摘要：以退火處理線為應(yīng)用對(duì)象，描述了退火處理線的工藝流程，典型的控制系統(tǒng)在退火處理線中的應(yīng)用。以及利用西門子S120系列變頻器在退火處理線中設(shè)備的具體控制方法。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，采用西門子公司的SINAMICSS120系列變頻器的解決方案工作狀況良好，能夠達(dá)到預(yù)期的控制要求。

1引言

    退火是一種金屬熱處理工藝，指的是將金屬緩慢加熱到一定溫度，保持足夠時(shí)間，然后以適宜速度冷卻。目的是降低硬度，改善切削加工性；消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向；細(xì)化晶粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷。主要目的是消除和改善鋼板在軋制和冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的組織缺陷和內(nèi)應(yīng)力，為后道工序的加工和使用做好組織和性能上的準(zhǔn)備。

    本文主要介紹退火處理線的工藝流程以及典型控制系統(tǒng)在退火處理線中的應(yīng)用；以及西門子S120變頻器控制在退火處理線中的具體應(yīng)用。

2工藝描述

2.1.工藝流程圖

    本文采用的退火處理線的工藝流程主要包括入口段、工藝段、出口段3大部分，工藝流程如圖1所示。

2.2.工藝概述

    鋼卷放在開(kāi)卷機(jī)卷筒上之后，開(kāi)卷機(jī)卷筒開(kāi)始漲開(kāi)，撐緊鋼卷內(nèi)徑，同時(shí)壓輥壓緊鋼卷。開(kāi)卷機(jī)的卷筒開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)將鋼頭送至入口剪，切除帶鋼頭前等待與上一個(gè)鋼卷的帶尾進(jìn)行焊接。

    焊接完成之后，機(jī)組入口段開(kāi)始升速，帶鋼以高于機(jī)組工藝段的速度經(jīng)過(guò)張緊裝置、糾偏裝置進(jìn)入入口活套。帶鋼通過(guò)入口活套后，經(jīng)糾偏裝置、張緊裝置進(jìn)入清洗段。清洗段布置了堿液浸沒(méi)裝置、堿液刷洗裝置、電解清洗裝置、熱水刷洗裝置、熱水漂洗裝置及熱風(fēng)干燥裝置。清洗烘干后帶鋼經(jīng)過(guò)糾偏裝置、張緊裝置進(jìn)入退火爐。

    帶鋼進(jìn)入連續(xù)退火爐后，首先在預(yù)熱段預(yù)熱帶鋼，然后進(jìn)入輻射管加熱段加熱到再結(jié)晶溫度，隨后在均熱段均熱帶鋼，在晶相轉(zhuǎn)變的同時(shí)，晶粒細(xì)化和成長(zhǎng)，在快冷段，冷卻帶鋼到450℃，C、N固溶體過(guò)飽和。然后進(jìn)行C、N固溶體的部分析出，這一過(guò)程在過(guò)時(shí)效處理段完成，經(jīng)過(guò)終冷出爐后，完全退火的帶鋼既改善了加工性能，又保證了金屬加工后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

    帶鋼離開(kāi)退火爐后經(jīng)過(guò)水淬冷卻、糾偏裝置、張緊裝置進(jìn)入中間活套，后經(jīng)糾偏、張緊裝置進(jìn)入平整機(jī)、拉矯機(jī)；平整機(jī)可以消除屈服平臺(tái)，改善帶鋼的板形，拉矯機(jī)改善板形的效果很明顯。平整拉矯后的帶鋼經(jīng)過(guò)糾偏裝置、月牙剪后進(jìn)入切邊圓盤剪，保證產(chǎn)品的最終寬度。切邊后的帶鋼經(jīng)過(guò)壓毛刺輥進(jìn)入出口活套，離開(kāi)后經(jīng)張緊裝置進(jìn)入出口段。

    后處理段及出口段設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，中間活套、出口活套均處于空套狀態(tài)。機(jī)組出口段進(jìn)行換卷操作時(shí)，后處理段低速運(yùn)行，出口活套、中間活套充套保證工藝段正常運(yùn)行。平整機(jī)換輥操作或圓盤剪更換剪刃時(shí)，后處理段及出口段停車，中間活套充套，貯存帶鋼保證工藝段的正常運(yùn)行。

    帶鋼離開(kāi)出口活套后經(jīng)張緊裝置進(jìn)入靜電涂油機(jī)，在帶鋼表面涂上防銹油。而后進(jìn)入出口剪，當(dāng)焊縫到達(dá)或卷取的鋼卷達(dá)到設(shè)定重量時(shí)，出口段設(shè)備自動(dòng)減速停機(jī)剪切，切除焊縫后，卷取機(jī)完成帶尾卷?。痪砣C(jī)進(jìn)行卸卷操作，小車壓住帶鋼尾部，人工打捆帶，出口鋼卷小車托起鋼卷，從卷取機(jī)卷筒上移出，運(yùn)至鋼卷鞍座。然后用吊車將鋼卷運(yùn)至包裝區(qū)域進(jìn)行稱重及人工包裝。包裝后的成品鋼卷由吊車或叉車運(yùn)至成品倉(cāng)庫(kù)存放。

3系統(tǒng)控制方法

    退火處理生產(chǎn)線要求在加工過(guò)程中繃緊帶材，維持張力恒定，這樣才能使各段互相協(xié)調(diào)配合，完成生產(chǎn)任務(wù)。為了滿足這樣的工藝要求，傳動(dòng)系統(tǒng)必須要使用多種典型的工藝控制。

3.1速度控制系統(tǒng)

    S輥是退火處理生產(chǎn)線中常用設(shè)備，用來(lái)控制帶材在某生產(chǎn)段的速度。它由2或多個(gè)輥組成，每輥由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)如圖2所示。帶材包在這幾個(gè)輥外，以擴(kuò)大帶材和輥面接觸的面積，增加摩擦，從而增加對(duì)帶材的拉力。電動(dòng)機(jī)間的機(jī)械聯(lián)系靠帶材的摩擦力和張力實(shí)現(xiàn)，特點(diǎn)是在生產(chǎn)不正常時(shí)可能出現(xiàn)“打滑”情況，機(jī)械聯(lián)系斷開(kāi)。這類傳動(dòng)宜采用經(jīng)轉(zhuǎn)速環(huán)負(fù)荷均衡的主從系統(tǒng)如圖3所示。主、從兩套系統(tǒng)都有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR1~2及轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL1~2，但在從系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入端接有兩轉(zhuǎn)矩給定值之差信號(hào)KB(T1*-T2*)。該系統(tǒng)能解決“打滑”時(shí)轉(zhuǎn)速失控問(wèn)題。

3.2張力控制系統(tǒng)

    退火處理生產(chǎn)線要求在加工過(guò)程中繃緊帶材，維持張力恒定，為此必須在生產(chǎn)線中安排一些專門控制張力的機(jī)械，它不擔(dān)任加工材料任務(wù)，其轉(zhuǎn)矩完全用來(lái)產(chǎn)生張力，例如卷?。ㄩ_(kāi)卷）機(jī)、張力S輥、活套等。由于張力由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，所以這些機(jī)械的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)不是控制轉(zhuǎn)速，而是控制張力轉(zhuǎn)矩，這類控制系統(tǒng)為張力控制系統(tǒng)。

3.2.1直接張力控制系統(tǒng)

    S輥是退火處理生產(chǎn)線中常用設(shè)備，按工作模式，它分為速度基準(zhǔn)S輥和張力S輥。速度基準(zhǔn)S輥的任務(wù)是控制該生產(chǎn)段帶材移動(dòng)的線速度；如果生產(chǎn)段很長(zhǎng)，一組S輥拉不動(dòng)全段的帶材，就需要增設(shè)S輥。一個(gè)生產(chǎn)段中有幾組S輥后，就出現(xiàn)S輥間轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)和負(fù)荷分配問(wèn)題，所以新增設(shè)的S輥都采用張力控制，它們的任務(wù)是使帶材張力FT等于其給定值，轉(zhuǎn)速則取決于速度基準(zhǔn)S輥V，這類S輥為張力S輥，如圖4所示。

    由于張力S輥用于長(zhǎng)的生產(chǎn)段，在兩組S輥之間的帶材會(huì)有一定下垂量，轉(zhuǎn)速微小變化引起下垂量變化，有一定轉(zhuǎn)速變化空間，因此張力S輥也可以采用通過(guò)轉(zhuǎn)速給定控制張力的S輥直接張力控制系統(tǒng)，如圖5所示。

    直接張力控制需要有投入環(huán)節(jié)，只有在工件已繃緊及張力已建立后才能把這轉(zhuǎn)速自動(dòng)修正環(huán)節(jié)投入，并要限制na.x*的最大修正范圍（10％左右），否則會(huì)帶來(lái)振蕩。另外在工件即將過(guò)去時(shí)，還需設(shè)置張力控的退出環(huán)節(jié)，防止工件過(guò)去后，張力突然消失，給調(diào)速系統(tǒng)帶來(lái)的沖擊。

3.2.2間接張力系統(tǒng)

    開(kāi)卷、卷取在開(kāi)始生產(chǎn)前，先要上料和穿帶，這時(shí)處于單動(dòng)工作狀態(tài)，調(diào)速系統(tǒng)是雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。建張后，轉(zhuǎn)入聯(lián)動(dòng)工作狀態(tài)，加速至工作速度，這時(shí)調(diào)速系統(tǒng)是只有轉(zhuǎn)矩環(huán)的張力控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出控制。生產(chǎn)結(jié)束后，又改回單動(dòng)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

    調(diào)速系能滿足上述要求的通過(guò)轉(zhuǎn)矩給定控制張力調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖6所示，它也是由轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)ATL和轉(zhuǎn)速外環(huán)ASR構(gòu)成的雙環(huán)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是張力控制的轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)不是直接送至ATL輸入，而是從轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR正限幅T*輸入。

    在單動(dòng)時(shí)，附加轉(zhuǎn)速給定△n*=0，ASR限幅值為固定值20%，這時(shí)的調(diào)速系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)雙環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。穿帶完成后，發(fā)出聯(lián)動(dòng)指令，施加附加轉(zhuǎn)速給定△n*=5~10%到ASR輸入，卷取電動(dòng)機(jī)低速爬行繃緊帶材。在帶材繃緊后，轉(zhuǎn)速n＜n*，ASR正向飽和，這時(shí)ATL的轉(zhuǎn)矩給定輸入T*等于ASR的正限幅值T*max，從而實(shí)現(xiàn)從轉(zhuǎn)速控制到張力控制的平滑過(guò)渡，張力大小通過(guò)改變T*max來(lái)控制。在聯(lián)動(dòng)期間，主轉(zhuǎn)速給定n*按滿足帶材以線速度V來(lái)設(shè)定，調(diào)速系統(tǒng)按張力控制模式工作。

4應(yīng)用實(shí)例

    圖7-9是某廠的一套40萬(wàn)噸退火處理線流程圖。系統(tǒng)采用西門子SINIMACSS120整流回饋單元為逆變器供電的公用直流母線方案。由于處理線在線設(shè)備有些電動(dòng)，有些發(fā)電，利用公用直流母線可以大大節(jié)能，所需饋電電源容量遠(yuǎn)低于電機(jī)總裝機(jī)容量。

    系統(tǒng)中，所有在線的調(diào)速電機(jī)均采用西門子SINAMICSS120的DC/AC多軸傳動(dòng)模塊控制。SINAMICSS120是一種高性能、高精度的驅(qū)動(dòng)器。硬件上具有模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單易行；強(qiáng)大的軟件功能。使其適用于各種復(fù)雜應(yīng)用的場(chǎng)合。既能做伺服控制，也能做矢量控制；能實(shí)現(xiàn)速度控制，轉(zhuǎn)矩控制，位置控制多種控制方式，同時(shí)能滿足運(yùn)動(dòng)控制的要求。SINAMICSS120多軸驅(qū)動(dòng)由控制單元CU320-2和電源模塊，電機(jī)模塊組成。CU320-2控制單元自身能夠處理一般的工藝任務(wù)。控制單元和功率單元之間使用新的通訊鏈接DRIVE-CLIQ。

    該系統(tǒng)全線裝機(jī)容量為3156KW,設(shè)有兩段直流母線;一段由一臺(tái)800KW整流回饋單元供電;另一段爐內(nèi)的爐輥由一臺(tái)315KW整流回饋單元供電，由于爐內(nèi)爐輥的特殊供電需要，進(jìn)線電源由柴油機(jī)和動(dòng)力電源雙路提供。

    線上所有控制主電機(jī)均為互相獨(dú)立的速度控制系統(tǒng)，正常生產(chǎn)時(shí)，入口、工藝、出口段速度通過(guò)入、出口活套互相獨(dú)立又互相關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)通過(guò)三個(gè)活套分割成四段，有四個(gè)速度基準(zhǔn)。入口速度基準(zhǔn)為1#S輥，出口速度基準(zhǔn)為9#S輥，前工藝速度基準(zhǔn)為4#S輥，后工藝段速度基準(zhǔn)為5#S輥。其中三輥S輥（1-2#熱張輥4#S輥）和四輥S輥（1#、5#、9#S輥）為一主二從和三從工作方式。入口活套正常工作時(shí)為滿套量位，入口換卷時(shí)，工藝段速度不變，入口活套放套，入口段完成焊接操作后，以高于工藝段速度充套，當(dāng)套量為滿套位時(shí)，入口段速度與工藝段一致，入口活套套量保持不變。出口活套正常工作時(shí)為空套量位，出口換卷時(shí)，工藝段速度不變，出口活套充套，出口段完成卷取操作后，以高于工藝段速度放套，當(dāng)套量為空套位時(shí)，出口段速度與工藝段一致，出口活套套量保持不變。

    2＃、3#和6#張力輥、光整機(jī)、熱張輥、活套為直接張力控制，通過(guò)張力計(jì)檢測(cè)帶鋼實(shí)際張力，調(diào)節(jié)各自速度，實(shí)現(xiàn)各段張力恒定。

    活套套量檢測(cè)通過(guò)軸端編碼器實(shí)現(xiàn)，上電后具有記憶功能，斷電后重新恢復(fù)生產(chǎn)需套量校正?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)入、出口活套套量，自動(dòng)平衡入口段與工藝段、工藝段與出口段運(yùn)行速度?；钐紫到y(tǒng)有多個(gè)光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)活套處于不同位置時(shí)，自動(dòng)化系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)各段運(yùn)行速度，并在活套極限位提供急停保護(hù)。

    為了保證帶鋼在爐內(nèi)張力恒定，在爐子入口處，設(shè)張力計(jì)，通過(guò)檢測(cè)爐內(nèi)帶鋼張力，自動(dòng)調(diào)節(jié)3#張力輥和熱張輥速度，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)帶鋼恒張力控制。

    由于張力調(diào)節(jié)器具有一定的滯后特性，因此對(duì)于速度較高時(shí)和厚度在0.2mm以下時(shí)單純依靠張力反饋控制進(jìn)爐帶鋼張力具有較大困難，在爐前增加具有阻尼作用的跳動(dòng)輥，跳動(dòng)輥由電機(jī)控制，跳動(dòng)輥裝有位置檢測(cè)裝置。這樣可以通過(guò)計(jì)算跳動(dòng)輥位置得出帶鋼張力，控制跳動(dòng)輥位置和扭矩達(dá)到在入口換卷時(shí)使?fàn)t內(nèi)張力達(dá)到控制要求。

    為保證爐內(nèi)各段張力穩(wěn)定，消除因爐輥速度偏差造成張力偏差，根據(jù)爐內(nèi)各段張力變化調(diào)節(jié)成段調(diào)節(jié)（微調(diào)）爐輥速度，保證爐內(nèi)本段張力穩(wěn)定。

    爐輥運(yùn)轉(zhuǎn)特性對(duì)爐內(nèi)帶鋼張力同樣具有較大影響，在要求爐輥機(jī)械具有高精度機(jī)械性能條件下，爐輥在控制上采用DROOP特性工作如圖10所示。這樣可消除爐輥和爐輥間對(duì)帶鋼產(chǎn)生附加張力。

    爐內(nèi)熱張輥采用直接張力閉環(huán)控制方式，其中1號(hào)熱張輥調(diào)節(jié)冷卻段張力，2號(hào)熱張輥保證快冷段張力。

    連續(xù)退火線張力控制的關(guān)鍵在于機(jī)組加、減速過(guò)程中各段張力的波動(dòng)需控制在設(shè)定張力的±5%以內(nèi)，控制動(dòng)態(tài)過(guò)程張力的變化靠張力調(diào)節(jié)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中采取補(bǔ)償機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法實(shí)現(xiàn)張力的精確控制。

    開(kāi)卷、卷取機(jī)、7#S輥、8#S輥為間接張力控制，在速度環(huán)加一個(gè)附加速度給定，使速度環(huán)處于飽和狀態(tài)，根據(jù)張力設(shè)定要求，自動(dòng)設(shè)定電機(jī)輸出力矩，實(shí)現(xiàn)張力控制的目的。由于開(kāi)卷和卷取系統(tǒng)為變卷徑控制設(shè)備，通過(guò)CU320-2的DCC功能塊進(jìn)行卷徑計(jì)算、張力控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和斷帶保護(hù)。

5結(jié)論

    該退火處理線自調(diào)試完成投入生產(chǎn)后，多年來(lái)電控設(shè)備運(yùn)行良好，故障率極低，運(yùn)行穩(wěn)定；加減速時(shí)速度、張力精度均在要求范圍之內(nèi)；實(shí)踐證明，該系統(tǒng)完全能夠達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的要求，達(dá)到預(yù)期的控制目的。