冷轧硅钢热处理线涂机压力控制系统的研究与优化
摘要:涂机是冷轧硅钢热处理线的重要设备，涂机压力控制系统的好坏直接影响带钢的涂层质量。本文重点阐述了涂机压力控制系统构成及压力控制原理，并结合现场实际情况对初始设计进行优化，以实现涂机压力控制系统的稳定。
关键词:涂层设备;PLC;压力控制;PI控制
0引言
涂机是冷轧硅钢热处理线重要的设备，位于张力辊与干燥炉之间，主要用于带钢表面的绝缘涂层，涂机压力控制系统稳定性直接决定着带钢的涂层质量及产品的性能，下面将从涂机压力控制系统构成及压力控制原理等几个方面进行讨论。
1涂机压力控制系统
1.1涂层设备系统
涂层设备系统由涂液配置系统、涂液循环系统和涂机本体控制系统三部分构成。本文主要针对涂机本体压力控制系统进行研究，下面对设备本体结构进行介绍。
两台涂层机位于张力辊和干燥炉之间，由涂层机框架、涂层辊、电动机、涂液盘、收集盘、液压缸、压力元件等构成，如图1所示，用于完成硅钢绝缘涂层的涂覆。
(1)涂机进线、离线动作:涂机进线、离线主要由恒速电动机进行驱动，由接近开关进行位置检测。
(2)涂机框架动作:框架打开、关闭动作由液压缸进行驱动，由接近开关进行关闭与打开检测;框架角度调节动作由电动机进行驱动，由编码器进行角度检测。
(3)涂辊动作:上涂辊上下动作由一台伺服电动机进行控制，下涂辊上下动作由两台伺服电动机(传动侧与操作侧)分别控制。进行位置控制时，由编码器进行位置检测;进行压力控制时，通过涂辊上下动作来实现压力控制，由压力传感器(上涂辊传动侧与操作侧轴承座上方各安装有压力传感器)进行压力检测。
(4)涂液盘动作:涂液盘动作由恒速电动机进行控制，由编码器进行位置检测。
1.2涂机自动控制系统
涂机自动控制系统是压力控制系统的核心，采用西门子S7-400系列PLC控制系统，具备快速、坚固和极速通信能力，其在程序执行方面，指令执行时间极短;坚固、全部密封的模板在恶劣、不稳定的工业环境下依然可正常工作，分布式的内部总线允许在CPU与中央I/O间进行非常快的通信[1]。涂机自动控制系统具有独立的PLC控制系统，CPU采用416系列，CPU下带有多个站点，例如ET200站、变频器、设备本体编码器等。现场的数字量、模拟量信号通过电压、电流信号传送给现场的ET200站，ET200站通过Profibus-DP总线将信号传送给CPU进行处理，进而CPU对现场设备进行控制。
变频器采用西门子S120系列变频器，在冶金、塑料制品、包装行业、印刷业和木材加工行业都有着广泛的应用。基本功能有:多种传动用的开/闭环控制、丰富的自由功能模块、连接量(BICO)技术、电动机参数自优化、强大的故障诊断功能[2]。
2涂机压力控制原理与优化
2.1涂机压力控制原理涂机压力投入后，上辊作为支撑辊不进行调节，下辊两侧均有伺服电动机带动丝杠动作进行压力调节，压力实际值通过压头检测，通过压力传感器反馈至PLC形成闭环压力控制调节，压力闭环控制输出速度设定值传送给变频器进行控制，如图2所示。其中，PLC控制程序，以设定值为目标进行PI控制，使伺服电动机正反转来驱动下涂辊与上涂辊发生挤压，从而使压力实际值达到目标值，控制公式如下
差;Fref为压力设定值;Fact为压力反馈值;当|Fref-Fact|>0时，比例调节立即产生调节作用以减小偏差，但单纯的比例控制存在稳态误差不能消除的缺点。这里就需要引入积分环节使系统消除稳态误差，提高无差度[3]。因此，比例积分控制可以使涂机压力控制更精确。
目前冷轧硅钢热处理线涂机压力控制系统，使用Kp=0.3，TI=1500ms，压力控制比较稳定，如图3涂机压力PI控制响应曲线所示。
从曲线看，伺服电动机动作5.5s后涂机压力达到目标值，调节后目标值与实际值相差0.15kN以内，已经达到控制精度要求，满足生产工艺要求。
2.2涂机压力控制系统优化
2.2.1Profibus-DP网络系统优化
初始设计中，由于Profibus-DP从电气室到现场远程I/O控制柜之间的DP线长度超过200m(波特率为1.5Mb/s，DP电缆长度应不超过200m)，致使DP网络通信信号损耗较大，通信时偶尔出现DP断网现象，故障时大量信号丢失，影响涂机压力控制系统正常运行。
优化措施:在两个远程I/O控制柜之间增加一个DP中继器(DP中继器的作用是网络路由分配和信号增强)，安装在现场远程I/O控制柜连接端，保证了远距离的Profibus-DP线两端都具有中继器进行通信信号加强，从而保证DP网络系统稳定性。
2.2.2涂机压力PI控制优化
压力控制过程中，通过涂辊间带钢板型的波动会引起涂机压力的轻微波动，原设计控制系统会命令伺服电动机动作以保证压力的稳定，但是由于下涂辊伺服电动机功率较小，当PI调节输出较小设定速度时，电动机动作调节时偶尔会出现跟随性差的情况，此时PI调节会持续输出，当电动机转矩到达一定值时，电动机突然动作，导致涂机压力瞬间波动较大，进而影响带钢表面涂层的均匀性[4]。
优化措施:针对此现象我们通过多次试验并优化PI控制程序，当涂机压力实际值与设定值偏差在±0.15kN的窗口范围内时，控制系统自动退出PI压力控制使能，此时伺服电动机输出速度为零，上下涂辊会维持现有位置并保持压力恒定，当偏差超出窗口范围时，伺服电动机再转动参与压力调节，从而避免了由于伺服电动机偶尔的跟随性差而引起较大的压力波动。
优化后，除了缝合缝经过涂辊或者带钢板型较差导致压力波动变大外，压力控制进入窗口值范围内后，带钢运行的大部分时间伺服电动机不会频繁动作，使得压力控制更加精确和稳定，如图4压力控制曲线所示，提高了涂机压力控制精度，进而提高了带钢表面的涂覆质量。
3结论
本文主要是以首钢冷轧硅钢涂机系统为研究背景，阐述了涂机压力控制系统的构成及控制原理，并结合现场实际情况对初始设计的涂机压力控制系统进行优化改进，有效地提高了该控制系统的稳定性和精确性，从而满足了工艺人员有效控制涂层质量的需求，为硅钢的稳定生产提供了强有力的设备支撑。
参考文献:
[1]边春元，任双艳，满永奎.S7-300/400PLC实用开发指南[M].北京:机械工业出版社，2007.
[2]石岩，李国华，胡晓周，等.连续退火线卷取机间接张力控制的研究[J].冶金自动化，2016，40(增刊1):71.
[3]李江.电动负载模拟器的先进PID控制策略研究[D].太原:中北大学，2015.
[4]晏志武，朱慧钧.辊涂机压力波动问题的研究与优化[J].武钢技术，2013，51(5):56.
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