熱平整分切機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)

董國龍，趙 波

1.牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司工程師，黑龍江 牡丹江 157013

2.牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司助理工程師，黑龍江 牡丹江 157013

熱平整分切機(jī)組是熱連軋生產(chǎn)線后續(xù)的精整加工作業(yè)線。用來在常溫狀態(tài)下，將熱軋后的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強(qiáng)度鋼鋼卷進(jìn)行平整或矯直重卷，以提高板材的表面質(zhì)量及機(jī)械性能，或矯正帶鋼卷曲應(yīng)力和翹曲并分成小卷。

1 工藝控制

1.1 主要設(shè)備組成

平整分切機(jī)組由入口鋼卷運(yùn)輸機(jī)、上卷小車、開卷機(jī)、矯直機(jī)、入口側(cè)導(dǎo)裝置、平整機(jī)、液壓分切剪、料頭處理及取樣裝置、檢查臺(tái)、出口側(cè)導(dǎo)裝置、出口張力輥、卷取機(jī)、卸卷小車、出口鋼卷運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備組成。

1.2 工藝控制流程

機(jī)組設(shè)備在操作上分為手動(dòng)及自動(dòng)控制。手動(dòng)控制時(shí)，在操作臺(tái)上人為給定及控制各設(shè)備的單動(dòng)及聯(lián)動(dòng)；自動(dòng)控制時(shí)是根據(jù)HMI中錄入的平整規(guī)程設(shè)定表自動(dòng)控制設(shè)備聯(lián)動(dòng)。

入口鋼卷運(yùn)輸機(jī)將鋼卷通過步進(jìn)的方式，從1#卷位運(yùn)到6#卷位并將帶卷旋轉(zhuǎn)至與卷筒同向。上卷小車將鋼卷送往開卷機(jī)，對(duì)中后，帶卷上到開卷機(jī)卷筒中心，帶頭經(jīng)過入口導(dǎo)板臺(tái)及入口偏導(dǎo)輥進(jìn)入矯直機(jī)。液壓剪入口光電開關(guān)檢得帶頭，液壓剪夾送輥落下，手動(dòng)控制剪切帶頭。

剪切過的帶鋼頭部送過檢查臺(tái)至出口側(cè)導(dǎo)裝置，由出口側(cè)導(dǎo)裝置對(duì)中后進(jìn)入張力裝置；上偏導(dǎo)輥壓下，將帶材頭部通過出口導(dǎo)板臺(tái)導(dǎo)入至卷取機(jī)鉗口處；卷筒鉗口咬住鋼板后，卷筒漲徑，出口導(dǎo)板擺下。卷取機(jī)鉗口夾住帶材卷取兩至三圈后停止、穿帶結(jié)束。

機(jī)組選擇聯(lián)合工作方式。全部輔助設(shè)備手動(dòng)或自動(dòng)回位。

待聯(lián)合啟動(dòng)條件具備后，平整機(jī)AGC系統(tǒng)投入，平整機(jī)由位置閉環(huán)切換到壓力閉環(huán)，在HMI畫面選擇延伸率自動(dòng)控制是否投入；待平整力建立后，按下“建張”按鈕，機(jī)組自動(dòng)建張，CPC對(duì)中裝置投入自動(dòng)工作，由對(duì)中液壓缸給予糾正；機(jī)組聯(lián)合啟動(dòng)并升速到設(shè)定速度。在平整過程中，根據(jù)板形的情況調(diào)整彎輥力及軋輥傾斜。在平整結(jié)束前，平整機(jī)由壓力控制自動(dòng)切換為位置控制。

當(dāng)卷取一定帶卷后，可以進(jìn)行手動(dòng)分切，或按設(shè)定條件自動(dòng)停車分切。注意：必須將機(jī)組工作方式開關(guān)打至分切方式，停車并撤張后，方可剪切。

分切后，重復(fù)前述穿帶、建張、升速啟動(dòng)過程。降速甩尾時(shí)，機(jī)組自動(dòng)減速停車。當(dāng)帶尾轉(zhuǎn)到設(shè)定位置后，卷取機(jī)停車，自動(dòng)或手動(dòng)卸卷。出口鋼卷運(yùn)輸機(jī)通過步進(jìn)方式將鋼卷向后運(yùn)送并旋轉(zhuǎn)方向。運(yùn)送過程中完成稱重、打捆和打印。最后由成品庫吊車吊運(yùn)入庫。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

熱平整分切機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用高性能工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及可編程序控制器（PLC)，自動(dòng)化系統(tǒng)為分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)由三層通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成（見圖1）。

（1）信息控制網(wǎng)

PLC與AGC控制系統(tǒng)、HMI之間通訊采用工業(yè)以太網(wǎng) (EtherNET/IP)網(wǎng)絡(luò)通訊架構(gòu)。其中，EtherNET/IP是一個(gè)既可以進(jìn)行控制操作又可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞的網(wǎng)絡(luò)，能夠充分保證控制設(shè)備之間信息的實(shí)時(shí)交換。通過工業(yè)以太網(wǎng)，HMI將機(jī)組工藝參數(shù)設(shè)定值和對(duì)電氣設(shè)備的控制指令傳送到PLC，再將各設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)、工藝數(shù)據(jù)實(shí)際值、電氣參數(shù)及故障信息，由PLC及AGC系統(tǒng)采集并傳送給HMI。

（2）現(xiàn)場總線層

PLC系統(tǒng)與遠(yuǎn)程I/O站之間采用ControlNet通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，ControlNet是基于有效的Producer/Consumer模式，既可以進(jìn)行信息傳遞還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。作為控制器與I/O設(shè)備之間的高速連接，其最大通訊速率可達(dá)5 Mbps。采用這種現(xiàn)場總線可以節(jié)約大量的控制電纜，縮短現(xiàn)場安裝調(diào)試時(shí)間，便于調(diào)試與維護(hù)；

PLC系統(tǒng)與交流變頻調(diào)速裝置之間采用的是PROFIBUS DP通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過PROFIBUS DP網(wǎng)，自動(dòng)化系統(tǒng)向傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送控制字與給定值，傳動(dòng)系統(tǒng)向自動(dòng)化系統(tǒng)回傳狀態(tài)字及實(shí)際值。PROFIBUS DP網(wǎng)的通訊速率最大為12 Mbps。

（3）設(shè)備層

位置檢測(cè)光電編碼器經(jīng)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與PLC相關(guān)設(shè)備進(jìn)行傳感器設(shè)備級(jí)數(shù)據(jù)的高速訪問，AGC控制器與PLC之間也可以通過DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通訊。

3 主要控制功能

3.1 工作方式的設(shè)置和選擇

（1）工作制選擇

“矯直方式” 矯直機(jī)投入工作，平整機(jī)不工作，矯直機(jī)與開卷機(jī)及卷取機(jī)建立張力，機(jī)組啟動(dòng)后可以建張并升速。

“平整方式” 平整機(jī)投入工作，矯直機(jī)只參與頭部矯直，聯(lián)動(dòng)時(shí)不工作，離合器脫開。平整機(jī)與開卷機(jī)及卷取機(jī)建立張力，機(jī)組啟動(dòng)后可以建張并升速；

圖1 熱平整分切機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖

“檢修” 機(jī)組各單體設(shè)備在只有必要的安全聯(lián)鎖條件下操作；

“換輥” 機(jī)組進(jìn)行換工作輥和支承輥的相關(guān)操作。與換輥相關(guān)的主機(jī)內(nèi)操作必須在此狀態(tài)下進(jìn)行。而與換輥不相干涉的設(shè)備可以正常操作。

（2）工作方式選擇

“穿帶” 可以手動(dòng)進(jìn)行各單體設(shè)備的單動(dòng)調(diào)整及聯(lián)合點(diǎn)動(dòng)穿帶；

“聯(lián)合” 機(jī)組處在聯(lián)合方式且聯(lián)動(dòng)條件具備時(shí)，可以整體聯(lián)合啟動(dòng)，并建張、升速。開始平整或分卷前必須保證各個(gè)相關(guān)設(shè)備處于聯(lián)動(dòng)允許狀態(tài)；

“分切” 當(dāng)卷取的帶鋼達(dá)到規(guī)定長度時(shí)，機(jī)組降速停止，去張。將選擇開關(guān)打到“分切”或“穿帶”方式后，才可以進(jìn)行剪切分卷。在分切完成后，重新穿帶，矯直或平整。

（3）平整機(jī)AGC工作方式選擇

“壓靠” 平整機(jī)進(jìn)行輥縫零點(diǎn)標(biāo)定；

“位置方式” 平整機(jī)進(jìn)行輥縫位置自動(dòng)控制；“壓力方式” 平整機(jī)進(jìn)行壓力自動(dòng)控制。

3.2 自動(dòng)控制功能

（1）自動(dòng)上卷/卸卷

首先通過安裝在測(cè)徑推板上的編碼器測(cè)出來料鋼卷的初始卷徑，通過安裝在上卷小車升降裝置上的光電編碼器計(jì)算出鋼卷的高度中心；通過安裝在上卷小車行走裝置上的光電編碼器及光電管，完成帶材寬度測(cè)量及寬度中心的確定。根據(jù)測(cè)得的寬度中心和高度中心，PLC自動(dòng)計(jì)算出上卷小車在垂直、水平方向的行進(jìn)距離。再由脈沖編碼器自動(dòng)控制使其準(zhǔn)確停止在對(duì)中位置，完成高度及寬度的自動(dòng)對(duì)中；

自動(dòng)卸卷功能與上卷方式相同，都是通過計(jì)算并控制小車行走距離將帶卷自動(dòng)卸到出口鋼卷運(yùn)輸機(jī)鞍座上。自動(dòng)卸卷開始時(shí)，卷取機(jī)壓輥抬起，緩沖輥退回，卷筒縮徑，活動(dòng)支承打開，推板推出并與小車同步將鋼卷卸下，推板返回。小車完全移出卷取機(jī)后，小車上升到最高位，向出口步進(jìn)梁卷位移動(dòng)，當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)到步進(jìn)梁1#卷位時(shí)，下降將鋼卷卸到出口步進(jìn)梁上，并返回卷取機(jī)下方。

（2）帶卷自動(dòng)分切

帶卷自動(dòng)分切卷在HMI中設(shè)定，分三種方式：按重量分切、按長度（或卷徑）分切、平均分卷。

卷取的長度由下偏導(dǎo)輥上安裝的增量型脈沖編碼器通過高速計(jì)數(shù)計(jì)長計(jì)算。卷取的重量通過計(jì)算長度、輸入的帶寬及厚度計(jì)算。

按重量分卷時(shí)，PLC根據(jù)帶鋼的寬度、厚度和長度，實(shí)時(shí)計(jì)算出開卷機(jī)與卷取機(jī)上鋼卷的重量，當(dāng)卷取機(jī)上鋼卷的重量達(dá)到設(shè)定的分切重量時(shí)，根據(jù)機(jī)組當(dāng)前速度，PLC自動(dòng)提前給出機(jī)組降速的命令，使機(jī)組自動(dòng)降速，并準(zhǔn)確停止，然后手動(dòng)撤張，停車。切換到分切方式，開卷及卷取機(jī)的壓輥、緩沖輥落下，由液壓剪進(jìn)行剪切；

按長度分卷是由PLC實(shí)時(shí)計(jì)算出開卷機(jī)與卷取機(jī)上鋼卷的長度進(jìn)行分切；

平均分卷是由PLC根據(jù)來料的厚度和卷徑，自動(dòng)計(jì)算出帶材的總長度，再根據(jù)設(shè)定的分切卷數(shù)，計(jì)算出平均每卷的長度，機(jī)組根據(jù)此長度值完成分切。

（3）自動(dòng)位置控制 （APC）

機(jī)組中用到的自動(dòng)位置控制有平整機(jī)壓下APC控制、自動(dòng)上卸卷的小車位置控制、階梯墊自動(dòng)位置控制、矯直機(jī)張力輥等的輥縫自動(dòng)位置控制等等。

（4）自動(dòng)降速甩尾

當(dāng)卷取到帶尾時(shí)，機(jī)組自動(dòng)計(jì)算開卷機(jī)剩余的帶卷長度，根據(jù)機(jī)組設(shè)定的加速度，提前減速到設(shè)定速度，當(dāng)帶尾離開開卷機(jī)，到達(dá)平整機(jī)前時(shí)機(jī)組自動(dòng)停車。為保證卷取的安全順利完成，減速點(diǎn)的準(zhǔn)確計(jì)算非常重要。

減速點(diǎn)是以使帶尾離開開卷機(jī)時(shí)（留一定安全距離）降為目標(biāo)速度為目的來計(jì)算的。

式中，S—帶鋼減速距離 (mm)；L—安全減速距離(mm)；Vt—帶鋼當(dāng)前線速度 (mm/s)；Vo—常數(shù)，減速目標(biāo)值 (m/s)；a—減速度 (m/s2)。

當(dāng)計(jì)算的開卷機(jī)上帶長小于或等于減速距離時(shí)，系統(tǒng)立刻啟動(dòng)減速甩尾程序，機(jī)組自動(dòng)減速，開卷機(jī)壓輥落下、緩沖輥抬起，入口上偏導(dǎo)輥落下，壓住帶材。

4 結(jié)語

該熱平整分切機(jī)組自動(dòng)化水平較高，其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，功能完善，運(yùn)行可靠，完全能夠滿足用戶的要求。