一種新型CPC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張 強(qiáng)，宋念龍，王 東，鄭 崗

(1．中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032;2．西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

1 前言

對(duì)于有一定的塔形缺陷的板帶來(lái)料、新上帶材的中心偏離軋制中心線和軋制過(guò)程中帶卷跑偏的情況，可通過(guò)控制開(kāi)卷機(jī)浮動(dòng)缸隨時(shí)調(diào)節(jié)帶材位置，使帶材中心線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)軋制中心線，從而保證板帶能正常軋制。目前板帶軋機(jī)上用的技術(shù)比較成熟的開(kāi)卷機(jī)自動(dòng)對(duì)中控制系統(tǒng)均是以可見(jiàn)光或電子式高頻可見(jiàn)光作為檢測(cè)光信號(hào)，硅光電池作為檢測(cè)傳感器，在探測(cè)器的檢測(cè)回路中通過(guò)低通濾波器去除外界干擾的光電式CPC控制系統(tǒng)。廠房?jī)?nèi)的各種光線如燈光、自然光(太陽(yáng)光及其衍生光)等可見(jiàn)光均可成為其檢測(cè)的光干擾源，自然光本身就涵蓋了所有可見(jiàn)光，這就使其無(wú)法完全消除自然光和車間照明等環(huán)境光線對(duì)CPC控制系統(tǒng)的不利影響。

本文所述的CPC控制系統(tǒng)是由西安理工大學(xué)開(kāi)發(fā)，在中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司為用戶提供的軋機(jī)設(shè)備實(shí)際使用中完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。由于其采用非可見(jiàn)光作為檢測(cè)光信號(hào)，從根本上大量減少了光干擾的存在，再經(jīng)系統(tǒng)過(guò)濾，能更好的消除外界干擾，使系統(tǒng)更趨于精確、穩(wěn)定、可靠。

2 CPC控制系統(tǒng)的工作原理及組成

該CPC控制系統(tǒng)由檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)三部分組成。檢測(cè)系統(tǒng)由燈箱與檢測(cè)頭組成，燈箱的光源是普通24VDC供電的紅外(非可見(jiàn)光)發(fā)光二極管陣列，檢測(cè)頭是通過(guò)CCD圖像傳感器的感光性將檢測(cè)到的板帶兩側(cè)邊緣的圖像信息轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)位信息，信息傳遞控制框圖如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)中PLC可隨時(shí)將檢測(cè)到的信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較計(jì)算，將得到的控制信號(hào)傳輸給液壓伺服系統(tǒng);同時(shí)軟件中設(shè)置有自適應(yīng)環(huán)節(jié)，當(dāng)燈箱因灰塵、光源衰減等有輕微污染時(shí)系統(tǒng)具有相應(yīng)的自動(dòng)補(bǔ)償功能，當(dāng)污染嚴(yán)重及斷光時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。液壓伺服控制原理如圖2所示，液壓動(dòng)力源提供的系統(tǒng)工作壓力和額定流量完全可以滿足CPC控制油缸的動(dòng)作需要;CPC閥站上裝有比例閥或伺服閥，就近布置在開(kāi)卷機(jī)傳動(dòng)側(cè)的地面上;CPC油缸是裝有位移傳感器的伺服油缸，固定在開(kāi)卷機(jī)底座上，動(dòng)作時(shí)CPC油缸帶動(dòng)開(kāi)卷機(jī)滑座及其上的帶卷沿開(kāi)卷機(jī)底座上的軌道滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)帶卷中心的對(duì)中。

3 CPC控制系統(tǒng)的安裝和標(biāo)定

某1200 mm六輥軋機(jī)中使用的CPC控制系統(tǒng)在實(shí)際使用中的安裝和標(biāo)定。

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)(圖3)

(1)檢測(cè)系統(tǒng)的安裝。①燈箱安裝的水平度誤差不大于2 mm，兩側(cè)燈箱相對(duì)于軋制中心線鏡像對(duì)稱的誤差不大于2 mm;②檢測(cè)頭A1、A2相對(duì)于軋制中心線鏡像對(duì)稱的誤差不大于2 mm，檢測(cè)頭的中心線需垂直于燈箱;③檢測(cè)頭上設(shè)置有供安裝和調(diào)整用的激光紅點(diǎn)，用來(lái)檢查檢測(cè)頭是否對(duì)準(zhǔn)燈箱中心，安裝或維修時(shí)可參照激光紅點(diǎn)調(diào)整檢測(cè)頭的安裝角度;④檢測(cè)頭上的孔形插頭為電源和通信插頭，針形插頭為激光指示器插頭。

圖3 檢測(cè)原理Fig.3 Principle of detection

安裝好以后調(diào)整光路方法:①粗調(diào)檢測(cè)頭箱體的安裝螺釘，使A1、A2兩檢測(cè)頭的箱體中心間距900 mm，且對(duì)稱于軋制中心線，其檢測(cè)頭垂直于燈箱;②打開(kāi)檢測(cè)頭箱體的盒蓋，精調(diào)檢測(cè)頭的安裝螺釘，使兩個(gè)檢測(cè)頭的激光點(diǎn)分別對(duì)準(zhǔn)各自相應(yīng)的燈箱中央;③調(diào)節(jié)光圈:將光圈調(diào)至最大，在PLC工作狀態(tài)打至手動(dòng)模式時(shí)，在燈箱上放置一塊遮擋物，同時(shí)觀察報(bào)警指示燈，若5 s后報(bào)警指示燈閃爍，再觀察撤掉遮擋物后報(bào)警指示燈能否自動(dòng)消失。觀察數(shù)秒后報(bào)警指示燈若不消失，逐漸調(diào)小光圈后重新試驗(yàn)，直到遮擋物去掉后，報(bào)警指示燈在觀察數(shù)秒后消失為止。需要注意的是，鏡頭的焦距在出廠前均已調(diào)好，使用過(guò)程中不能隨意調(diào)整。

(2)檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的標(biāo)定［4］。CPC控制系統(tǒng)在正式運(yùn)行之前，需對(duì)A1、A2兩側(cè)的點(diǎn)位信息進(jìn)行標(biāo)定并將標(biāo)定的信息輸入控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)正常工作后無(wú)需再更改。標(biāo)定方法:①將CPC控制系統(tǒng)的工作模式至手動(dòng)模式;②依次用遮擋物遮擋操作側(cè)左側(cè)、操作側(cè)右側(cè)、傳動(dòng)側(cè)左側(cè)、傳動(dòng)側(cè)右側(cè)的指定位置，并分別讀取此時(shí)的點(diǎn)位信息，將其依次輸入到控制面板中的操作側(cè)左側(cè)信息A1l、操作側(cè)右側(cè)信息A1r、傳動(dòng)側(cè)左側(cè)信息A2l、傳動(dòng)側(cè)右側(cè)信息A2r欄中;③測(cè)量操作側(cè)左側(cè)指定位置與操作側(cè)右側(cè)指定位置的距離，從而得到傳動(dòng)側(cè)的標(biāo)定物理距離X1，將其與前面控制面板中的輸入值A(chǔ)1l、A1r對(duì)應(yīng);④測(cè)量傳動(dòng)側(cè)左側(cè)指定位置與傳動(dòng)側(cè)右側(cè)指定位置的距離，從而得到傳動(dòng)側(cè)標(biāo)定物理距離 X2。由此得:

左側(cè)單位點(diǎn)的物理長(zhǎng)度

右側(cè)單位點(diǎn)的物理長(zhǎng)度

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可將所測(cè)左側(cè)點(diǎn)位A1p、右側(cè)點(diǎn)位A2p傳給PLC，可計(jì)算出:

左側(cè)帶材邊緣與軋制中心線的距離

右側(cè)帶材邊緣與軋制中心線的距離

帶材中心偏離軋制中心線的距離

3.2 液壓伺服系統(tǒng)

液壓伺服控制系統(tǒng)的調(diào)試是在工作介質(zhì)的選用、管路安裝和打壓、電氣打點(diǎn)、動(dòng)力站的啟動(dòng)運(yùn)行停止等完全達(dá)標(biāo)，且液壓伺服系統(tǒng)的油液清潔度達(dá)到NAS 7級(jí)后，①手動(dòng)操作液壓閥，完成CPC伺服油缸反復(fù)推動(dòng)開(kāi)卷機(jī)運(yùn)動(dòng)部分沿軌道雙向行走，以檢查在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否有卡阻并能到達(dá)兩個(gè)方向的最大行程，系統(tǒng)的溢流保護(hù)功能能否實(shí)現(xiàn)，CPC伺服油缸在開(kāi)卷機(jī)有帶卷的情況下是否固定可靠;②安裝正式使用的比例閥或伺服閥，連接并測(cè)試好CPC伺服油缸內(nèi)位移傳感器的電路后，電動(dòng)控制CPC伺服油缸推動(dòng)開(kāi)卷機(jī)活動(dòng)部分反復(fù)大行程走動(dòng)幾次;③依次在指定位置測(cè)量開(kāi)卷機(jī)活動(dòng)部分離開(kāi)軋制中心線的實(shí)際尺寸，對(duì)比CPC伺服油缸內(nèi)位移傳感器檢測(cè)到的尺寸設(shè)置位移傳感器的零位;④與檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)CPC控制系統(tǒng)，分別在空載、帶載兩種情況下進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。

現(xiàn)場(chǎng)在燈箱附近人為制造與車間光線頻率相同但強(qiáng)度較高的干擾源，系統(tǒng)的數(shù)顯值和動(dòng)作沒(méi)有出現(xiàn)異常波動(dòng);人為遮擋一定范圍內(nèi)的紅外發(fā)光二極管，測(cè)試CPC系統(tǒng)的自動(dòng)補(bǔ)償能力。

4 CPC控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)

以1200 mm六輥軋機(jī)為例，其要求CPC控制系統(tǒng)具有三種控制功能，對(duì)應(yīng)于控制功能的三種不同工況。CPC控制系統(tǒng)設(shè)置了三種控制模式:①手動(dòng)模式。為方便調(diào)試可手動(dòng)控制開(kāi)卷機(jī)的位置;②自對(duì)中模式。在開(kāi)卷上帶前，伺服油缸內(nèi)裝位移傳感器與比例伺服閥形成位置閉環(huán)控制，使開(kāi)卷機(jī)的卷筒中心線與軋制中心線相一致;③自動(dòng)模式。穿帶完畢，在軋制過(guò)程中比例伺服閥與檢測(cè)到帶材中心線偏離信號(hào)形成位置閉環(huán)控制。當(dāng)帶材中心線偏移時(shí)，比例伺服閥控制伺服油缸帶動(dòng)開(kāi)卷機(jī)運(yùn)動(dòng)部分滑動(dòng)，使帶材中心線與機(jī)組中心線趨于一致。軋制完畢后，恢復(fù)到開(kāi)卷上帶前的自對(duì)中模式，使開(kāi)卷機(jī)回到上卷零位，為重新上卷做好準(zhǔn)備。要求的主要性能指標(biāo):單邊檢測(cè)寬度變化范圍0～250 mm，控制精度±1.0 mm，能在開(kāi)卷軋制過(guò)程中快速糾偏，能自動(dòng)適應(yīng)不同的來(lái)料寬度，具有較好的對(duì)車間環(huán)境光污染的抗干擾能力。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)CPC自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)的實(shí)際性能指標(biāo)進(jìn)行了考核。

(1)燈箱和檢測(cè)頭距分別距帶材1500 mm和1200 mm，如圖3所示，檢測(cè)寬度變化范圍為650 mm～1150 mm，系統(tǒng)實(shí)際的有效測(cè)量范圍大于帶材允許的跑偏距離。燈箱內(nèi)使用的紅外發(fā)光二極管陣列具有光源穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、易安裝的特點(diǎn)。

(2)光電檢測(cè)頭內(nèi)裝有線陣CCD器件，使系統(tǒng)的光電檢測(cè)頭具有高精度的分辨率，檢測(cè)裝置的綜合分辨率可達(dá)到±0.1 mm，帶材位置控制精度±1 mm，重復(fù)精度±0.4 mm。

(3)系統(tǒng)初始的標(biāo)定、設(shè)置相應(yīng)參數(shù)、帶材邊緣的信號(hào)檢測(cè)及傳輸處理、開(kāi)卷機(jī)位置的伺服控制過(guò)程等均采用數(shù)字信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間達(dá)到10 ms，具有檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

(4)快速糾偏的能力。軋機(jī)的開(kāi)卷機(jī)卷筒中心距軋機(jī)機(jī)組中心線間距9830 mm，設(shè)計(jì)的最大開(kāi)卷速度為450 m/min，CPC控制系統(tǒng)最大糾偏量±100mm。在開(kāi)卷速度為300 m/min的開(kāi)卷軋制過(guò)程中，人為使開(kāi)卷機(jī)帶著帶材偏離到－100 mm或+100 mm的位置，使當(dāng)帶材上的標(biāo)記點(diǎn)到達(dá)機(jī)組中心線時(shí)，帶材的中心線返回并略微超過(guò)軋制中心線。

(5)調(diào)試過(guò)程中軋制不同寬度的帶卷，CPC控制系統(tǒng)均能自動(dòng)完成上卷對(duì)中、開(kāi)卷軋制自動(dòng)糾偏的功能。

5 結(jié)論

本CPC控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際檢驗(yàn)，完全可以達(dá)到系統(tǒng)的工作要求。系統(tǒng)以紅外線(非可見(jiàn)光)為檢測(cè)光信號(hào)，基本消除了影響檢測(cè)的光干擾源，比以可見(jiàn)光或高頻可見(jiàn)光為光信號(hào)的光電式CPC控制系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢(shì)，是CPC控制系統(tǒng)的又一發(fā)展趨勢(shì)。

［1］ 石順祥．物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)［M］．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008:3．

［2］ 騰龍視覺(jué)設(shè)計(jì)工作室．家庭數(shù)碼攝影師完全自學(xué)手冊(cè)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006:1－3．

［3］ 王春行．液壓控制系統(tǒng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999:112－113．

［4］ 宋念龍，江麗萍．基于雙線陣CCD的帶材自動(dòng)對(duì)中控制系統(tǒng)［J］．冶金自動(dòng)化，2007，(5)．