現(xiàn)代機械設備中機電一體化技術(shù)應用分析

柳維垚

（本鋼集團板材股份有限公司冷軋總廠，遼寧 本溪 117000）

在現(xiàn)代機械設備中，采用了大量的機電一體化技術(shù)。通過實際運行，了解到機電一體化技術(shù)具有良好的實用價值，將其與機械設備相結(jié)合，有助于提高機械設備的自動化和智能化發(fā)展水平。隨著科技的飛速發(fā)展，為了保證生產(chǎn)效能，必須對機電一體化技術(shù)進行創(chuàng)新研究和推廣應用。

1 現(xiàn)代機械設備中機電一體化技術(shù)應用要點

從整體層面分析，將系統(tǒng)性技術(shù)、機械和信息處理技術(shù)結(jié)合起來，是現(xiàn)代機械設備中機電一體化技術(shù)應用要點。在實施機電一體化技術(shù)時，必須對其工作狀態(tài)和所具有的功能進行綜合析，把現(xiàn)代機械設備看成一個整體，對各個系統(tǒng)的各個部分進行綜合分析與研究，使之能夠最大限度地實現(xiàn)協(xié)同性、綜合性、同步性，從而使各部分工作效率得到最大的提高。此外，在現(xiàn)代機械設備中運用機電一體化技術(shù)時，協(xié)同應用機械設備和信息技術(shù)，對有關(guān)信息進行歸納與優(yōu)化，以保證設備信息傳送與使用品質(zhì)，進而達到最佳的控制效能與強度。在信息技術(shù)與機械裝備的結(jié)合中，應根據(jù)不同的裝備種類，采用相應的技術(shù)管理方式，使其達到最優(yōu)的使用結(jié)果。

2 現(xiàn)代機械設備中機電一體化技術(shù)應用

2.1 建立現(xiàn)代化冷軋機組機電液一體化控制仿真平臺

建立現(xiàn)代化冷軋機組機電液一體化控制仿真平臺，可用于實際的軋制工藝、操作控制和建模分析，仿真系統(tǒng)包括流程控制、虛擬帶鋼、模擬管理，是一種較為精密的模擬體系。

第一個環(huán)節(jié)是建立機械形變系統(tǒng)數(shù)學模型，其中包括軋件變形抗力模型、軋制壓力模型、軋制力矩模型。在建立軋件變形抗力模型時，應綜合考慮屈服強度、硬化系數(shù)、出口厚度、入口厚度等要素，從而求得變形抗力值。在建立軋制壓力模型件中，必須綜合考慮軋件板寬、后張力、前張力、示軋區(qū)接觸弧長、材料應力狀態(tài)等要素，從而確定軋制壓力模型件。為了構(gòu)建軋制力矩模型，必須綜合考慮壓下量、修正系數(shù)、摩擦系數(shù)等要素，形成軋制力矩模型的數(shù)學表達式。

第二個環(huán)節(jié)是電氣轉(zhuǎn)速與直接張力控制模型的構(gòu)建，主要包括建立電機控制模型、主電機轉(zhuǎn)速控制模型、卷取直接張力控制模型。在建立電機控制模型中，需要考慮到電樞回路時間常數(shù)，電力拖動裝置時間常數(shù)、電樞回路電阻、電感整流裝置內(nèi)阻、平波電抗器電阻、額定勵磁下轉(zhuǎn)速電壓比、電力運動部分折算到電機軸山的飛輪力矩、額定勵磁下轉(zhuǎn)矩電流比等要素。在建立主電機轉(zhuǎn)速控制模型中，速度控制采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，能對電網(wǎng)的電壓波進行干擾。在電動機超負荷時，電樞功率的最大限度受到約束，從而實現(xiàn)了安全保護。外環(huán)是一個轉(zhuǎn)速環(huán)，它可以對速度進行有效的調(diào)節(jié)，同時也可以對負荷進行干擾。在建立卷取直接張力控制模型中，一般采用恒定的力矩、恒定的功率來實現(xiàn)張力控制，目前，在各種儀器和設備中得到了廣泛的使用。為提高張力控制精度，可在實際應用中引入直接張力閉環(huán)控制系統(tǒng)，或采用智能控制技術(shù)，使其在實際應用中得到最優(yōu)的效果，從而提高冷軋機組生產(chǎn)效能。就轉(zhuǎn)速檢測轉(zhuǎn)換、電流調(diào)節(jié)器、電流轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)而言，在函數(shù)傳遞形式中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和主電動機是一樣的。張力調(diào)整采用了按比例的積分方法。

第三個環(huán)節(jié)是建立液壓控制系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)特點，將板帶厚度控制系統(tǒng)劃分為測厚儀反饋、磨損補償和油缸位移反饋。例如，對壓上系統(tǒng)的動力學特性進行研究，選取軋制力和缸位移模擬量閉環(huán)方法。壓上裝置由測厚儀、液壓管路、電液伺服閥門、壓力傳感等構(gòu)成。在此系統(tǒng)中，采用一種將電壓轉(zhuǎn)換成電流的方式來實現(xiàn)對伺服閥門的控制。在解析過程中，可以將該時間常量排除。在求解增量函數(shù)過程中，應考慮電流、電壓、電流增益等要素。其次，將液壓缸與電動液力伺服閥門之間的長管相結(jié)合，管路結(jié)構(gòu)采用分配參數(shù)模式進行規(guī)劃。在液壓缸的連貫關(guān)系中，必須充分地考慮缸桿腔面積、流量系數(shù)、壓壓剛體積彈性模量、缸腔容積、缸位移、控制壓力等要素。

第四個環(huán)節(jié)是進行機電液一體化系統(tǒng)仿真，先確定冷軋機組的工藝參數(shù)，確定開卷機、卷取機、主電機等參數(shù)，并對各參數(shù)進行調(diào)試和試驗，保證參數(shù)的正確設定。然后進行模擬操作，通過對模擬的結(jié)果進行分析，總結(jié)現(xiàn)代化冷軋機組機電液一體化控制仿真平臺的實際運行情況，表明模擬的效果與生產(chǎn)實踐相吻合，可以有效地提高冷軋機組的生產(chǎn)效率。

2.2 搭建冷軋廠酸軋機組自動化控制系統(tǒng)

冷軋廠酸軋機組自動控制系統(tǒng)流水線設置三間操作車間，分別為酸洗人口、酸洗出口、軋機區(qū)。包含兩個控制室、一個是酸洗區(qū)、一個是軋機區(qū)，兩個控制室都有工程師站、PDA 計算機、HMI 人機界面，在軋機區(qū)的控制室中，增加二級服務器和HMI服務器。在二級系統(tǒng)中，包含伺服器、工程師工作站。在一級系統(tǒng)中，包含相應數(shù)量的控制柜、ET200M 站、應急停車設備。在零級系統(tǒng)中，包括傳動系統(tǒng)、儀表檢測系統(tǒng)、部分現(xiàn)場執(zhí)行構(gòu)件。傳動系統(tǒng)主要包括交流傳動系統(tǒng)和交流輔助調(diào)速傳動系統(tǒng)。HMI 控制部分包括HMI 伺服器和HMI 客戶機。各柜體、服務器、HMI 采用高速網(wǎng)絡進行通信。

在冷軋廠酸軋機組自動化控制系統(tǒng)的二級系統(tǒng)中，一臺過程控制服務器具備參數(shù)的預設定、基于模型的軋制規(guī)程計算、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的最優(yōu)計算與自動學習、數(shù)據(jù)處理和報告等功能作用。另一個是實際數(shù)據(jù)處理服務器，主要是收集、處理過程數(shù)據(jù)信息。利用磁盤陣列熱備份技術(shù)，將一磁盤組作為備用磁盤組，這個磁盤組平不工作，但一旦某磁盤出現(xiàn)問題，磁盤陣列就會對失效的磁盤組進行替換，將失效的磁盤組重新建立到備用磁盤組，磁盤反應速度快，再加上高速讀取的記憶體降低了對磁盤組的訪問，可以迅速地進行資料重構(gòu)，即使出現(xiàn)磁盤故障問題，也不會停機。另外，還有工程師工作站供系統(tǒng)的研制與維修，確保冷軋廠酸軋機組自動化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

在冷軋廠酸軋機組自動化控制系統(tǒng)的一級系統(tǒng)中，控制柜主要應用于流水線的自動化控制、低轉(zhuǎn)速的輔助，控制柜又稱為工藝傳動控制裝置，TDC 是一種專門用于中、高速度閉環(huán)和同步化過程的多處理器自動控制系統(tǒng)，在單一平臺中，具有最大數(shù)目的框架、最少的運行時間等特性，高度集成的工藝和驅(qū)動自動化系統(tǒng)。其次，利用ET200 遠距離IO 系統(tǒng)，可以有效地改善系統(tǒng)的運行性能，并能有效地降低控制線的使用，從而降低設備的運行和維修費用。除此以外，應急停車設備在緊急情況下發(fā)揮功能效用，例如，在裝置發(fā)生故障或事故時，對緊急情況做出快速響應。PDA 則是一個流程數(shù)據(jù)采集裝置，可以采集、分析、處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分配。

在冷軋廠酸軋機組自動化控制系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)中，主要包含主傳動系統(tǒng)、交流輔助調(diào)速傳動系統(tǒng)。在主傳動系統(tǒng)中，主要用于對軋機和卷取機的控制，兩者都采用了同步交流電動機。同步交流電動機采用控制器實現(xiàn)了對其進行時鐘操作。由此可以看出，同步交流電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是一個直線式的，其反應速度要優(yōu)于直流機。利用交直交調(diào)速系統(tǒng)對主電動機定子繞組進行電流的調(diào)節(jié)，其主動前端去除了高次諧波，并增加了電源的效率。轉(zhuǎn)子的勵磁電流由全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)速柜與交流電源相連接，并可實現(xiàn)較高的運行效率。兩種傳動都有集成的開發(fā)工具和開發(fā)程序，并提供信息顯示、操作員控制和監(jiān)測的診斷功能。交流輔助調(diào)速傳動系統(tǒng)主要是用于對開卷機、矯直機、張力輥、某些小傳動輥等低功耗的異步電機進行控制。

2.3 搭建ABB 工業(yè)控制系統(tǒng)

（1）ABB 傳動系統(tǒng)。ABB 傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是直接轉(zhuǎn)矩控制。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，切換由定子磁通量、轉(zhuǎn)矩的值確定，轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，直接控制轉(zhuǎn)矩。通過這種方式，直接轉(zhuǎn)矩控制切換得到了較好的響應速度，其平均切換次數(shù)只有2000Hz，與采用高頻PWM 方式進行的切換相比，損耗更小。直接轉(zhuǎn)矩控制具有最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩響應及控制，具有較低的轉(zhuǎn)速、較低的噪音、較高的效能等優(yōu)勢特性。

（2）自動化系統(tǒng)。機組通過自動化系統(tǒng)來進行控制。自動化系統(tǒng)具有多種控制級次，各控制級有各自的獨立功能。一級是針對產(chǎn)業(yè)IT 領域的技術(shù)。在一級控制中，包含實時性控制、自動順序控制、邏輯控制、調(diào)整回路控制、傳動系統(tǒng)控制、輔助控制、報警及故障控制。在二級封閉狀態(tài)下，由一級系統(tǒng)對裝置進行控制，由操作員手工設定一級界面參數(shù)。二級為生產(chǎn)監(jiān)控和生產(chǎn)優(yōu)化的控制層，主要的參數(shù)由人工輸入、從三級接收，并由以太網(wǎng)與一級自動系統(tǒng)相聯(lián)系。三級是企業(yè)資源規(guī)劃，三級和第二層是用以太網(wǎng)相連的，ABB 的二級系統(tǒng)有三級界面，太鋼的三級網(wǎng)絡通過三級界面接入二級系統(tǒng)。

（3）故障檢測處理。在故障檢測處理中，主要分為網(wǎng)絡故障、程序故障。在網(wǎng)絡故障中，主要故障問題是全部顯示屏顯示為紅色，不能運行。對網(wǎng)絡故障原因進行分析，是PLC 柜主電源斷路，造成其柜內(nèi)CN 網(wǎng)絡掉電，與PEC 和一級服務器之間的CN 網(wǎng)絡被切斷，服務器不能獲取PEC 的相關(guān)數(shù)據(jù)，因此顯示屏顯示為紅色，顯示屏幕不能正常工作。經(jīng)進一步檢驗，主電源切換所攜帶的負荷中有一路為出口活套下層糾偏載波器，當載波開關(guān)被切斷后，主電源可以關(guān)閉，從而證實該電源的失效是由于載波線的短路造成。處理該網(wǎng)絡故障，主要分為暫時性操作方法和正規(guī)處置方法。在暫時性操作方法中，切斷載波的電力供應，其他開關(guān)送電，再次載入掉電的PEC 后，即可運行。在正規(guī)處置方法中，在停機維修時，對載波機的線路和載波進行重新調(diào)整，把PLC柜內(nèi)的載波電源換成外接UPS 電源，以避免因外接裝置如活套糾偏造成PLC 柜掉電。

在程序故障中，主要故障問題是在焊縫經(jīng)過平整器時，順控程序尚未啟動。對程序故障原因進行分析，是由于程式編制錯誤，當使用時，在投用平整器時，可以無條件不使用平整器。若在平整部位能夠穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，平整輥正常關(guān)閉，則選擇不使用平整器，焊縫經(jīng)過平整器時，順控程序不能被開啟。此時，若將鋼帶焊縫經(jīng)過平整輥，輥縫不能自行張開，造成輥表面損壞。處理程序故障，具體要改變程序，僅當平整器的工作輥揚升或停機時，可以對是否使用平整器進行選擇，以免在平整部位穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，操作者出現(xiàn)操作失誤的情況。

3 現(xiàn)代機械設備中機電一體化技術(shù)的未來應用趨向

3.1 網(wǎng)絡化

網(wǎng)絡通訊技術(shù)的進步和使用的領域不斷擴大，為整個工業(yè)的生產(chǎn)力提升和落后的生產(chǎn)方式的改善提供先進技術(shù)支撐。機械裝備在機械產(chǎn)品設計、材料選擇、產(chǎn)品銷售等方面，都可以運用信息技術(shù)，使機械工作過程更加完善。隨著互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，使人們能夠更加方便地進行各種信息的交換，實現(xiàn)了真正的信息分享，既可以提高公司的核心競爭能力，又可以促進現(xiàn)代機械設備的發(fā)展。

3.2 智能化

為提高現(xiàn)代機械設備綜合性能，必須強化控制原理的落地執(zhí)行，將人工智能、心理學等技術(shù)融入現(xiàn)代機械設備中，并充分運用人工智能技術(shù)，提高對生產(chǎn)過程的優(yōu)化程度，從而保證現(xiàn)代化機械設備能夠長期發(fā)展。比如，高分辨率的檢測器件能夠提高生產(chǎn)率，使機械設備的精確性滿足預定的要求，因而應引起更多的關(guān)注。

3.3 綠色化

對于現(xiàn)代機械設備，要達到可持續(xù)發(fā)展的目的和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，必須把環(huán)保觀念納入其中。當前，社會發(fā)展水平不斷提升，但是對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的損害，因此，必須加強對機電一體化技術(shù)的應用，加強對產(chǎn)品的加工和研發(fā)，把環(huán)保的思想融入產(chǎn)品的生產(chǎn)中，以確保在現(xiàn)代機械設備使用中不存在資源浪費問題，降低對生態(tài)環(huán)境的破壞和污染。

4 結(jié)語

機電一體化的操作方式，既具有先進性，又具有實用價值，在實際使用中，如果掌握現(xiàn)代機械設備和機電一體化融合運用的技術(shù)要領，在實際使用中選用合適的儀器和裝備，可以確保取得較好的應用結(jié)果，從而使現(xiàn)代冷軋廠的生產(chǎn)效益與品質(zhì)得到穩(wěn)定發(fā)展。