ABB变频器SPC限幅在开卷机张力控制上的应用初稿

ABB变频器SPC转矩限幅在开卷机张力控制上的应用Application of ABB SPC limitatio n on Un coiler Tension Con trol

宝钢集团不锈钢有限公司孙波肖至勇孟琰
SunBo Xiao Zhi Yong Meng Yan

摘要：随着市场对钢铁质量要求不断的提高，张力控制技术发展得到了快速的发展， SPC转

矩限幅作为一种常用的张力控制方法已经被广泛应用在冷轧的重要设备上。本文将对 SPC

转矩限幅进行介绍，并以ABB变频器控制的开卷机张力控制为例阐述SPC转矩限幅的实际应

用。

Abstract:Withthe improveme nt of the request on the steel quality, the tech nology of tension

control has bee n improved quickly. SPC torque limitati on, as a general con trol method, is widely

usedon key equipme nt in cold mill process. This article will make an introduct ion about SPC and prese nt how

SPClimitatio n works on Un coiler tension con trol by ABB in verter.

关键词：SPC 转矩限幅开卷机张力控制ABB变频器
Key words: SPCtorque limitati on

1SPC 转矩限幅
SPC在六西格玛质量管理中的定义是统计过程控制，而在变频器控制领域，SPC是速度控制SpeedControl 的英文缩写，它是变频器张力控制的核心单元。SPC转矩限幅（以下简称SPC的输入是速度给定与速度实际的差值经过加减速斜率发生器、速度限幅及PID调节器的计算结果，其输出是变频器的转矩给定值，用于控制电机的电压或频率来达到调节速度的目的，其输入输出如图1所示。SPC还有两个重要参数SPCTORQMAXSPC TORQMJN 这两个参数的作用在于并产生一个

让带钢的张力能达

^PEED REF*	EFEED	心com* Kfl Tiuc(MJ4)—		WCS^ER	HDWACC COUP REF 一:网:-]
				■DOMF
		ACCCOUFFI1TT1UE RM.1 5) ----------
		W1MCCW	KPS ( I— WF K<3 色固— HPS VAL MA FREQ KPS H5 Wl FREQ ("207)— K*S TiS (如巧— T15 g. MH FRED fa 20)— □ERrVATQN TIME— DERhf FkTTIME l：2i■冋1 TEHTTVAUiJE ( M.W)— KP^ MIN (J?.M M. PS AR POINT fTSOL KPS W?FLT TIME [3 匣|— 5ET >WEIGMt|N& (24Jj7j— SET^HTWEJGH- TIS (1 丽j—			SPC TOflOWH ' 20.D4
	I HN!：u bl d					BAL^WCMT|?.Q2BB(——|-
	Tt [1 迥1					3M.REF ( 2*.lfg-----------	TORMJE HQF2
						SPC TDRD WINLIM
MOTOR SPEED
						TOROUE FROPflEF
						:~=^r—	SFC TORSI WAXUW
SP 圧 DERflOR RLTIJ7Z1O?		十
						TORQUIE
RFCSPtED FlLTtft ( ? 诡
						rHEQ REF
fftECuENCirOF MO						-rT5T>
OAMFUCOFiERO 23 U
FREaUENCTCFFQlE 21*						TORDIK Dt^ IHEF
OAM-^NGQf ?aLE!'
Wll?KWWID?MEG I 23M1	[7Mb
CT1HJ.

许llJ3OWRTG ON

图1 ABB 变频器速度控制
2开卷机张力控制
张力是物体固有的一种物理性能参数，表现在物体单位截面所能承受的抗拉伸强度，张力控制被广泛应用在冶金行业与造纸行业中。合理的张力控制可以稳定传送带钢，防止材料变形，确保尺寸精度。在板带材生产过程中保证张力的稳定性，
对于生产高性能、高精度、高表面质量的钢卷带材至关重要。 张力是极其重要的生产性参数，成熟的生产工艺必须要有合理的张力设定值。

一般情况下，当张力过小时，会造成卷的松弛，带钢在运行过程中会产生擦划伤；当张力过大时，带钢在建张或运行过程中容易发生断带。张力是通过张力辊与开卷机或卷取机之间或张力辊与张力辊之间的速度差产生的，所以张力控制可以分为卷取机张力控制、开卷机张力控制和张力辊的张力控制。张力控制又可以分为直接张力控制与间接张力控制：直接张力控制是通过张力计等现场传感器的反馈信号作为实际张力，间接张力控制是通过电机实际转矩经过计算作为实际张力。间接张力控制属于不带反馈的闭环控制，主要是用于张力控制要求不高的 场合；而直接张力控制属于带反馈的闭环控制，通过张力计等现场检测元件对张 力进行连续测量，然后将张力测量值与设定值相比较，得出偏差信号，最终将张 力稳定在允许的偏差范围内。

开卷机是设置在轧制生产线、精整生产线和深加工处理生产线中的关键设
备。在机组工艺、运行参数确定后，开卷机的主要功能根据上位机或画面上的设定值为机组提供稳定的张力。1下面文章将以ABB变频器为例来说明张力设定值是如何

通过SPC转矩限幅实现开卷机张力控制的。

3开卷机张力控制实例
下面笔者将以开卷机的建张过程为例来详细介绍ABB变频器SPC专矩限幅在张力控制上的应用。开卷机的张力是用来描述开卷机与其最近的一组张力辊之间带钢松紧的程度，张力越大，带钢绷得就越紧；反之，张力越小，带钢就越松。

当操作人员在画面上设定一个张力给定值并按下开卷机建张按钮时， 只要建张条件允许，PLC将以0.12m/s2的加速度斜率慢慢地给开卷机变频器一个反向的速度给定值0.25m/s。张力辊电机通过V0控制提供反向力Fi来平衡开卷机的建张力，也可以通过关闭抱闸提供反向的静摩擦力来平衡开卷机的建张力， 开卷机电机带动卷筒以反向的速度将带有垂度的带钢缓慢收紧，开卷机提供的建张力F2的方向同F1相反，建张的整个过程及受力情况如图2、3、4所示。

F2—?

张力棍开卷机

图3开卷机建张过程2

图4开卷机建张过程3

刚开始，由于加速度斜率的存在，变频器接收到的速度给定值还较小， 而且现场带钢也是松的，所以开卷机速度编码器测得的实际速度反馈值能达到速度给定值，P调节器与I调节器之和（D调节器投入的情况暂不考虑）没有超出 SPC力矩限幅器的最大或最小值，也就是2.09= 2.04 + 2.05 ;但随着现场带钢的绷紧及PLC速度给定值沿加速度斜率慢慢增加，实侧反馈速度将越来越小于给定速度。如此情况，PID调节器中的P调节器作用将逐渐增强2.04将增大使得2.04+ 2.05 超出了SPC力矩限幅器的最大或最小值，此时，SPC限幅器将力矩输出使得2.09< 2.04 + 2.05 ，而2.09= 20.07 或20.08。文章前面已经提到，20.07及20.08参数是PLC通过张力设定值的计算。

、 「D
开卷机扭矩：二I开卷机=
2
其中，T为张力设定值，单位：牛（N

D为包含钢卷的开卷机直径，单位：米（m）

那么，电机转矩给定：泊电机二M开卷机23
ixn

其中：i为减速机（齿箱）减速比

为力矩传输效率

开卷机张力的设定值转化成开卷机电机的转矩给定值之后，PLC将其通过DP通讯总线传送给变频器，从而让开卷机电机的输出力矩满足不同的张力设定值，达到开卷机张力控制的目的。这样，整个开卷机的建张过程就完成了。

建张结束后，开卷机的控制模式始终是速度饱和模式，开卷机只管保持与张 力
辊之间的设定张力恒定不变，而开卷机的实际速度取决于张力辊的运行速度，开卷机上的带钢是被张力辊拉着跑的，开卷机没有主动去控制开卷的速度。随着开卷机卷筒
带钢的减少，开卷机的直径逐渐降低，开卷机电机的转矩给定值也跟着缓慢降低。

当开卷机上钢卷剩余长度低于某一个画面设定值时， 开卷机将自动降速并停止，此时，SPC限幅将失去控制作用，标志着开卷机会退出张力控制模式并进入速度控制模式。

4结束语
文章首先对张力控制做了简单的介绍，然后阐述了SPC专矩限幅张力控制的原理，最后详细地解释了 SPC专矩限幅张力控制功能是如何在ABB变频器中实现。

基于SPC专矩限幅的张力闭环控制可以在现场不使用张力计的情况下实现张力闭环控制，这种控制方法的张力波动范围可以控制在 5%之内，普遍适用于

板带、造纸生产线中的开卷机、卷取机张力控制的场合，其优势在于成本低，维护简

潘仲，高速冷连轧机组卷取机电机功率和减速比的确定，宝钢技术,	2007
潘仲，高速冷连轧机组卷取机电机功率和减速比的确定，宝钢技术,	2007

便，故障率低，设计时勿需考虑张力计，在维护时也没有额外的项目，非常

适用于成本居高不下的制造行业

参考文献

[1]	魏延萍，开卷机传动系统转动惯量测试的研究，硕士学位论文，	2007	2007
[2]	潘仲，高速冷连轧机组卷取机电机功率和减速比的确定，宝钢技术，

作者简介

孙波（1983-）男硕士，现就职于宝钢集团不锈钢有限公司冷轧厂，从事电气设备维护工作。