2段步進(jìn)式冷床自動(dòng)控制系統(tǒng)

呂業(yè)

摘 要：在冶金軋鋼行業(yè)，冷床是軋制產(chǎn)品有效冷卻和成形的重要設(shè)備，其可將產(chǎn)品冷卻至后續(xù)工藝所需溫度，同時(shí)也能起到生產(chǎn)緩沖作用。為了達(dá)到冷卻溫度，加強(qiáng)冷床控制顯得尤為重要。本文結(jié)合冷床工藝及在常規(guī)控制中的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種2段冷床的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制;冷床;PLC

中圖分類號(hào)：TG333.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）07-0074-02

Abstract： In metallurgical rolling industry， cold bed is an important equipment for effective cooling and forming of rolling products. It can cool products to the temperature required by subsequent processes， and also play a production buffer role. In order to achieve the cooling temperature， it is particularly important to strengthen the control of the cooling bed. In this paper， an automatic control system for two-stage cold bed was designed based on the cold bed technology and the problems in conventional control.

Keywords： automatic control;turning steel machine;PLC

生產(chǎn)電梯導(dǎo)軌鋼時(shí)，導(dǎo)軌鋼在進(jìn)入矯直機(jī)矯直之前需要進(jìn)行充分冷卻，冷床在軋件冷卻和成形上起著主要作用。為了保證充分冷卻，冷床區(qū)域面積一般較大，考慮到負(fù)載功率大小和生產(chǎn)緩沖等因素的影響，冷床往往會(huì)分成多段[1]。鋼在軋制過(guò)程中受軋制力和軋制品長(zhǎng)度影響進(jìn)入冷床自然冷卻時(shí)，不可避免地會(huì)發(fā)生形變，尤其是大規(guī)格的型鋼，而靠冷床本體鋸齒難以阻止其形變，且多段冷床不同步運(yùn)行又會(huì)導(dǎo)致在冷床交叉段出現(xiàn)拉鋼而加重鋼變形，導(dǎo)致跳齒、亂齒，下鋼困難，甚至導(dǎo)致卡鋼使設(shè)備過(guò)載。對(duì)此，要進(jìn)行停機(jī)處理，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，影響了生產(chǎn)節(jié)奏。為提高生產(chǎn)節(jié)奏，減少人工干預(yù)，采用可靠的多段冷床自動(dòng)控制方法就顯得尤為重要。本文針對(duì)2段冷床的運(yùn)行方式，設(shè)計(jì)了一套基于西門子PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 工藝及控制系統(tǒng)介紹

1.1 冷床工藝介紹

冷床主要包括動(dòng)梁和定梁。動(dòng)梁和定梁頂面為鋸齒形結(jié)構(gòu)，正常運(yùn)行時(shí)，鋼位于鋸齒凹槽內(nèi)，電機(jī)通過(guò)機(jī)械動(dòng)力裝置，拖動(dòng)動(dòng)梁作圓周往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將鋼送至物料方向的定梁下一鋸齒凹槽，從而實(shí)現(xiàn)軌道鋼在冷床上的步進(jìn)移動(dòng)。在連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，2段冷床往往需要同步運(yùn)行，若運(yùn)行不同步，就會(huì)在2段冷床交叉段出現(xiàn)問(wèn)題，從而影響生產(chǎn)節(jié)奏。

1.2 控制系統(tǒng)介紹

本控制系統(tǒng)采用一套西門子S7-400控制器，其執(zhí)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)，是工業(yè)控制的優(yōu)選機(jī)型。PLC及人機(jī)界面HMI通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)連接。冷床操作臺(tái)內(nèi)設(shè)ET200遠(yuǎn)程站，采集現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件信號(hào)，選用300系列IO模塊。冷床電機(jī)傳動(dòng)選用西門子6RA80裝置，S7-400和ET200M及西門子傳動(dòng)裝置之間通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通信。HMI軟件采用西門子WINCC 7.2，編程軟件選用STEP7 V5.5。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

自動(dòng)化控制離不開現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件的幫助。檢測(cè)元件作為控制系統(tǒng)的信號(hào)源，其傳遞至PLC信號(hào)的準(zhǔn)確性直接影響控制精度。根據(jù)工藝設(shè)備位置和控制要求，合理安裝檢測(cè)元件，能有效提高控制系統(tǒng)精度。本系統(tǒng)根據(jù)控制需要，現(xiàn)場(chǎng)安裝若干檢測(cè)元件。

本系統(tǒng)控制對(duì)象及檢測(cè)元器件布置如圖2所示。

注：1.鋼檢測(cè)裝置;2.I段冷床;3.II段冷床;4.停止位接近開關(guān);5.中間位接近開關(guān);6.絕對(duì)值編碼器;7.冷床電機(jī)。

從圖2可知，有鋼檢測(cè)裝置安裝在II段冷床首段，用于檢測(cè)I段和II段冷床交叉處是否有鋼。當(dāng)有鋼檢測(cè)裝置檢測(cè)到有鋼信號(hào)時(shí)，I段冷床禁止運(yùn)行，若I段冷床正在運(yùn)行，則I段冷床停止在低位，若未運(yùn)行，則禁止啟動(dòng)，從而避免多根鋼積壓在II段冷床首段。停止位接近開關(guān)安裝在機(jī)械圓周運(yùn)動(dòng)最低點(diǎn)，當(dāng)接受到停機(jī)信號(hào)時(shí)，動(dòng)力裝置上作圓周運(yùn)動(dòng)的重錘低速運(yùn)行至該位置后，PLC向變頻器發(fā)送停機(jī)信號(hào)，并關(guān)閉抱閘，從而停止在低位。中間位接近開關(guān)具有兩個(gè)作用：作為停機(jī)前減速位置點(diǎn)，避免冷床需要停止時(shí)高速經(jīng)過(guò)停止位，從而導(dǎo)致停止位置偏離;II段冷床非同時(shí)啟動(dòng)但需要同步運(yùn)行時(shí)，后啟動(dòng)冷床段在先啟動(dòng)的冷床運(yùn)行至該位置后啟動(dòng)觸發(fā)點(diǎn)。絕對(duì)值編碼器用于定位冷床運(yùn)動(dòng)的角度，該信號(hào)被實(shí)時(shí)采集進(jìn)PLC控制系統(tǒng)，電機(jī)帶增量型編碼器，用于測(cè)速，該信號(hào)直接進(jìn)入電機(jī)變頻傳動(dòng)裝置，并由傳動(dòng)裝置通過(guò)通信狀態(tài)字送入PLC系統(tǒng)。

2 自動(dòng)控制方式及流程說(shuō)明

冷床在實(shí)際運(yùn)行中，需要多種控制方式，本控制系統(tǒng)的控制方式及流程設(shè)計(jì)如下。

I段冷床或者II段冷床單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，首先選擇單動(dòng)或聯(lián)動(dòng)，連續(xù)步進(jìn)或步進(jìn)一周，下面簡(jiǎn)要說(shuō)明單動(dòng)連續(xù)步進(jìn)控制。在正常生產(chǎn)時(shí)，考慮到冷卻效果和冷床上容放根數(shù)，連續(xù)步距[n1]的設(shè)定值一般為2≤[n1]≤5，間隔1齒而又不間隔太多，假設(shè)連續(xù)步距[n1]=4，冷床啟動(dòng)后步距計(jì)數(shù)參數(shù)[n]從0開始累加，每運(yùn)行一周經(jīng)過(guò)一次中間位接近開關(guān)控制器計(jì)數(shù)累加一次，直至達(dá)到設(shè)定步距，[n=n1=4]時(shí)，檢測(cè)到低位停止位點(diǎn)自動(dòng)停機(jī)關(guān)抱閘。

I段和II段冷床非同時(shí)啟動(dòng)需要聯(lián)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，設(shè)定連續(xù)步距[n1]值及PID參數(shù)。若I段冷床正在運(yùn)行，需要啟動(dòng)II段冷床，讓兩個(gè)冷床同步運(yùn)行，則II段冷床在I段冷床運(yùn)行至中間位接近開關(guān)時(shí)，從自身停止位啟動(dòng)，根據(jù)減速位和停止位的角度差，使兩個(gè)冷床在達(dá)到正常運(yùn)行速度時(shí)，滿足以下條件：

[SⅠ=ΔS+SⅡ] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

[ΔS=360×Nn×Pm×Tt/60×2×Pn×Nm] ? （2）

其中，[SⅠ]表示I段冷床旋轉(zhuǎn)的角度;[SⅡ]表示II段冷床旋轉(zhuǎn)的角度;[Pm]表示電機(jī)運(yùn)行頻率;[Nm]表示齒輪箱減速比;[Pn]表示電機(jī)額定頻率;[Nn]表示電機(jī)額定轉(zhuǎn)速;[Tt]表示變頻器加速時(shí)間。若[Pm]=25Hz，[Nm]=63，[Pn]=50Hz，[Nn]=600r/min，[Tt]=5s，將其帶入式（2），可以計(jì)算出角度差[ΔS]=71.4°。因此，可將中間位接近開關(guān)安裝在距低位71.4°位置左右。當(dāng)兩個(gè)冷床達(dá)到設(shè)定頻率后，判斷轉(zhuǎn)動(dòng)位置是否相同，若不同，則要通過(guò)PID調(diào)節(jié)II段冷床轉(zhuǎn)速。

I段和II段冷床同時(shí)啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，兩段冷床同頻率同時(shí)從低位啟動(dòng)，PLC實(shí)時(shí)從變頻裝置讀取電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從絕對(duì)值編碼器讀取實(shí)時(shí)碼值，經(jīng)過(guò)PLC的角度和碼值對(duì)應(yīng)關(guān)系運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成角度，對(duì)比兩段冷床實(shí)時(shí)角度值，利用PID控制，調(diào)整II段冷床速度。

利用PLC中的PID程序塊，其中，主要輸入?yún)?shù)：使能信號(hào)EN為冷床達(dá)到設(shè)定頻率;采樣周期T=500ms;過(guò)程輸入量[PV_IN=θⅡ-θⅠ/3.6];比例值GAIN=50%;積分時(shí)間Ti=30s，微分時(shí)間TD=20s;因角度差允許的范圍在5°以下，死區(qū)W=1.3%;PID調(diào)節(jié)輸出為頻率輸出值。冷床同步運(yùn)行時(shí)，若n達(dá)到設(shè)定步距[N1]，則冷床在中間位減速，然后同時(shí)在低位停機(jī)。

3 結(jié)論

本文提出一種自動(dòng)化程度較高，有效性強(qiáng)的2段步進(jìn)式冷床自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括提供2段冷床的運(yùn)行方式控制方法，單動(dòng)和聯(lián)動(dòng)控制，步進(jìn)一周和連續(xù)步進(jìn)控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)時(shí)要求的2段冷床多種運(yùn)行方式，尤其同時(shí)連續(xù)步進(jìn)控制，可根據(jù)生產(chǎn)需要畫面設(shè)定步距數(shù)，通過(guò)檢測(cè)接近開關(guān)信號(hào)，運(yùn)動(dòng)步數(shù)自動(dòng)累計(jì)計(jì)數(shù)，達(dá)到步數(shù)后自動(dòng)停機(jī)，根據(jù)公式（2），為自動(dòng)化檢測(cè)元件的安裝位置提供指導(dǎo)，有效定位了檢測(cè)元件的安裝位置，保證2段冷床非同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間在達(dá)到高位后軌跡基本一致。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫虎章.自動(dòng)控制原理[M].北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1984.