摘要：為了解決冷軋帶鋼生產(chǎn)中的帶材跑偏問題,簡述了帶材自動(dòng)糾偏系統(tǒng)控制基本原理,詳細(xì)介紹了由西安重型機(jī)械研究所設(shè)計(jì)成套的帶材CPC 電液伺服控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì),通過該系統(tǒng)在由西安重型機(jī)械研究所設(shè)計(jì)成套的冷軋機(jī)組中的應(yīng)用,證明了該設(shè)計(jì)的可行性。自調(diào)試成功投入生產(chǎn)以來,系統(tǒng)性能可靠,控制精度高,極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)糾偏 中心位置控制 電液伺服

1 引言

在軋鋼生產(chǎn)中由于來料、機(jī)械等各種因素的影響,帶材開卷送入軋機(jī)、平整機(jī)時(shí)總會(huì)造成跑偏,為了保證產(chǎn)品質(zhì)量及滿足正常生產(chǎn)加工的需要,就要使用開卷機(jī)帶材對(duì)中CPC (center position cont rol) 糾偏系統(tǒng)。CPC 糾偏系統(tǒng)用于控制帶材位置,以避免因來料卷層不齊而造成的開卷機(jī)軋制、平整時(shí)板形變化和不易升速的弊端,通過自動(dòng)調(diào)節(jié)來消除偏差,使帶材中心位置始終保持在軋制中心線位置,并使卷取帶卷整齊。

由西安重型機(jī)械研究所(以下簡稱西重所) 設(shè)計(jì)成套的4 ,6 輥可逆冷軋機(jī)組和4 輥平整機(jī)組中,為了使帶材開卷后準(zhǔn)確地送入軋機(jī),通常在開卷側(cè)都安裝有對(duì)中糾偏裝置,對(duì)帶材位置的偏差進(jìn)行糾正,實(shí)現(xiàn)開卷CPC 控制。有效地解決了帶材跑偏的問題,減少了斷帶次數(shù),對(duì)于提高機(jī)組速度、增加產(chǎn)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率取得了顯著的效果。

西重所在軋機(jī)、平整機(jī)機(jī)組中實(shí)現(xiàn)開卷機(jī)CPC 控制大多選用國外成套對(duì)中糾偏裝置產(chǎn)品,這些產(chǎn)品相對(duì)主軋機(jī)為一套獨(dú)立的控制設(shè)備且性能可靠、控制精度高,能很好地實(shí)現(xiàn)控制要求。但在給某企業(yè)設(shè)計(jì)成套的4 輥粗中軋機(jī)組中采用了基于主機(jī)PLC 控制器的CPC 控制系統(tǒng),這套系統(tǒng)不但節(jié)約了成本而且響應(yīng)快、精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好,可完全替代進(jìn)口設(shè)備。

2 設(shè)備組成及控制原理

由西重所自主設(shè)計(jì)制造的4 輥粗中軋機(jī)組開卷CPC 系統(tǒng)主要由液壓缸,伺服比例閥、高頻光電檢測系統(tǒng)、PLC 控制器、磁致伸縮位置傳感器、液壓設(shè)備等組成。是一種全閉環(huán)電液伺服控制系統(tǒng)。CPC 控制功能由PLC 完成。其主要控制原理是將帶材位置的檢測信號(hào)和開卷機(jī)的油缸位置反饋信號(hào)送至PLC ,進(jìn)行PID 運(yùn)算后,輸出信號(hào)控制開卷機(jī)機(jī)座油缸比例伺服閥,使雙柱頭開卷機(jī)移動(dòng)以控制帶材中心位置。圖1 為4 輥粗中軋機(jī)組開卷機(jī)及CPC 系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖
開卷CPC 控制系統(tǒng)中,開卷位移傳感器選用的是KYCM 系列磁致伸縮線型位移傳感器。其主要是由測桿、電子艙和套在測桿上的非接觸的磁環(huán)組成。測桿內(nèi)裝有磁致伸縮線(波導(dǎo)絲) ,測桿由不導(dǎo)磁的不銹鋼管組成,可靠地保護(hù)了波導(dǎo)絲。工作時(shí),由電子艙的電子電路產(chǎn)生一起始脈沖,此起始脈沖在波導(dǎo)絲中傳輸時(shí),同時(shí)產(chǎn)生一沿波導(dǎo)絲方向前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場,當(dāng)這個(gè)磁場與磁環(huán)中的永久磁場相遇時(shí),產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng),使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng),這一扭動(dòng)被安裝在電子艙內(nèi)的測能機(jī)構(gòu)所感應(yīng)并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖,通過電子電路計(jì)算出兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間差,即可精確測出被測體的位移。

CPC 比例伺服閥選用的是atos 的DL KZOTE 型高性能伺服比例閥。該閥內(nèi)配有集成的電子放大器,比例閥與電子放大器配合工作。電子放大器輸出電流信號(hào)控制比例閥輸出使之與供給電子放大器的輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng),以此來控制閥芯位置,同時(shí)由閥內(nèi)裝輸出檢測裝置的作用,實(shí)現(xiàn)對(duì)閥的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。

選用了HFGY 60 型高頻光電檢測系統(tǒng)作為帶材運(yùn)動(dòng)中的位置跑偏檢測,檢測到的信號(hào)供對(duì)中位置控制(CPC) 糾偏用。該系統(tǒng)包括熒光燈高頻專用電源,熒光燈光源箱和檢測器箱3 個(gè)裝置。在開卷時(shí)熒光燈管光源發(fā)出高頻閃爍燈光,當(dāng)帶材置于光路中時(shí),檢測器箱內(nèi)透鏡組將帶材遮掩后的光會(huì)聚到光敏元件,光敏元件的信號(hào)電壓經(jīng)色度補(bǔ)償選頻放大,帶通濾波器濾波及信號(hào)電壓整形,最后輸出穩(wěn)定的,抗干擾性能強(qiáng)的電壓(電流) 控制信號(hào)作為帶材實(shí)際位置信號(hào)輸入到PLC。

3 控制系統(tǒng)軟硬件組成及設(shè)計(jì)

3. 1 硬件組成

4 輥粗中軋機(jī)組的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件主要采用了西門子S7 300 系列PLC 控制器,CPU 選用了318 2DP 型,開卷CPC 控制系統(tǒng)的邏輯順序控制及數(shù)據(jù)處理輸出均由主CPU 控制完成。選用了SM321 開關(guān)量輸入模塊, SM322開關(guān)量輸出模塊, SM331 模擬量輸入模塊,SM332 模擬量輸出模塊。開關(guān)量輸入輸出模塊用于控制電磁換向閥的通斷,模擬量輸入輸出模塊用于對(duì)位移量數(shù)據(jù)的采集及對(duì)比例閥的控制輸出。圖2 為PLC 硬件控制簡圖。

圖2 PLC 硬件控制簡圖
3. 2 軟件組成

開卷CPC 控制PLC 控制軟件中編程語言為STEP7 。STEP7 是用于SIMA TIC S7 300/ 400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件,是西門子公司開發(fā)用于S7 300/ 400PLC 的編程語言,可使用梯形邏輯、功能塊圖或語句表。可以在Windows 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)硬件配置、參數(shù)設(shè)置、編程、測試、啟動(dòng)、故障診斷等功能。

在程序控制設(shè)計(jì)中采用了西門子用于S7 300/ 400 的標(biāo)準(zhǔn)軟件PID 控制包的連續(xù)控制的控制塊FB41 CON T_C。FB41 為連續(xù)控制的PID功能塊,用于控制連續(xù)變化的模擬量[1 ] ,在系統(tǒng)中完成對(duì)比例閥的調(diào)節(jié)控制,每次調(diào)用需分配一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊。本文對(duì)FB41 功能塊中主要輸入輸出接口功能作如下簡介。

COM_RST : 調(diào)節(jié)器輸入BOOL 型,當(dāng)該位TURE 時(shí), PID 執(zhí)行重新啟動(dòng)功能,復(fù)位PID 內(nèi)部參數(shù)到默認(rèn)值。通常在系統(tǒng)重啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行一個(gè)掃描周期,或在PID 進(jìn)入飽和狀態(tài)需要退出時(shí)用這個(gè)位。

SP_INT:調(diào)節(jié)器輸入REAL 型,PID 的給定值。
PV_IN :調(diào)節(jié)器輸入REAL 型, PID 的反饋值。
MAN : 調(diào)節(jié)器輸入REAL 型, 手動(dòng)值, 由MAN_ON 選擇有效。
GAIN :調(diào)節(jié)器輸入REAL 型,比例增益設(shè)置。
TI :輸入TIME ,調(diào)節(jié)器積分時(shí)間設(shè)置。
TD :輸入TIME ,調(diào)節(jié)器微分時(shí)間設(shè)置。
LMN :TIME 輸出REAL 型,PID 控制器輸出。

3. 3 控制方式

開卷CPC 控制系統(tǒng)根據(jù)工藝分為手動(dòng)、自對(duì)中及自動(dòng)3 種控制方式。由于4 輥粗中軋機(jī)開卷機(jī)是雙柱頭結(jié)構(gòu),由2 個(gè)油缸組成,因此在每個(gè)油缸裝有1 個(gè)位移傳感器分別檢測出傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)油缸位置以進(jìn)行上卷手動(dòng)及自對(duì)中操作時(shí)油缸的定位控制。當(dāng)開卷機(jī)CPC 控制在手動(dòng)方式時(shí),電磁球座閥切斷,使2 個(gè)油缸獨(dú)立,通過PLC 輸出控制相應(yīng)的電磁換向閥,使2 個(gè)油缸可分別帶動(dòng)雙柱頭開卷機(jī)向傳動(dòng)側(cè)或操作側(cè)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)開卷機(jī)CPC 控制在自對(duì)中和自動(dòng)方式時(shí),電磁球座閥打開,使2 個(gè)油缸串聯(lián),通過PLC 輸出控制相應(yīng)的電磁換向閥,控制主油路的通斷及對(duì)中油缸液壓鎖的開閉。同時(shí)對(duì)中油缸的動(dòng)作由比例伺服閥來控制。自對(duì)中方式下,油缸內(nèi)的磁致伸縮位移傳感器測得油缸實(shí)際位置信號(hào)輸入到PLC與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較,經(jīng)過PID 調(diào)節(jié)器輸出調(diào)偏信號(hào)控制比例伺服閥,驅(qū)動(dòng)油缸向軋線中心位置移動(dòng)。圖3 為自對(duì)中方式下系統(tǒng)控制框圖,其中S1為自對(duì)中時(shí)開卷機(jī)對(duì)中位置, f 1 為位移傳感器檢測到的開卷機(jī)實(shí)際位置。