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    摘要：以退火處理線為應用對象，描述了退火處理線的工藝流程，典型的控制系統在退火處理線中的應用。以及利用西門子S120系列變頻器在退火處理線中設備的具體控制方法。通過實際應用，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，能夠達到預期的控制要求。

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；消除殘余應力，穩定尺寸，減少變形與裂紋傾向；細化晶粒，調整組織，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程中產生的組織缺陷和內應力，為后道工序的加工和使用做好組織和性能上的準備。

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

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

    鋼卷放在開卷機卷筒上之后，開卷機卷筒開始漲開，撐緊鋼卷內徑，同時壓輥壓緊鋼卷。開卷機的卷筒開始轉動將鋼頭送至入口剪，切除帶鋼頭前等待與上一個鋼卷的帶尾進行焊接。

    焊接完成之后，機組入口段開始升速，帶鋼以高于機組工藝段的速度經過張緊裝置、糾偏裝置進入入口活套。帶鋼通過入口活套后，經糾偏裝置、張緊裝置進入清洗段。清洗段布置了堿液浸沒裝置、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干燥裝置。清洗烘干后帶鋼經過糾偏裝置、張緊裝置進入退火爐。

    帶鋼進入連續退火爐后，首先在預熱段預熱帶鋼，然后進入輻射管加熱段加熱到再結晶溫度，隨后在均熱段均熱帶鋼，在晶相轉變的同時，晶粒細化和成長，在快冷段，冷卻帶鋼到450℃，C、N固溶體過飽和。然后進行C、N固溶體的部分析出，這一過程在過時效處理段完成，經過終冷出爐后，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構穩定性。

    帶鋼離開退火爐后經過水淬冷卻、糾偏裝置、張緊裝置進入中間活套，后經糾偏、張緊裝置進入平整機、拉矯機；平整機可以消除屈服平臺，改善帶鋼的板形，拉矯機改善板形的效果很明顯。平整拉矯后的帶鋼經過糾偏裝置、月牙剪后進入切邊圓盤剪，保證產品的最終寬度。切邊后的帶鋼經過壓毛刺輥進入出口活套，離開后經張緊裝置進入出口段。

    后處理段及出口段設備正常運行時，中間活套、出口活套均處于空套狀態。機組出口段進行換卷操作時，后處理段低速運行，出口活套、中間活套充套保證工藝段正常運行。平整機換輥操作或圓盤剪更換剪刃時，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行。

    帶鋼離開出口活套后經張緊裝置進入靜電涂油機，在帶鋼表面涂上防銹油。而后進入出口剪，當焊縫到達或卷取的鋼卷達到設定重量時，出口段設備自動減速停機剪切，切除焊縫后，卷取機完成帶尾卷取；卷取機進行卸卷操作，小車壓住帶鋼尾部，人工打捆帶，出口鋼卷小車托起鋼卷，從卷取機卷筒上移出，運至鋼卷鞍座。然后用吊車將鋼卷運至包裝區域進行稱重及人工包裝。包裝后的成品鋼卷由吊車或叉車運至成品倉庫存放。

3系統控制方法

    退火處理生產線要求在加工過程中繃緊帶材，維持張力恒定，這樣才能使各段互相協調配合，完成生產任務。為了滿足這樣的工藝要求，傳動系統必須要使用多種典型的工藝控制。

3.1速度控制系統

    S輥是退火處理生產線中常用設備，用來控制帶材在某生產段的速度。它由2或多個輥組成，每輥由一臺電動機驅動如圖2所示。帶材包在這幾個輥外，以擴大帶材和輥面接觸的面積，增加摩擦，從而增加對帶材的拉力。電動機間的機械聯系靠帶材的摩擦力和張力實現，特點是在生產不正常時可能出現“打滑”情況，機械聯系斷開。這類傳動宜采用經轉速環負荷均衡的主從系統如圖3所示。主、從兩套系統都有轉速調節器ASR1~2及轉矩環ATL1~2，但在從系統的轉速調節器輸入端接有兩轉矩給定值之差信號KB(T1*-T2*)。該系統能解決“打滑”時轉速失控問題。

3.2張力控制系統

    退火處理生產線要求在加工過程中繃緊帶材，維持張力恒定，為此必須在生產線中安排一些專門控制張力的機械，它不擔任加工材料任務，其轉矩完全用來產生張力，例如卷取（開卷）機、張力S輥、活套等。由于張力由電動機轉矩產生，所以這些機械的電動機控制系統的任務不是控制轉速，而是控制張力轉矩，這類控制系統為張力控制系統。

3.2.1直接張力控制系統

    S輥是退火處理生產線中常用設備，按工作模式，它分為速度基準S輥和張力S輥。速度基準S輥的任務是控制該生產段帶材移動的線速度；如果生產段很長，一組S輥拉不動全段的帶材，就需要增設S輥。一個生產段中有幾組S輥后，就出現S輥間轉速協調和負荷分配問題，所以新增設的S輥都采用張力控制，它們的任務是使帶材張力FT等于其給定值，轉速則取決于速度基準S輥V，這類S輥為張力S輥，如圖4所示。

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

    直接張力控制需要有投入環節，只有在工件已繃緊及張力已建立后才能把這轉速自動修正環節投入，并要限制na.x*的最大修正范圍（10％左右），否則會帶來振蕩。另外在工件即將過去時，還需設置張力控的退出環節，防止工件過去后，張力突然消失，給調速系統帶來的沖擊。

3.2.2間接張力系統

    開卷、卷取在開始生產前，先要上料和穿帶，這時處于單動工作狀態，調速系統是雙閉環轉速控制系統。建張后，轉入聯動工作狀態，加速至工作速度，這時調速系統是只有轉矩環的張力控制系統，轉速調節器退出控制。生產結束后，又改回單動雙閉環控制系統。

    調速系能滿足上述要求的通過轉矩給定控制張力調速系統框圖如圖6所示，它也是由轉矩內環ATL和轉速外環ASR構成的雙環系統，其特點是張力控制的轉矩給定信號不是直接送至ATL輸入，而是從轉速調節器ASR正限幅T*輸入。

    在單動時，附加轉速給定△n*=0，ASR限幅值為固定值20%，這時的調速系統是標準雙環轉速控制系統。穿帶完成后，發出聯動指令，施加附加轉速給定△n*=5~10%到ASR輸入，卷取電動機低速爬行繃緊帶材。在帶材繃緊后，轉速n＜n*，ASR正向飽和，這時ATL的轉矩給定輸入T*等于ASR的正限幅值T*max，從而實現從轉速控制到張力控制的平滑過渡，張力大小通過改變T*max來控制。在聯動期間，主轉速給定n*按滿足帶材以線速度V來設定，調速系統按張力控制模式工作。

4應用實例

    圖7-9是某廠的一套40萬噸退火處理線流程圖。系統采用西門子SINIMACSS120整流回饋單元為逆變器供電的公用直流母線方案。由于處理線在線設備有些電動，有些發電，利用公用直流母線可以大大節能，所需饋電電源容量遠低于電機總裝機容量。

    系統中，所有在線的調速電機均采用西門子SINAMICSS120的DC/AC多軸傳動模塊控制。SINAMICSS120是一種高性能、高精度的驅動器。硬件上具有模塊化的結構設計，安裝、維護簡單易行；強大的軟件功能。使其適用于各種復雜應用的場合。既能做伺服控制，也能做矢量控制；能實現速度控制，轉矩控制，位置控制多種控制方式，同時能滿足運動控制的要求。SINAMICSS120多軸驅動由控制單元CU320-2和電源模塊，電機模塊組成。CU320-2控制單元自身能夠處理一般的工藝任務。控制單元和功率單元之間使用新的通訊鏈接DRIVE-CLIQ。

    該系統全線裝機容量為3156KW,設有兩段直流母線;一段由一臺800KW整流回饋單元供電;另一段爐內的爐輥由一臺315KW整流回饋單元供電，由于爐內爐輥的特殊供電需要，進線電源由柴油機和動力電源雙路提供。

    線上所有控制主電機均為互相獨立的速度控制系統，正常生產時，入口、工藝、出口段速度通過入、出口活套互相獨立又互相關聯，系統通過三個活套分割成四段，有四個速度基準。入口速度基準為1#S輥，出口速度基準為9#S輥，前工藝速度基準為4#S輥，后工藝段速度基準為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為滿套量位，入口換卷時，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，當套量為滿套位時，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為空套量位，出口換卷時，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，當套量為空套位時，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、熱張輥、活套為直接張力控制，通過張力計檢測帶鋼實際張力，調節各自速度，實現各段張力恒定。

    活套套量檢測通過軸端編碼器實現，上電后具有記憶功能，斷電后重新恢復生產需套量校正。控制系統根據入、出口活套套量，自動平衡入口段與工藝段、工藝段與出口段運行速度。活套系統有多個光電檢測開關，當活套處于不同位置時，自動化系統自動調節各段運行速度，并在活套極限位提供急停保護。

    為了保證帶鋼在爐內張力恒定，在爐子入口處，設張力計，通過檢測爐內帶鋼張力，自動調節3#張力輥和熱張輥速度，實現爐內帶鋼恒張力控制。

    由于張力調節器具有一定的滯后特性，因此對于速度較高時和厚度在0.2mm以下時單純依靠張力反饋控制進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輥，跳動輥由電機控制，跳動輥裝有位置檢測裝置。這樣可以通過計算跳動輥位置得出帶鋼張力，控制跳動輥位置和扭矩達到在入口換卷時使爐內張力達到控制要求。

    為保證爐內各段張力穩定，消除因爐輥速度偏差造成張力偏差，根據爐內各段張力變化調節成段調節（微調）爐輥速度，保證爐內本段張力穩定。

    爐輥運轉特性對爐內帶鋼張力同樣具有較大影響，在要求爐輥機械具有高精度機械性能條件下，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帶鋼產生附加張力。

    爐內熱張輥采用直接張力閉環控制方式，其中1號熱張輥調節冷卻段張力，2號熱張輥保證快冷段張力。

    連續退火線張力控制的關鍵在于機組加、減速過程中各段張力的波動需控制在設定張力的±5%以內，控制動態過程張力的變化靠張力調節無法實現，在實際應用中采取補償機械轉動慣量的方法實現張力的精確控制。

    開卷、卷取機、7#S輥、8#S輥為間接張力控制，在速度環加一個附加速度給定，使速度環處于飽和狀態，根據張力設定要求，自動設定電機輸出力矩，實現張力控制的目的。由于開卷和卷取系統為變卷徑控制設備，通過CU320-2的DCC功能塊進行卷徑計算、張力控制、動態補償和斷帶保護。

5結論

    該退火處理線自調試完成投入生產后，多年來電控設備運行良好，故障率極低，運行穩定；加減速時速度、張力精度均在要求范圍之內；實踐證明，該系統完全能夠達到產品質量和產量的要求，達到預期的控制目的。