摘 要：通过工艺性、机理性的分析研究和在生产中的实际应用，设计了简单、实用、可靠的硅钢连续退火机组中干燥炉内带钢垂度控制的新型控制系统。该系统利用软件编程方法取代传统光幕直接检测法来完成在高温、干燥环境下的炉内带钢垂度控制过程，采用无测速机矢量闭环变频控制系统取代传统习惯使用的有测速机矢量闭环变频控制系统，从而使得整个控制系统更加简单，利用功能强大的数据分析及可视化工具Matlab和计算机动态数据交换通道技术，结合目前常用的工业监控软件iFIX或WinCC完成更加直观和具有分析功能的数据图形，从而提高了整个控制系统的数据透明性和控制性能。实践证明，该控制系统配置简单、可靠并具有创新性。

关键词：垂度控制；矢量控制；动态数据交换通道；数据图形及可视化技术

1050mm non-tropism silicon-steel strip continuous anneal set’s Droop Degree Control system

ZHANG Jia-yi

Abstract: A new steel strip’s droop degree control system, which was simple, feasible and reliable, was put forward, by analysis and study of technical mechanism and application in the practical production field. In the proposed system software programming, instead of the traditional light-act way, was used to control the metal strip’s droop degree under high temperature and dry environment like the dry furnace. The vector control closed loop without speed detection elements was adopted to make the system simpler than traditional drive systems. The software of Matlab with functions of powerful data analysis and visualization was employed. Combining the industrial monitor software of iFix or WinCC with the dynamic data exchange (DDE) technique, complex function of data graphics that advance the data clarity and system control capability was achieved. Practical use showed that the proposed system configuration is simple, credible and innovative.

Key words: Droop Degree control; Vector Control; Dynamic Data Exchange; Data Graph and Visual Technology

硅钢是国民经济的战略性物资，是制造电气电子产品不可或缺的重要材料。硅钢的生产工艺复杂、控制水平要求高。其中，冷轧硅钢带连续退火机组中的干燥炉炉内带钢垂度控制就是一项比较具有特色的控制技术。本文介绍了某年产8.5×104 t 1 050 mm无取向冷轧硅钢连续退火机组中的干燥炉炉内钢带垂度控制系统。

1工艺概述

由于冷轧硅钢用于电机和变压器的制造，必须在冷轧硅钢板最终产品形成前在它的表面涂上一层绝缘涂料，以保证电机和变压器的铁心层间相互绝缘，在生产上称为涂层与烘干。其生产流程大致如图（1）所示，即前道工序→利用涂层机滚涂辊将绝缘涂料涂在硅钢板双面上→进入干燥炉将涂料烘干→后续工序。

工艺要求绝缘涂料需要涂得均匀、没有划伤、黏结牢固。因此，在干燥时带钢在干燥炉内不能碰到任何其他物体，带钢要按照预定的悬浮状态要求向前连续、高速地均匀运动，从而完成成品的后续卷取工序。要完成上述工艺要求，带钢的垂度控制必不可少。即钢带无论怎样改变其张力和运动速度，其在炉膛内的垂度必须受控；否则涂料被蹭伤，将严重影响产品质量。

由于带钢可以看成是没有拉伸形变的弹性刚体，带钢的垂度变化主要是由以下2种原因造成：①生产中操作不当引起的带钢张力不稳和速度突变产生的时间上的金属流量累计；②当带钢匀速运动时，带钢的弹性特征分量对带钢的运动状态产生扰动，带钢的垂度也可能会发生波动。

带钢垂度波动原因分析如图（2）所示，它表示了带钢在炉内其垂度波动的主要原因。图中：

通过图（2）的分析可知，利用负反馈控制方式完成垂度检测与垂度控制（国外带钢连续加工机组通常采用光幕法直接检测垂度）无法从根本上消除干燥炉内的钢带垂度静差；并且存在检测惯性和调节惯性，其系统响应速度和系统静态精度不够理想；由于光幕法直接检测垂度的装置需要加装热防护措施，其维护工作量也比较大。

2　控制机理描述

图5为干燥炉炉内带钢在静态运行过程中由于弹性伸缩等原因造成的垂度波动控制程序框图。从图中可以看出，当实际速度与设定速度以及实际张力与电机电磁转矩对应的电流值偏差较大时，触发低脉动补偿环，与静态张力设定值一起送入变频器的电流设定环，完成张力-垂度的共同控制。

3控制系统构成

控制系统采用AB公司的ControlLogicX5550系统作为主控制器；传动电源采用PowerFlex700无测速机磁场定向矢量闭环系统；传动电机采用上海南洋电机厂变频电机作为传动驱动装置；张力检测采用航天部第六研究所生产的应变片式张力检测仪表；上位监控采用Interlotion公司的Ifix监控组态软件；通讯协议采用ControlNET和TCP/IP协议，具体见图（6）

从Siemens及AB Drive提供的资料看，目前使用的带速度检测装置（光电编码器）的磁场定向矢量闭环系统的应用场所指标为：要求最高的速度精度达到0.000 1；满足动态品质的最高要求；当调速范围大于1:10时，需要转矩控制；在速度低于电机额定转速的10％时，需要满足工艺要求或者要求高精度修改转矩。[4>

对于速度较低（机组最高速度在80 m/min）、转矩调节精度不高（张力波动控制在1％）、动态品质要求不严（整个机组的启动、停止过程均采用斜波给定）的冷带连续加工机组而言，可以采用不带速度检测装置（光电编码器）的磁场定向矢量闭环系统，其系统构成具有以下优点：①降低系统成本；②减小电机轴向体积，从而便于设计、制造、安装；③消除了码盘安装的同心轴问题，一定程度上消除了安装不当对测速精度的影响；④消除了由于变频器的4 k载波频率对编码器电源产生的干扰，从控制上降低了系统的复杂性，提高了系统的可靠性，在冷带连续加工机组中（或者张力控制精度、速度控制精度不高的应用场所）值得推广无传感器矢量控制技术。本垂度控制系统采用图7所示的变频传动系统，结构如图（8）所示。

在采用无传感器矢量控制技术作为冷带连续加工机组中的主传动系统时，需对变频系统做如下的参数配置：

1） 转矩产生模式（053）：053=“0”，无速度传感器矢量系统；

2） S曲线升压滤波器（059）：059=“500”；

3） 无速度传感器矢量系统IR自整定（061）：061=“1”，在无速度传感器矢量系统中执行非旋转电动机定子阻抗测试功能，通过该指令获得该电动机的最佳IR电压降落；

4） 磁通电流基准值（063）：063=“变频器额定值”，电动机满磁通电流值；

5） IX0电压降自整定（064）：064=“变频器额定值”，设置由于电动机漏感引起的电压降。[3>

另外，需利用以下技术方式实现恒定转矩、恒定速度、恒定垂度的炉内带钢运行状态的控制：

1）保证张力调节系统的速度调节器的输出处于饱和状态，通过调节转矩限幅来控制电机出力。 速度控制和转矩控制可以切换。

2）利用矢量型变频器PID闭环调节对频率控制进行修正的功能，在机械耦合情况下，为保证负荷平衡，主/从电机的电流或力矩作为PID的给定和反馈，当某台电机转矩出现偏差时，出力大的电机减速，直至主从装置出力按照预先设定的方式运行，达到稳定运行。

3）将传动系统的电流、频率等参数采样送入上位工控机，利用力-电平衡方程：

ControlNet是一种高速确定性网络，它适用于需要高速串行通信系统和确定加预测的运作模式，适用于需要实时应用信息交换的设备之间的通信，总线网络是一种对于信息传送有时间苛刻要求的报文数据，因此它非常适合在张力-垂度控制系统中担当传动与过程机通讯的媒介。[1>

由于垂度控制是整个带钢退火机组电气自动化中的一个环节，在人-机界面上专门为它开辟一幅画面，用于显示、控制所有与垂度控制系统相关的参数，无论采用iFix或者WinCC上位监控系统均可以很好地完成。为了更加形象、直观地显示钢带在干燥炉内的下垂状态，通过iFix或者WinCC中的VBA技术，采用DDE方式将iFix或者WinCC与Matlab进行数据交换，从而生成直观的垂度画面嵌入在iFix或WinCC等工业用监控软件中，使上位监控系统在数据采集和数据显示上满足现代化生产与管理地要求。图（9）为垂度控制画面。[2>

DDE是Windows平台上一个完整的通信协议，它以Server/Client的方式使应用程序能够彼此交换数据和发送指令。即WinCC6.0与Excel建立进程间的相互通信机制，由Excel向Matlab7.0发出请求，然后将Matlab的运算和数据显示结果传送给WinCC6.0。通过这样的软件整合形成的控制监控系统能充分展示Excel的数据统计和数据排版的输入能力以及WinCC6.0的数据实时监控能力，充分发挥Matlab的数据计算能力和数据图形能力，从而使系统整体性能得到提高。

5结 语

采用过程控制软件根据现场检测到的带钢张力对传动系统的电机电磁转矩进行控制，是一种简单实用的简化带钢连续加工机组中的垂度控制，经过设计和调试，本文方案的垂度控制精度、张力控制精度和速度控制精度完全满足实际生产的需要。无测速机矢量传动系统在带钢加工机组中值得推广，利用DDE技术捆绑监控软件和Matlab数据仿真软件，可以充分发挥计算机的计算、图形显示和实时监控能力。