李冬

（中铝华中铜业有限公司生产部，湖北 黄石 435005）

为了适应国内铜加工行业的不断发展，满足国内和国际市场上对高精度铜板带的需求，中铝华中铜业有限公司从意大利MINO公司引进了亚洲第一台四辊双机架不可逆铜轧机，这台轧机主要由上料机构，开卷机组，偏导辊，入口激光测速仪，入口测厚仪，1号机架，中间激光测速仪，中间张力计，中间测厚仪，2号机架，出口激光测速仪，出口测厚仪，出口张力计，板型辊，卷取机组，卸料机构，料卷循环系统等构成。本文主要介绍该轧机的张力控制系统。轧机的结构示意图如图1。

图1 4辊双机架不可逆粗轧机结构示意图

1 张力

1.1 张力介绍

张力的重要性早就为人们所获知，张力也是现在铜带轧制生产中一个主要参数。张力是通过卷取机和开卷机与主机的速度差产生；在连轧机上，除上述方法外，还可通过改变前后机架间的速度差产生。在轧制中，由于不同部位间速度存在差异导致铜带受到一定的拉力，这个力就叫作张力。带有张力的轧制被称为张力轧制。采用张力轧制可以起到以下作用：（1）便于实现高速轧制进而提高轧机生产效率；（2）轧制铜带时，有利于获得更好的厚度控制精度；（3）可以获得更好的板型控制效果；（4）有利于减少轧制力，降低能耗；（5便于铜带更轻松地咬入轧辊，有利于卷取均匀，保证铜带的平直度；（6）可微量调整铜带厚度；（7）有利于稳定轧制，提高轧机可靠性。

张力之所以可以起到以上作用，是由于改变了轧制时铜带在轧辊变形区内的受力状态。在没有张力的情况下，变形区内的铜带单位体积呈三向压应力状态，施加张力之后，铜带受力情况变成为两向压应力，一向拉应力(图2所示)，从而降低变形抗力，利于铜带变形。

图2 不同轧制条件应力状态示意图

通常意义上的张力，包括前张力和后张力。前张力是指力作用方向与轧制方向相同，反之，则叫后张力

1.2 前张力的主要作用

（1）减少带材与轧辊接触位置所受的压力；（2）可使铜带受到拉力影响进而变薄；（3）便于铜带咬入轧辊；（4）可使前滑变大，有利于减小铜带的宽展；（5）后张力确定的情况下，增加前张力可降低轧制力矩，减轻电机负载。

1. 3 后张力的主要作用

（1）后张力比前张力更能降低带材与轧辊间的接触力；（2）后张力可使铜带变得更薄。因为轧制时后滑区大于前滑区，且后滑区内的带材加工硬化程度较小；（3）后张力会对带材产生反向的拉力，使咬入轧辊变得困难；（4）后张力比前张力大时，会导致轧制力矩增加，电机负载上升，能耗增加。

2 张力控制方法

2.1 张力的产生及调整

通常冷轧机的开卷机采用交流电机传动，轧制时，开卷机速度略高于工作辊速度以建立张力，开卷机电机以发电状态工作，通常与工作辊的旋转方向相反，以产生一定张力。现代高速冷轧机一般采用大张力轧制，部分轧机装有张力计来检测张力，并由控制系统进行调节；如未装张力计则利用电机转矩及包角进行计算。一般轧机的开卷机和卷取机均采用交流鼠笼式电机，并通过交直交变频装置调节电机旋转速度来控制张力。正常轧制时，需要把前、后张力调到给定值，并能使张力在加速、减速及速度变化时张力波动尽可能的小（一般可保持在±1～3%的范围）。卷取机的速度根据铜带卷直径的变化自动调节。铜带冷轧，特别是薄铜带的轧制，需要同时施加前后张力，可以有效地降低轧辊压力。研究证明，前张力最多可使轧制力降低20%左右，后张力最多可使轧制力降低35%左右。可见，后张力较前张力更能显著地降低铜带给轧辊的压力(图3所示)。

图3 张力对轧制力的影响

虽然后张力相较前张力更能降低轧制力，但后张力过大，易出现轧辊咬入困难和打滑现象，且前张力会对铜带板形产生较大影响，因此，在铜带冷轧过程中，往往需要使前张力等于或略大于后张力。

2.2 张力控制系统硬件组成

该轧机的张力控制系统硬件由以下几部分组成：张力控制系统采用西门子SIMATIC TDC来控制，张力检测系统采用4个ABB张力计及一个控制盒。该轧机的TDC使用了3块CPU，其中，第一块CPU负责张力、速度、板型及涉及两个机架间的协调控制；第二块CPU负责1号机架的AGC压下控制；第三块CPU负责2号机架的AGC压下控制。

2.2.1 SIMATIC TDC介绍

SIMATIC TDC 控制系统由模块式的硬件和软件部件构成，可以通过图形软件工具来进行组态，是AC和DC传动的理想解决方案，特别是需要高速和综合性智能的场合。

需要高水平的计算能力及处理特别复杂的程序时通常采用该系统。该系统有如下特点：

（1）软件模块概念；（2）基架上最多可插上21个模块；（3）闭环控制的高精确性、线性性和稳定性；（4）过程模块可以对数据传输进行同步及和谐协调；（5）图形软件组态；（6）通过标准总线非常容易与其他级自动化系统连接。

SIMATIC TDC可以用集成在Simatic 自动化产品中的S7工程工具包来进行组态，此外，还需要在基础工具 Basis Tool之外使用Step7：（1）图形组态的CFC工程工具(连续功能流图)；（2）系统使用D7-SYS 软件包及SIMATIC TDC的函数块库。

2.2.2 SIMATIC TDC硬件组态

SIMATIC TDC 硬件由以下构成：

UR5213机架：

UR5213机架即作为 SIMATICTDC的机械底座，机架备有集成的供电电源和系统风扇。

高性能64-位的背板总线允许基架上各模块间快速数据传输。

CPU模块CPU551: 64-位RISC（精简指令集计算机）浮点CPU，具有266 MHz 内部时钟周期。

32Mbyte SDRAM存储器

SM 500 I/O module: 附加的模拟和数字 I/O 以及增量型和绝对量编码器的扩展模块。这些卡用于与下述设备接口：位置传感器、编码器（导辊、轧制线及其他）、速度传感器、压力传感器、Moog 伺服阀。

CP50MO模块：通讯模块，提供2路 Profibus DP/MPI接口同时提供缓存模块存储器用于建立各CPU之间的通讯。在主或从功能中最大的波特率可达12Mbit/s．

SB10/SB60/SB61/SB70/SB71/SU12/SU13 : 接线端子模块用于外部电缆信号的接入。

CP5100 通讯模块：应用CP5100 通讯模块提供与工业以太网的接口。使用该模块可以完成过程数据可与其他CP5100以及 SIMATIC 工业以太网模块进行交换。

2.2.3 张力计原理

本轧机配有4台ABB张力计：2台在两个机架中间的张力辊下方，2台在出口侧板型辊下方。4个张力计检测到的数据均输入同一个张力控制盒进行计算后传输给TDC进行张力控制。张力计的工作原理见图4。

图4 张力计的工作原理图

2.3 张力控制的原理及其实现方法

张力控制的响应较为迅速，可以提高板型控制精度及响应速度。但实际生产中，轧机板型的控制并不会单独采用张力控制，而是采用选择合适的轧辊辊型、工作辊弯辊、偏调、分段冷却等手段与张力联合作用来控制。因为对于较厚的铜带，要提供足够大的张力，需要加大卷取机的功率而导致设备采购成本增加；另一方面，在生产薄料时，为避免在轧制过程中铜带发生裂边或断带，也不允许轧制张力变动过大。当生产过程出现扰动因素时，张力应能可靠地和准确地进行调整，并尽量使波动最小，避免因张力波动导致轧制中断等问题的出现。

张力辊要求进行转矩控制以保持铜带张力恒定，为了达到此项控制目的，卷取机的速度参考值要比速度主令控制稍高，而开卷机的速度参考值则稍低。

铜带张力取值可以通过下述公式获得：

式中，T为张力；M为转矩且；D为直径。

采用此方法，通过直径取值及从轧制表获得的铜带张力目标值，使计算转矩设定点以保持铜带上张力为恒定值成为可能。在此情形下，CPU向传动装置送出速度参考以及转矩参考值，后者视卷径变化而连续不断地得到更新。该系统叫作间接张力控制，通常既用于卷取机的张力辊控制，也用于开卷机的张力辊控制。有张力计时，这时候可以采用另外一种控制方式，该方法叫作直接张力控制。它包括一个闭环PI控制器，向间接张力控制提供一个额外的张力矫正。

为了保证轧制时的张力稳定，当张力计测量的实际张力与设定张力出现偏差时，需要通过调整压下量或轧制速度进行控制。若在轧制时速度基本稳定，而张力出现了变化，这可能是由于铜带厚度发生了变化导致，因此，会通过自动调整压下量进行修正，但是，压下量的改变会同时导致厚度、张力及速度出现变化。对多机架连轧来说，张力不仅用于各机架间的速度控制，还同时用于控制铜带厚度的微调。当张力出现变化时，轧制力也会相应发生变化，因而也改变了铜带厚度。可见， 要确保多机架连轧机的正常生产，各机架之间的张力选择是否恰当至关重要，如张力选择不合适，可能导致带材咬入困难、断带、堆料等后果。若能对张力进行合适的选择与控制，就能协调各机架的轧制速度，同时，可达到轧制工艺所要求的轧制张力。对于该轧机来说，采用控制1架速度及2架的轧制力来保持张力的恒定。在2架辊缝大于2mm时，由于此时速度太慢，因此，采用出口侧测厚仪反馈控制2架的辊缝，中间张力计控制1架的速度。在辊缝小于2mm，且速度小于等于80m/min时，同样采用中间张力计控制1架速度，出口测厚仪反馈控制2架轧制力；在速度大于80m/min小于等于400m/min（该轧机最大轧制速度为400m/min）时，用中间张力计控制2机架的轧制力，用出口测厚仪反馈控制1机架的速度。因为在低速时用中间张力计控制2架的轧制力的话容易在带材上压出印子，因此，在低速时均采用出口测厚仪反馈控制2架的轧制力。中间张力控制示意图见图5。

图5 中间张力控制示意图

3 结语

本文通过对中铝华中铜业有限公司引进的MINO双机架四辊不可逆铜轧机进行分析，有针对性地介绍了双机架四辊不可逆铜轧机的张力控制系统。