都采用最快的20ms的掃描周期，用來保證其控制的精度和實時性；（2）對于CPU間通訊、和CPC的通訊及線的順序控制程序，選取40ms的掃描周期；（3）對于單獨點動、組點動以及光整機輔助系統這些實時性要求不高的程序，采用100ms的掃描周期。這樣的多時間周期工作方式，能充分的利用CPU的能力，提高控制精度。程序中掃描周期按其控制功能分配如下表所示：表3.1程序掃描周期表Table3.1Programscantimetable程序內容掃描周期（ms）RemoveI/OInputandoutputdataCounterReadGlobalLogicvariablereadandwrite2020SPMforce,bending,Elongationcontrol20MainspeedandDrivelogicalcontrolDrivecontrolreferencesetpoint2020Loopertension,running,positioncontrol20Striponlineposition,Tensiononcontrol20CommunicationwithProcessandTrackingEGDcommunication4040ProfiBusCommunicationwithCPC40communicationlifesignal40Emergencystop/QuickStopMainlinenormalrunningcontrol4040TandemJogcontrolandIndividualJogcontrolDriveGroupPowercontrol100100SPMAuxiliarysystemcontrol100高性能控制器的編程和開發環境采用Converteam的P80i編程軟件，它使用國際通用的IEC61131-3編程規范，IEC61131-3編程環境是經過PLCOpen認證，包括所有DCS/PLC典型編功能如：功能塊編程；程序拷貝自動變量替代功能；三段變量名管理，中間變量自動管理，地址無關性；程序源獨立變量空間，變量空間可調整；停電不丟失變量保證系統停電后變量不變等等編程環境為控制程序圖形化編程提供了一整套完整的功能模塊：計時器、計數器、各種邏輯運算；上升、下降、延時等多種觸發模式；多路器、格式轉換、數據解碼、編碼；布爾、整型、實整數、長整形數據，以及相互轉換及各種數學計算；各種PID調解，定位、速度發生器、張力等控制模塊；EGD、TCP/IP、UDP等各種通訊模式的功能塊；數據庫管理、數據庫指針等工具。活套卷揚電機的傳動控制系統采用西門子SINAMICSS120系列驅動裝置，SINAMICSS120是西門子公司推出6SE70系列變頻器的替代產品，他采用模塊化的設計，通過對功率組件的并聯實現簡單的功率擴容，在維護的備件方面都變得十分便利，同時他采用CU集中控制的拓撲結構，一個控制單元可以控制最多6個矢量軸，在控制單元內部可以進行軸之間的數據交換，主從驅動等控制變得十分容易，這在張力輥組的控制上顯得尤為明顯，控制單元與電機模塊之間使用DRIVE-CLIQ連接，在調試過程中使用自動配置功能可以快速的完成系統組態，如果選擇帶DRIVE-CLIQ接口的電機與編碼器，也可以通過自動配置讀取參數，自動配置，節省了大量的調試時間也不容易出錯。活套傳動系統控制單元CU320通過Profibus與PLC進行數據交換，接收速度設定、附加轉矩及控制方式來控制活套卷揚電機，同時反饋實際速度、實際轉矩及狀態給PLC，用來監控和控制。功率單元采用公共母線整流的方式，使活套及其他四象限運行的設備能在發電狀態回饋能量，提高效率。3.2莆田鍍鋅線的活套控制莆田鍍鋅線出口活套為立式雙活套，在入口、中部和出口安裝TM16、TM17、TM18三個張力計，1#2#活套塔分別有4個和7個帶傳動的活套底輥。活套卷揚電機安裝增量式編碼器通過編碼器模塊進入傳動系統作為實際速度檢測，活套卷揚卷筒安裝絕對值編碼器通過ProfibusDP連接到PLC作為套量檢測。出口活套的控制畫面如下圖：圖3.4光整段HMIFig3.4SPMsectionHMI在生產過程中,操作人員是通過HMI畫面根據現場實際生產情況對活套進行控制的，HMI采用服務器客戶端方式，服務器采用冗余配置，保證在一臺服務器出現問題的情況下不影響生產。從上圖的HMI中可以看出，操作人員通過改變活套位置設定值來控制活套的運行位置；通過改變爐區和光整段的速度設定控制活套的升降套速度；通過改變活套的張力設定來控制活套的運行張力。在P80i中通過3個不同的Task使用相應的定位塊和張力控制塊來編寫活套位置、速度和張力的控制程序。3.2.1莆田鍍鋅活套套量與同步控制（1）位置控制根據工藝需求出口活套的套量設定位置通常是空套套量，如上圖HMI中設置為3%，根據出口工藝流程，在出口剪切、卸卷過程中，出口速度小于工藝速度，活套處于充套狀態，此時活套為速度控制模式，只在達到滿套位置后停車，按活套的結構控制其卷揚速度,活套卷揚的速度設定按如下公式計算：(3.1)其中S=6為活套鋼繩股數；n=48為活套帶鋼股數。在出口完成穿帶以后，需要高速拉套，將活套位置降到設定值，從而保證下個工藝流程的正常進行，此時活套為位置控制方式，在PLC程序中，通過P_LOOP活套位置控制塊實現，P_LOOP活套位置控制塊是通過碼盤計算活套的實際套量與HMI設定套量進行計算，輸出附加速度調節光整出口段的速度設定，對活套的套量進行控制，其設定參數如下表所示：表3.2位置調節塊參數Table3.2Parameterofpositioncontrolblock參數設定值Minimumlengthinmeters41mMaximumlengthinmeters603.4mDeadbandin%0.4%Maximumspeedinm/min450m/minRegulationareainmeters100m其中41m和603.4m分別對應活套0%和100%的套量，模塊根據實際套量計算附加調節速度，在實際套量與設定套量的偏差大于死區0.4%時位置控制使能，對附加速度的最大限幅值為450m/min，這是根據卷揚電機的額定轉速與齒輪比，卷筒直徑和活套的機械參數決定的，在偏差大于調節范圍值100m時活套位置控制附加速度為最大值，在偏差進入調節區域后，按照下面公式計算：(3.2)其中PV為實際套量單位米數，PS為設定套量單位為百分數，分別為最大套量603.4m和最小套量41m，為最大附加速度450m/min，為調節范圍100m。（2）同步控制由于出口活套的套量很大，為避免慣性過大難以控制的問題，出口活套設計為兩個活套小車分別由兩個卷揚控制，這樣就可以保證活套穩定的充放套，同時也需要用一個位置同步控制器來調節兩個活套的套量平衡。出口活套的同步控制器以1號活套小車的實際位置為參考值，以2號活套小車的實際位置為實際值，根據兩個活套小車的位置偏差調節出一個補償速度來附加到2號小車的設定速度上，控制框圖如下：圖3.5活套同步控制框圖Fig3.5Loopersynchronizationcontroldiagram活套張力建立以后同步控制器開始工作，當兩個活套小車的位置偏差進入死區時，這個附加速度就為0。在程序中使用一個純比例的PID調節器作為同步控制器。3.2.2莆田鍍鋅活套張力控制（1）活套張力控制使能首先，在生產線運行之前要對活套建立靜態張力，程序中使用BDFV2和FMTON塊進行活套建張控制，在滿足建張條件的情況下通過HMI操作畫面或建張操作按鈕對活套進行建張，使能活套的張力調節，并在活套建張條件丟失的情況下中斷使能，確保安全。圖3.4為建張控制塊的示意圖：圖3.6建張控制塊示意圖Fig3.6BlockforTensiononcontrol從上圖可見，活套的建張條件包括：沒有急停、無斷帶信號、活套位置正常、活套夾打開、活套出入口加送輥關閉及沒有點動命令，同時活套上下游處于停止狀態且不在Bypass模式，滿足建張條件后，通過Tensiononrequest命令對活套建張，使能張力調節器。（2）活套張力調節莆田鍍鋅線出口活套采用直接張力控制，取TM16、TM17、TM18三個張力計的平均值作為張力反饋，張力調節器輸出做為附加速度與位置控制的速度設定疊加通過DP網發送到傳動裝置進行控制。控制框圖如下：圖3.7活套張力控制框圖Fig3.7Loopertensioncontroldiagram由于活套對張力控制的精度和響應速度要求較高，在PLC中通過功能塊搭建自定義的PID調節器作為張力控制器，自定義的PID調節器可以改善程序自帶的PID控制器可整定參數較少的缺點，能夠更好的改善活套的調節性能。其控制程序如圖3.4所示：圖3.8自定義PID控制程序Fig3.8UserdefinePIDcontrolprogram從上圖的控制程序中可以看出，基于活套時變的特點，程序根據生產線的運行速度和活套的套量對自定義PID調節器的比例積分系數進行切換，以在不同情況下取得更好的控制效果，于是提出用單神經元自適應PID做為張力調節器，利用其自適應自學習的