大型軋機(jī)數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)的開發(fā)

張尚斌 徐學(xué)東 楊 磊 盛愛軍

(1.中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司重型機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，四川610052 2.中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司裝備制造工藝研究所，四川618000)

隨著市場(chǎng)需求的不斷發(fā)展，客戶對(duì)各種類型的板材需求急劇增長(zhǎng)的同時(shí)，也對(duì)板材的品種、材質(zhì)和精度提出了更高的要求。為滿足這樣的需求，就必須運(yùn)用新技術(shù)建造新的冷軋生產(chǎn)線或者對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)線進(jìn)行相應(yīng)的改造。在對(duì)新生產(chǎn)線或改造生產(chǎn)線進(jìn)行正式投產(chǎn)工作之前，必須進(jìn)行有關(guān)的軋制試驗(yàn)，但由于板材軋制過(guò)程的連續(xù)性和工藝的復(fù)雜性，在實(shí)際軋機(jī)上的操作不僅困難而且代價(jià)昂貴。因此，如果建立一個(gè)大型軋機(jī)數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)來(lái)代替實(shí)際軋機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，不僅能降低研究試驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)、縮短試驗(yàn)周期，還能比較全面地分析軋制過(guò)程中的各種特性。

軋機(jī)的數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)，是將現(xiàn)場(chǎng)軋機(jī)系統(tǒng)中的機(jī)架輥系系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，以數(shù)學(xué)模型的形式數(shù)字化為計(jì)算模型。通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)字交換功能，使上位機(jī)中的操作數(shù)據(jù)與邏輯控制部件PLC相連，實(shí)現(xiàn)軋制過(guò)程的數(shù)據(jù)回路，以實(shí)現(xiàn)大型軋機(jī)冷連軋自動(dòng)控制過(guò)程中的軋制規(guī)程預(yù)設(shè)定、軋機(jī)初始參數(shù)設(shè)定、軋制全過(guò)程的板形、板厚動(dòng)態(tài)模擬等功能。

本文通過(guò)在MATLAB/Simulink中建立軋輥，液壓缸位置調(diào)整，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)靜張力調(diào)整，實(shí)際輥縫形狀等模型，并且在WinCC6.0組態(tài)人機(jī)交互監(jiān)控界面的基礎(chǔ)上，利用西門子S7-300PLC進(jìn)行設(shè)備間組網(wǎng)，完成了板形板厚的預(yù)設(shè)定、穿帶張力調(diào)整和板形板厚動(dòng)態(tài)調(diào)整等功能。

1 大型軋機(jī)數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)的組成

大型軋機(jī)數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)的構(gòu)成如圖1所示。軋機(jī)系統(tǒng)雖然是一個(gè)復(fù)雜的多變量、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，但本文所建立的軋機(jī)數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)主要由以下三部分構(gòu)成：

(1)人機(jī)交互監(jiān)控界面：采用西門子公司的WinCC6.0組態(tài)軟件建立，可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)參數(shù)錄入、軋制規(guī)程預(yù)設(shè)定、軋制全過(guò)程監(jiān)控、越線報(bào)警、軋制過(guò)程參數(shù)的報(bào)表輸出和相關(guān)控制模型的自適應(yīng)等功能。

(2)MATLAB/Simulink平臺(tái)下的軋機(jī)數(shù)字化系統(tǒng)：發(fā)揮Simulink的優(yōu)勢(shì)，用數(shù)學(xué)模型組建了符合實(shí)際板材軋制過(guò)程的液壓缸位置調(diào)整模型，主電機(jī)傳動(dòng)模型，動(dòng)靜張力控制模型，冷連軋板厚調(diào)整模型，輥縫調(diào)整模型，實(shí)現(xiàn)軋機(jī)的數(shù)字化。

(3)S7-300PLC數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)：主要完成WinCC6.0與Simulink之間的數(shù)據(jù)通信和邏輯判斷功能。

圖1 大型軋機(jī)數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)的結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of digital semi-physical simulation platform for heavy mill

圖2 大型軋機(jī)數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)流程Figure 2 Data flow of digital semi-physical simulation platform for heavy mill

2 大型軋機(jī)數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)流

本仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)流如圖2所示。

在對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行冷連軋過(guò)程模擬的操作中，首先進(jìn)行參數(shù)的錄入，主要包括材料參數(shù)如材料初始厚度、寬度及材料物理特性等的輸入和軋機(jī)參數(shù)如軋輥直徑、軋制負(fù)荷限制及電機(jī)額定功率等的輸入。

其次，完成軋制規(guī)程的計(jì)算和優(yōu)化。平臺(tái)為軋制規(guī)程提供了不同壓下分配系數(shù)的常規(guī)算法和智能算法的優(yōu)化，選擇所需優(yōu)化算法初步完成各機(jī)架入口厚度、出口厚度、壓下率等參數(shù)計(jì)算；進(jìn)而進(jìn)行附加參數(shù)的計(jì)算如液壓缸位移設(shè)定值、軋制力設(shè)定值和張力設(shè)定值等；同時(shí)利用軋制力、軋制功率等主要軋機(jī)設(shè)備參數(shù)對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行判斷確認(rèn)，在滿足條件的情況下繼續(xù)選擇完成板形分配計(jì)算求出板形控制的預(yù)設(shè)定參數(shù)如各機(jī)架彎輥力和竄輥量設(shè)定值等。

最后，通過(guò)已組態(tài)的S7-300PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)WinCC6.0組態(tài)的監(jiān)控界面系統(tǒng)與MATLAB/Simulink的數(shù)據(jù)通信，將之前求得的參數(shù)傳輸至Simulink建立的數(shù)字化虛擬軋機(jī)，作為軋制過(guò)程參數(shù)的初始設(shè)定值；此外S7-300PLC也將采集的過(guò)程實(shí)際參數(shù)反饋給WinCC6.0組態(tài)的監(jiān)控界面系統(tǒng)。

3 基于S7-300PLC的工業(yè)以太網(wǎng)建立

文中以WinCC6.0組態(tài)人機(jī)交互監(jiān)控界面，采用S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向數(shù)字化軋機(jī)輸出控制，同時(shí)又是以Simulink模塊化搭建的數(shù)字化軋機(jī)作為控制對(duì)象，因此要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的流通就要解決WinCC與PLC、PLC與Simulink之間的通訊問(wèn)題。

3.1 上位機(jī)與PLC之間的通訊

上位機(jī)中的控制參數(shù)，將以WinCC的外部變量形式與PLC通訊，這一過(guò)程主要通過(guò)上位機(jī)中的通訊驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先，通訊接口驅(qū)動(dòng)器向PLC發(fā)出命令請(qǐng)求，然后再?gòu)腜LC中將相應(yīng)的過(guò)程值反饋回上位機(jī)。

WinCC6.0系統(tǒng)中集成了SIMATIC S7 Protocol Suite通訊驅(qū)動(dòng)模塊，用戶可選擇TCP/IP通道與西門子公司的S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。在使用S7-300 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊之前，需要對(duì)其進(jìn)行硬件組態(tài)，并事先定義好傳輸變量所用的物理地址；然后在上位機(jī)中激活通訊驅(qū)動(dòng)器SIMATIC S7 Protocol Suite，在通訊接口中設(shè)置WinCC外部變量的通訊地址，此地址要與PLC中的傳輸變量地址相對(duì)應(yīng)；最后啟動(dòng)通訊接口程序Set PG/PC Interface，對(duì)上位機(jī)中的以太網(wǎng)網(wǎng)卡進(jìn)行診斷，在確定相關(guān)參數(shù)設(shè)置正常后，就完成了上位機(jī)與PLC之間的通訊連接。

3.2 PLC與Simulink之間的OPC通訊

OPC是西門子公司專門為其現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、自動(dòng)控制、企業(yè)管理等軟件之間，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接而制定的接口規(guī)范。本平臺(tái)使用OPC技術(shù)，通過(guò)MATLAB2008a中的通訊接口程序OPC Toolbox，實(shí)現(xiàn)PLC與軋制數(shù)據(jù)模型的通訊，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本平臺(tái)以WinCC通信驅(qū)動(dòng)器作為OPC的服務(wù)器，MATLAB/Simulink中的數(shù)字化軋機(jī)作為OPC的客戶端。其通訊連接的方式為：首先在上位機(jī)中，使用OPCregister命令，注冊(cè)O(shè)PC服務(wù)器和客戶端到相應(yīng)Windows核心組件中；然后在OPC客戶機(jī)和服務(wù)器中，分別進(jìn)行COM口的配置；最后，在OPC服務(wù)器中創(chuàng)建通訊變量，啟動(dòng)OPC驅(qū)動(dòng)程序，確保通訊時(shí)OPC服務(wù)器永遠(yuǎn)處于運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 PLC與數(shù)字化軋機(jī)的數(shù)據(jù)交換Figure 3 Data change of PLC and digital mill

4 大型軋機(jī)數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)中的試運(yùn)行

軋機(jī)數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)建立之后，在通信正常的情況下，利用軋制規(guī)程預(yù)設(shè)定的操作系統(tǒng)，對(duì)該平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行了試運(yùn)行。

在進(jìn)行系統(tǒng)試運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)入"初始界面"，如圖4所示。點(diǎn)擊參數(shù)錄入，分別完成材料參數(shù)和軋機(jī)參數(shù)的初始設(shè)定。然后點(diǎn)擊"軋制規(guī)程"，進(jìn)入壓下規(guī)程預(yù)設(shè)定界面，如圖5所示。選擇計(jì)算方式并完成相關(guān)壓下系數(shù)的分配，繼而進(jìn)行厚度預(yù)設(shè)定和附加參數(shù)計(jì)算。所計(jì)算的參數(shù)經(jīng)確認(rèn)后，可通過(guò)PLC傳給Simulink中的數(shù)字化軋機(jī)，作為壓下規(guī)程的初始值。

圖4 大型軋機(jī)數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)的初始界面Figure 4 Initial interface of digital semi-physical simulation platform for heavy mill

圖5 大型軋機(jī)數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)的壓下規(guī)程計(jì)算界面Figure 5 Press procedure calculation interface of digital semi-physical simulation platform for heavy mill

圖6 大型軋機(jī)數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)的監(jiān)控界面Figure 6 Monitoring interface of digital semi-physical simulation platform for heavy mill

圖7 大型軋機(jī)數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)的過(guò)程值歸檔界面Figure 7 Process values filing interface of digital semi-physical simulation platform for heavy mill

軋制規(guī)程預(yù)設(shè)定后，點(diǎn)擊"主監(jiān)控"進(jìn)入監(jiān)控界面，觀察虛擬軋機(jī)的模擬運(yùn)行情況，如圖6所示。此界面主要顯示虛擬軋機(jī)的整體運(yùn)行情況。此界面主要包括五機(jī)架的軋機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，全過(guò)程的板帶厚度波動(dòng)情況，以及首末機(jī)架的板形控制界面等3個(gè)部分。該平臺(tái)還提供了過(guò)程值歸檔功能，如圖7所示，可用來(lái)采集、處理和歸檔系統(tǒng)運(yùn)行中的重要過(guò)程值，并可以表格或趨勢(shì)線的形式，記錄、打印和輸出。

5 結(jié)論

本大型軋機(jī)數(shù)字化半物理仿真平臺(tái)，以其良好的可視性和交互性，比較全面地模擬了大型軋機(jī)冷連軋的預(yù)設(shè)定和在線板形板厚調(diào)整過(guò)程?？纱鎸?shí)際軋機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制器的開發(fā)、產(chǎn)品性能測(cè)試等工作。不僅能降低研究試驗(yàn)的成本和風(fēng)險(xiǎn)、縮短試驗(yàn)周期，還能以此平臺(tái)為基礎(chǔ)，分析軋制過(guò)程中的各種現(xiàn)象，為冷連軋板材的軋制研究提供了一種新的途徑。

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