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案例頻道一、系統簡介：
為了進一步提高生產能力，減少設備故障率，優化原生產線的工藝設備配置，濟鋼集團總公司決定于2004年11月將濟鋼中板廠原三輥勞特式軋機改為四輥軋機，并在該軋機系統中實現全交流化傳動，經過一系列的方案論證工作，軋機主傳動采用了siemens公司的交交變頻系統，輔傳動中最重要的四輥電動壓下系統采用了AB公司的impact變頻器，為了提高傳動性能，當壓下操作側和傳動側聯動時，采用了主從控制方式，為了提高系統的自動化水平，要求實現電動APC功能。
二、控制思想：
電動APC控制是實現軋機自動軋制過程的基礎，一般作為精軋機系統中AGC控制的內環，但當AGC系統出現故障時，電動APC的定位精度應當能夠保證壓下系統的基本定位要求，滿足部分產品規格的厚度精度要求。
電動APC（automatic position control）系統可以盡量迅速地將壓下絲杠的位置自動地調節到預先由過程機或HMI給出的目標值上，使調節后的實際位置與目標值之差保持在允許的誤差范圍內，粗軋壓下APC定位精度要求為±
傳統的定位控制系統一般都是采用位置環、速度環、電流環三環控制，但這種控制方式對系統的線性性要求很高，否則當系統接近目標值時，由于速度環的給定已經很小，如果傳動設備不是大力矩的伺服電機，此時傳動系統的輸出轉矩就會很小，甚至產生力矩波動，最終導致系統在接近目標值時發生振蕩。
對于實際的電動壓下位置控制系統，上述問題更為突出，因為一般的軋機壓下系統的傳動力矩要求都大于2000NM，而制造出具有這樣大的輸出力矩的伺服電機還不現實，實際上根據工藝要求和工程實踐，壓下系統都是采用直流傳動以滿足定位迅速準確的要求。
隨著交流傳動技術的發展，尤其是交流電動機矢量控制方式的應用，使得交流電動機在很多傳動性能方面如速度響應、電流響應、過載能力、轉矩波動等都達到了可與直流傳動相媲美的功能，但一個不可否認的事實是由于矢量控制的核心思想是通過對驅動電源的控制使電機內部產生的磁場矢量和轉矩電流矢量正交，以便能夠象直流電動機一樣使輸入電機的電流能夠最有效的產生轉矩，而事實上由于電機內部電樞反應的影響和磁路的飽和、非線性等因素，都會影響到矢量控制的實際效果，尤其是低速時，作為矢量控制方式指揮棒的磁通觀測模型都采用的是電流模型，而電流模型對電機的參數依賴性較大，而且多數系統為了簡化啟動環節，在電流模型中都應用的是電流的給定值而不是實際值，這些都會造成低速時磁通觀測的不準確，在實際的電機中，由于電機漏電抗的影響，尤其是當傳動裝置輸出加入電抗器時，使得交流電動機在低頻時的實際轉矩輸出能力也下降，就如同實際的變壓器相當于一個帶通濾波器，傳輸低頻信號會發生衰減一樣，這些因素使得即使是采用矢量控制的交流傳動，其低速時的轉矩輸出能力和可控性都無法與直流傳動相媲美，而在大功率的位置定位系統中，傳統的控制模式對傳動系統的低速性能恰恰是要求較高的，另外，當采用鼠籠式異步電動機做為傳動設備時，由于鼠籠式異步電動機屬于單饋電，當電機啟動時若要及時產生轉矩還需要一個磁通的建立過程，而這個過程通常要比轉矩電流的建立時間長，對于處于頻繁啟動/停止操作的壓下系統來講，就會影響系統的快速性。
在該軋機壓下系統中我們采用了impact變頻器做交流傳動，根據impact變頻器采用force磁場定向技術的應用特點和具備多種停車制動方式和加強制動效果的選項等優點，我們采取了以下措施來提高采用交流傳動方式時APC系統的性能：
1、為了提高系統的快速性，系統停車時啟用了impact變頻器內置的“flux up”功能，使得當壓下系統處于頻繁得啟/停狀態時，電機磁通基本上不丟失，這樣系統只需要建立轉矩電流就可以產生轉矩，模擬了在直流電機中所發生的過程。
2、修改控制模式，當壓下絲杠接近目標值時采用脈沖沖動控制，避免電機在低速時運行，使系統快速進入目標區域。
3、采用電流限幅制動停車方式，并通過停車時加入“flux up”功能，提高電機的制動能力，使得電機從較高的轉速停車時制動的距離盡量短。
4、為了提高壓下系統的快速性，使系統按照最大的輸出力矩加速和減速，即電機的速度給定遵從以下規律：
V = (2amΔs)1/2
其中: am為允許的電動壓下加速度。
Δs為與目標值的偏差。
速度給定曲線如下圖：
在PLC程序中具體實現時，采用了分段線形化的方法來實現以上控制思想，如下圖所示：
Δs V 抬起 壓下
在APC控制方式下，當位置偏差進入精度區內時就發出停車信號，但是不能以一次到位就鎖定壓下系統，要防止反向滑過精度區，為此程序中設計了必須連續三個周期檢測均到位才認為APC到位，以確保定位的可靠性，同時這種方法也提高系統適應停車制動距離變化的魯棒性。
6、為了防止帶鋼壓下，以保護傳動機構和設備，當系統檢測三次到位后即鎖定壓下系統，直到本道次軋制結束或人工干預強制復位。
7、為了提高APC系統適應不同設備條件的能力，系統中設計了多種操作方式：
在自動方式下分為：
Ÿ 操作側和傳動側聯動：自動時的正常生產方式，此時操作側和傳動側通過離合器聯軸，系統中只有操作側一個APC通道工作，傳動側以從方式做為操作側傳動速度環的內環工作，以操作側的設定輥縫到位作為控制目標。
Ÿ 操作側和傳動側不聯動：當因系統中離合器損壞或因其他原因操作側和傳動側無法聯軸時的應急生產方式，此時系統中有操作側和傳動側兩個APC通道獨立工作，并以各自的輥縫設定值作為控制目標，同時系統中可以通過修正操作側的輥縫設定值實現軌跡糾偏功能。
在手動方式下分為：（此時APC系統不工作）
Ÿ 操作側單動：操作主令時傳動側不動，用于操作側輥縫的單獨調整。
Ÿ 傳動側單動：操作主令時操作側不動，用于傳動側輥縫的單獨調整。
Ÿ 操作側和傳動側聯動：手動時的正常生產方式，此時傳動側以從方式做為操作側傳動速度環的內環工作，啟動和停止信號與操作側完全相同。
三、系統控制框圖：
以下為壓下系統APC程序控制框圖，程序中假設當速度給定為負值時執行壓下操作，該系統實現了自動擺輥縫和利用拋鋼信號自動更換道次的功能，除了軋制規程的自動生成外基本上實現了自動軋制。
四、結論：
當系統在手動方式下工作正常穩定后，我們對自動方式下的電動APC功能進行了調試，系統的定位精度一般小于
實踐證明當軋機壓下系統采用交流傳動時，采用停車時不滅磁，小偏差時的脈沖沖動控制和采用變頻器的附加制動方式選項提高傳動系統的停車制動能力等措施，對于實現電動APC系統的快速性和提高定位精度是有利的。
參考文獻：
[1] 《交流調速系統》 陳伯時 陳敏遜 機械工業出版社
[2] 《大功率交交變頻矢量控制》馬小亮 機械工業出版社
[3] “可逆軋機速度控制及壓下APC控制實踐” 彭敬紅，鄒正錚
《電氣傳動自動化》 2004年 第6期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號