智能堆垛控制技術(shù)研究及應(yīng)用

馬紅利， 王艷強， 王文忠

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司， 河北 唐山 063210）

某鋼廠熱軋產(chǎn)線橫切機組按照客戶需求將鋼卷剪切成為2～16 m 不同長度規(guī)格的定尺鋼板，鋼板途經(jīng)加速輥道加速運輸，途徑堆垛機下方減速輥道減速，對中裝置對中后由真空吸盤吸附橫移至運輸輥道進行碼垛[1]。堆垛機控制系統(tǒng)采用的是西門子S7-400控制器和SIMOTION 控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場傳感器、編碼器測檢及計算板坯實際位置，能夠準確地將板坯整體進行碼垛。堆垛機運行的穩(wěn)定性，影響著產(chǎn)線產(chǎn)能釋放，因此本文重點對其進行研究。

1 堆垛機系統(tǒng)組成及功能介紹

堆垛機由金屬橫梁結(jié)構(gòu)、升降機構(gòu)、運行機構(gòu)、起升機構(gòu)、真空泵裝置、真空吸盤、限速裝置、電氣控制裝置等組成。其主要功能是通過真空吸附的方式將剪切后的鋼板從輥道上吸起來，并將其送到鏈式運輸機上的垛板臺進行碼垛[2]。該系統(tǒng)由2 個獨立的真空堆垛機組成，每個堆垛機的長度為8 m。2 個堆垛機可聯(lián)合使用，可對8～16 m 長的定尺鋼板進行碼垛。堆垛機采用西門子伺服電機驅(qū)動，通過SIMOTION 控制器內(nèi)置的驅(qū)動集成功能（SINAMICS_Integrated）控制，為獲得良好的堆垛效果，需平穩(wěn)、高速地升降和碼放定尺鋼板，所有升降、橫移等動作均采用伺服電機驅(qū)動。堆垛機在極具剛性的框架內(nèi)的線性導向系統(tǒng)中移動。

1.1 堆垛機控制系統(tǒng)

堆垛機是橫切產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，堆垛機控制系統(tǒng)的工作效率、可靠性及穩(wěn)定性對于成品碼垛整齊狀況起著重要的作用。堆垛機控制系統(tǒng)對堆垛機的直接控制和狀態(tài)記錄由PLC 完成，每個堆垛機控制系統(tǒng)均采用德國西門子公司S7-400 可編程控制器作為控制核心。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)圖如圖1 所示。

圖1 堆垛機的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

為了確保堆垛機安全、平穩(wěn)運行，并提高系統(tǒng)的工作效率，需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)：

1）堆垛機必須精準地將鋼板放到指定的碼垛位置，為此，堆垛機控制系統(tǒng)選取西門子Simotion 伺服位置控制器。

2）速度控制：為了提高作業(yè)效率，要求堆垛機具有較高的運行速度。同時，在板坯快速運輸過程中，為了防止鋼坯表面因速度沖力導致鋼板與已成垛鋼板發(fā)生嚴重碰撞，造成表面缺陷問題，要求堆垛機在下降過程具有低速功能，故需進行速度控制。

3）方向控制：由2 臺伺服電機驅(qū)動真空堆垛完成橫移（X 方向）、升降（Z 方向）方向的運動控制。

1.2 堆垛機功能

堆垛機系統(tǒng)由2 個獨立的工作堆垛機組成，即SS1 與SS2，每個堆垛機的長度為8 m。SS1 與SS2 堆垛既可以單獨交替使用，又可以聯(lián)合使用，對于板長小于7.35 m 的定尺鋼板可以使用單組交替堆垛的模式。對8～16 m 長的定尺鋼板必須使用SS1+SS2 模式進行碼堆。為了獲得良好的堆垛效果，高速、平穩(wěn)地進行升降和放下定尺鋼板，所有諸如升降、橫移等動作均采用伺服電機進行驅(qū)動。堆垛機在極具剛性的框架內(nèi)的線性導向系統(tǒng)中移動，堆垛機結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示。

圖2 堆垛機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文主要研究使用單組堆垛機交替碼堆的控制方法。主要過程：依據(jù)鋼板的尺寸，自動選擇真空吸盤的個數(shù)，真空吸盤將鋼板從輥道提起橫移至運輸輥道進行碼垛。只有與當前運輸鋼板的尺寸相匹配時，相應(yīng)位置的真空吸盤才能投入工作。將不同尺寸鋼板的線性移動位置輸入到控制系統(tǒng)中。堆垛周期包括：抽真空吸附鋼板、提升、橫移、下降、放真空、提升、倒橫移、下降，堆垛機完成一次碼垛的流程如圖3 所示。

圖3 堆垛機一次交替碼垛流程圖

2 堆垛機常見故障及原因分析

依據(jù)顧客訂單要求，將不同數(shù)量鋼板堆成垛，在鋼板成垛后必須保持長度、寬度方向整齊、無參差。因此，堆垛機控制碼垛的長度及寬度兩個方向決定著鋼板成垛的質(zhì)量。

2.1 堆垛機碼垛長度方向控制

堆垛機碼垛長度方向的定位流程：堆垛機的檢測傳感器檢測到帶鋼后，PLC 在一個掃描周期內(nèi)采集到該點信息，向傳動伺服控制器D445 發(fā)送減速命令。當D445 控制器接收到減速命令后，立即根據(jù)速度閉環(huán)控制對減速輥道進行減速，達到預(yù)定的速度，然后碰到活動擋板，由此實現(xiàn)鋼板在長度方向的一致，以保證鋼板在長度方向上的堆垛質(zhì)量。

在日常生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，當鋼板進入減速輥道后，D445 控制器對鋼板執(zhí)行減速后，鋼板撞擊擋板前，鋼板的速度不為0，尤其在高速生產(chǎn)時，鋼板對堆垛機的活動擋板的沖擊非常大，存在反沖力，易被活動擋板反彈出去，由于每塊鋼板的反彈距離不同，造成鋼板在長度方向的不一致，從而影響鋼板長度方向的碼垛質(zhì)量。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場光柵檢測信號通過PLC 發(fā)送至傳動伺服控制器的響應(yīng)時間為17 ms，導致D445控制器執(zhí)行減速命令滯后，造成鋼板到達升降輥道后仍保留一定的速度。

2.2 堆垛機碼垛寬度方向控制

每組真空堆垛機有6 套對中裝置，共計12 套，均布置于堆垛機下方減速輥道之間。對中裝置功能是將成品定尺鋼板在寬度方向上進行糾偏，以保證鋼板在寬度方向上一致，從而確保鋼板在寬度方向上的堆垛質(zhì)量。對中裝置主要驅(qū)動單元為電機減速機，執(zhí)行單元是裝有車輪可沿著機架上輥道運行的對中小車，對中小車上帶有立輥，用來實現(xiàn)鋼板的夾持糾偏。其工作原理為：通過伺服電機驅(qū)動渦輪減速箱來帶動裝有齒條的對中小車裝置，以實現(xiàn)對鋼板的夾持對中。對中控制采用位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，在鋼板運輸過程中，通過兩側(cè)對中小車的共同作用，將在減速輥道上偏離輥道中心的帶鋼頭部平穩(wěn)地引導到堆垛機的中心線，并送入堆垛機，為了確保堆垛機碼垛整齊的控制，要求其控制過程穩(wěn)定。若對中裝置動作不穩(wěn)定，會造成動作超調(diào)（超出這對中極限設(shè)定），容易將帶鋼夾鼓，嚴重情況會損傷帶鋼邊部。鋼種不同、寬度不同、對中的短行程不同[3]，對堆垛及碼垛皆有直接影響，其工作狀況不良會產(chǎn)生卡鋼、堆垛參差不齊等問題。堆垛機下方的對中裝置結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 堆垛機下方的對中裝置

真空堆垛機下方的對中裝置主要通過伺服電機驅(qū)動渦輪減速箱來帶動裝有齒條的對中小車裝置，以實現(xiàn)對鋼板的夾持對中，因此，在對對中裝置進行日常檢修后，需對伺服電機的編碼器進行標定。

每套對中裝置都有軟極限位設(shè)定值及硬極限位設(shè)定值，其中，軟極限位的設(shè)定值為2 210 mm，對中裝置歸基準位置的條件是實際板寬+對中初始位設(shè)定值＜對中初始位補償值（軟極限值）；硬極限位是安裝在對中裝置傳動側(cè)最小及最大位置的接近開關(guān)處，當檢測到對中小車后，停止對中動作。

在生產(chǎn)過程中，對中裝置中的齒條松弛會造成檢測對中裝置的最小位置接近開關(guān)檢測不到齒條，系統(tǒng)認為小車已經(jīng)達到最小位極限而報警，使得對中裝置無法正常工作。

經(jīng)現(xiàn)場觀察與多次實驗，發(fā)現(xiàn)檢測對中裝置的IFM接近開關(guān)IM5124 的檢測距離僅為8 mm，當齒輪松弛后即不能檢測到齒輪，進而產(chǎn)生報警，使得鋼板在寬度方向上碼垛不齊、造成設(shè)備的非計劃停機。

2.3 影響堆垛機碼垛效果因素

因此，影響堆垛機碼垛效果的主要因素為鋼板進減速輥道觸發(fā)減速命令的響應(yīng)時間及檢測對中裝置極限位置開關(guān)的精度。

3 控制策略優(yōu)化

3.1 碼垛長度方向優(yōu)化策略

因減速輥道減速點命令信號響應(yīng)時間較長（17 ms），導致鋼板在撞擊升降擋板后才停止運動，因產(chǎn)生的沖力不同而造成在長度方向碼垛的參差不齊。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，D445 控制器的掃描周期為1 ms＜17 ms，因此，決定更改檢測帶鋼光柵信號的傳輸路徑，使D445控制器直接采集現(xiàn)場檢查光柵信號，執(zhí)行減速命令，這可以提高從現(xiàn)場檢測光柵到D445 控制器的響應(yīng)時間，確保鋼板到達升降輥道后速度恰好為0，從而實現(xiàn)D445 控制器減速點的硬線改造。

3.2 碼垛寬度方向改進

經(jīng)核實發(fā)現(xiàn)，檢測對中的IFM接小車極限位置接近開關(guān)IGS204 的檢測距離為8 mm，當齒輪松弛后，檢測開關(guān)到凸起的齒輪皮帶的距離為18 mm，大于開關(guān)的檢測距離，因此，對中裝置會產(chǎn)生報警，進而停車。

為此，此次對對中裝置檢測開關(guān)改進的策略為選擇檢測距離大于18 mm 的開關(guān)，以確保可檢測到對中小車的齒輪齒條，這樣能滿足設(shè)備功能要求。

剪切生產(chǎn)線其他設(shè)備處檢測開關(guān)選用的SICK 接近開關(guān)IM18-20NPS 的檢測距離為20 mm，滿足上述要求。控制策略改進后，堆垛機碼垛質(zhì)量如圖5 所示。

圖5 堆垛機碼垛質(zhì)量

4 結(jié)語

通過分析真空堆垛碼垛參差不齊的問題，優(yōu)化堆垛機減速輥道控制程序，改進了對中裝置檢測設(shè)備，提高了堆垛機長度、寬度方向上的碼垛質(zhì)量。智能堆垛控制技術(shù)自實施至今，因碼垛參差不齊引起的質(zhì)量異議事件為零，提高了剪切線產(chǎn)品的合格率，為公司贏得了一定的經(jīng)濟效益。