基于張力減徑機轉矩反饋自適應調整CEC觸發時間的方法*

龔 強

（中冶賽迪信息技術（重慶）有限公司，重慶 401122）

張力減徑機通過一系列孔型的連續軋制，使得鋼管受到徑向的壓縮和軸向的拉伸，被廣泛應用于無縫鋼管的生產線。由于張力減徑過程中，端部頭尾張力減小，造成不可避免的管端增厚現象［1-5］。目前國內外最主要和最先進的減少管端增厚段的技術是采用管端切頭控制（Crop End Control，CEC）［6-7］。CEC 是通過調節管端咬入和拋出時機架軋輥的附加速度，增大正在軋制管端的機架間速度差，在鋼管的兩端產生額外的軸向張力，以減少鋼管兩端增厚段的長度，提高鋼管的成材率［8-9］。

理想情況下，管端切頭尾控制在管端位置給出正確的附加轉速，可以最大程度地減少增厚段。由于張力減徑機內部難以安裝檢測鋼管頭尾的傳感器，模型通過安裝在機架入口的檢測器檢測鋼管的頭尾到達時間來延時觸發CEC 附加轉速。在CEC的實際執行過程易受到很多類似摩擦力或輸送機架擠壓變速等難以預測的因素干擾，造成理論計算的鋼管頭尾到達時間和實際時間不符。如果CEC 在管端到達之后觸發，則CEC 作用范圍越過管端，出現“拉負”的情況；如果CEC 在管端到達之前觸發，則CEC 作用效果被減弱，這都直接影響到模型的準確性。為了解決該問題，針對單獨傳動張力減徑機的CEC 控制，提出一種基于張力減徑機轉矩反饋自適應調整CEC 觸發時間的方法。

1 自適應調整CEC 觸發時間的方法介紹

基于張力減徑機轉矩反饋自適應調整CEC 觸發時間的方法的核心是，以鋼管頭尾跟蹤和咬鋼、拋鋼轉矩特性來綜合判斷實際的咬鋼、拋鋼和軋制時間，通過鋼管實際咬鋼、拋鋼時間值與給定的CEC 觸發時間值的比較得到偏差值，反饋補償到隨后的鋼管的CEC 觸發時間上。通過該反饋控制，可以讓CEC 的觸發時間更加準確，有效地提高CEC 的命中效果。通過實際工程應用驗證，CEC附加速度的觸發時間與咬鋼時間趨于一致，并且穩定在±20 ms 以內。

基于張力減徑機轉矩反饋自適應調整CEC 觸發時間方法的優點如下：

（1）該方法不用增加額外的檢測設備，實現了對CEC 觸發時間的反饋控制，提高了CEC 的命中效果；

（2）該方法對張力減徑機咬鋼、拋鋼的轉矩特性進行了深入的研究，針對轉矩需要快速響應的特點，在PLC 控制器中通過算法實現了咬鋼、拋鋼時間的精確計算；

（3）該方法提出了多種咬鋼、拋鋼偏差時間的計算模式和安全校驗方案，保證了系統的穩定運行。

1.1 方法構成

自適應調整CEC 觸發時間的方法構成如圖1所示，主要有三部分：

圖1 自適應調整CEC 觸發時間的方法構成示意

（1）咬鋼、拋鋼判斷及時間記錄。咬鋼、拋鋼時間是通過鋼管頭尾跟蹤與轉矩特性綜合判斷，并對結果進行有效性判斷。拋棄無效數據，以免對修正結果造成負面影響。

（2）咬鋼、拋鋼偏差時間計算。針對實際生產過程中，可能出現的影響軋件速度的主要因素設置了3 種模式。第一種為首機架模式，為默認模式，主要針對的是入口檢測至首臺軋制機架之間的輸送實際速度與設定速度不符。由于鋼管輸送采用的是V 型輥道，輸送速度與鋼管外徑和輥道的切點相關，并且考慮到摩擦力的影響，實際速度和設定速度普遍存在偏差。第二種模式為偏差中值模式，主要針對的是全部機架均投入軋制的情況下，由于模型對軋件進入每一機架軋輥的預測時間可能存在偏差，且在數據樣本很多的情況下，遵循一定的概率特性，故采用中值模式。第三種模式為最大偏差值模式，其中最大偏差值又分為頭部咬鋼的最大滯后時間和尾部拋鋼的最大超前時間，適用于使用機架數量偏少的情況，通過損失一些切頭、切尾長度來保證整個CEC 運行過程中的命中率。

（3）修正值求取。由于反饋機制響應迅速，如果不進行處理，若上一支軋制鋼管受到異常情況的干擾就會馬上作用到下一支鋼管，易造成輸出結果的波動，這對穩定生產不利。為了避免這種情況的出現，修正值的求取過程中增加修正值的惰性以弱化異常因素帶來的影響。

1.2 咬鋼、拋鋼判斷

1.2.1 咬鋼、拋鋼判定方法

鋼管的咬鋼、拋鋼的精準判斷是以軋制過程中傳動裝置的轉矩反饋判斷為依據，輔助鋼管的頭尾跟蹤來實現。鋼管在進出張力減徑機時會先后感應到張力減徑機入口和出口的檢測器，以入口檢測器上升沿感應為起點，鋼管頭部依次經過各機架，理論上可以將咬鋼時間限制在一個小窗口范圍內，拋鋼亦是如此。在此窗口范圍內，判斷主電機的轉矩反饋變化可以濾去大部分的干擾信號。當前常用的咬、拋鋼的轉矩判斷主要由閾值比較、轉矩變化率判斷兩種方式［10-11］。張力減徑機后部機架用于鋼管定型，咬鋼反饋轉矩升高的絕對值不明顯，但相對值卻有較明顯的變化，故采用鋼管跟蹤結合轉矩變化率的方式來做咬鋼判斷。該方法不用考慮實際的轉矩波動范圍，只要有相應的特性變化即可以準確判斷。

對于拋鋼信號的判斷，由于降速轉矩和前后張力的存在，使得拋鋼點的判斷變得非常復雜，對此筆者嘗試采取多點移動平均數的方差的導數來突出拋鋼特性，已將拋鋼的檢測時間限制在可接受誤差范圍。

轉矩變化率從數學的角度就是對轉矩求導，通常為了緩解波動的異?？梢圆捎枚帱c均值作為導數值，功能塊的實現方式如圖2 所示［12］。

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圖2 拋鋼信號轉矩變化功能塊的實現方式

1.2.2 咬鋼、拋鋼時間校驗

在判斷完咬鋼和拋鋼信號以后，可以得到相應的咬鋼和拋鋼時間，但是此時間在使用之前需要篩選驗證，將不合格的數據拋棄。為了防止突然之間的轉矩異常波動造成的誤信號，筆者在實際項目中從多方面進行了有效性判斷，判斷的原則有：從首機架至末機架的咬鋼時間為單調增加，每個機架的有效咬鋼次數不能大于1 次，咬鋼、拋鋼時間不能超限等。采用中值模式時若有效數據不足3 個，整個數據無效。

1.3 模式選擇

根據實際使用場合的不同，設計出3 種模式以便實際生產過程中選用，針對可能出現的影響軋件速度的主要因素，設置了3 種模式，即1.1 節所述的首機架模式、偏差中值模式、最大偏差值模式，模式選擇人機界面如圖3 所示。

圖3 自適應調整CEC 模式選擇人機界面

經過一段時間的使用及與操作磨合，最終頻繁使用的是首機架模式，這樣最大程度地補償了鋼管送至張力減徑機產生的執行偏差，尤其是在張力減徑機頭部1～2 機架為空過機架時對CEC 的觸發效果有明顯改善。

1.4 修正值的求取

采用的修正值求取方法是將每支鋼管依據軋制轉矩判斷的咬鋼、拋鋼時間推入隊列中，對多支鋼管數據取移動平均值。采用移動平均值的做法既弱化了某支管帶來的異常反應，又體現了最近軋制批次鋼管的咬鋼時間的變化趨勢。最終，修正值的實際輸出需要進行限幅，以保證系統的可靠性。

2 仿真與實踐

2.1 仿 真

為了驗證整個軟件實現上時序的正確性，對軟件功能進行了仿真模擬。此處進行的是一種無差仿真，該仿真的基本原理是通過仿真模擬一條與給定的咬鋼、拋鋼時間一致的轉矩曲線，程序邏輯正確時，其得到的咬鋼、拋鋼時間修正結果應為零或者滯后1～2 個程序掃描周期。根據CEC 給定的鋼管頭部到達和尾部離開的時間，結合咬鋼實際曲線形態加入一階濾波，仿真生成咬鋼、拋鋼轉矩（圖4）。

圖4 軋輥咬鋼、拋鋼時間點捕捉仿真趨勢

2.2 實踐及CEC 命中波形判別

上述方法在國內某鋼管廠工程實踐中得到了應用驗證，CEC 附加速度的觸發時間與咬鋼時間快速地趨于一致，能夠穩定在±20 ms 以內，并且調整的趨勢與CEC 波形判別一致。

2.2.1 頭部CEC 波形判別

當鋼管頭部進入張力減徑機，由于此時沒有后續機架張力的作用，軋制機架咬入時，如果電機轉速不調整，轉矩會立即升高，當頭部CEC 的起始時間定義與咬入時間重合，即張力減徑機咬入時CEC 附加轉速開始下降，會展現如下特性，可以據此判斷是否命中［13-14］。

（1）如果轉速下降指令滯后于咬鋼，能看到轉矩已經上升轉速才下降，如圖5 所示。

圖5 頭部CEC 開始時間滯后于咬鋼時間的轉矩趨勢曲線

（2）如果轉速下降指令提前于咬鋼，轉矩會經歷一個先下降再上升的過程，如圖6 所示。通俗的說就是在轉矩上升前會有個“坑”，這是由于變頻傳動需要給出一個負轉矩才能使電機按照CEC 給定的斜率進行降速，之后再咬入時軋制轉矩迅速上升，而交流電流曲線無此特性。據此，轉速開始下降以后，軋制機架的轉矩滯后20～30 ms（考慮轉矩抵消和傳動反饋時間）開始升高，即可判定為CEC準確起作用。

圖6 頭部CEC 開始時間提前于咬鋼時間的轉矩趨勢曲線

2.2.2 尾部CEC 波形判別

尾部拋鋼時，受到后續機架的張力作用，當張力大，軋制期間轉矩可能低于空載轉矩，甚至是負轉矩，一般出現在大張力減徑時的前幾個軋制機架；當張力小，軋制期間轉矩大于空載轉矩，通常中間軋制機架都是如此。張力減徑機穩定軋制和空載時的轉矩基本恒定?；谝陨锨疤?，尾部拋鋼出現在從軋制轉矩過到空載轉矩的過渡過程中。

當尾部CEC 的結束時間定義與拋鋼時間一致，對比不投入尾部CEC 時的轉矩，需要考慮的影響轉矩的因素有兩點：①尾部降速時，需要一個降速轉矩，這個轉矩存在于整個降速過程；②尾部CEC 降速所產生的附加張力。

考慮以上內容，CEC 降速產生的張力影響使整個過渡過程變得平緩，只有拋鋼時從有載軋制到空載這個過程是一個階躍。

據此可以簡單地總結為：尾部CEC 結束時，轉矩迅速上升到空載轉矩，轉矩曲線最后恢復到空載是一個深“V”字，“V”字的底部為拋鋼時間，拋鋼時間與CEC 下降時間重合，即為準確命中，否則通過以下條件判斷CEC 結束時間。

（1）如果CEC 結束時間早于拋鋼時間，附加轉速下降到零時，轉矩會上升，但此時轉矩不會變成空載轉矩，通俗地講需要經歷一個“鼓包”才到空載，主要是尾部未完成軋制造成的。

（2）如果CEC 結束時間落后于拋鋼時間，附加轉速下降到零時，雖然轉矩也會立刻上升，轉矩變為空載轉矩，但是此前的拋鋼會導致轉矩的最低點提前，如圖7 所示。

圖7 尾部CEC 結束時間滯后于拋鋼時間的轉矩趨勢曲線

3 討論

經過多年的發展，張力減徑機已經全部實現國產化，幾個主要的供應商也都有各自的用于孔型設計和軋輥速度設定及CEC 控制的二級計算機模型。國際上，德國SMS Meer 公司的CARTA（Computer Aided Rolling Technology Application）系統在張力減徑機上的應用最為成熟。從國內多條引進的連軋管機組來看，該系統需要與測量系統緊密結合，采集荒管的外徑、壁厚和成品管外徑、壁厚作為反饋，才能達到模型優化的目的［13］。出于鋼管在線測厚設備價格和質量等方面的考慮，一般的國產機組都不予配置，模型得不到反饋優化［14］。本文所述的調整觸發時間的方法有效地彌補了因CEC 執行過程的干擾造成理論計算的鋼管頭尾到達時間和實際時間不符，而且單從優化觸發時間的角度來看，該方法比配置測厚設備更加直接且快速。

該方法需要編制大量的數值運算與校驗程序以保證程序的健壯性，這些都不是傳統的PLC 編程范疇。由于一般的以太網通訊速率不能滿足高速數據采集的要求（采集頻率在10 ms 以內），未來擬利用PLC 暫存整根鋼管的軋制轉矩數據或通過高速數據采集軟件將轉矩數據轉送到工業互聯網平臺或過程自動化系統（L2），將該功能直接內置到CEC 模型中，屆時可以借助高級語言編程的優勢，嘗試更多的異常狀態檢測算法以優化模型。

4 結語

由于在張力減徑機難以安裝檢測鋼管頭尾的傳感器，無法引入有效的反饋機制，從而降低了張力減徑機切頭控制模型的命中效果。鑒于此，引入主電機的轉矩作為咬鋼和拋鋼的反饋判斷的依據，為了提高判斷的準確性，同時引入鋼管的頭部尾部跟蹤以濾掉多余的轉矩波動。根據實測的咬鋼、拋鋼時間，送入隊列計算移動平均值以得到CEC 的修正值，最終應用于軋制鋼管的CEC 附加轉速觸發時間的修正。該方法在實際的應用過程中獲得了驗證，使得CEC 模型可以在鋼管咬鋼、拋鋼時準確觸發，降低鋼管切損。