0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统及方法，该方法包括：主矢量变频器中，速度控制器接收PLC速度设定值和张力补偿值，发出主速度信号，转矩控制器接收所述主速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出主转矩输出值，控制对应的伺服电机运转。从矢量变频器中，过程控制器接收所述主转矩输出值和从动辊的从转矩输出值，发出辅助速度信号，速度控制器接收所述辅助速度信号和所述主速度信号，发出从速度信号；转矩控制器接收所述从速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出从转矩输出值，控制对应的伺服电机运转。本发明的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统及方法，同步性较高，可以实现精确张力控制，抗干扰能力较强。

权利要求

1.一种0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统，其特征在于，所述张力辊组包括一个主动辊以及多个从动辊，所述系统包括：PLC、矢量变频器、伺服电机、旋转编码器和通讯总线；

每个张力辊对应一个所述矢量变频器、一个所述伺服电机和一个所述旋转编码器，每个所述矢量变频器与对应的伺服电机连接，控制所述伺服电机运转，每个所述伺服电机与对应的所述旋转编码器连接，所述旋转编码器用于检测电机转速并将检测数据发送给所述矢量变频器；

所述矢量变频器包括：转矩控制器、过程控制器和速度控制器；

主矢量变频器中，速度控制器接收PLC速度设定值以及过程控制器发出的张力补偿值，发出主速度信号；转矩控制器接收所述主速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出主转矩输出值，控制对应的伺服电机运转，所述主矢量变频器为所述主动辊对应的矢量变频器；

每个从矢量变频器中，所述主速度信号作为速度控制器的主速度信号，过程控制器接收所述主转矩输出值和所述从动辊的从转矩输出值，发出辅助速度信号；所述速度控制器接收所述主速度信号和所述辅助速度信号，发出从速度信号，所述转矩控制器接收所述从速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出从转矩输出值，控制对应的伺服电机运转，所述从矢量变频器为所述从动辊对应的矢量变频器。

2.根据权利要求1所述的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统，其特征在于，所述矢量变频器还包括：转矩动态补偿功能块；

所述从矢量变频器中，所述主速度信号经过所述转矩动态补偿功能块进入所述过程控制器；

所述主矢量变频器中，所述主速度信号经所述转矩动态补偿功能块对所述主转矩输出值进行补偿后发送给每个所述从矢量变频器中的过程控制器。

3.根据权利要求1所述的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统，其特征在于，所述系统还包括张力计，所述主矢量变频器中的过程控制器接收张力设定值和所述张力计测得的张力实际值，根据所述张力设定值和所述张力实际值发出所述张力补偿值。

4.根据权利要求1所述的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统，其特征在于，所述PLC为西门子S7-300系列。

5.根据权利要求1所述的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统，其特征在于，所述矢量变频器为Lenze9300系列。

6.根据权利要求1所述的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统，其特征在于，所述旋转编码器和所述伺服电机一体化设置。

7.根据权利要求1所述的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统，其特征在于，所述通讯总线为profibus通讯总线。

8.一种0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制方法，其采用权利要求2所述的

0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统实施，其特征在于，所述方法包括；

主矢量变频器中，速度控制器接收PLC速度设定值和张力补偿值，发出主速度信号，转矩控制器接收所述主速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出主转矩输出值，控制对应的伺服电机运转；

从矢量变频器中，过程控制器接收所述主转矩输出值和从动辊的从转矩输出值，发出辅助速度信号，速度控制器接收所述辅助速度信号和所述主速度信号，发出从速度信号；转矩控制器接收所述从速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出从转矩输出值，控制对应的伺服电机运转。

9.根据权利要求8所述的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制方法，其特征在于，所述主矢量变频器中，所述主速度信号经转矩动态补偿功能块对发送给所述从矢量变频器的主转矩输出值进行补偿；

所述主速度信号进入所述从矢量变频器后经转矩动态补偿功能块发送给所述过程控制器。

10.根据权利要求8或9所述的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制方法，其特征在于，所述主矢量变频器中，所述过程控制器接收张力设定值和张力实际值，根据所述张力设定值和所述张力实际值发出所述张力补偿值。

说明书

0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及钢带加工技术领域，尤其涉及一种0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统及方法。

背景技术

[0002] 太钢精密带钢公司主要生产厚度为0.02mm～0.5mm的高精端不锈钢带材产品，广泛应用于航空航天，手机半导体等精密元器件领域。在光亮退火线生产厚度为0.02mm带钢的过程中，由于带钢张力值和带钢与辊面的摩擦阻力值相差很小，张力和速度变化等外界扰动会使钢带和张力辊之间产生差速滑动，导致断带、抽带、跑偏等问题，因此，高精度的张力控制是保证极薄带钢整个退火过程顺利进行的必要条件。

发明内容

[0003] 为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统及方法。具体技术方案如下：

[0004] 第一方面，提供了一种0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统，所述张力辊组包括一个主动辊以及多个从动辊，所述系统包括：PLC、矢量变频器、伺服电机、旋转编码器和通讯总线；每个张力辊对应一个所述矢量变频器、一个所述伺服电机和一个所述旋转编码器，每个所述矢量变频器与对应的伺服电机连接，控制所述伺服电机运转，每个所述伺服电机与对应的所述旋转编码器连接，所述旋转编码器用于检测电机转速并将检测数据发送给所述矢量变频器；所述矢量变频器包括：转矩控制器、过程控制器和速度控制器；主矢量变频器中，速度控制器接收PLC速度设定值以及过程控制器发出的张力补偿值，发出主速度信号；转矩控制器接收所述主速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出主转矩输出值，控制对应的伺服电机运转，所述主矢量变频器为所述主动辊对应的矢量变频器；每个从矢量变频器中，所述主速度信号作为速度控制器的主速度信号，过程控制器接收所述主转矩输出值和所述从动辊的从转矩输出值，发出辅助速度信号；所述速度控制器接收所述主速度信号和所述辅助速度信号，发出从速度信号，所述转矩控制器接收所述从速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出从转矩输出值，控制对应的伺服电机运转，所述从矢量变频器为所述从动辊对应的矢量变频器。

[0005] 在一种可能的设计中，所述矢量变频器还包括：转矩动态补偿功能块；所述从矢量变频器中，所述主速度信号经过所述转矩动态补偿功能块进入所述过程控制器；所述主矢量变频器中，所述主速度信号经所述转矩动态补偿功能块对所述主转矩输出值进行补偿后发送给每个所述从矢量变频器中的过程控制器。

[0006] 在一种可能的设计中，所述系统还包括张力计，所述主矢量变频器中的过程控制器接收张力设定值和所述张力计测得的张力实际值，根据所述张力设定值和所述张力实际值发出所述张力补偿值。

[0007] 在一种可能的设计中，所述PLC为西门子S7-300系列。

[0008] 在一种可能的设计中，所述矢量变频器为Lenze9300系列。

[0009] 在一种可能的设计中，所述旋转编码器和所述伺服电机一体化设置。

[0010] 在一种可能的设计中，所述通讯总线为profibus通讯总线。

[0011] 第二方面，提供了一种0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制方法，所述方法包括；

[0012] 主矢量变频器中，速度控制器接收PLC速度设定值和张力补偿值，发出主速度信号，转矩控制器接收所述主速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出主转矩输出值，控制对应的伺服电机运转；

[0013] 从矢量变频器中，过程控制器接收所述主转矩输出值和从动辊的从转矩输出值，发出辅助速度信号，速度控制器接收所述辅助速度信号和所述主速度信号，发出从速度信号；转矩控制器接收所述从速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出从转矩输出值，控制对应的伺服电机运转。

[0014] 在一种可能的设计中，所述主矢量变频器中，所述主速度信号经转矩动态补偿功能块对发送给所述从矢量变频器的主转矩输出值进行补偿；所述主速度信号进入所述从矢量变频器后经转矩动态补偿功能块发送给所述过程控制器。

[0015] 在一种可能的设计中，所述主矢量变频器中，所述过程控制器接收张力设定值和张力实际值，根据所述张力设定值和所述张力实际值发出所述张力补偿值。

[0016] 本发明技术方案的主要优点如下：

[0017] 本发明的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统及方法，通过将主动辊控制回路中的主速度信号和主转矩输出值作为从动辊控制回路的输入，同步性较高，可以实现精确张力控制，控制系统抗干扰能力较强，避免出现断带、抽带、跑偏等问题，保证了极薄带钢的顺利生产，经济效益较高。

附图说明

[0018] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0019] 图1为本发明一个实施例提供的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组控制系统的结构示意图；

[0020] 图2为本发明一个实施例提供的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组控制系统的控制原理图；

[0021] 图3为本发明一个实施例提供的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组控制系统中转矩动态补偿功能块的转矩补偿值关系示意图；

[0022] 图4为本发明一个实施例提供的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组控制系统使用时1#辊张力动态和稳态变化图；

[0023] 图5为本发明一个实施例提供的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组控制系统使用时2#辊张力动态和稳态变化图；

[0024] 图6为本发明一个实施例提供的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组控制系统使用时3#辊张力动态和稳态变化图；

[0025] 图7为本发明一个实施例提供的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组控制系统使用时4#辊张力动态和稳态变化图。

具体实施方式

[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0027] 以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

[0028] 第一方面，本发明实施例提供了一种0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统，张力辊组包括一个主动辊以及多个从动辊，该系统包括：PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)、矢量变频器、伺服电机、旋转编码器和通讯总线。每个张力辊对应一个矢量变频器、一个伺服电机和一个旋转编码器，每个矢量变频器与对应的伺服电机连接，控制伺服电机运转，每个伺服电机与旋转编码器连接，旋转编码器用于检测电机转速并将检测数据发送给矢量变频器。矢量变频器包括：转矩控制器、过程控制器和速度控制器。主矢量变频器中，速度控制器接收PLC速度设定值以及过程控制器发出的张力补偿值，发出主速度信号；转矩控制器接收主速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出主转矩输出值，控制对应的伺服电机运转，主矢量变频器为主动辊对应的矢量变频器。每个从矢量变频器中，主速度信号作为速度控制器的主速度信号，过程控制器接收主转矩输出值和从动辊的从转矩输出值，发出辅助速度信号；速度控制器接收主速度信号和辅助速度信号，发出从速度信号，转矩控制器接收从速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出从转矩输出值，控制对应的伺服电机运转，从矢量变频器为从动辊对应的矢量变频器。

[0029] 以下对本发明实施例提供的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统的工作原理进行说明：

[0030] 使用时，主矢量变频器中，速度控制器接收PLC速度设定值和张力补偿值，发出主速度信号，转矩控制器接收主速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出主转矩输出值，控制对应的伺服电机运转。从矢量变频器中，过程控制器接收主转矩输出值和从动辊的从转矩输出值，发出辅助速度信号，速度控制器接收辅助速度信号和主速度信号，发出从速度信号；转矩控制器接收从速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出从转矩输出值控制对应的伺服电机运转。

[0031] 本发明实施例提供的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统，通过将主动辊控制回路中的主速度信号和主转矩输出值作为从动辊控制回路的输入，同步性较高，可以实现精确张力控制，控制系统抗干扰能力较强，避免出现断带、抽带、跑偏等问题，保证了极薄带钢的顺利生产，经济效益较高。

[0032] 可选地，本发明实施例中，矢量变频器还包括：转矩动态补偿功能块；从矢量变频器中，主速度信号经过转矩动态补偿功能块进入过程控制器；主矢量变频器中，主速度信号经转矩动态补偿功能块对主转矩输出值进行补偿后发送给每个从矢量变频器中的过程控制器。如此设置，能够提高电机输出转矩的稳定性和张力控制的精度，实现控制过程中张力恒定速度微调的动态平衡，电机输出转矩波动范围缩小，动态过程中峰值降低，提升控制系统抗干扰能力。

[0033] 可选地，本发明实施例提供的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统还包括张力计，主矢量变频器中的过程控制器接收张力设定值和张力计测得的张力实际值，根据张力设定值和张力实际值发出张力补偿值。可以理解的是，如果张力实际值与张力设定值的偏差为正，张力补偿值使主速度信号降低，以使实际张力值较小。如果张力实际值与张力设定值的偏差为负，张力补偿值使主速度信号升高，以使实际张力值增大。如果张力实际值与张力设定值相同，则张力补偿值为0。通过张力补偿，使钢带张力保持在预设范围内。

[0034] 可选地，本发明实施例中，PLC可以为西门子S7-300系列，矢量变频器可以为Lenze9300系列。旋转编码器和伺服电机一体化设置，其可以为自带转速反馈旋转编码器的Lenze伺服电机。通讯总线可以为profibus通讯总线，上部部件的选择只需能满足使用需求即可。

[0035] 第二方面，本发明实施例提供了一种0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制方法，该方法包括；

[0036] 主矢量变频器中，速度控制器接收PLC速度设定值和张力补偿值，发出主速度信号，转矩控制器接收主速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出主转矩输出值，控制对应的伺服电机运转。

[0037] 从矢量变频器中，过程控制器接收主转矩输出值和从动辊的从转矩输出值，发出辅助速度信号，速度控制器接收辅助速度信号和主速度信号，发出从速度信号；转矩控制器接收从速度信号和旋转编码器的反馈信号，发出从转矩输出值控制对应的伺服电机运转。

[0038] 本发明实施例提供的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制方法，通过将主动辊控制回路中的主速度信号和主转矩输出值作为从动辊控制回路的输入，同步性较高，可以实现精确张力控制，抗干扰能力较强，避免出现断带、抽带、跑偏等问题，保证了极薄带钢的顺利生产，经济效益较高

[0039] 可选地，该方法还包括：主矢量变频器中，主速度信号经转矩动态补偿功能块对发送给从矢量变频器的主转矩输出值进行补偿；主速度信号进入从矢量变频器后经转矩动态补偿功能块发送给过程控制器。如此设置，能够提高电机输出转矩的稳定性和张力控制的精度，实现控制过程中张力恒定速度微调的动态平衡，电机输出转矩波动范围缩小，动态过程中峰值降低，提升控制系统抗干扰能力

[0040] 对于如何获取发送给速度控制器的张力补偿值，以下进行示例说明：主矢量变频器中，过程控制器接收张力设定值和张力实际值，根据张力设定值和张力实际值发出张力补偿值。通过张力补偿，使钢带张力保持在预设范围内。

[0041] 以下将结合具体示例，对本发明实施例提供的0.05mm以下精密不锈钢带张力辊组主从控制系统及方法进行说明：

[0042] 附图1示出了该控制系统的结构图；附图2为矢量变频器的内部连接关系图，即，主从控制原理图。附图1和附图2中，M表示伺服电机，E表示旋转编码器，Servo表示矢量变频器，MCTRL表示转矩控制器，PCTRL表示过程控制器，NSET表示速度控制器，CURVE1表示转矩动态补偿功能块。

[0043] 在该示例中，张力辊组由4根张力辊组成，4辊作为整个张力辊组的主动辊，其余3辊为传动辊。4辊对应的矢量变频器为主矢量变频器，1辊、2辊、3辊对应的矢量变频器为从矢量变频器。如附图1所示，主矢量变频器中，端口AIF接收PLC速度设定值，端口X6，1接收张力实际值，端口X9发出主速度信号和主转矩信号，从矢量变频器中端口X9，10接收主速度信号和主转矩信号。

[0044] 主从控制中，是以主电机(4辊电机)的输出作为从电机(3，2，1辊电机)的输入，使从电机跟随主电机，当全线速度和带钢张力发生跳变时，从电机跟随主电机的变化而变化，整个控制过程中要保证每个电机的输出转矩百分比均衡，这样电机才不会出现过载或欠载的现象。

[0045] 4辊作为整个张力辊组的主动辊，张力和速度给定均是通过该辊实现。通过profibus接收PLC的速度给定信号(即，PLC速度设定值)AIF-IN.W1，该信号作为该辊的主速度给定信号连接至NSET的NSET-N端。3#张力辊和4#张力辊之间的张力计检测值(即，张力实际值)通过X6,1模拟量输入端子AIN1传给过程控制器PCTRL的PCTRL-ACT，过程控制器PCTRL的PCTRL1-SET接收PLC内该段(3号张力辊辊至4号张力辊组)张力设定值。过程控制器PCTRL的输出端PCTRL1-OUT连接速度控制器NSET的辅助速度给定信号(NSET-NADD，即，张力补偿值)。如果张力实际值与张力设定值的偏差为正，4号辊的速度给定单元NSET-NOUT将会降低来使实际张力值减小；如果张力偏差为负，则4号辊组的速度给定单元NSET-NOUT将会升高来使实际张力值增大；实现控制过程中张力恒定速度微调的动态平衡。速度信号NSET-NOUT(即，主速度信号)和编码器反馈信号输入MCTRL控制模块，用于电机转矩的调节，同时电机的输出转矩(即，主输出转矩)通过模拟量端子AOUT1的X6，62端子输出给从动辊PCTRL-SET。

[0046] 3辊、2辊、1辊作为4张力辊组的从动辊。主速度信号NSET-N是由数频输入端子X9接收来自4辊的主速度信号。速度控制器的辅助速度信号来自过程控制器PCTRL-OUT，该信号是4辊转矩的输出值PCTRL-SET和从动辊转矩的输出值PCTRL-ACT的差值经过增益叠加合成的。速度信号NSET-NOUT和编码器反馈信号输入MCTRL控制模块，用于电机转矩的调节，如果张力实际值与张力设定值的偏差为正，从动辊组的速度给定单元NSET-NOUT将会增大来使实际张力值减小；如果张力偏差为负，则从动辊的速度给定单元NSET-NOUT将会降低来使实际张力值增大；针对不同的速度区间，增加CURVE1功能块对电机的输出转矩进行补偿。同时在主动辊4辊的设定速度后增加CURVE1功能块对每一个从动辊电机进行动态补偿，提高电机输出转矩的稳定性和张力控制的精度，实现控制过程中张力恒定速度微调的动态平衡。

[0047] 其中，补偿功能块的转矩变化区间可以参见附图3，附图中横坐标x表示速度，y表示转矩，通过附图3所示的曲线可以获得不同的速度对应的转矩补偿值。各参数如下述表一所示。

[0048] 表一转矩补偿功能块参数表

[0049]参数 4辊 3辊 2辊 1辊
CURVE1 y0 2％ 1％ 2％ 2％
CURVE1 y1 3％ 2％ 5％ 6％
CURVE1 y2 4％ 3％ 6％ 8％
CURVE1 y100 5％ 4％ 7％ 9％
CURVE1 x1 30％ 30％ 30％ 30％
CURVE1 x2 60％ 60％ 60％ 60％

[0050] 选取0.02mm不锈钢进行退火生产，钢带通过张力辊组时对动态特性和稳态特性进行分析，稳态运行过程中，主动辊和从动辊电机转矩稳定在-22％～-28％之间，没有出现转矩输出不均衡的现象。减速过程中，钢带和辊面之间的差速滑动明显降低，主动辊电机转矩出现峰值，最大值为10％，经过两个峰值后，稳定下来。从动辊电机输出转矩最大峰值也下降到了10％左右，然后进入稳态。加速过程中，主动辊和从动辊电机峰值均在-50％左右，然后进入稳态。结果显示，稳态运行过程和动态运行过程中电机输出转矩波动范围缩小了，输出转矩峰值均得到了降低，钢带和辊面之间没有出现明显的差速滑动，钢带能顺利的通过张力辊组，没有出现抽带和断带的问题。

[0051] 其中，1#辊张力动态和稳态变化图如附图4所示，2#辊张力动态和稳态变化图如附图5所示，3#辊张力动态和稳态变化图如附图6所示，4#辊张力动态和稳态变化图如附图7所示。

[0052] 需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

[0053] 最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。