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任光法，杜俊明，羅力

（希望森蘭科技股份有限公司，四川 成都 610207）

摘要：在不銹鋼帶連退酸洗過(guò)程中，對速度和張力的控制，決定了產(chǎn)品的品質(zhì)；而用戶(hù)對高品質(zhì)、高效率的需求，使系統穩定、可靠運行成為必然要求。因此具有高性能、高可靠性的核心部件——變頻器，將成為高品質(zhì)不銹鋼產(chǎn)品的重要保證。森蘭變頻以其20余年的技術(shù)積淀，在此領(lǐng)域取得突破，成功應用于1250mm不銹鋼生產(chǎn)線(xiàn)，開(kāi)創(chuàng )了國產(chǎn)變頻器在工程型復雜控制系統應用的先例，在冶金連續生產(chǎn)中對于國產(chǎn)替代進(jìn)口具有示范意義。

關(guān)鍵詞：酸洗；變頻器；矢量控制；轉矩控制；主從控制

Application of Senlan Inverters for 1250mm ContinuousStainless Strip Annealing and Pickling

REN Guang-fa, DU Jun-ming，LUO Li

(Hope Senlan Science and Technology HoldingCorp.,Ltd., 610207 Chengdu Sichuan)

Abstract：In the continuous stainless strip annealingpickling process, the speed and tension control, determines the quality of theproducts. It becomes an inevitable requirement that the system is stable,reliable operation to satisfy the user’s demands for high-quality and highefficiency. Therefore, with high performance, high reliability, the keycomponent - inverter, will be an important guarantee for high-quality stainlessstrip products. Senlan inverters with its more than 20 years of technicalaccumulation, a breakthrough in the field, have been successfully applied to1250mm stainless strip production line, create a domestic inverter in theapplication of complex engineering control system precedent, and demonstrate insteadof imported in the continuous metallurgy.

Keywords：Pickling; Inverter; VectorControl; Torque Control; Master-Slave Control

1、酸洗工藝過(guò)程簡(jiǎn)介

熱軋不銹鋼帶表面覆蓋著(zhù)一層黑灰色氧化鐵皮，厚度在7.5-15μm，甚至到20μm，為保證成品鋼帶的表面質(zhì)量，減少后續冷軋等深加工時(shí)磨損和能耗，要去除氧化層，而利用酸與鐵的氧化物發(fā)生化學(xué)反應的基本原理，清除表面的油污、銹斑、氧化層、游離鐵等污垢，并進(jìn)行鈍化，處理后的表面變成均勻銀白色，耐腐蝕能力提高15-50倍，此過(guò)程即為不銹鋼帶的酸洗鈍化處理。

不銹鋼帶的連續酸洗是指在開(kāi)卷、換卷或收卷、卸卷時(shí)，帶鋼連續地通過(guò)盛有酸溶液的酸洗槽而不停車(chē)，具有產(chǎn)能高、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)，也有投資高，占地面積大的缺點(diǎn)，可為帶鋼冷軋機提供優(yōu)良的酸洗帶卷產(chǎn)品。連續酸洗機組一般分為入口段、工藝段和出口段，各段可單獨運行，也可協(xié)調運行；在確保機組安全、高效、穩定操作運行的同時(shí)，能夠充分滿(mǎn)足用戶(hù)對帶鋼連續酸洗生產(chǎn)較高的經(jīng)濟、環(huán)保等指標要求。

客戶(hù)現場(chǎng)即為1250mm不銹鋼帶連退酸洗生產(chǎn)線(xiàn)，工藝流程如圖1所示，由開(kāi)卷機到入口活套為入口段，從入口活套到出口活套為工藝段，后續至收卷機為出口段。整個(gè)生產(chǎn)工藝流程共有50多臺電機拖動(dòng)，關(guān)鍵工位為開(kāi)卷機、牽引矯平機、張力輥（1#-9#張力輥均為雙電機構成的S輥）、入口活套、出口活套、收卷機工作在閉環(huán)矢量控制，根據工藝要求工作在速度控制或者轉矩控制模式，其他如上料車(chē)、下料車(chē)、夾送輥、支撐輥、風(fēng)機、破鱗機、拋丸機等要求不高可選擇VF控制或開(kāi)環(huán)矢量控制。

圖1 連續酸洗工藝示意圖

Fig.1 Constitution ofcontinuous strip annealing and pickling process

三個(gè)段的速度分別由1#、4#、9#張力輥中的一臺（主機）確定，另一臺或幾臺（從機）做轉矩跟隨，實(shí)現負荷均衡分配。整個(gè)系統具有穿帶功能、雙開(kāi)卷機切換、靜態(tài)建張、三段協(xié)調控制等功能，各段通過(guò)速度或轉矩控制維持靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的平衡。工藝段的速度對不銹鋼帶的酸洗品質(zhì)起決定作用，過(guò)快，酸洗深度不夠，可能成品中仍有斑跡存在；過(guò)慢，易發(fā)生過(guò)腐蝕和氫脆現象。而出入口活套依靠活套中的儲料在換卷過(guò)程中起到緩沖作用，保持工藝段速度不變或者微降。

2 、組網(wǎng)構成及數據交互

圖2 控制系統組網(wǎng)示意圖

Fig.2 Network connection ofcontrol system

如圖2所示，整個(gè)連退酸洗控制系統采用Wincc通用監控系統、PLC控制技術(shù)和Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)相結合的控制方案，由PLC實(shí)現控制和數據采集功能，由Wincc組態(tài)軟件實(shí)現實(shí)時(shí)監控、顯示設備運行狀態(tài)、數據查詢(xún)等功能，完成對設備的遠程監控和故障診斷，提高了生產(chǎn)線(xiàn)電氣控制系統的自動(dòng)化水平，實(shí)現高精度、實(shí)時(shí)性好的參數測量及控制。中控室根據經(jīng)驗設定酸洗工藝段運行速度，系統將自動(dòng)調整入口段和出口段速度，協(xié)調運行。

考慮實(shí)際應用情況，選擇PLC與變頻器Profibus-DP通訊的數據類(lèi)型為PPO4，即除控制字、速度給定及其應答外，讀寫(xiě)4個(gè)過(guò)程數據，其意義見(jiàn)表1：

表1：PLC與變頻器間的過(guò)程數據

Tab.1 Process data between PLC and inverter

控制字中包含起?？刂?、脈沖封鎖、緊急停車(chē)、故障復位、轉矩/速度控制切換等功能；狀態(tài)字中包含上電就緒、運行就緒、故障、報警、當前控制方式等反饋信息。過(guò)程字中的“位置1、2”來(lái)源于電機端的編碼器正交計數，用于收、放卷的卷徑計算，方便實(shí)現高精度的恒張力控制。由通訊給出的“速度給定”和“轉矩給定”哪個(gè)有效，取決于系統的需求，當為速度控制時(shí)，“速度給定”有效，而“轉矩給定”則可以選擇作為速度調節器的輸出限幅；相反，當前為轉矩控制時(shí)，“轉矩給定”有效，而“速度給定”可以作為速度限幅，防止生產(chǎn)線(xiàn)出現飛車(chē)。

3、變頻器的關(guān)鍵功能

SB70系列變頻器是公司于2006年推出的通用型矢量控制產(chǎn)品，其控制性能、可靠性、接口靈活性等在此次應用中得以充分展現。

3.1 變頻器的特點(diǎn)

SB70系列變頻器采用轉子磁場(chǎng)定向技術(shù)，實(shí)現對電機勵磁電流和轉矩電流的高精度解耦控制，使電機具有0.02%的穩態(tài)轉速精度，5%的轉矩精度，轉矩響應時(shí)間在10ms左右，可與直流調速系統相媲美。

變頻器所內置的高速脈沖輸出PFO和高速脈沖輸入PFI端子及功能，可以完美的適用于系統的主從負荷分配，具有數據精度高、抗干擾能力強、響應快（毫秒級）、無(wú)延遲等特點(diǎn)。

全系列變頻器具有豐富的選配件，如現場(chǎng)選用的是24V電壓等級的編碼器接口板，兼容多種輸出類(lèi)型的編碼器，具有帶載能力強、抗干擾能力強的優(yōu)點(diǎn)；高可靠性的DP通訊轉換模塊，內置森蘭控制功能，便于用戶(hù)參數配置組態(tài)。

3.2 速度與轉矩控制的選擇

如前所述，變頻器接收來(lái)自PLC的控制指令和給定值，根據參數設定和控制指令中的“轉矩/速度切換”確定當前控制模式，如圖3所示。如拋丸機僅取速度指令；收卷機則速度和轉矩都要用，空卷定位、鋼帶咬合后首圈、滿(mǎn)卷切斷后等均為速度控制，正常收卷時(shí)為轉矩控制，轉矩給定值來(lái)自鋼帶張力與當前卷徑的乘積（傳動(dòng)比及轉矩標定此處未考慮）；活套除穿帶外，一直工作在轉矩控制模式；作為開(kāi)卷機，先正向送卷，使鋼帶延伸至牽引矯直機，焊接后，轉為反向速度控制，并加以轉矩限幅，在正常運行時(shí)，因速度給定和當前速度反向，速度調節器工作在飽和的轉矩限幅狀態(tài)，使開(kāi)卷處的張力值保持恒定，限幅轉矩的計算與收卷處原理相同；應用最多的張力輥，被選作主機的工作在速度控制模式，其他工作在轉矩控制模式，只是轉矩的來(lái)源略有區別。

圖3 轉矩/速度切換圖

Fig.3 Selection of the torqueor speed control

3.3 主從控制及負荷分配

對于入口段、工藝段和出口段中速度控制的3個(gè)主機全程采用速度控制，而其從機選擇轉矩控制。主機的PFO端子輸出本機的“轉矩給定”，從機的PFI端子接收數據，作為從機的“轉矩給定”，實(shí)現負荷分配，PFO與PFI采用雙絞線(xiàn)連接，如圖4所示。5#S輥與4#S輥實(shí)際距離很近，仍認為是剛性連接，因此5#S輥也作為4#的從機。

圖4主從控制負荷分配圖

Fig.4 Balance of master andslave

因PFO和PFI只能傳輸無(wú)符號數據，利用變頻器自身特有的“算術(shù)單元”進(jìn)行加減運算，靈活實(shí)現了主、從機有符號數與無(wú)符號數的相互轉換；應用中，綜合考慮控制精度和要傳遞數據的最大最小值，確定是否需要增加一級“算術(shù)單元”對數據進(jìn)行縮放；此項目中，電機的負載轉矩小于80%的額定轉矩，變頻器用于模擬輸入輸出的轉矩量是以2.5倍的電機額定轉矩標定，因此80%的負載轉矩時(shí)對應的變頻器的轉矩模擬量為32%。

4、現場(chǎng)情況

圖5 調試階段現場(chǎng)圖片

Fig.5 Pictures of the debuggingstage

編碼器的抗干擾處理

由于連退酸洗生產(chǎn)線(xiàn)設備眾多，在現場(chǎng)布線(xiàn)時(shí)，很難將功率部分與信號部分分開(kāi)，尤其是速度反饋的編碼器信號線(xiàn)常常與電機電纜一起，且距離有的超過(guò)100m，不可避免的受到干擾。

現場(chǎng)也出現了開(kāi)卷機反饋異常的現象，在靜態(tài)建張時(shí)，轉矩不穩定，不定時(shí)出現掉張現象，再反向繃緊重新建張；運行過(guò)程中，也有掉張出現，造成鋼帶抖動(dòng)。造成這種現象的原因是電機電纜中的高頻共模對編碼器造成了干擾，會(huì )形成高頻的無(wú)序脈沖，在變頻器識別時(shí)會(huì )有速度跳變，致使磁場(chǎng)定向不準，轉矩失控。

現場(chǎng)的處理措施，重新處理電機和變頻器的功率電纜屏蔽兩端接地，編碼器反饋電纜進(jìn)行可靠的單端接地，并增加加強隔離整形的接口轉換板；整改后，速度反饋跳變和系統掉張現象消失，達到令客戶(hù)滿(mǎn)意的控制效果。