前言

本課題為河北省自然科學(xué)基金（602073）資助項(xiàng)目，現(xiàn)以北京鋼鐵研究總院安泰科技股份有限公司天津北方900 MS六輥可逆冷軋機(jī)控制系統(tǒng)為例介紹自動(dòng)停車的控制方法的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程。

該軋機(jī)原停車控制完全由人工控制，不僅工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，而且由于現(xiàn)場照明條件及操作人員技術(shù)水平的限制，經(jīng)常造成軋機(jī)在高速運(yùn)行或軋制薄規(guī)格產(chǎn)品時(shí)停車不準(zhǔn)，影響生產(chǎn)正常進(jìn)行，如果減速停車過早，會(huì)使整個(gè)軋制時(shí)間延長，影響軋機(jī)產(chǎn)量;如果減速停車過晚，會(huì)使厚帶咬入軋輥，造成斷帶，且導(dǎo)致設(shè)備損壞，因此迫切需要一種行之有效的解決方案。

經(jīng)過不斷的研究和實(shí)驗(yàn)，我們根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)?zāi)M了一條停車曲線，在生產(chǎn)過程中嚴(yán)格按照這條曲線控制軋線速度，逐漸減速到最后停車，并取得了很好的應(yīng)用效果，下面將詳細(xì)介紹這一方法的實(shí)現(xiàn)過程。

1. 控制系統(tǒng)的硬件組成

MS六輥可逆式冷軋機(jī)是一種新型的板帶軋機(jī)，其特點(diǎn)為中間輥可軸向移動(dòng)，具有板形好，精度高等優(yōu)點(diǎn)，該軋機(jī)的主要設(shè)備組成：主軋機(jī)、左卷取機(jī)、右卷取機(jī)、矯直機(jī)、開卷機(jī)、普通液壓站、工藝潤滑站和AGC站等。主要生產(chǎn)850mm寬、0.2-1.0mm厚的冷軋薄板帶，精度可達(dá)1.5%，最高軋制速度為8m/s，并設(shè)計(jì)大小張力的切換功能，軋制厚帶時(shí)，采用大張力檔，低速軋制（最高速6m/s）;當(dāng)軋制薄帶時(shí)，采用小張力檔，高速軋制。

本套軋機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)一級(jí)主站選用了Siemens公司的s7-300，一級(jí)從站包括2個(gè)Siemens公司的從站ET-200、4臺(tái)意大利ASIRobicon公司生產(chǎn)的全數(shù)字可逆直流傳動(dòng)裝置SPDM;主、從站之間通過Profibus-DP現(xiàn)場總線通訊;二級(jí)上位機(jī)是由1臺(tái)研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成。安裝了組態(tài)軟件InTouch 8.0，人機(jī)界面（HMI）通過Siemens公司的5613卡與PLC主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，用來完成軋機(jī)參數(shù)的顯示和軋制工藝的設(shè)定，主要畫面包括操作員界面、軋制規(guī)程、軋線模擬圖、自診斷和報(bào)警、實(shí)際參數(shù)值顯示等等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理如圖1所示：

圖1

2. 理論基礎(chǔ)及實(shí)現(xiàn)過程

2.1 理論基礎(chǔ)

本停車曲線所依據(jù)的理論基礎(chǔ)是物理學(xué)上關(guān)于速度和加速度的之間換算關(guān)系的公式：vt2-v02=2as。

其中，vt為軋線減速前的最高線速度，v0為減速后的線速度，由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是為了停車，因此最后減速到零。公式演變?yōu)椋簐t2=2as。

把上述公式，融合到要研究的問題中，可以發(fā)現(xiàn)s為減速停車過程中剩余鋼帶的長度，對(duì)于每個(gè)道次，它都是一個(gè)不斷減小，最后到零的值; a為曲線的加速度，可以依據(jù)軋機(jī)的最高速度及工藝要求設(shè)定a為合適的值，做到平滑地減速; 也是一個(gè)在停車過程中逐漸減小到零的值。如果測量出s，就可以求出對(duì)應(yīng)的vt，這樣就可以繪制出一條停車曲線。編寫程序可根據(jù)每時(shí)刻的s求出對(duì)應(yīng)時(shí)刻的vt，送到主軋機(jī)的速度給定上。下文將介紹 的具體測量方法。

2.2 帶鋼長度的測量

為了達(dá)到控制要求，本系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了圈數(shù)計(jì)來測量s，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：增加兩個(gè)光電編碼器，分別安裝在左右卷取電機(jī)上，將編碼器的輸出信號(hào)輸入到高速計(jì)數(shù)器模板，考慮到減速機(jī)的減速比后，就可正確計(jì)算出每道次卷取電機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。由于計(jì)圈對(duì)光電編碼器要求精度不太高，本系統(tǒng)選用德國圖爾克公司生產(chǎn)的每圈為500脈沖的增量式編碼器，選用Siemens公司型號(hào)為：6ES7 350-2AH00-0AE0的高速計(jì)數(shù)模板采集脈沖。

2.3 實(shí)現(xiàn)過程描述

六輥可逆冷軋機(jī)工作過程簡述為：（1）把鋼卷上到開卷機(jī)卷筒上，通過矯直機(jī)將帶頭矯平后，帶鋼穿過主軋機(jī)，纏到右卷取機(jī)卷筒上;（2）通過AGC控制系統(tǒng)將工作輥壓到位后進(jìn)行第1道次開卷軋制;（3）第1道軋制完成后，將開卷卷筒上的帶鋼纏到右卷取機(jī)卷筒上，準(zhǔn)備進(jìn)行第2道次軋制;（4）根據(jù)原料厚度和成品帶鋼厚度要求進(jìn)行反復(fù)可逆軋制，直到軋出成品厚度。根據(jù)軋機(jī)的工作過程，在第1道次軋制過程中，右側(cè)卷取機(jī)編碼器開始計(jì)圈。由于是第1道次軋制，沒有帶鋼的初始圈數(shù)，所以自動(dòng)停車功能禁止使用。第2道軋制開始后，左側(cè)的卷取機(jī)處于卷取狀態(tài)。自動(dòng)停車功能開始投入使用，其計(jì)圈功能只增不減，右側(cè)卷取機(jī)處于開卷狀態(tài)，其計(jì)圈功能只減不增，并以處于開卷狀態(tài)編碼器的計(jì)圈功能來估算帶長。通過程序計(jì)算出每時(shí)刻對(duì)應(yīng)帶長的停車速度V_autostop，并和主軋機(jī)的速度給定作比較，如果V_autostop大于V_ref，V_ref保持不變，如果V_autostop小于V_ref，則將V_autostop 賦值給V_ref 。卷取機(jī)的工作狀態(tài)由主操作臺(tái)上的軋制方向開關(guān)控制，軋制方向選擇向右軋制時(shí)，右卷取機(jī)為卷取狀態(tài)，左卷取機(jī)為開卷狀態(tài);軋制方向選擇向左軋制時(shí)，卷取機(jī)為卷取狀態(tài)，右卷取機(jī)為開卷狀態(tài);在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)校對(duì)編碼器的互差90度兩路脈沖的相位，使之與圈數(shù)增減方向保持一致。

為了實(shí)現(xiàn)工藝要求，分別給高速，中速和低速運(yùn)行階段分配了不同的加速度，速度在3.7m/s以上， 選擇0.14m/s2，速度在3.7-1.8m/s之間， 選擇0.16m/s2，速度在1.8m/s以下， 選擇0.18m/s2，其值由小到大變化，可以保證軋機(jī)在最高速時(shí)平穩(wěn)減速，不會(huì)導(dǎo)致引起張力波動(dòng)，造成斷帶，而且可以保證工作效率。設(shè)定的曲線如圖2所示：

圖2

3. 主要程序編寫

本項(xiàng)目中專門編寫了程序功能塊FC來模擬停車曲線，它設(shè)有自己的輸入輸出參數(shù)，通過改變實(shí)參對(duì)其循環(huán)調(diào)用，使它按公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)帶長s的停車速度V_autostop。程序塊如圖3所示：

圖3

其中，Pulse為編碼器每圈發(fā)出的脈沖數(shù)，Vmax為運(yùn)行的最高線速度，a為設(shè)定的加速度，Diameter為設(shè)定的卷筒卷徑值，S為處于開卷狀態(tài)的編碼器的脈沖數(shù)（用來計(jì)算帶長的信號(hào)），Tmax為大小張切換輸入信號(hào)，Gear_max和Gear_min分別為對(duì)應(yīng)大小張的減速箱的減速比?！跋到y(tǒng)數(shù)據(jù)”為專門存貯數(shù)據(jù)的DB塊。

選用高速計(jì)數(shù)器的前4個(gè)通道輸入編碼器信號(hào)，數(shù)據(jù)采集程序如下：

L 100

T MW 4

CALL “CNT2_CTR”

DB_NO：=MW4

A “FM350-2數(shù)據(jù)”.CHECKBACK_SIGNALS.PARA

JCN END

A “左卷計(jì)圈清零”

= “FM350-2數(shù)據(jù)”.CONTROL_SIGNALS.SW_GATE0

A “右卷計(jì)圈清零”

= “FM350-2數(shù)據(jù)”.CONTROL_SIGNALS.SW_GATE1

A “FM350-2數(shù)據(jù)”.JOB_RD.BUSY

JC RDDO

L 100

T “FM350-2數(shù)據(jù)”.JOB_RD.NO

RDDO： CALL “FC CNT2_RD”

DB_NO ：=MW4

RET_VAL：=MW6

END： BE

其中，F(xiàn)C CNT2_CTR為是為高速計(jì)數(shù)器編寫的控制功能塊，它主要完成初始化數(shù)據(jù)塊，讀取檢測信號(hào)，從數(shù)據(jù)塊中傳輸控制信號(hào)到FM350-2模板。專門編寫數(shù)據(jù)塊DB100，通過對(duì)其調(diào)用，控制高速計(jì)數(shù)器的門控信號(hào)，開啟它的計(jì)數(shù)功能。FC CNT2_RD為高速計(jì)數(shù)器編寫讀取數(shù)據(jù)的功能塊，它主要完成從數(shù)據(jù)塊中讀取數(shù)據(jù)和向數(shù)據(jù)塊中傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。調(diào)用它可以從高速計(jì)數(shù)器模板中讀取計(jì)數(shù)值并存貯在數(shù)據(jù)塊DB100中。

結(jié)束語

實(shí)際生產(chǎn)情況證明，該套系統(tǒng)停車精度高，運(yùn)行穩(wěn)定， 實(shí)用性強(qiáng)， 停車精度控制在15cm以內(nèi)，提高了軋機(jī)的生產(chǎn)效率， 很大程度上減小了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。