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摘要： 冷连轧活套张力控制的动静态精度对于稳定轧制过程至关重要。在结合活套张力控制原理的基础上设计出1 450 mm 冷连轧机活套电气控制系统， 详细介绍了活套张力控制系统的控制原理及实现方案， 对惯性力矩、弯曲力矩和摩擦力矩进行补偿， 随后分析活套的运行情况。实践证明此活套控制系统具有较好的控制效果， 满足生产工艺的要求。
关键词：冷连轧机;活套;恒张力控制;S120交流传动装置
1、概述
在冷轧带钢控制系统中，为保证产品质量和工艺过程稳定，无论是冷连轧机还是可逆冷轧机均需要稳定的张力控制。按照不同的工艺要求：较典型的张力控制方法有间接张力控制和直接张力控制，间接张力控制常用于开卷、卷取、活套的控制;直接张力控制则用于精度较高的张力控制系统，冷连轧生产中常用于机架间的张力控制。文中所设计的1450mm 6辊5机架酸连轧机组已于2019年初正式投产， 其活套控制系统采用间接张力控制。在活套的控制系统中，活套不仅需在同步运行时保持张力恒定，且要求系统能准确地在加减速过程中进行动态力矩补偿，并根据活套车的位置对张力给定进行修正。
2、入口水平活套
2.1设备组成
入口活套为水平活套， 活套系统由活套车、活套车驱动装置、活套门、底部带钢支承辊、换辊小车和钢绳缓冲装置组成。
活套车上设有带钢转向辊、滑轮组及带钢支承辊和车轮，活套车的一侧设有水平滚轮，通过偏心轮来调整滚轮的开口度。活套车上带有滑槽用以控制活套门的关闭。活套车车体为焊接钢结构框架。
活套车驱动装置由电机减速机驱动，并保证活套车时刻处于可控状态。当活套车运动时，设在活套车上的滑槽引导与活套门关联的连杆机构开始转动并带动活套门开闭。
活套门用于支撑存储的带钢，安装在活套车行进方向的两边，通过连杆机构由活套车驱动来完成开闭摆动。
底部带钢支承辊用来支持底部存储带钢的运行。
2.2设备性能
酸洗入口活套由3臺电机组成，电机参数如下：
其交流传动采用西门子公司交流传动装置，型号为：S120系列。活套储存带钢能力为640m，活套小车有效行程为160m， 带钢条数为4 条， 小车辊子数量为2。
2.3活套控制系统组成及功能
活套控制系统主要由计算机监控、PLC过程控制以及ANSALDO传动系统3个部分组成。活套控制参数由操作人员在上位机上输入，HMI显示活套充、放套速度，活套张力，活套储量以及传动电机的转矩，故障报警显示等。PLC控制由SiemensS7400系列可编程控制器组成，从站使用SiemensET200。主站与从站间通讯方式为Profibus DP。
SPDM直流调速系统与可编程控制器通过Profibus DP直接通讯，PLC中进行速度、张力给定信号的处理，并在程序中进行加减速过程中的动态惯量、带钢弯曲力矩、摩擦力矩和套量计算及活套车位置控制。
活套入口操作台将指令传送至ENPLC程序段，ENPLC程序段进行信号处理通过Profibus DP总线与EnM AST程序段进行数据交换，MAST为轧机段主令给定程序，根据工艺需要与入口段主令控制交互数据，协调入口段与轧机段的速度，PLC_DR为入口段传动合闸逻辑，活套主令由EnM AST直接控制，EnM AST与传动通过Profibus DP进行数据交换。
3、入口段充放套的实现
3.1、1#张力辊设备结构及性能
1#张力辊主要由机架、4个辊子、2个压辊、传动装置和压辊摆动装置组成。其中1、2、4#辊子由电机通过减速机驱动，3#辊子为惰辊。电机与减速机之间，减速机与辊子传动轴之间安装有联轴器。
3.2、充放套实现过程分析
活套车同步运行时，1#出口张力辊的线速度与轧机入口的钢带的线速度相同，即活套入口钢带的运行速度与活套出口钢带的速度相同，活套车处在相对静止状态;当带头带尾焊接完成后，机组入口段开始升速，带钢以高于轧机入口的速度经过1#张力辊和1#立式纠偏进入活套，此时，活套的充料速度大于活套内出料的速度，活套内的带钢张力变小，为保证活套内带钢张力恒定，活套车在钢丝绳的牵引下向卷扬机方向运行，绷紧带钢;当切除带头带尾焊接时，1#张力辊停止工作，压辊压下，活套开始放套，由于带钢一端固定，另一端连续运行带动活套车向轧机方向运行，保持张力恒定，实现活套放套。
4、活套张力控制原理及实现方案
4.1活套张力控制原理
在活套张力控制系统中，活套电机转矩的计算是该控制环节的关键。活套电机转矩由活套张力力矩、惯性力矩、带钢弯曲力矩和摩擦力矩等部分组成。由于活套卷扬机卷筒为一固定卷径值，所以卷径计算环节便可省略，直接代入卷筒直径D。根据电动机转矩公式，可以计算出活套电机电枢电流给定值为
式中：TM为活套电机转矩;TF为张力力矩;TI为惯性力矩;TB为带钢弯曲力矩;TH为摩擦力矩;△TF为张力力矩修正值，N·m;CT为电动机转矩常数;为电动机磁通。活套电机转矩给定值，送至活套电机全数字调速系统SPDM，并通过活套调速系统的调节作用，控制电机的负载电流，在活套正常工作中，速度调节器饱和使电机处于转矩控制状态，从而实现活套的张力控制。
4.1.1速度给定
速度给定来自程序中的运算，并在SPDM中的辅助功能的速度调节器前加一附加速度给定目的是确保建张后速度环一直处于饱和状态，由可编程控制器中运算出的张力给定信号控制电流限幅，从而输出对应的张力转矩。点动时，速度给定为一定值，点动包括正点动与反点动，当点动旋钮至中位时点动停止，制动器断电制动。
4.1.2转矩给定
1）张力力矩在活套中的作用。使带钢承受一定张力，绷紧支撑架间的带钢，防止带钢跑偏和搭落以致刮坏带钢。活套张力设定值取决于HMI给定的单位张力、带钢宽度与厚度，张力力矩计算公式如下：
TF=T×6
式中：T为单条带钢张力折算到电机的力矩，N·m;F0为活套单位张力，N/mm2;W为带钢宽度，mm;H为带钢厚度，mm;D为卷扬机卷筒直径，mm。
2）惯性力矩。充放套过程中，由于活套内带钢速度的变化需考虑卷扬机自身套筒的惯性力矩。卷筒的直径固定不变D=D0。计算公式如下：
可推出
式中：Jo为卷筒转动惯量。
3）带钢弯曲力矩。带钢弯曲力矩占电机转矩的一定比重，它与带钢厚度的二次方、带钢宽度、带钢屈服强度成正比，带钢屈服强度与钢种、带钢材质有关。带钢弯曲力矩可由以下公式得出：
每层带钢弯曲力矩折合到卷筒的力矩为
可推导出：
TB=6TBB/j
式中：TB为带钢弯曲力矩，N·m;TBB为单层带钢弯曲力矩，N·m;d1，d2，d3为每层带钢转向辊直径，mm;y为带钢屈服强度，N/mm2;H为带钢厚度，mm;W为带钢宽度，mm。
4）摩擦力矩。该力矩是用于修正活套电机到卷筒之间的机械损耗，摩擦力矩是和速度相关的。一般摩擦力矩补偿可视为常量，补偿量为电机额定转矩的2%以下。
4.2恒张力实现方案
卷扬机由一台电机驱动，安装在卷扬机的传动侧。电机的正方向为拉紧钢丝绳的方向。主电机工作时为张力控制方式，电流上限幅通过程序计算经Profibus控制，此时需考虑各力矩环节;活套电机的励磁控制器接收全数字调速系统SPDM的励磁电流给定，励磁控制器自动调节励磁电流的输出。电流调节器的电流限幅给定。至于SPDM工作于何种控制模式，由内部软件自动切换。活套点动运行时，处于速度控制模式;活套建张运行时，处于张力控制模式。
关键词：冷连轧机;活套;恒张力控制;S120交流传动装置
1、概述
在冷轧带钢控制系统中，为保证产品质量和工艺过程稳定，无论是冷连轧机还是可逆冷轧机均需要稳定的张力控制。按照不同的工艺要求：较典型的张力控制方法有间接张力控制和直接张力控制，间接张力控制常用于开卷、卷取、活套的控制;直接张力控制则用于精度较高的张力控制系统，冷连轧生产中常用于机架间的张力控制。文中所设计的1450mm 6辊5机架酸连轧机组已于2019年初正式投产， 其活套控制系统采用间接张力控制。在活套的控制系统中，活套不仅需在同步运行时保持张力恒定，且要求系统能准确地在加减速过程中进行动态力矩补偿，并根据活套车的位置对张力给定进行修正。
2、入口水平活套
2.1设备组成
入口活套为水平活套， 活套系统由活套车、活套车驱动装置、活套门、底部带钢支承辊、换辊小车和钢绳缓冲装置组成。
活套车上设有带钢转向辊、滑轮组及带钢支承辊和车轮，活套车的一侧设有水平滚轮，通过偏心轮来调整滚轮的开口度。活套车上带有滑槽用以控制活套门的关闭。活套车车体为焊接钢结构框架。
活套车驱动装置由电机减速机驱动，并保证活套车时刻处于可控状态。当活套车运动时，设在活套车上的滑槽引导与活套门关联的连杆机构开始转动并带动活套门开闭。
活套门用于支撑存储的带钢，安装在活套车行进方向的两边，通过连杆机构由活套车驱动来完成开闭摆动。
底部带钢支承辊用来支持底部存储带钢的运行。
2.2设备性能
酸洗入口活套由3臺电机组成，电机参数如下：
其交流传动采用西门子公司交流传动装置，型号为：S120系列。活套储存带钢能力为640m，活套小车有效行程为160m， 带钢条数为4 条， 小车辊子数量为2。
2.3活套控制系统组成及功能
活套控制系统主要由计算机监控、PLC过程控制以及ANSALDO传动系统3个部分组成。活套控制参数由操作人员在上位机上输入，HMI显示活套充、放套速度，活套张力，活套储量以及传动电机的转矩，故障报警显示等。PLC控制由SiemensS7400系列可编程控制器组成，从站使用SiemensET200。主站与从站间通讯方式为Profibus DP。
SPDM直流调速系统与可编程控制器通过Profibus DP直接通讯，PLC中进行速度、张力给定信号的处理，并在程序中进行加减速过程中的动态惯量、带钢弯曲力矩、摩擦力矩和套量计算及活套车位置控制。
活套入口操作台将指令传送至ENPLC程序段，ENPLC程序段进行信号处理通过Profibus DP总线与EnM AST程序段进行数据交换，MAST为轧机段主令给定程序，根据工艺需要与入口段主令控制交互数据，协调入口段与轧机段的速度，PLC_DR为入口段传动合闸逻辑，活套主令由EnM AST直接控制，EnM AST与传动通过Profibus DP进行数据交换。
3、入口段充放套的实现
3.1、1#张力辊设备结构及性能
1#张力辊主要由机架、4个辊子、2个压辊、传动装置和压辊摆动装置组成。其中1、2、4#辊子由电机通过减速机驱动，3#辊子为惰辊。电机与减速机之间，减速机与辊子传动轴之间安装有联轴器。
3.2、充放套实现过程分析
活套车同步运行时，1#出口张力辊的线速度与轧机入口的钢带的线速度相同，即活套入口钢带的运行速度与活套出口钢带的速度相同，活套车处在相对静止状态;当带头带尾焊接完成后，机组入口段开始升速，带钢以高于轧机入口的速度经过1#张力辊和1#立式纠偏进入活套，此时，活套的充料速度大于活套内出料的速度，活套内的带钢张力变小，为保证活套内带钢张力恒定，活套车在钢丝绳的牵引下向卷扬机方向运行，绷紧带钢;当切除带头带尾焊接时，1#张力辊停止工作，压辊压下，活套开始放套，由于带钢一端固定，另一端连续运行带动活套车向轧机方向运行，保持张力恒定，实现活套放套。
4、活套张力控制原理及实现方案
4.1活套张力控制原理
在活套张力控制系统中，活套电机转矩的计算是该控制环节的关键。活套电机转矩由活套张力力矩、惯性力矩、带钢弯曲力矩和摩擦力矩等部分组成。由于活套卷扬机卷筒为一固定卷径值，所以卷径计算环节便可省略，直接代入卷筒直径D。根据电动机转矩公式，可以计算出活套电机电枢电流给定值为
式中：TM为活套电机转矩;TF为张力力矩;TI为惯性力矩;TB为带钢弯曲力矩;TH为摩擦力矩;△TF为张力力矩修正值，N·m;CT为电动机转矩常数;为电动机磁通。活套电机转矩给定值，送至活套电机全数字调速系统SPDM，并通过活套调速系统的调节作用，控制电机的负载电流，在活套正常工作中，速度调节器饱和使电机处于转矩控制状态，从而实现活套的张力控制。
4.1.1速度给定
速度给定来自程序中的运算，并在SPDM中的辅助功能的速度调节器前加一附加速度给定目的是确保建张后速度环一直处于饱和状态，由可编程控制器中运算出的张力给定信号控制电流限幅，从而输出对应的张力转矩。点动时，速度给定为一定值，点动包括正点动与反点动，当点动旋钮至中位时点动停止，制动器断电制动。
4.1.2转矩给定
1）张力力矩在活套中的作用。使带钢承受一定张力，绷紧支撑架间的带钢，防止带钢跑偏和搭落以致刮坏带钢。活套张力设定值取决于HMI给定的单位张力、带钢宽度与厚度，张力力矩计算公式如下：
TF=T×6
式中：T为单条带钢张力折算到电机的力矩，N·m;F0为活套单位张力，N/mm2;W为带钢宽度，mm;H为带钢厚度，mm;D为卷扬机卷筒直径，mm。
2）惯性力矩。充放套过程中，由于活套内带钢速度的变化需考虑卷扬机自身套筒的惯性力矩。卷筒的直径固定不变D=D0。计算公式如下：
可推出
式中：Jo为卷筒转动惯量。
3）带钢弯曲力矩。带钢弯曲力矩占电机转矩的一定比重，它与带钢厚度的二次方、带钢宽度、带钢屈服强度成正比，带钢屈服强度与钢种、带钢材质有关。带钢弯曲力矩可由以下公式得出：
每层带钢弯曲力矩折合到卷筒的力矩为
可推导出：
TB=6TBB/j
式中：TB为带钢弯曲力矩，N·m;TBB为单层带钢弯曲力矩，N·m;d1，d2，d3为每层带钢转向辊直径，mm;y为带钢屈服强度，N/mm2;H为带钢厚度，mm;W为带钢宽度，mm。
4）摩擦力矩。该力矩是用于修正活套电机到卷筒之间的机械损耗，摩擦力矩是和速度相关的。一般摩擦力矩补偿可视为常量，补偿量为电机额定转矩的2%以下。
4.2恒张力实现方案
卷扬机由一台电机驱动，安装在卷扬机的传动侧。电机的正方向为拉紧钢丝绳的方向。主电机工作时为张力控制方式，电流上限幅通过程序计算经Profibus控制，此时需考虑各力矩环节;活套电机的励磁控制器接收全数字调速系统SPDM的励磁电流给定，励磁控制器自动调节励磁电流的输出。电流调节器的电流限幅给定。至于SPDM工作于何种控制模式，由内部软件自动切换。活套点动运行时，处于速度控制模式;活套建张运行时，处于张力控制模式。