摘要：為了解決冷軋帶鋼生產(chǎn)中的帶材跑偏問題,簡述了帶材自動糾偏系統(tǒng)控制基本原理,詳細(xì)介紹了由西安重型機(jī)械研究所設(shè)計成套的帶材CPC 電液伺服控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計,通過該系統(tǒng)在由西安重型機(jī)械研究所設(shè)計成套的冷軋機(jī)組中的應(yīng)用,證明了該設(shè)計的可行性。自調(diào)試成功投入生產(chǎn)以來,系統(tǒng)性能可靠,控制精度高,極大地提高了勞動生產(chǎn)率。
關(guān)鍵詞：自動糾偏 中心位置控制 電液伺服

1 引言

在軋鋼生產(chǎn)中由于來料、機(jī)械等各種因素的影響,帶材開卷送入軋機(jī)、平整機(jī)時總會造成跑偏,為了保證產(chǎn)品質(zhì)量及滿足正常生產(chǎn)加工的需要,就要使用開卷機(jī)帶材對中CPC (center position cont rol) 糾偏系統(tǒng)。CPC 糾偏系統(tǒng)用于控制帶材位置,以避免因來料卷層不齊而造成的開卷機(jī)軋制、平整時板形變化和不易升速的弊端,通過自動調(diào)節(jié)來消除偏差,使帶材中心位置始終保持在軋制中心線位置,并使卷取帶卷整齊。

由西安重型機(jī)械研究所(以下簡稱西重所) 設(shè)計成套的4 ,6 輥可逆冷軋機(jī)組和4 輥平整機(jī)組中,為了使帶材開卷后準(zhǔn)確地送入軋機(jī),通常在開卷側(cè)都安裝有對中糾偏裝置,對帶材位置的偏差進(jìn)行糾正,實現(xiàn)開卷CPC 控制。有效地解決了帶材跑偏的問題,減少了斷帶次數(shù),對于提高機(jī)組速度、增加產(chǎn)量、提高勞動生產(chǎn)率取得了顯著的效果。

西重所在軋機(jī)、平整機(jī)機(jī)組中實現(xiàn)開卷機(jī)CPC 控制大多選用國外成套對中糾偏裝置產(chǎn)品,這些產(chǎn)品相對主軋機(jī)為一套獨立的控制設(shè)備且性能可靠、控制精度高,能很好地實現(xiàn)控制要求。但在給某企業(yè)設(shè)計成套的4 輥粗中軋機(jī)組中采用了基于主機(jī)PLC 控制器的CPC 控制系統(tǒng),這套系統(tǒng)不但節(jié)約了成本而且響應(yīng)快、精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好,可完全替代進(jìn)口設(shè)備。

2 設(shè)備組成及控制原理

由西重所自主設(shè)計制造的4 輥粗中軋機(jī)組開卷CPC 系統(tǒng)主要由液壓缸,伺服比例閥、高頻光電檢測系統(tǒng)、PLC 控制器、磁致伸縮位置傳感器、液壓設(shè)備等組成。是一種全閉環(huán)電液伺服控制系統(tǒng)。CPC 控制功能由PLC 完成。其主要控制原理是將帶材位置的檢測信號和開卷機(jī)的油缸位置反饋信號送至PLC ,進(jìn)行PID 運算后,輸出信號控制開卷機(jī)機(jī)座油缸比例伺服閥,使雙柱頭開卷機(jī)移動以控制帶材中心位置。圖1 為4 輥粗中軋機(jī)組開卷機(jī)及CPC 系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖
開卷CPC 控制系統(tǒng)中,開卷位移傳感器選用的是KYCM 系列磁致伸縮線型位移傳感器。其主要是由測桿、電子艙和套在測桿上的非接觸的磁環(huán)組成。測桿內(nèi)裝有磁致伸縮線(波導(dǎo)絲) ,測桿由不導(dǎo)磁的不銹鋼管組成,可靠地保護(hù)了波導(dǎo)絲。工作時,由電子艙的電子電路產(chǎn)生一起始脈沖,此起始脈沖在波導(dǎo)絲中傳輸時,同時產(chǎn)生一沿波導(dǎo)絲方向前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場,當(dāng)這個磁場與磁環(huán)中的永久磁場相遇時,產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng),使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動,這一扭動被安裝在電子艙內(nèi)的測能機(jī)構(gòu)所感應(yīng)并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖,通過電子電路計算出兩個脈沖之間的時間差,即可精確測出被測體的位移。

CPC 比例伺服閥選用的是atos 的DL KZOTE 型高性能伺服比例閥。該閥內(nèi)配有集成的電子放大器,比例閥與電子放大器配合工作。電子放大器輸出電流信號控制比例閥輸出使之與供給電子放大器的輸入信號相對應(yīng),以此來控制閥芯位置,同時由閥內(nèi)裝輸出檢測裝置的作用,實現(xiàn)對閥的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。

選用了HFGY 60 型高頻光電檢測系統(tǒng)作為帶材運動中的位置跑偏檢測,檢測到的信號供對中位置控制(CPC) 糾偏用。該系統(tǒng)包括熒光燈高頻專用電源,熒光燈光源箱和檢測器箱3 個裝置。在開卷時熒光燈管光源發(fā)出高頻閃爍燈光,當(dāng)帶材置于光路中時,檢測器箱內(nèi)透鏡組將帶材遮掩后的光會聚到光敏元件,光敏元件的信號電壓經(jīng)色度補(bǔ)償選頻放大,帶通濾波器濾波及信號電壓整形,最后輸出穩(wěn)定的,抗干擾性能強(qiáng)的電壓(電流) 控制信號作為帶材實際位置信號輸入到PLC。

3 控制系統(tǒng)軟硬件組成及設(shè)計

3. 1 硬件組成

4 輥粗中軋機(jī)組的電氣自動化控制系統(tǒng)硬件主要采用了西門子S7 300 系列PLC 控制器,CPU 選用了318 2DP 型,開卷CPC 控制系統(tǒng)的邏輯順序控制及數(shù)據(jù)處理輸出均由主CPU 控制完成。選用了SM321 開關(guān)量輸入模塊, SM322開關(guān)量輸出模塊, SM331 模擬量輸入模塊,SM332 模擬量輸出模塊。開關(guān)量輸入輸出模塊用于控制電磁換向閥的通斷,模擬量輸入輸出模塊用于對位移量數(shù)據(jù)的采集及對比例閥的控制輸出。圖2 為PLC 硬件控制簡圖。

圖2 PLC 硬件控制簡圖
3. 2 軟件組成

開卷CPC 控制PLC 控制軟件中編程語言為STEP7 。STEP7 是用于SIMA TIC S7 300/ 400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件,是西門子公司開發(fā)用于S7 300/ 400PLC 的編程語言,可使用梯形邏輯、功能塊圖或語句表。可以在Windows 環(huán)境下實現(xiàn)硬件配置、參數(shù)設(shè)置、編程、測試、啟動、故障診斷等功能。

在程序控制設(shè)計中采用了西門子用于S7 300/ 400 的標(biāo)準(zhǔn)軟件PID 控制包的連續(xù)控制的控制塊FB41 CON T_C。FB41 為連續(xù)控制的PID功能塊,用于控制連續(xù)變化的模擬量[1 ] ,在系統(tǒng)中完成對比例閥的調(diào)節(jié)控制,每次調(diào)用需分配一個背景數(shù)據(jù)塊。本文對FB41 功能塊中主要輸入輸出接口功能作如下簡介。

COM_RST : 調(diào)節(jié)器輸入BOOL 型,當(dāng)該位TURE 時, PID 執(zhí)行重新啟動功能,復(fù)位PID 內(nèi)部參數(shù)到默認(rèn)值。通常在系統(tǒng)重啟動時執(zhí)行一個掃描周期,或在PID 進(jìn)入飽和狀態(tài)需要退出時用這個位。

SP_INT:調(diào)節(jié)器輸入REAL 型,PID 的給定值。
PV_IN :調(diào)節(jié)器輸入REAL 型, PID 的反饋值。
MAN : 調(diào)節(jié)器輸入REAL 型, 手動值, 由MAN_ON 選擇有效。
GAIN :調(diào)節(jié)器輸入REAL 型,比例增益設(shè)置。
TI :輸入TIME ,調(diào)節(jié)器積分時間設(shè)置。
TD :輸入TIME ,調(diào)節(jié)器微分時間設(shè)置。
LMN :TIME 輸出REAL 型,PID 控制器輸出。

3. 3 控制方式

開卷CPC 控制系統(tǒng)根據(jù)工藝分為手動、自對中及自動3 種控制方式。由于4 輥粗中軋機(jī)開卷機(jī)是雙柱頭結(jié)構(gòu),由2 個油缸組成,因此在每個油缸裝有1 個位移傳感器分別檢測出傳動側(cè)和操作側(cè)油缸位置以進(jìn)行上卷手動及自對中操作時油缸的定位控制。當(dāng)開卷機(jī)CPC 控制在手動方式時,電磁球座閥切斷,使2 個油缸獨立,通過PLC 輸出控制相應(yīng)的電磁換向閥,使2 個油缸可分別帶動雙柱頭開卷機(jī)向傳動側(cè)或操作側(cè)單獨運動。當(dāng)開卷機(jī)CPC 控制在自對中和自動方式時,電磁球座閥打開,使2 個油缸串聯(lián),通過PLC 輸出控制相應(yīng)的電磁換向閥,控制主油路的通斷及對中油缸液壓鎖的開閉。同時對中油缸的動作由比例伺服閥來控制。自對中方式下,油缸內(nèi)的磁致伸縮位移傳感器測得油缸實際位置信號輸入到PLC與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較,經(jīng)過PID 調(diào)節(jié)器輸出調(diào)偏信號控制比例伺服閥,驅(qū)動油缸向軋線中心位置移動。圖3 為自對中方式下系統(tǒng)控制框圖,其中S1為自對中時開卷機(jī)對中位置, f 1 為位移傳感器檢測到的開卷機(jī)實際位置。