扁鋼自動(dòng)化生產(chǎn)線軋線控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

黃鵬

（湖北工程職業(yè)學(xué)院，湖北 黃石 435000）

對(duì)于扁鋼生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)，能夠顯著提升扁鋼生產(chǎn)效率，基于I／O模塊創(chuàng)建即時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于飛剪、活套、加送輥等部件的自動(dòng)化控制，不僅能夠縮短扁鋼生產(chǎn)時(shí)間，還能夠有效提升軋線控制精度，為提升工業(yè)生產(chǎn)效率提供技術(shù)支撐。

1 物料跟蹤

1.1 軋線設(shè)備上安裝物料跟蹤系統(tǒng)

物料跟蹤系統(tǒng)與軋線設(shè)備的組合，能夠利用分布在軋件頭部與尾部的跟蹤信號(hào)，控制加送輥的開合狀態(tài)。實(shí)際生產(chǎn)中，物料跟蹤系統(tǒng)檢測(cè)到1＃加送輥前端信號(hào)由0變?yōu)?，同時(shí)后端檢測(cè)信號(hào)為0時(shí)，判定檢測(cè)區(qū)域?yàn)檐埣那岸?，在?jīng)過延時(shí)之后關(guān)閉加送輥。若軋機(jī)咬鋼信號(hào)變?yōu)?，則表示軋件進(jìn)入軋機(jī)，開啟加送輥。隨著軋件的移動(dòng)，軋件前端被熱金屬檢測(cè)儀鎖定位置，經(jīng)過設(shè)定好的延時(shí)之后進(jìn)入起套環(huán)節(jié)，隨著起套的持續(xù)進(jìn)行，軋件的位置發(fā)生變化，當(dāng)熱金屬檢測(cè)裝置捕捉到軋件尾部信號(hào)，判斷軋制工作結(jié)束，生產(chǎn)線自動(dòng)落套。

1.2 信號(hào)追蹤

1.2.1 咬鋼信號(hào)

咬鋼信號(hào)檢測(cè)裝置被安裝在扁鋼生產(chǎn)線的傳動(dòng)設(shè)備上。實(shí)際生產(chǎn)中，為了確保咬鋼信號(hào)的穩(wěn)定，需要對(duì)咬鋼力矩進(jìn)行嚴(yán)格把控，確保其超過額定力矩的15%，確保扁鋼生產(chǎn)過程中所有工件都符合該要求。為了提升咬鋼信號(hào)的有效性，需要將該信號(hào)與熱金屬檢測(cè)裝置配合使用，將咬鋼信號(hào)檢測(cè)裝置與熱金屬檢測(cè)裝置一同安裝在中軋區(qū)或者粗軋區(qū)的入口位置［1］。

1.2.2 軋件前端信號(hào)跟蹤

當(dāng)物料信號(hào)跟蹤裝置檢測(cè)到軋件前端信號(hào)之后，物料跟蹤功能啟動(dòng)，將上游機(jī)架（N－1機(jī)架）與下游機(jī)架（N機(jī)架）之間的距離設(shè)定為L(zhǎng)ss，并利用公式技術(shù)軋件前端與N機(jī)架之間的距離：

公式（1）中，變量L1為熱金屬檢測(cè)設(shè)備與N機(jī)架之間的距離。

如果物料追蹤系統(tǒng)檢測(cè)到軋件前端與N機(jī)架的距離小于預(yù)設(shè)值Lss，代表軋件位置出現(xiàn)錯(cuò)誤，物料追蹤系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提醒工人排查問題。如果軋件前端順利通過下游N機(jī)架輥縫之后，物料追蹤系統(tǒng)會(huì)發(fā)送“INROLLGAPP”信號(hào)，表示軋件處于正確位置，并計(jì)算軋件行進(jìn)速度與時(shí)間之間的積分?jǐn)?shù)值［2］。需要注意的是，當(dāng)軋件末端通過檢測(cè)位置，物料追蹤系統(tǒng)會(huì)對(duì)軋件末端與N機(jī)架輥縫之間的距離進(jìn)行更新，如果此時(shí)咬鋼信號(hào)為1，則表示預(yù)精軋機(jī)出現(xiàn)故障，待故障處理完畢之后，軋機(jī)恢復(fù)待軋狀態(tài)。

1.2.3 軋件頭尾信號(hào)控制飛剪

軋件前端檢測(cè)信號(hào)為1，而末端檢測(cè)信號(hào)為0時(shí)，PLC模塊啟動(dòng)并記錄軋機(jī)編碼器的脈沖數(shù)，當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到了預(yù)定值，飛剪系統(tǒng)啟動(dòng)對(duì)軋件進(jìn)行切頭。反之，如果前端檢測(cè)信號(hào)為0，末端檢測(cè)信號(hào)為1，則啟動(dòng)飛剪進(jìn)行切尾。

2 微張力控制

軋制扁鋼時(shí)，不同的機(jī)架其軋制速度以及下壓量并不固定，時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)變化之中。當(dāng)軋件前端被咬入時(shí)，軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊進(jìn)而導(dǎo)致傳動(dòng)設(shè)備速度減低。此外，軋件的外形、前端與末端的溫度差、軸承油膜厚度變化等情況，會(huì)對(duì)軋件產(chǎn)生張力作用，在張力的作用下軋件會(huì)出現(xiàn)一定程度的變形。為了提升扁鋼加工精度，工作人員需要進(jìn)行微張力控制。本次設(shè)計(jì)中，軋機(jī)的微張力以0.4kg／mm2作為基準(zhǔn)，微張力調(diào)整范圍為±3%。需要注意的是，由于預(yù)精軋與精軋工序的軋制速度過快，為了確保生產(chǎn)線的穩(wěn)定工作，取消對(duì)于預(yù)精軋與精軋作業(yè)的微張力控制。

2.1 微張力控制原理介紹

微張力控制的主要目的是對(duì)相鄰機(jī)架電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)于PLC芯片內(nèi)，計(jì)算扁鋼軋件內(nèi)張力數(shù)值，并比較實(shí)際張力數(shù)值與設(shè)定值。通過積分控制調(diào)整N－1機(jī)架運(yùn)轉(zhuǎn)速度，通過這種方式測(cè)量各軋機(jī)的軋制力矩。實(shí)際生產(chǎn)過程中，當(dāng)下游機(jī)架咬鋼后，PLC芯片會(huì)自動(dòng)計(jì)算軋機(jī)新力矩，并比較新力矩與設(shè)定力矩之間的偏差值。如果該數(shù)值為正，代表此時(shí)出現(xiàn)堆鋼問題，如果偏差值為負(fù)，表示出現(xiàn)拉鋼問題。自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)偏差值的真實(shí)情況，自動(dòng)調(diào)整軋機(jī)速度，將軋件內(nèi)張力控制在安全范圍內(nèi)。

借助微張力控制系統(tǒng)，扁鋼生產(chǎn)線上的相鄰機(jī)架被連接在一起，并產(chǎn)生耦合關(guān)系，且該系統(tǒng)不具備魯棒性，因此需要利用速度校正因子對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行解耦。實(shí)際進(jìn)行微張力控制時(shí)，速度校正因子會(huì)自動(dòng)進(jìn)行速度補(bǔ)償調(diào)節(jié)，利用這種方式避免出現(xiàn)初始偏差，確保相鄰機(jī)架的工作速度相互協(xié)調(diào)［3］。

2.2 微張力參數(shù)計(jì)算

第一，需要對(duì)微張力系數(shù)進(jìn)行定義，設(shè)張力系數(shù)為μ，則得到公式：

公式（2）中，變量Tf代表在無(wú)張力狀態(tài)下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，而Tm表示扁鋼軋制過程中真實(shí)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)μ的數(shù)值大于1，表示N機(jī)架與N＋1機(jī)架之間出現(xiàn)拉鋼現(xiàn)象；當(dāng)μ小于1表示相鄰機(jī)架之間出現(xiàn)堆鋼現(xiàn)象。

第二，計(jì)算某次數(shù)據(jù)采樣時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的偏差值：

公式（3）中，μf為根據(jù)軋制規(guī)程得出的微張力控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)值。

第三，轉(zhuǎn)矩PID調(diào)節(jié)。

公式（4）中，Kp代表比例增益，Ki為積分增益，Kd表示微分增益。借助轉(zhuǎn)矩PID調(diào)節(jié)公式，實(shí)現(xiàn)對(duì)于微張力的自動(dòng)化調(diào)整。

3 飛剪控制

為了確保軋件能夠順利咬入，需要在軋件進(jìn)入中軋以及精軋之前利用飛剪系統(tǒng)對(duì)軋件進(jìn)行切尾、切頭，其工作原理是利用剪刃與軋件之間的相對(duì)位置，對(duì)軋件進(jìn)行切割，為了提升飛剪加工精度，需要確保軋件行進(jìn)速度與剪刃的剪切速度一致，即N＋1機(jī)架線速與剪刃速度保持一致。

3.1 飛剪工作原理

實(shí)際工作中，當(dāng)扁鋼自動(dòng)化生產(chǎn)線中的飛剪系統(tǒng)接收到剪鋼信號(hào)之后，剪刃會(huì)從起始位置以最快的速度加速至與機(jī)架線速同速，確保剪刃的速度與軋件行進(jìn)速度一致，確保剪刃順利進(jìn)行裁切作業(yè)，待裁切完畢之后PLC芯片對(duì)剪刃進(jìn)行控制，通過制動(dòng)裝置降低剪刃移動(dòng)速度，并將其回歸至初始位置，等待下一次啟動(dòng)。

3.2 飛剪控制算法

第一，利用PLC芯片以及工業(yè)以太網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于飛剪系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，調(diào)取軋線PLC芯片中上游機(jī)架線速數(shù)據(jù)，將其標(biāo)定為V，利用提前設(shè)定好的剪切超量K1與V相乘，得到飛剪系統(tǒng)的剪切速度V1。

第三，計(jì)算飛剪系統(tǒng)定位線速度。想要實(shí)現(xiàn)對(duì)于飛剪系統(tǒng)的有效控制，需要明確剪刃的位置以及剪刃進(jìn)行剪鋼作業(yè)的加速度。可以將剪刃移動(dòng)的圓形軌跡分為四個(gè)部分：定位區(qū)、反爬區(qū)、剪鋼區(qū)以及正爬區(qū)，計(jì)算飛剪定位線速度集中在剪鋼區(qū)。先在該區(qū)域內(nèi)設(shè)定零位，通常情況下為了降低零位校正難度，將剪刃正對(duì)的點(diǎn)設(shè)為零位，飛剪系統(tǒng)啟動(dòng)之后，安裝在飛剪系統(tǒng)內(nèi)的PLC芯片以及信號(hào)檢測(cè)裝置開啟，一旦檢測(cè)到剪刃超過了零位立刻反饋剪刃位置信息，該信息通過脈沖編碼裝置轉(zhuǎn)化為一個(gè)固定的輸出值，確保飛剪定位的精確性。本次設(shè)計(jì)中，工作人員將距離零位1／3圓位置標(biāo)定為定位區(qū)，該位置也被稱為停車位［4］。如果剪刃位于停車位，距離剪刃1.5m的光電開關(guān)啟動(dòng)，PLC芯片會(huì)自動(dòng)計(jì)算剪刃的啟動(dòng)時(shí)間以及剪鋼加速度參數(shù)，并根據(jù)上述參數(shù)控制傳動(dòng)裝置與制動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)于剪切系統(tǒng)的靈活控制。當(dāng)剪鋼工作結(jié)束之后，剪刃切入停車控制狀態(tài)。在該狀態(tài)下，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)停車點(diǎn)位進(jìn)行校對(duì)，判斷停車位是否為零位，剪刃停車控制的速度計(jì)算公式為：

公式（5）中，變量AI為剪刃進(jìn)入停車狀態(tài)后的實(shí)際位置信號(hào)，Vref為給定線速度。計(jì)算剪刃停車速度時(shí)，剪刃與停車位的距離，與剪刃給定速度之間為正比關(guān)系，剪刃與停車位距離越遠(yuǎn)，給定的剪刃移動(dòng)速度就越快，剪刃給定的速度越慢，剪刃的動(dòng)作越慢。

4 加送輥動(dòng)作及軋件位置控制

4.1 輔助軋機(jī)咬入軋件功能

扁鋼自動(dòng)化生產(chǎn)線中，加送輥的一個(gè)重要功能就是對(duì)軋機(jī)進(jìn)行輔助，幫助軋機(jī)順利進(jìn)行咬鋼。實(shí)際運(yùn)行過程中，安裝在軋機(jī)內(nèi)的熱金屬檢測(cè)裝置檢測(cè)到軋件前端發(fā)送的信號(hào)之后，將加送輥關(guān)閉，此刻加送輥的運(yùn)行速度是軋件移動(dòng)速度的1.05倍。這時(shí)，加送輥電機(jī)由之前的速度控制模式切換為力矩共治模式，當(dāng)接收到軋機(jī)咬鋼信號(hào)之后再啟動(dòng)加送輥。

4.2 輔助軋機(jī)力矩控制功能

在扁鋼自動(dòng)化生產(chǎn)線的水冷系統(tǒng)中安裝有三組加送輥，其作用是對(duì)經(jīng)過剪鋼處理的軋件施加推送力，確保軋件可以通過水冷系統(tǒng)。實(shí)際工作中，當(dāng)水冷系統(tǒng)的檢測(cè)裝置接收到軋件前端信號(hào)之后，先關(guān)閉加送輥，經(jīng)過延時(shí)控制之后三組加送輥切換為力矩控制模式，在確保軋件速度與機(jī)架運(yùn)行速度保持同步的基礎(chǔ)上，利用PLC芯片讀取并記錄電機(jī)運(yùn)行速度，當(dāng)熱金屬檢測(cè)裝置接收到軋件末端信號(hào)之后，將加送輥重現(xiàn)切換至速度控制［5］。

4.3 軋件制動(dòng)位置控制

針對(duì)軋件所進(jìn)行的制動(dòng)控制較為復(fù)雜，需要經(jīng)過理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)論證以及參數(shù)校對(duì)等多道工序，才能達(dá)到理想的制動(dòng)效果（如圖1所示）。

圖1 扁鋼生產(chǎn)線制動(dòng)控制示意圖

第一，計(jì)算擋板拆除數(shù)量：

公式（6）中，Ns代表?yè)醢宀鸪臄?shù)量，SBR表示軋件在機(jī)架上的制動(dòng)距離，D4表示上位機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，軋件末端與水冷床之間的距離。Ls為擋板長(zhǎng)度。

第二，計(jì)算制動(dòng)長(zhǎng)度。軋件制動(dòng)長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

5 結(jié)論

想要提升扁鋼生產(chǎn)線自動(dòng)化水平，就要對(duì)加送輥動(dòng)作及軋件位置控制、飛剪控制、微張力控制等問題給予足夠重視，借助PLC芯片以及信號(hào)接收裝置，確保每一個(gè)生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)能夠有效銜接，提升軋件輸送、剪鋼、冷卻等環(huán)節(jié)的加工精度，為提升扁鋼生產(chǎn)效率提供技術(shù)支撐。