新型清輥器控制系統(tǒng)的研究

閆中偉

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

清輥器廣泛應用于熱軋機，主要用于清除工作輥表面的粘鋁及其它臟物，以提高熱軋帶材的表面質(zhì)量，為后續(xù)產(chǎn)品加工提供高質(zhì)量的原料。現(xiàn)有清輥器的控制方式多是機械式控制方式，徑向壓靠靠換向閥或比例閥來實現(xiàn)，軸向躥動靠機械式偏心套或液壓缸換向閥來實現(xiàn)?，F(xiàn)有的機械控制方式存在以下問題：換向閥實現(xiàn)徑向壓靠時壓靠力不可調(diào)，比例閥控制開環(huán)控制時不能實現(xiàn)設定的壓靠壓力；比例閥控制閉環(huán)控制時，調(diào)節(jié)很慢而且不容易穩(wěn)定。本文介紹一種基于伺服閥、壓力傳感器、位移傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)壓靠力、壓靠位置、軸向躥動速度、轉速的實時在線調(diào)節(jié)。

1 控制策略

影響清輥器清刷質(zhì)量的因素很多，如清輥器的軸向躥動、清輥器的轉速、清輥器的壓靠壓力/壓靠位置等，其中清輥器的壓靠壓力/位置對清刷質(zhì)量影響最大。清輥器的控制系統(tǒng)采用以下控制策略實現(xiàn)對清輥器壓靠的控制，具體方法如下：

1)壓力調(diào)節(jié)。壓力調(diào)節(jié)是軋制時清輥器壓靠的主要控制方式，通過設定壓力值與傳感器實測的壓力值組成的反饋回路對清輥器壓靠壓力進行調(diào)節(jié)。

2)位置調(diào)節(jié)。位置調(diào)節(jié)是控制清輥器與熱軋機工作輥的相對壓靠位置，通過設定壓靠位置與傳感器實測的位置值組成反饋系統(tǒng)對清輥器的壓靠位置進行調(diào)節(jié)。

清輥器的壓靠控制分別與清輥器的轉速、躥動控制相結合，能實現(xiàn)在線軋制時的壓靠力/壓靠位置、清輥器躥動、清輥器轉速的實時控制，為操作人員摸索出一個最優(yōu)的壓靠力/壓靠位置、清輥器躥動速度、清輥器轉速提供了方法。

2 清輥器控制系統(tǒng)的硬件構成

清輥器控制系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示 ，由西門子S7-400邏輯控制器、TP277觸摸屏、各種傳感器和液壓伺服系統(tǒng)等組成。參與控制的信號有模擬量和開關量，模擬輸入量是從傳感器采集的油缸壓力和位置信號，模擬量輸出量是伺服閥調(diào)節(jié)輸出信號，開關量的輸入信號有泵站的運行信號、軋制方向信號油缸極限信號等。輸出信號包括泵站運行信號、清輥器工作信號、與其它部分的通訊信號等。

在整個控制系統(tǒng)中邏輯控制器是核心部分，要完成清輥器的壓力閉環(huán)和位置閉環(huán)控制、狀態(tài)的實時顯示和報警信息的判斷與顯示燈全部功能。西門子S7-400系列中的S7-416型CPU，其邏輯運算時間和定點加運算時間均是30ns，浮點運算時間為90ns，最小中斷周期為1ms，完全滿足了系統(tǒng)對采樣周期的要求。選用西門子S7-400作為核心的控制部分，通過讀取子站相應的模擬量和數(shù)字量控制信息，主站讀取子站時讀取子站的模擬量和數(shù)字量會有相應的滯后，但此讀取速率能滿足此控制系統(tǒng)的控制要求?？刂葡到y(tǒng)的硬件配置方案如表1所示。

表1 PLC的硬件配置

TP277是西門子公司推出的專門用于邏輯控制器顯示的10寸觸摸屏多功能面板，其中內(nèi)置了Windows CE操作系統(tǒng)，使用時可以利用PC上的Wincc flexible組態(tài)軟件對操作界面進行組態(tài)，通過RJ45接口對觸摸屏進行組態(tài)。觸摸屏和控制器之間通過DP接口相連接，觸摸屏可以直接對控制器中的變量進行讀寫。

傳感器部分主要有8個油缸內(nèi)置位移傳感器和9個壓力傳感器組成。其中位移傳感器采用的是巴魯夫位移傳感器，測量范圍0～75mm，分辨率100μm；壓力傳感器采用的是巴士德壓力傳感器，量程0～200Bar。

液壓與伺服系統(tǒng)是邏輯控制器中輸出信號的執(zhí)行機構，需要輸出的信號通過模擬輸出板轉變?yōu)?mA～20mA伺服電流后對伺服控制對象進行具體操作。

3 清輥器控制系統(tǒng)軟件的組成

系統(tǒng)的軟件部分可分為監(jiān)控軟件和控制軟件兩部分。監(jiān)控軟件部分主要依托于TP277觸摸屏控制面板的Wincc flexible組態(tài)軟件來進行編寫，可以實現(xiàn)實時的壓靠壓力、壓靠位置的顯示、報警信息的顯示、壓靠參數(shù)的調(diào)整、躥動速度的調(diào)整、極限幅值的修改等功能?？刂栖浖捎玫氖荢IMATIC STEP7 V5.5來編寫，STEP7是基于Windows的S7-300和S7-400的標準軟件開發(fā)包。利用STEP7，用戶可以組態(tài)控制器硬件、在線診斷控制器的硬件狀態(tài)和I/O通道狀態(tài)，通過STEP7用戶可以編寫出符合自己需要的控制程序。

3.1 系統(tǒng)的功能塊劃分與數(shù)據(jù)流信息

清輥器控制系統(tǒng)的劃分和數(shù)據(jù)流信息如圖2所示。系統(tǒng)的的功能主要分為三大部分，觸摸屏是用來實現(xiàn)人機交互的的設備，主要操作人員參數(shù)的設定和修改，實時數(shù)據(jù)的、系統(tǒng)狀態(tài)的和報警信息的顯示，以及調(diào)試人員對調(diào)試參數(shù)的修改測試，觸摸屏通過Profibus-DP總線與控制器實現(xiàn)通訊連接。傳感器和伺服系統(tǒng)屬于檢測和執(zhí)行部分，采集實時信號并讀入控制器，同時將控制器輸出的數(shù)字或模擬量信號轉換為伺服操作系統(tǒng)的具體動作。邏輯控制器部分則是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和處理的中心，為了對數(shù)據(jù)進行有效的管理，按功能將控制器的軟件部分分成了數(shù)據(jù)標定、報警判斷、輸出顯示壓力/厚度控制、公共數(shù)據(jù)區(qū)等幾大功能塊。

從模塊輸入的模擬量信號不能直接參與數(shù)據(jù)的運算與顯示，需要經(jīng)過標定轉換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式參與數(shù)據(jù)的顯示與運算，需要顯示的數(shù)據(jù)標定之后經(jīng)過邏輯判斷直接通過Profibus-DP總線輸出到觸摸屏進行顯示。此外，還需要設立公共數(shù)據(jù)區(qū)，對觸摸屏設定參數(shù)和傳感器采集的參數(shù)進行統(tǒng)一管理，控制器程序可以對公共數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)進行操作。

3.2 系統(tǒng)的工藝流程

系統(tǒng)的工藝流程如圖3所示，軟件控制的流程主要分為靠零、模式選擇、參數(shù)設定、壓力/位置控制等部分。

壓靠是在清輥器控制系統(tǒng)第一次執(zhí)行時需要執(zhí)行的模塊，目的是要找到清輥器相對于工作輥的一個基準零位，在位置控制中需要用到此基準零位，畫面顯示也要以此基準零位顯示清輥器的壓靠位置供操作人員參考判斷。靠零在每次開機或泄油之后都必須運行，目的使清輥器與軋機工作輥保持平行，并測出壓靠位置的相對基點。

清輥器正常清刷工作輥時，壓力控制和位置控制是整個系統(tǒng)的控制核心。在選擇壓力控制模式時，控制器是以清輥器的壓靠壓力為目標控制量，通過壓力閉環(huán)PI控制器實現(xiàn)對清輥器兩端的壓靠壓力進行在線實時控制，根據(jù)操作人員的設定壓靠力迅速響應實現(xiàn)壓靠壓力的在線實時調(diào)節(jié)。在選擇位置控制模式時，控制器是以清輥器的壓靠位置為目標控制量，通過位置閉環(huán)PI控制器實現(xiàn)對清輥器兩端的壓靠位置進行在線實時控制。

對于壓力/位置控制器所輸入和輸出的參數(shù)，對應的變量都是電流電壓信號，在控制器中做具體計算時需要標定，轉變?yōu)榻y(tǒng)一的數(shù)據(jù)類型之后才可以參加數(shù)值與邏輯計算。對清輥器轉速的控制由傳動程序在相應的變頻器上進行轉速的實時調(diào)節(jié)，清輥器的軸向躥動是由控制躥動缸換向閥的換向時間來實現(xiàn)的。此外軟件上還做了很多的保護功能，如在硬件故障時會自動泄油保護等。

4 結束語

清輥器的壓靠位置或壓靠力并不是越大就能刷的越干凈，而是有一個最優(yōu)的壓靠位置或壓靠力，這個壓靠位置或壓靠力需要軋機操作人員在軋制實踐中進行摸索，總結出最優(yōu)的壓靠位置或壓靠力。本文所介紹的控制系統(tǒng)為軋機操作人員提供了一個在軋制過程中實時調(diào)整壓靠位置或壓靠力的方法，以此控制方式為基礎的控制系統(tǒng)已成功應用于南方某鋁板帶加工廠的熱軋機上，清輥器清刷效果顯著，熱軋成品帶材的表面質(zhì)量得到了明顯改善?；谒欧y、壓力傳感器、位移傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對提高鋁板帶表面質(zhì)量以及清輥器控制系統(tǒng)的設計都有重要意義。