Робот электрожетегін диагностикалау құрылғысы

92 
 
УДК 621.783 
Yuсhshenko
 
Olessya
1
 
PhD student, Waldemar Wójcik
2
 
1
Kazakh National Technical University named after K.I. Satpayev, Kazakhstan, Almaty 
e-mail: olessyayuchenko@hotmail.com 
2
Lublin University of Technology, Faculty of Electrical Engineering and Computer Science 
e-mail: waldemar.wojkic@pollub.pl 
 
DEVELOPMENT OF A SIMULATION MODEL OF BAND TENSION CONTROL SYSTEM IN A 
PERMANENT HOT ZINC-PLATING LINE UNDER DYNAMIC CONDITIONS 
 
Abstract.  The  article  describes  the  structure  of  a  mathematical  band  tension model  in a  permanent hot-zinc 
plating line (HZPL). In order to stabilize the band tension in the oven during the stop of the head part of the line there 
were suggested the installation of a roller operating in an intermittent mode before the TCO oven. During the movement 
of the loop device carriage the roller will make translational movements against the band direction, creating additional 
tension in the band. The value of the mismatch of the actual and given tensions will be applied as the moment of static 
resistance to the motor shaft of the roller. After introducing an active roller into the system the analysis of band pulling 
force oscillograms proved the expediency of its application. 
Key words: band pulling force, active roller, the resistance moment, simulation model. 
 
To improve the corrosion resistance of cold rolled metal band it has to be galvanized on a continuous 
hot zinc-plating line. 
Electromechanical system of a continuous hot zinc-plating line (HZPL) presents a multimotor actuator 
which is interconnected with the help of a band. 
The central technological part of the unit consists of the mechanisms for transporting the band: pulling 
station  number  1,  a  vertical  input  collector,  pulling  station  number  2,  and  rollers  of  thermo-chemical  oven 
(TCO).  In  the  thermo-chemical  oven  the  band  undergoes  thermo  chemical  treatment  in  protective 
atmosphere. 
 
 
 
Fig.1. Central technological part of HZPL 
 
Before the galvanizing process the band is heated in a thermo-chemical oven, TCO.  
The following operations take place in TCO, the thermo-chemical oven: 
band heating in the flame oven in the atmosphere of incomplete combustion of propane-butane prod-
ucts;  
final heating and band exposure in the oven with radiation tubes in the atmosphere of hydrogen shiel-
ding gas; 
band cooling in the area of a closed cooling system. 
The main influence on the mechanical properties of the treated metal is exerted by the maximum heat-
ing temperature and the speed of the band moving through the unit. 
A permanent hot-zinc plating  line (HZPL) is a complex electromechanical system  whose functioning 
reliability  and  quality  depends  on  the  physico-mechanical  properties  of  a  treated  metal  band  and  on  the 
modes of operation of the multi-motor drive interconnected through a band. 
When the head part of the line is stopped to replace a roll of metal band, the technological part of the 
unit continues to  move at a working speed  during the  welding  of the  ends  of the band,  which  is  due to the 
band extraction from the vertical loop device. After the start of the head part the metal band begins to fill the 
loop  device,  which  causes  the  dynamic  processes  that  lead  to  longitudinal  vibrations  of  the  tension  in  the 
treatment  zone.  As  a  result,  in  the  treated  band  there  occur  the  so-called  "folds"  during  the  process  in  the 
thermo-chemical treatment oven (TCO) under the high temperature, thus leading to a defect. 

93 
 
Some experiments were carried out on HZPL in order to define the dynamic properties of the treated 
metal band [1]. 
In order to stabilize the band tension in the oven during the stop of the head part of the line we suggest 
the  installation  of  a  roller  operating  in  an  intermittent  mode  before  the  TCO  oven.  The  lower  roller  of  the 
Pulling Station 2 (active roller) will be used for this part. During the movement of the loop device carriage 
the  roller  will  make  translational  movements  against  the  band  direction,  thus  creating  additional  tension  in 
the band. The value of the mismatch of the actual and given tensions will be applied as the moment of static 
resistance to the motor shaft of the roller. 
An asynchronous motor with frequency control was used as an active roller drive motor.  
Band pulling force F appearing in the band is determined by the following formula: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
F
C
l
C l


  
 
 
 
 
 
 
 (1) 
 
where: С – а coefficient of band rigidity, Δl - the absolute lengthening, l – the length of the tension, ε - 
modulus of elongation. 
The coefficient of band rigidity is determined by the following formula: 
C
E S


 
 
 
 
 
 
 (2) 
where: Е – elasticity modulus, S – cross sectional area of the band. 
From the  given formulas it  is  evident that the band pulling force  is  directly proportional to the cross 
sectional area of the band. 
For  structural  steel  there  is  dependence  between  the  elastic  modulus  and  the  temperature  [7]. There-
fore, in a simulation  model  of the band pulling force  calculations through the TCO the  coefficient  of band 
rigidity in different zones of the oven is different, depending on the heating temperature. 
An  approximate  calculation  of  transient  processes  in  the  asynchronous  motor  is  possible  using  the 
simplified model [4] described by a system of equations: 
 
 








0
1
;
ω
;
ψ ;
;
ψ
U
R
L
R
dI
dt
I
R
E
s
s
s
s
s
i
i
J d
dt
М
М s
М
К
i
m
s
Е
К р
е
R
R
k R
s
r r
i
const






















                                         (3) 
 
where:  U
s
  –  stator  voltage,  I
s
  –  the  stator  current,  R
i
  –  equivalent  stator  resistance,  R
s
  –  stator 
resistance,  R
r
  -  resistance  of  rotor  winding,  k
r
  –  coefficient  of  the  rotor  magnetic  coupling,  J  –  the  motor 
moment  of  inertia,  ω  –  angular  speed  of  the  motor,  d/dt  –  differentiation  operator,  М  –  the  moment 
developed by the motor, М
s
 – moment of static resistance, K
m
 - motor magnetic constructible constant, К
е
 - 
motor electrical constructible constant, ψ – the main flux linkage, L'
s
 - transient inductance of the stator, р
0
 – 
the number of motor pole pairs. 
The electric drive of the Pulling Station 2 is described by the following formula [8]: 
                                       



 




 

s5
5,6
f
5
5
5
r
4
s6
5,6
f
6
6
6
r 7
60
60
M
F
F
r i
a n
К F
M
F
F
r i
a n
К F





 









                                  (4) 
 
where: M
s5
, M
s6
 – the moment of resistance of the upper and lower rollers, F
5
,
6
 – band pulling force, F
f
 
– friction force, N; r
5
 and r
6
 – the radiuses of the upper and lower rollers, i
5
 and i
6
 – the reduction ratio of the 
upper  and  lower  rollers,  a  –  the  dissipation  coefficient,  characterizes  the  process  of  damping  of  natural 
oscillations in the system, n
5
 and n
6 
- electric motors rotation frequency of the upper and lower rollers, K
r
 – 
the reduction coefficient, takes into account the reduction to the shaft of the adjacent interacting masses, F
4
, 
F
7
 – the band pulling force in a loop device and in the area of the TCO oven treatment respectively. 

94 
 
The  force  of  the  active  roller  which  will  work  on  a  treated  band  is  determined  by  the  following 
formula: 
 
 
                         
υ
r
md
F
dt

, 
                                            (5) 
where: m – the  weight of the active roller, υ – linear speed of the active roller, d/dt – differentiation 
operator.  
The  transmitted  by  the  band  static  moment  given  to  the  rollers  of  the  Pulling  Station  2    during  the 
movement of the active roller is determined by the following formula: 
 
 
 
                                                             
 
a
r
М
r i F

,                                                       (6) 
where: r – the radius of the drum of the active roller, i - the reduction ratio. 
Due to the translational movement of the active roller the formula (4) will be as follows: 
                                   



 




 

5,6
f
5
5
5
a
r
4
5,6
f
6
6
6
a
r
7
60
s5
60
s6
M
F
F
r i
a n
М
К F
M
F
F
r i
a n
М
К F









 







                                (7) 
where: M
a
 – the moment, transferred to the band by the translational movement of the active roller.  
During  the  translational  movement  of  the  active  roller  on  the  motor  shaft  of  the  lower  roller  of  the 
TCO oven there will operate the static moment transferred by the band. 
The  formula  of the resistance  moment  of the  lower roller  of the TCO oven treatment area  will be as 
follows: 
                               



 

s8
7,8
f
8
8
8
r
6
a
60
M
F
F
r i
a n
К F
M
 





                                      (8) 
 
where:  F
7
,
8
  –  band  pulling  force,  which  occurs  between  two  interacting  masses  of  the  TCO  oven 
rollers,  r
8
-  the  lower  roller  radius,  i
8
  -  the  reduction  ratio,  a  -  the  dissipation  coefficient,  characterizes  the 
process of damping of natural oscillations in the system, n
8
 - rotation frequency of the lower roller, F
6
 – the 
band  pulling  force  in  the  Pulling  Station  2;  М
a
  –  the  moment  of  static  resistance  transferred  by  the  band 
during the translational movement of the active roller. 
The structural schemes of mathematical models of electric drives of the Pulling Station 2 and the TCO 
oven treatment area including the effects from the active roller are shown in Figures 2,3. 
 
 
Fig.2. The structural scheme of the mathematical model of electric drives of Pulling Station 
 
The automatic control system (ACS) of the active roller works in the current regulator mode. ACS is 
single-circuit and can be represented by the structural diagram shown  in Figure 4. It presents the following  
data: I – the given current; i
 
-
 
the stator current; W
cr(p)
 – the stator current Pi-regulator; К
cs
 – the coefficient of 
the stator current sensor; К
fc
 – the coefficient of frequency converter; u - the motor stator winding voltage; n 

95 
 
–  the  motor  rotation  frequency  of  the  active  roller,  rot/min;  N  –  the  impulse  strength  of  the  active  roller, 
kg∙m/s; F
r 
– the force acting on a band during the movement of the active roller; К
r 
– reduction coefficient; 
F
j
-  the  given  tension;  F  –  the  actual  tension;  М
m1
,  М
m2
  –  the  moments  developed  by  the  upper  and  lower 
motor  of  the  Pulling  Station  2,  respectively;  М
s1
,  М
s2
  –  the  moments  of  the  static  resistance  applied  to  the 
shaft of the upper and lower roller motors of the pulling station №2, respectively; ε – elongation of the band 
between the rollers of the Pulling Station 2; М
3
 – the  moment transmitted by the band to the rollers  of the 
Pulling Station 2 during the movement of the active roller of the TCO oven treatment area; Т
b
 – reaction time 
of the band. 
 
 
 
Fig.3. The structural scheme of the mathematical model of the TCO oven treatment area 
 
According  to  the  obtained  structural  schemes  in  the  MATLAB  Simulink  package  there  were  built 
seven  simulation  models  of  HZPL  electric  machinery  including  the  movement  of  the  active  roller.  The 
electric drive simulation model of the Pulling Station 2 is shown in Figure 5. 
 
 
 
Fig.4. The structural scheme of ACS of the active roller 
 

96 
 
 
 
Fig.5. Electric drive simulation model of  Pulling Station 2 
 
 
Fig.6. Simulation model of the HZPL middle technological part 
 

97 
 
The  input  values  in  the  model  are:  the  rotation  frequency  of  the  upper  and  lower  roller  motors  of 
Pulling Station 2; the moments of the static resistance applied to the shaft of the active roller motors formed 
by the  difference  of the signals  of the actual 
F
and  given 
1
r
F
tensions; the  moments  of the static resistance 
created  by  the  movement  of  the  active  roller.  The  output  quantities  are  the  moments  of  resistance  of  the 
upper and lower rollers of the pulling station, as well as the moment of the static resistance of M3. 
The  band  pulling  force  oscillograms  before  and  after  the  action  of  the  active  rollers  are  shown  in 
Figures 7,8. 
The  graphs  from  the  top  to  the  bottom  on  the  oscillograms  show  the  band  pulling  force  in  Pulling 
Station 2, in the TCO oven on the treatment area, in the TCO oven on the area with the pulling rollers. 
 
 
 
Fig.7. The band pulling force oscillograms before the action of the active roller 
 
 
 
Fig.8. The band pulling force oscillograms after the action of the active roller 
 

98 
 
The analysis of the oscillograms shows that after the action of the active roller the amplitude decreased 
on 85%. The amplitude of the oscillation-frequency component of the band pulling force is 0.3 kN, which is 
the norm. There was a 45% increase in high-frequency component of oscillations at the end of the process of 
pulling out the band from the loop device. It was connected with the increase of the band tension in the loop 
device in connection with the decrease of its length. Since the high-frequency component is not involved in 
the process of fold formation in the band, the change in its amplitude is neglected. 
Thus, the developed mathematical and simulation models adequately reflect the processes in the band 
treated area in the dynamic mode. 
 
 
REFERENCES 
[1]  Alekseev  V.V.,  Kozyaruk  A.E.,  Zagrivny  E.A.,  Electrical  Machines.  Simulation  of  electrical  machines 
drives  of  mining  equipment.  Textbook.  -  St.  Petersburg  State  Mining  Institute  (Technical  University),  St.  Petersburg, 
2006, 58 
[2]  Dyakonov V., Simulink 5/6/7: Teach-yourself book, 2008
 
[3]  Limonov L.G., Automatic electric drive of the industrial machinery. Karaganda, 2009 
[4]  Yuchshenko  O.,  Experimental  investigations  of  tension  in  the  electro-chemical  heat  treatment  furnace 
system. Proceedings of the University, Karaganda, Kazakhstan, pub.office KSTU, 4 (2008), 77-79 
[5]  Yuсhshenko O., Mathematical models of the electromechanical system of permanent hot zinc-planting line, 
Proceedings of the University, Karaganda, Kazakhstan, 3 (2010), 87-89 
[6]  Yuchshenko O., Wojcik W., Development of electromechanical system of a vertical collector of permanent 
hot zinc-playing line, Informatyka Automatyka Promiary (IAPgos - Informatics Control Measurement in Economy and 
Environment Protection), 3 (2012), 5-8 
[7]  Sharakshane A.S., Zheleznov I.G., Ivnitskii V.A., Complex systems, High school, 1977 
[8]  Sivyakova  G.A.,  The interconnected  electric  drive  of  the  permanent  annealing  unit,  Abstract  dissertation 
for the degree of Kandidat of technical sciences, 6/2/2007, Almaty, AIEC, 2007, p. 24. 
[9]  Svetlichnyi  A.,  Leykovsky  K.,  Information  and  control  systems  in  the  industry,  Modern  automation 
technology, Moscow, (2006), No. 3, 18-26 
[10]  Vydrin V.N., Fedosienko A.S., Automation of rolling mills. Moscow: Metallurgy, 1984 
 
Ющенко Олеся Александровна, Waldemar Wójcik. 
Разработка имитационной модели системы регулирования натяжения полосы в динамических ре-
жимах в линии непрерывного горячего цинкования. 
Резюме. В статье рассматриваются особенности разработки имитационной модели системы автоматиче-
ского регулирования электропривода активного ролика линии непрерывного горячего цинкования. Приводятся 
результаты имитационного моделирования. 
Ключевые слова: усилие натяжения, активный ролик, момент сопротивления, имитационная модель. 
 
Ющенко Олеся Александровна, Waldemar Wójcik. 
Түйіндеме. Бапта үздiксiз ыстық мырыштауды сызықтың белсендi ролигiнiң электр  қозғағышын авто-
матты  реттеудi  жүйенiң  имитациялық  үлгiсiнiң  өңдеуiн  ерекшелiктердi  қаралады.  Имитациялық  пiшiндеудiң 
нәтижелерiн тура келедi. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

99 
Подсекция   
Телекоммуникационные и космические технологии 
ӘОЖ 621.316.726 
Анарбаев А.Е., Молдахметов С.С. докторант, Исембергенов Н.Т. 
Қ.И. Сәтбаев атындағы Қазақ ұлттық техникалық университеті,  
Алматы қ., Қазақстан Республикасы, smsayat@mail.ru 
ИНДУКЦИЯЛЫҚ ҚЫЗДЫРУ ҮШIН КҮШ ИНВЕРТОРДЫҢ БАСҚАРУ ЖҮЙЕСI 
Аңдатпа. Мақалада индукциялық қыздырумен басқару жүйесін әзірлеудің конструкциялық-тәжiрибелiк 
шешiм  көрсетілген.  ATmega32  микроконтроллер  база  құрылысында  әзірленген  басқару  жүйесі  оның  ерекше 
айырмашылығы  болып  табылады.  Микроконтроллердің  функциясында  импульстарды  генерациялаудан 
тысқары жиілікті іріктеу, СКИ (сұйық кристалды индикатор) дисплейге шығару және жұмыстың уақыты кіреді. 
Мақалада  құрылғының  электр  сызбасы,  баспа  платаның  сұлбасы,  микроконтроллердің  программалық 
алгоритмі,  құрылғының  жұмыс  принциптің  сипаттамасы  көрссетілген.  Құрылғы  макетінің  сынақ  нәтижелері 
көрсетілген,  сонымен бірге индукциялық қыздырумен басқаруға  қатысты негiзгi мәселеледің шешiм ұсынысы 
жасалынған. 

жүктеу/скачать

Достарыңызбен бөлісу: