百米重軌冷床同步預(yù)彎控制

王春明　江杰

摘要：本文詳細(xì)講述了冷床控制系統(tǒng)的各種設(shè)備以及相關(guān)工藝，并且對(duì)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)做了深入淺出地分析和完善的設(shè)計(jì)。同時(shí)依據(jù)控制任務(wù)的核心難點(diǎn)一預(yù)彎小車(chē)同步問(wèn)題的解決方面，利用編碼器位置反饋與預(yù)彎模型設(shè)定位置通過(guò)閉環(huán)控制，使在預(yù)彎的輸送過(guò)程中的同步問(wèn)題，預(yù)彎小車(chē)橫移定位這一控制核心難點(diǎn)得到了解決。實(shí)時(shí)依據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和冷床控制系統(tǒng)的各種設(shè)備以及工藝的特性以及反饋信息，及時(shí)通過(guò)控制程序自動(dòng)對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修正，形成了一套完善的整個(gè)系統(tǒng)之間的閉環(huán)控制，保證了預(yù)彎工藝的控制精度。同時(shí)筆者為以后電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的不斷改進(jìn)提出了很好的建議和實(shí)施方案。

關(guān)鍵詞：軌梁廠；冷床；電氣自動(dòng)化；預(yù)彎

中圖分類(lèi)號(hào)TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)2095-6363（2016）06-0198-02

由于生產(chǎn)工藝的原因，軋制的鋼軌進(jìn)入冷床，鋼軌經(jīng)過(guò)自然冷卻后，由于鋼軌的斷面不對(duì)稱(chēng)，各部分的應(yīng)力不同，最終鋼軌會(huì)形成較大的彎曲度?？刂平禍睾蟮膹澢仁菫榱藵M(mǎn)足矯直工藝的要求。另外，經(jīng)測(cè)定彎曲度較大的鋼軌殘余應(yīng)力也較大，這會(huì)影響鋼軌的使用時(shí)間。為了解決這些問(wèn)題，百米重軌的冷床除了起到降溫的功能外，還人工加入了預(yù)彎工序。為了使冷卻后的重軌產(chǎn)生的彎曲度變小，人工給鋼軌彎出一個(gè)反變形彎曲度，這樣冷卻后的鋼軌也就接近成直線。這就是控制核心部分預(yù)彎控制。

關(guān)于冷床橫移裝置預(yù)彎同步控制技術(shù)，我國(guó)為此引進(jìn)了西門(mén)子的技術(shù)，經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)試，掌握了預(yù)彎技術(shù)。包頭鋼鐵公司軌梁廠的冷床是中國(guó)第二條百米重軌生產(chǎn)線。從設(shè)計(jì)、安裝到調(diào)試全部實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。預(yù)彎控制的程序和算法全都是工程技術(shù)人員白行開(kāi)發(fā)的。通過(guò)多次認(rèn)真預(yù)彎測(cè)試數(shù)據(jù)的積累、分析及數(shù)學(xué)模型的不斷修改和補(bǔ)充完善，最終建立了能夠滿(mǎn)足百米重軌生產(chǎn)的符合實(shí)際的完善的數(shù)學(xué)模型。已達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

1.冷床預(yù)彎裝置設(shè)備組成

入口橫移定位系統(tǒng)。作用是從入口輥道把鋼軌通過(guò)橫移小車(chē)輸送到步進(jìn)梁，移送過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌的預(yù)彎。橫移裝置是由40臺(tái)橫移小車(chē)以及相關(guān)配套的位置編碼器、小車(chē)驅(qū)動(dòng)設(shè)備構(gòu)成。橫移小車(chē)通過(guò)變頻器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車(chē)前進(jìn)和后退，液壓缸驅(qū)動(dòng)小車(chē)升降，PLC通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線控制橫移小車(chē)變頻器的啟/停、加速、減速，讀取變頻器的運(yùn)行參數(shù)。

2.PLC控制系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)

控制系統(tǒng)下位系統(tǒng)采用S7-400系列CPU，此CPU是西門(mén)子公司系列的高端產(chǎn)品，其具有強(qiáng)大的邏輯處理和浮點(diǎn)運(yùn)算能力，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。由此CPU實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制程序，包括讀取遠(yuǎn)程I/0設(shè)備數(shù)據(jù)，邏輯運(yùn)算和實(shí)際輸出。主站是采用CP443 5接口模塊通過(guò)PROFIBUS DP與各遠(yuǎn)程I/0站的西門(mén)子ET200S、ET200M、編碼器及變頻器的通訊接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通訊速率為1.5mbps。

上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)。冗余服務(wù)器及客戶(hù)端、工程師站Es與主控制器之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，與中央機(jī)架的西門(mén)子SIMATIC系列CP443 1以太網(wǎng)通訊模板進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，速率為100兆。

3.冷床橫移裝置工藝過(guò)程

鋼軌的輸送步驟如下：1）當(dāng)初始位置開(kāi)始，所有橫移運(yùn)輸小車(chē)以相同的速度在軋件下面運(yùn)行，一直到達(dá)鋼軌的測(cè)量位置為止，通過(guò)每臺(tái)橫移裝置上高于輥道水平面的部分把鋼軌推直；2）當(dāng)小車(chē)到位后上升到上極限，這是鋼軌平放在導(dǎo)向板中；3）小車(chē)將向冷床運(yùn)行到達(dá)目的位置。橫移運(yùn)輸小車(chē)將根據(jù)存儲(chǔ)在控制器中的運(yùn)行設(shè)定距離，控制各個(gè)小車(chē)同啟同停但是不同速到達(dá)目標(biāo)位置；4）到位后小車(chē)下降至下極限以高速退回至小車(chē)初始位置。

4.冷床橫移裝置控制方案

4.1小車(chē)同步升降

小車(chē)其上升、下降動(dòng)作分別由13個(gè)液壓缸單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)控制安裝在缸體部分的比例閥，通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)比例閥來(lái)實(shí)現(xiàn)升降的同步。由于各液壓缸使用的液壓動(dòng)力是同一液壓管道上，管道線路較長(zhǎng)，導(dǎo)致液壓缸在同時(shí)動(dòng)作時(shí)，其各個(gè)液壓缸上的液壓動(dòng)力不同，且液壓缸在動(dòng)作過(guò)程中，根據(jù)反饋位置需要不斷的調(diào)節(jié)速度，使控制的比例閥的開(kāi)度隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)每個(gè)液壓缸的動(dòng)作變化會(huì)影響液壓總管的壓力，即各液壓缸之間的動(dòng)作變化存在耦合關(guān)系。因此，在控制程序?qū)@種變化進(jìn)行各自不同的相應(yīng)補(bǔ)償、解耦和調(diào)節(jié)。

4.2小車(chē)同步橫移定位

入口小車(chē)橫移運(yùn)行分為兩步：第一步為同啟、同速、同停的位置定位閉環(huán)控制，其目的是矯直進(jìn)入冷床入口輥道的熱軌，以便下一步穿靴動(dòng)作順利進(jìn)行；第二步為同啟，不同速、同停的位置定位閉環(huán)控制，其目的是對(duì)熱軌進(jìn)行預(yù)彎，保證預(yù)彎的參數(shù)滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝需求，為后序鋼軌順利進(jìn)入矯直機(jī)提供保證。第一步的控制為固定目標(biāo)值控制，此控制目標(biāo)值根據(jù)生產(chǎn)工藝確定；第二步的控制為可變固定目標(biāo)值控制，其目標(biāo)值由預(yù)彎參數(shù)給定，即同啟、不同速、同停的閉環(huán)控制。入口和出口小車(chē)的位置反饋由小車(chē)各自的位置編碼器檢測(cè)。由此位置反饋和各自的目標(biāo)值組成各自的位置閉環(huán)定位控制回路。

4.3小車(chē)控制原理

每臺(tái)小車(chē)都是用獨(dú)立的逆變器單獨(dú)控制，每臺(tái)小車(chē)電機(jī)減速機(jī)都安裝一個(gè)編碼器作為位置檢測(cè)。當(dāng)PLC接到啟動(dòng)指令時(shí)，PLC通過(guò)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出需要給定的頻率，通過(guò)Profibus DP網(wǎng)絡(luò)，將啟動(dòng)指令及給定頻率以報(bào)文的形式發(fā)送給逆變器，逆變器拖動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，勻加速1s至給定頻率，到達(dá)lls的時(shí)候做勻減速運(yùn)動(dòng)，12s的時(shí)候停止，使小車(chē)能夠準(zhǔn)確的到達(dá)設(shè)定位置，并且通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)行距離，如果設(shè)定值與實(shí)際檢測(cè)值偏差超過(guò)允許范圍，PLC通過(guò)判斷進(jìn)行報(bào)警，根據(jù)偏差大小對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行微調(diào)，保證小車(chē)下次偏差達(dá)到允許范圍之內(nèi)。同時(shí)變頻器把運(yùn)行過(guò)程的狀態(tài)字也以報(bào)文形式發(fā)送到PLC，并且通過(guò)人機(jī)界面顯示變頻器運(yùn)行狀態(tài)。

4.4數(shù)學(xué)模型的建立

預(yù)彎過(guò)程控制的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)入口部分的39部升降/橫移小車(chē)各自獨(dú)立且同步運(yùn)行來(lái)完成的。所以冷床入口的39部升降/橫移小車(chē)各自的橫移定位控制精度及同步性是預(yù)彎控制精度的關(guān)鍵。針對(duì)這一控制難點(diǎn)，根據(jù)小車(chē)變頻給定曲線對(duì)每臺(tái)橫移小車(chē)建立單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)頻率區(qū)間的走行距離的數(shù)學(xué)模型，小車(chē)根據(jù)工藝設(shè)定預(yù)彎距離，自動(dòng)匹配合適的數(shù)學(xué)模型，對(duì)小車(chē)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的頻率給定。保證每臺(tái)小車(chē)都能夠在單位時(shí)間內(nèi)完成：?jiǎn)?dòng)-勻加速-恒速-勻減速-停車(chē)，這樣既保證了小車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)，而且控制精度控制在20mm內(nèi)。

操作預(yù)彎時(shí)，由操作人員根據(jù)工藝把每臺(tái)小車(chē)行走的距離通過(guò)人機(jī)界面的接口，進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)啟動(dòng)預(yù)彎程序時(shí)，全部39臺(tái)小車(chē)根據(jù)設(shè)定的距離，同時(shí)啟動(dòng)小車(chē)根據(jù)設(shè)定的距離，把鋼軌推出一條符合工藝需求的曲線，并且同時(shí)停止，保證鋼軌均勻彎曲。

5.結(jié)論

控制系統(tǒng)在投入使用后，針對(duì)預(yù)彎及移送同步控制這一核心問(wèn)題，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的建立，閉環(huán)的控制算法最終達(dá)到了預(yù)彎同步控制的效果。保障生產(chǎn)的順利運(yùn)行，同時(shí)提高了鋼軌的質(zhì)量。本文依據(jù)現(xiàn)在冷床的生產(chǎn)情況和今后軌梁廠發(fā)展規(guī)劃，為今后自動(dòng)化控制系統(tǒng)的升級(jí)改造提出了可行的方案。