冶金工业中的连续退火生产工艺具有生产效率高、产品质量好的特点。其中，炉子段是整个连续退火生产线的核心工艺，可以消除冷加工硬化、提高钢的塑性和韧性。在宝钢连续退火生产线的炉子段张力控制解决方案中，ABB多种电气产品使得钢带张力始终保持在一个稳定状态，不仅满足了生产的要求，也大大缩短了损坏停机的时间，提高了生产质量。

宝钢连续退火生产线由多家供货商联合设计：ABB负责电气部分；DMS负责机械部分；Stein负责炉子部分；UVK负责清洗段部分，整条退火生产线在宝钢工程师配合下调试完成。其中，ABB为电气部分提供了能够确保精确的直接转矩控制的ACS800变频器、高质量的工业过程控制器800PEC和安全增强型的800xA系统。

该生产线年处理钢材42万t。原材料钢种规格包括CQ、T2.5、T3、T4、T5及IF T2.5。钢带尺寸：厚度0.15～0.5mm，宽度700～1080mm。入、出口最大线速度1000m/min，处理段的最大速度是800m/min。延伸率和板型由出口双机架平整机控制。

根据退火工艺中钢带温度处理的需要，整条线炉子部分有8个区域。炉子全长达142.91m，高24.815m，可以处理2602.338m长带钢。炉子中最高温度接近900℃、带钢最高温度700℃。

在Zone 1区域，炉辊电机工作方式是速度同步控制，速度需要与带钢速度一致。在剩下的7个区域中，炉辊电机工作方式是张力控制，每个区域的所有辊道电机作为一个整体控制该段张力。钢带和辊子之间的摩擦系数非常小，在0.005～0.02之间。直接张力控制和串级调节中的实际张力值来自于安装在张力计辊下的张力计反馈，这些张力计位于每个区域的尾部。

控制理论

在炉子中，张力的分布保持着连续性，并根据处理需求设定了不同系数。如张力系数图显示， 2号区域的张力参考值是炉区的张力基本设定值，其它区域的张力设定值只是在此基础上乘以相应的系数。

1. 集中的张力控制

炉区的张力控制不仅具有独立性，而且由于钢带在温度瞬时变化后产生延长效应，会导致区域与区域之间张力存在一定相关性。

首先，每一个区域都会有独立部分去控制自身这一段的张力。参与控制的炉辊数量和范围取决于张力计的位置。换句话说，炉区的每个张力计把整个炉子段分成了几个不同的张力控制区域。为了每个区域张力稳定，工作转矩中有很大一部分是取决于预先设定的固定转矩和时时修正的变化转矩，它们在静态的张力调整中起着至关重要的作用。

为了快速抑制动态张力的变化，并避免较大的张力振荡，串级调谐功能不得不被应用。串级模式的工作方向与带钢运行的方向保持一致，也就是从炉子入口向出口方向。如果方向相反，将导致张力控制进入混乱状态。

在提高张力控制稳定性中，直接张力控制是一个重要的部分。PI（比例和积分）控制器需要适当、合理的参数。需要一个非常慢的积分环节，积分时间大概是6s左右；比例增益大概设到0.001。当这条连退线炉子段处于稳速运行状态后，在张力设定及实际值间几乎没有大的变化，慢速的直接张力调节器有助于消除大的张力波动。对于不期而至的大的张力变化，将会由多重串级调节器来完成。

除了直接张力控制外，还存在许多串级控制的功能，除了1号区域作为速度同步调节，串级功能分布于炉子其他各个区域。每一段串级张力控制的输出纠正值由炉子入口向出口一层层传递并累加，直到炉子出口张紧辊。由于出口张紧辊是纯速度控制，作为炉区段的主速度辊，所有串级控制的输出值将是逐层作用，并转换成一个速度修正值叠加到这个出口张紧辊速度环上。当然随着出口张紧辊速度的变化，炉子各区域的速度给定值也会做相应的调整，否则在炉区和出口张紧辊的速度差将严重干扰钢带张力。

串级张力控制纠正值的计算只和本区域的张力设定及实际张力之间的差值相关，而且只使用比例环。在串级及直接张力控制过程中，存在着一个共同的重要因素，那就是张力计反馈的实际值。在使用实际张力值之前，必须要对其进行滤波。以往滤波时间通常会小于100ms；但在此，由于张力计直接安装在炉辊下部，安装误差及炉辊本身的偏心现象可能导致张力实际值产生较大的周期性的谐波。

基于这个影响，进一步地分析，很容易得到一个结果：实际张力波动的周期与张力辊的辊径和线速度有关。所以建议使用“Notch filter”取代一般的“Low pass filter”来消除此周期性谐波。

2.区域内的张力调节

上述的张力控制范围是针对区域与区域之间的。计算的和动态的纠正转矩传递到每个区域后，区域中的每个炉辊传动将执行负载分配的原则。

如何分配？首先，辊子上带钢的重量会影响辊子的附着力。在钢带和炉辊之间足够的摩擦力将有助于辊子把电机产生的作用力传递到钢带上。一个比较好的方式是在整个控制计算中，对于炉区顶辊和底辊采用不同的转矩分配系数。在这种情况下，建议：顶辊＝1.0；底辊＝0.7。其次是辊子和钢带之间的包角，在摩擦系数相同的情况下，角度越大越有利于力的传递，建议：90度辊＝0.5；180度辊＝1.0。

为了更容易理解，这里以一个具体区域作为实例，解释某一个辊子如何控制、转换工作转矩：例如在4号区域中，从50号辊到65号辊总共5台带传动电动机。首先，各个辊子的转动惯量和不同速度下的空载损耗作为转矩环前馈的一部分输入给该传动，目的是升降速时让炉辊的速度有预知性的与线速度同步。转动惯量和空载损耗的测量需要一些特定的条件和环境。所有这些测量前提条件尽可能的与正常生产模式接近，比如可以选择在高温烘炉期间进行，这一关键条件能够保证测量值的精度。

然后一个固定的前馈的工作转矩计算如下：

（3号区域的张力设定 – 4号区域的张力设定）/ 5[50号辊到65号辊辊子数量]×相应系数。这部分是将一个区域主要部分的张力参考值分配到每个炉辊独立调节，从而保证该区域的基本张力。与此同时，串级和直接张力控制的输出也会累加到传动的转矩控制环。

钢带张力始终保持稳定

所有这些张力控制理论的应用必须基于一个高性能的集成系统和能快速处理的部件，ABB ACS800变频器、AC800PEC控制器和最新的800xA一级平台完全适应这样的工作环境和条件。

AC800PEC的工作频率范围为400～600MHz。传动系统中的DDCS通讯速率最大可以达到8Mbit/s，控制器之间的传输速率为10Mbit/s。传动和控制器，控制器和控制器之间的通讯介子都采用光纤。如此，高速且稳定的通讯方式很好地保证了张力调节时的快速响应。

应用了上述的控制原理，钢带张力始终保持在一个稳定状态。炉子中张力的稳定可以有效的避免钢带的跑偏和热瓢曲，提供了生产合格钢卷的前提条件。多重张力控制功能的应用也减少了断带的风险和停车时间，大大提高了生产产量。