鋼卷的自動上卷控制

許強，劉乃鎖，陳秀琴，李浩，馬嵩源

（天津電氣傳動設(shè)計研究所有限公司，天津300180）

1 引言

鋼卷的自動上卷是指通過順序控制和位置閉環(huán)控制，利用上卷小車，將鋼卷從馬鞍座運送至卷筒。 由于自動上卷過程中使用位移傳感器定位，取代了人工上卷時的視覺定位，提高了定位精度，提升了上卷速度。 同時，自動上卷過程中不斷檢測現(xiàn)場信號（位置，壓力），判斷設(shè)備（小車、卷筒、活動支撐）當前狀態(tài)，自動允許與禁止相應動作，保護了設(shè)備，降低了故障率。 本文所述方案及參數(shù)在某鋼廠可逆軋機得到了印證。

2 機械布置及工藝過程

自動上卷相關(guān)的機械設(shè)備布置及上卷過程中上卷小車的位移路徑可由圖1示意。 圖1中，（1）為鋼卷Coil，（2）為卷筒Reel，（3）為鋼卷小車Coil Car，（4）為馬鞍座Coil base，（5）為升 降 油 缸 hydrocylinder，（6）為 行 走 小 輪Wheel，（7）為托輥Supporting roll，（8）為超聲波傳感器Ultrasonic sensor。 上卷小車是鋼卷的運送工具，上卷小車通過2 個動作功能實現(xiàn)對鋼卷的搬運，行走與升降。 行走通過小車底部的小輪完成，小輪由電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)與軌道產(chǎn)生摩擦力后推動小車，其行走的行程范圍即取料位（馬鞍座）與上料位（卷筒）間距離a0。 升降則由位于小車上的兩液壓缸驅(qū)動，其伸縮長度h0即小車升降的行程范圍。

圖1 上卷過程示意圖Fig.1 Coil auto-loaded schematic

在小車行走路徑的上方安裝了超聲波傳感器，用以測算鋼卷的直徑，進而確定小車的升降距離s，控制鋼卷中心能夠?qū)ふ业骄硗仓行摹?/p>

由圖1得出s 的計算公式：

式中:h1為卷筒中心至小車底部距離，小車上升高度不變時為一恒定值；h2為小車托輥中心至小車底部距離，小車上升高度不變時值固定；h（D）為鋼卷中心至小車托輥中心距離，同卷徑相關(guān)，計算值；s 為鋼卷中心至卷筒中心距離，隨h（D）變化。

圖1上所示的小車位置即為實際上卷中小車?？坎y算鋼卷直徑的位置，是小車升降最高位，每次上卷過程小車都要?？看宋唬蔴1，h2在公式計算中作為不變值處理。 此位置在水平方向上也是固定的，即小車行走路線的測量位，距取料位a2，距上料位a1。

3 鋼卷直徑的計算

前面分析到在上卷過程中，需要求出s，s是鋼卷直徑D 的函數(shù)，因此需要預先求出D，同時求出h（D），計算模型如圖2所示。

圖2 卷徑計算模型Fig.2 Model of diameter compute

由幾何關(guān)系，列出下面方程組：

解方程組得：

式中：H 為超聲波傳感器至小車托輥中心距離，小車高度位置相同時為恒定值；r 為小車托輥半徑，設(shè)計固定值；L 為兩小車托輥中心間的距離，設(shè)計固定值；h 為傳感器至鋼卷頂端距離，此值取決于鋼卷直徑的大小，是傳感器檢測出的數(shù)據(jù)。

傳感器采用倍加福UC4000-30GM-IUR2-V15，測量范圍200 mm＜x＜4 000 mm，輸出信號I：4～20 mA，任意直徑（610～2 000 mm）的鋼卷能被傳感器覆蓋測量，測量數(shù)據(jù)能被PLC 采樣，滿足現(xiàn)場需求。

4 自動上卷的順序控制

依照圖3流程步驟，使用依托于Step7 的順序控制軟件S7-Graph 對整個自動上卷過程進行編程。 在編寫程序時，每個步驟除了編寫執(zhí)行動作外，還需要編寫轉(zhuǎn)換條件，S7-Graph根據(jù)此轉(zhuǎn)換條件判斷上一個步驟是否完成，若已完成，則執(zhí)行此步驟，若尚未完成，則繼續(xù)等待。

圖3 順控流程圖Fig.3 Flow chart of sequence control

對各步驟的簡要說明如下。

1)自動上卷過程啟動后，小車從任意位置下降至最低位，小車到達最低位置后，可沿軌道任意行走，不會受到障礙物影響。

2)小車在最低位行走回退至馬鞍座下方。

3)小車上升h0至最高位，頂起預先放置在馬鞍座上的鋼卷，同時達到測量高度。

4)小車向前行走a2至傳感器正下方，鋼卷進入其量程范圍。

5)傳感器測量到距離h，通過式（3）求出D與h（D）。

6)判斷D 值是否合理，正常的鋼卷直徑范圍在610～2 000 mm 之間，若D 值超出范圍，說明傳感器可能存在故障，自動上卷過程不再繼續(xù)。

7)依據(jù)式（1）計算得s，小車下降s 使卷筒與鋼卷同心對準，同時打開活動支撐，卷筒縮徑，為最終推卷提供無障礙通道。

8)小車向前行走a1完成推卷使鋼卷套在卷筒上。

9)卷筒漲徑，支撐鋼卷。

10)小車下降h-s 至最低，活動支撐關(guān)閉，開卷機準備建張，自動上卷過程結(jié)束。

5 小車位置的閉環(huán)控制

在整個自動上卷過程中，多次進行了上卷小車的升降與行走操作，其實每次對小車的位移控制都使用了位置閉環(huán)。 通過位置閉環(huán)，不但能使小車最終精確停靠，還能控制小車速度使其快速、 一次響應位置要求且不造成沖擊，令小車移動精確、穩(wěn)定、快速、高效。

控制中處理器選用的是西門子CPU414-2DP，控制器選擇集成在Step7 中Libraries 的FB41 塊，此功能塊的核心功能是PID 調(diào)節(jié)，該功能塊還有一些輔助功能，我們使用其死區(qū)、限幅功能，見圖4。 FB41 由循環(huán)中斷組織塊OB33 調(diào)用，將OB33 的掃描計算時間設(shè)為50 ms。 這個設(shè)置能夠滿足對位置控制實時性、快速性的要求。

而位移傳感器選擇ELCO 公司絕對多圈編碼器，分辨率4 096/8 192，輸出信號為SSI或Profibus-DP，PLC 讀取雙字數(shù)據(jù)作為反饋信號，使用此高分辨率、 高精度編碼器進行小車位置的測量與反饋為高質(zhì)量的位置閉環(huán)提供了硬件保障。

圖4 控制器結(jié)構(gòu)Fig.4 Controller structure

在位置閉環(huán)控制中，采用的是P 調(diào)節(jié)器，即只激活FB41 的比例調(diào)節(jié)，而不激活積分、微分環(huán)節(jié)。 小車移動速度與位置差的公式近似為

式中：K 為與比例增益Kp成正比的系數(shù)。

當存在位置差時，小車移動，位置差消失時，小車?？浚晃恢貌钶^大時，小車移動加快，位置差減小時，小車移動減慢；位置差為正時，小車前進（上升），位置差為負時，小車后退（下降）。 這正是我們使用時要求的效果。

在實際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，小車移動過快會使操作困難，也增加了發(fā)生事故的可能性。 為了保證小車運動中平穩(wěn)無沖擊，要求小車運行速度v＜100 mm/s，因此在P 調(diào)節(jié)器后增加了限幅器。

同樣在實踐中發(fā)現(xiàn)，運動的物體難免存在一定的慣性，因此位置控制往往是滯后的，這將會造成當實際值接近給定值時，實際值圍繞給定值來回變化，即小車的來回移動，這種超調(diào)與振蕩在工藝上是不允許的。 所以增加死區(qū)功能將P 調(diào)節(jié)器提前關(guān)閉，避免出現(xiàn)過調(diào)節(jié)。

我們已經(jīng)分析了閉環(huán)控制的一些共性，這適用于小車的升降和行走，下面再結(jié)合其各自的特點分別予以討論。

5.1 小車升降控制

升降控制采用比例閥操控升降液壓缸，通過調(diào)節(jié)比例閥開口度，控制液壓缸的流速，從而控制升降快慢。比例閥采用Vickers 外置放大板型，比例閥型號KDG5V-7-33C170N100-EM-U-H1-10，放大板型號EEA-PAM-523-A-32，控制信號U：±10 V。 放大板將此輸入信號轉(zhuǎn)化成電流信號后作用于比例閥電磁鐵，調(diào)整其開口度。 比例閥流量與增益曲線見圖5。

圖5 比例閥特性曲線Fig.5 Characteristics curves of proportional control valve

設(shè)比例閥流量增益為Kv，從圖5上觀察曲線是非線性的，因此Kv是曲線上各點的切線斜率。 而根據(jù)前面分析工藝對系統(tǒng)的要求必須是線性的，即Kv是常數(shù)。 依據(jù)控制電流大小進行3 段擬線性化：0～20%，20%～40%，40%～100%。對于第1 段，流量非常小，且Kv接近于零，達不到控制目的； 對于第3 段因流量太大不能滿足v＜100 mm/s 的要求，因此控制中利用第2段特性。 由式（4）令v=vmin=10 mm/s，sset-sact=z=8 mm（不發(fā)生振蕩超調(diào)同時能保證精確?？康膙min與z，實驗測得）求得K，再根據(jù)K=Kp×Kv×C1求得Kp，其中C1為與流體管路相關(guān)的常數(shù)。 控制器各參數(shù)設(shè)置為Kp=200，Tn=0，z=0.005×h0，B=40%。

5.2 小車行走控制

由于現(xiàn)在大部分可逆軋機都安裝了CPC裝置，在開卷軋制中CPC 裝置能夠完成鋼卷寬度方向上的對中，所以此軋機上卷過程沒有寬度對中要求，故而小車的行走動作只是實現(xiàn)對幾個固定位置（鞍座、傳感器、卷筒）的追蹤。

行走控制是由變頻裝置操控變頻電機，通過改變電機輸入頻率從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，最終控制小車的移動速度。 變頻器采用西門子MM440系列，控制方式為V/f，通過Profibus-DP 協(xié)議從中央控制器CPU414-2DP 接收控制字、 速度給定等重要指令。 由于轉(zhuǎn)速與頻率特性曲線基本為線性，因而不需要進行分段線性化，Kv為常值，依據(jù)式（4）按照同樣的方法求解K（v=vmin=10 mm/s，sset-sact=z=8 mm），再由K=Kp×Kv×C2求得Kp=50，C2是與小車減速箱速比、車輪輪徑相關(guān)的固定值。

6 結(jié)論

自動上卷技術(shù)在可逆軋機上得到了實驗驗證，設(shè)計方案滿足生產(chǎn)工藝要求。 大大加快了生產(chǎn)速度，提高了產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量；1 a 多來系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性高。

[1] 馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.