孔型軋制生產(chǎn)線中推床的PLC控制

黃穎，陳新奎，季寶偉，呂正南

（1.天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津300180；2.SEW－工業(yè)減速機(jī)（天津）有限公司，天津300457；3.揚(yáng)州誠德鋼管有限公司，江蘇 揚(yáng)州225200）

孔型軋制工藝的特殊性（即將截面為方形的鋼坯料，軋制成截面為圓形并符合工藝要求尺寸）決定了推床是孔型軋制生產(chǎn)線中必不可少的組成部分?？赡孳垯C(jī)的前后各設(shè)有一對(duì)推床，其基本功能是推動(dòng)鋼坯使其根據(jù)不同軋制規(guī)程需要對(duì)準(zhǔn)主機(jī)的不同孔型，并在軋制過程中保證坯料能順利通過軋機(jī)，防止頂鋼現(xiàn)象。對(duì)于可逆孔型軋機(jī)，在不同道次的軋制過程中，若方形鋼坯未能對(duì)準(zhǔn)要求的軋機(jī)過孔，將使得鋼坯截面形狀錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鋼坯表面出現(xiàn)軋制產(chǎn)生的壓痕，最終導(dǎo)致鋼坯扭轉(zhuǎn)直至無法軋制。為保證鋼坯在軋制過程中每道次能經(jīng)過工藝要求的孔型軋制并且經(jīng)軋制的鋼坯截面形狀正確，需控制推床同步及推床電機(jī)力矩。采用以速度閉環(huán)加位置PID調(diào)節(jié)的控制方案來實(shí)現(xiàn)機(jī)前機(jī)后推床的同步功能；以電機(jī)力矩曲線控制方案實(shí)現(xiàn)推床矯直及正常送鋼功能。經(jīng)某圓鋼生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，效果滿意。

1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成

在孔型軋制生產(chǎn)線中，推床主要用于移動(dòng)軋件，使軋件對(duì)準(zhǔn)軋輥孔型并順利通過軋機(jī)，也可對(duì)軋件進(jìn)行矯直。該現(xiàn)場推床設(shè)備機(jī)械布置如圖1所示。

圖1 推床機(jī)械設(shè)備布置圖Fig.1 Layout of manipulator

圖1中，可逆軋機(jī)的前后各設(shè)有一對(duì)推床，布置在輥道的兩側(cè)，分別稱之為機(jī)前傳動(dòng)側(cè)推床、機(jī)前操作側(cè)推床，機(jī)后傳動(dòng)側(cè)推床、機(jī)后操作側(cè)推床。機(jī)前、機(jī)后分別由獨(dú)立的兩部分組成，每部分推床設(shè)備由電機(jī)、制動(dòng)器、同步裝置、減速機(jī)、傳動(dòng)絲桿絲母、推床導(dǎo)板、框架和導(dǎo)向裝置構(gòu)成。此現(xiàn)場應(yīng)用中每塊推板由機(jī)械同步的2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

機(jī)械同步連接的2臺(tái)電機(jī)一臺(tái)安裝有絕對(duì)值型編碼器，另一臺(tái)安裝有增量式編碼器。推床是通過控制推床導(dǎo)板后連接的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)控制推板進(jìn)退直線方向運(yùn)動(dòng)的。

圖2為該現(xiàn)場實(shí)際推床控制系統(tǒng)的PLC系統(tǒng)基本配置圖。

圖2 推床控制系統(tǒng)PLC組成圖Fig.2 The composing of manipulator PLC control system

圖2中，推床的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用德國西門子全數(shù)字調(diào)速裝置SIMOREG－6RA70。PLC控制部分采用西門子公司的S7－400控制器，執(zhí)行推床的速度給定、位置閉環(huán)以及同步控制運(yùn)算。

S7－400控制器通過以太網(wǎng)與人機(jī)界面通訊，對(duì)推床數(shù)據(jù)進(jìn)行清零、校準(zhǔn)、顯示等操作?？刂破魍ㄟ^PROFIBUS DP通訊協(xié)議與傳動(dòng)全數(shù)字裝置通訊，實(shí)現(xiàn)鋼坯矯直，固定鋼坯不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)等功能，完成控制系統(tǒng)邏輯運(yùn)算、機(jī)械設(shè)備保護(hù)；現(xiàn)場主操作臺(tái)設(shè)有推板操作控制鈕，此操作臺(tái)也是通過PROFIBUS DP通訊協(xié)議與S7－400控制器通訊。

S7－400控制器系統(tǒng)通過絕對(duì)值編碼器信號(hào)輸入模板，將推床電機(jī)后的絕對(duì)值式編碼器信號(hào)接入，經(jīng)運(yùn)算處理后可以用來檢測推板實(shí)際位置，并參與推床同步調(diào)節(jié)及人機(jī)界面交互；S7－400控制器系統(tǒng)通過開關(guān)量模板將機(jī)械保護(hù)限位等信號(hào)接入控制系統(tǒng)，可控制推板的正常工作行程，防止推床超行程工作。

2 控制方案

推床在整個(gè)軋制過程中，盡管電機(jī)參數(shù)，機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)，編碼器類型均相同，全數(shù)字裝置的速度給定相同，但是在機(jī)前帶載機(jī)后不帶載的工況下，機(jī)前機(jī)后推床必將存在明顯不同步的現(xiàn)象，如果此時(shí)單側(cè)的機(jī)前推床和機(jī)后推床同步性能很差，將無法保證鋼坯能順利進(jìn)入軋機(jī)，也能產(chǎn)生頂鋼現(xiàn)象；如推床在整個(gè)工作過程中無力矩控制極容易導(dǎo)致軋件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，也無法實(shí)現(xiàn)矯直功能，進(jìn)而直接影響整塊坯料軋制或成品質(zhì)量。

2.1 推床同步控制方案

根據(jù)推床同步控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，主要是保證機(jī)前機(jī)后推床的位置同步，現(xiàn)提出以機(jī)前推床位置值為基準(zhǔn)，機(jī)后推床位置應(yīng)用PID調(diào)節(jié)器控制的策略。機(jī)后推床同步控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 推床同步控制框圖Fig.3 Manipulator synchronization control block diagram

圖3主要由4部分組成，其中Ⅰ為機(jī)后推床位置基準(zhǔn)設(shè)定環(huán)節(jié)，Ⅱ?yàn)闄C(jī)后推床位置檢測環(huán)節(jié)，Ⅲ為機(jī)后推床位置調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，Ⅳ為機(jī)后推床控制對(duì)象環(huán)節(jié)。

1）機(jī)后推床位置基準(zhǔn)設(shè)定環(huán)節(jié)Ⅰ。本環(huán)節(jié)中最終得出的結(jié)果值S1為機(jī)前推床的實(shí)際位置值。PLC控制器將機(jī)前推床絕對(duì)式編碼器數(shù)值N1經(jīng)函數(shù)變換器G進(jìn)行變換，通過清零校準(zhǔn)等處理得出推床實(shí)際位置值S1。

2）機(jī)后推床位置檢測環(huán)節(jié)Ⅱ。本環(huán)節(jié)中最終得出的結(jié)果值S2為機(jī)后推床實(shí)際位置值。PLC控制器采用與處理機(jī)前推床編碼器相同的方式來處理機(jī)后推床絕對(duì)式編碼器讀數(shù)，經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)作為機(jī)后推床的實(shí)際位置值S2。

3）機(jī)后推床位置調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)Ⅲ。機(jī)前推床的基準(zhǔn)值S1與S2進(jìn)行比較。如果兩信號(hào)完全相等，即S1＝S2，則ΔS＝0，不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。否則，就用ΔS作為調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)。

從整個(gè)系統(tǒng)的快速性方面來考慮，調(diào)節(jié)器需采用比例調(diào)節(jié)；從系統(tǒng)的精度方面考慮，調(diào)節(jié)器需采用積分環(huán)節(jié)，所以針對(duì)此系統(tǒng)特點(diǎn)選用了比例積分調(diào)節(jié)器。當(dāng)機(jī)前機(jī)后推床位置出現(xiàn)偏差時(shí)，位置調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)產(chǎn)生變化，輸出一個(gè)偏差信號(hào)v0，通過v0與機(jī)后推床實(shí)際速度給定量v1進(jìn)行綜合，用來改變機(jī)后推床的速度，最終消除機(jī)前機(jī)后位置差的產(chǎn)生。

4）機(jī)后推床控制對(duì)象環(huán)節(jié)Ⅳ。推床位置變化是通過控制推床后電機(jī)速度變化實(shí)現(xiàn)的，速度給定公式如下：

式中：v1為機(jī)前推床速度實(shí)際值；v2為機(jī)后推床速度給定；v0為PID控制器的輸出；ΔS為機(jī)前機(jī)后推床位置差。

同步調(diào)節(jié)后實(shí)際工作波形如圖4所示。PLC控制器將速度給定值v2傳到速度控制裝置SC中，并且推床驅(qū)動(dòng)電機(jī)后所安裝的增量式編碼器信號(hào)直接輸入傳動(dòng)全數(shù)字裝置，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的閉環(huán)控制。最終實(shí)現(xiàn)推床的位置同步功能。

圖4 同步調(diào)節(jié)后實(shí)際工作波形Fig.4 Curves of the actual work after synchronization regulation

2.2 推床力矩控制方案

在孔型軋制的整個(gè)過程中，因?yàn)閾Q孔操作，矯直操作和軋件送入孔型都在機(jī)前操作，所以對(duì)于機(jī)前傳動(dòng)側(cè)推板和操作側(cè)推板在上述3種情況下所受到的力是不同的，因此要進(jìn)行推板電機(jī)力矩大小的控制。圖5為機(jī)前兩側(cè)推板電機(jī)力矩控制曲線。

圖5 推床力矩控制曲線Fig.5 Manipulator torque control curves

圖5中，M0為電機(jī)啟動(dòng)力矩，M1為帶載時(shí)允許最小力矩，M2為帶載時(shí)允許最大力矩，M3為矯直用電機(jī)力矩。設(shè)定推板從0到t1過程中推板空載運(yùn)行，電機(jī)力矩給定為t時(shí)推床電機(jī)啟動(dòng)力矩給定；當(dāng)t從t1到t2過程中，兩推板與鋼坯接觸，為了使鋼坯能向一側(cè)移動(dòng)對(duì)準(zhǔn)孔型，所以此時(shí)一側(cè)推床產(chǎn)生推力作用，另一側(cè)推床產(chǎn)生阻力作用，力矩給定按照曲線所示M＝β（x）函數(shù)給定（即基于模糊控制的電機(jī)轉(zhuǎn)矩與推板受力的函數(shù)關(guān)系）；當(dāng)t到達(dá)t2時(shí)認(rèn)為推床投入矯直功能，電機(jī)力矩給定為鋼坯矯直時(shí)所需的電機(jī)力矩給定。由上述分析可以看出選擇正確的力矩控制曲線也是推床控制的關(guān)鍵。

3 提高控制系統(tǒng)精度的方法

由上述論述可以看出，推板同步控制性能和電機(jī)力矩控制的好壞會(huì)直接影響現(xiàn)場軋制效果和成品合格率。保證推床同步控制的精度，主要依靠如下兩方面因素。

1）絕對(duì)式編碼器的選擇。絕對(duì)式編碼器可產(chǎn)生一串?dāng)?shù)據(jù)鏈，為每個(gè)軸的位置提供獨(dú)一無二的編碼數(shù)字值。該應(yīng)用現(xiàn)場選擇了精度較高的絕對(duì)值式編碼器?？墒箍刂破髦苯幼x到推床絲桿絕對(duì)位置值，經(jīng)函數(shù)運(yùn)算等處理后參與系統(tǒng)同步控制。

2）推床同步調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。選用同步調(diào)節(jié)器的目的是使系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，精度高，所以如果正確選用了比例系數(shù)和積分時(shí)間，就能達(dá)到理想的效果。

4 結(jié)論

此推床控制系統(tǒng)方案已在項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用，控制效果優(yōu)良。利用本方案后，推床的整個(gè)生產(chǎn)同步效果理想，系統(tǒng)整體響應(yīng)時(shí)間也達(dá)到軋鋼生產(chǎn)線自動(dòng)生產(chǎn)的工藝要求。

本控制方案簡單、實(shí)用、可靠性高。該控制方案的成功應(yīng)用對(duì)軋鋼廠新建推床系統(tǒng)或舊設(shè)備改造，以及其他有類似機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)的應(yīng)用，具有一定的參考價(jià)值。

［1］丁修堏.軋制過程自動(dòng)化［M］.第2版，北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

［2］李鳳仁，武玉新，于寶琦.推鋼機(jī)系統(tǒng)的同步控制［J］.基礎(chǔ)自動(dòng)化，2001，8（2）：22－25.