高速位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)在無縫鋼管生產(chǎn)線上的應(yīng)用

展鵬，張曉琳，胡慶軍，王景勝，郝瑞豐

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

高速位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)在無縫鋼管生產(chǎn)線上的應(yīng)用

展鵬，張曉琳，胡慶軍，王景勝，郝瑞豐

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

直線運(yùn)動設(shè)備在無縫鋼管生產(chǎn)線被大量地使用，這些設(shè)備的運(yùn)行效率直接影響無縫鋼管生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。采用閉環(huán)的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以有效地提高直線運(yùn)動設(shè)備的運(yùn)行效率。論述了在無縫鋼管生產(chǎn)線位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)成和運(yùn)行方式，并對位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)在無縫鋼管生產(chǎn)線上的實現(xiàn)方法和實際應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

無縫鋼管生產(chǎn)線；位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)；直線運(yùn)動設(shè)備

本文通過工程實例對無縫鋼管生產(chǎn)線位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)成和工作方式進(jìn)行了介紹。無縫鋼管生產(chǎn)線一般分為熱加工區(qū)和冷加工區(qū)，其中熱加工中穿孔區(qū)和連軋區(qū)的生產(chǎn)節(jié)奏是影響產(chǎn)量的主要因素。在穿孔和連軋這兩個區(qū)域中，頂桿小車，毛管橫移小車和限動齒條等設(shè)備直線位置運(yùn)動的運(yùn)行效率和安全性能是制約生產(chǎn)節(jié)奏的關(guān)鍵所在。

1 位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)

位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由位置調(diào)節(jié)器和雙閉環(huán)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成的，如圖1所示。位置調(diào)節(jié)器的輸出作為速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速度給定加在斜坡函數(shù)發(fā)生器前。斜坡函數(shù)發(fā)生器能夠有效地減少位置調(diào)節(jié)器階躍輸出產(chǎn)生對機(jī)械的沖擊，同時要求斜坡函數(shù)發(fā)生器的加減速時間盡可能地縮短，保證在位置控制系統(tǒng)定位時斜坡函數(shù)發(fā)生器的輸出能夠盡快響應(yīng)斜坡函數(shù)發(fā)生器的給定，以確保位置定位的精度。

圖1 位置系統(tǒng)示意圖Fig.1 Position adjustment system

圖2是位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行時位置給定和速度反饋的波形，系統(tǒng)的速度設(shè)定為5 m/s，行程0%至100%（大致10 m）。

圖2 位置給定和速度反饋波形Fig.2 Position set and velocity feedback curve

首先位置調(diào)節(jié)器輸入0%～100%的階躍給定，位置調(diào)節(jié)器的輸出跟隨給定產(chǎn)生了0～5 m/ s的速度給定。由于斜坡函數(shù)發(fā)生器的存在，速度調(diào)節(jié)器的給定按照約定斜坡加速到5 m/s。隨著位置反饋逐漸接近位置給定值，位置調(diào)節(jié)器的輸出逐漸減弱，形成了一段弧線的減速區(qū)間。

當(dāng)位置調(diào)節(jié)器的輸出低于限幅器的下限時，速度給定會按照預(yù)設(shè)的下限幅值給出，這樣就形成了最后的定位區(qū)間。最終，位置反饋值等于位置給定值時，位置調(diào)節(jié)器的輸出封零，速度反饋會按照斜坡回零，位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)完成定位調(diào)節(jié)，如圖3所示。

圖3 速度區(qū)間Fig.3 Velocity area

回零時產(chǎn)生的距離誤差可以當(dāng)做調(diào)節(jié)器的死區(qū)設(shè)定在系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確度。定位精度如圖4所示，偏差在1 mm之內(nèi)。

圖4 定位精度Fig.4 Positioning accuracy

實際應(yīng)用中位置調(diào)節(jié)器一般選用比例調(diào)節(jié)器，比例系數(shù)大小直接影響到定位的快速性和安全性。根據(jù)設(shè)備和用戶要求的不同，比例系數(shù)可以用試湊法或者根據(jù)公式計算，如下式：

式中：Kp為比例系數(shù)；L為總行程；S為減速需要的行程；vt為設(shè)定速度；v0為定位速度；a為機(jī)械設(shè)備允許的最大減速度；c為修正長度。

在某些對位置定位運(yùn)行效率要求較高的場合中，通過式（1）、式（2）自動修正比例系數(shù)，使系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定速度的不同，自動調(diào)整減速區(qū)間的長短，提高系統(tǒng)運(yùn)行時的平均速度，從而縮短整體的定位時間。

2 位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)在無縫鋼管生產(chǎn)線上的應(yīng)用實例

無縫鋼管生產(chǎn)線中，位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)被應(yīng)用在頂桿小車，毛管橫移小車，限動齒條和所有需要位置調(diào)整裝置的控制中，根據(jù)被控對象的不同，位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制策略有所改變。在此對頂桿小車，毛管橫移小車和限動齒條的位置調(diào)節(jié)和控制進(jìn)行一些介紹。

2.1 頂桿小車位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在生產(chǎn)過程中，頂桿小車負(fù)責(zé)運(yùn)送穿孔頂桿和毛管，其運(yùn)行速度一般在4 m/s以上。如圖5所示，頂桿小車驅(qū)動系統(tǒng)由電機(jī)帶卷筒組成，卷筒與小車由鋼繩連接，并帶有頂伸量調(diào)整裝置，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格的不同，需要通過頂伸量調(diào)整裝置改變小車的軋鋼位，并由于頂桿長度的不一致，需要改變小車基準(zhǔn)位的位置來適應(yīng)頂桿的不同長度。不論是小車軋鋼位的改變還是小車基準(zhǔn)位的改變都會導(dǎo)致小車總行程的改變。

圖5 頂桿小車設(shè)備示意圖Fig.5 Thrust carriage equipment schematic

正是由于小車總行程的不確定性，導(dǎo)致無法有效地使用位置反饋進(jìn)行精確的定位，所以采用了位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)只參與變速和保護(hù)，使用限位開關(guān)進(jìn)行停車定位的控制策略。小車的基準(zhǔn)位檢測開關(guān)安裝在導(dǎo)軌上，方便調(diào)節(jié)基準(zhǔn)位；小車的軋鋼位安裝在頂伸量調(diào)整裝置上，軋鋼位可以隨著頂伸量調(diào)整裝置位置的改變相應(yīng)的做出變化，控制流程如圖6所示。

圖6 頂桿小車控制流程圖Fig.6 Control flow chart of thrust carriage

頂桿小車位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)的行程會在每次周期運(yùn)行后進(jìn)行校驗，以消除位置編碼器運(yùn)行時產(chǎn)生的累積誤差，校驗點一般為軋制位或基準(zhǔn)位。此外，位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)在每次周期運(yùn)行后，會自動對總行程長度進(jìn)行重新校正，以消除當(dāng)位置檢測元件的相對位置移動后造成的行程偏差，保證小車運(yùn)行時不會因為總行程改變導(dǎo)致快速性和安全性改變。最后在軌道中間安裝2個位置檢測限位開關(guān)，當(dāng)小車通過限位開關(guān)時的位置反饋和限位開關(guān)的安裝位置差距過大時，認(rèn)為位置偏差過大并發(fā)出報警。在每次報警發(fā)出后，頂桿小車都會強(qiáng)制切換到低速運(yùn)行，以保證不會因為生產(chǎn)過程中斷造成廢品的產(chǎn)生。當(dāng)運(yùn)行本周期的運(yùn)行完成后，頂桿小車停止工作，待人為故障確認(rèn)后，可以重新啟動自動運(yùn)行程序。

2.2 毛管橫移小車位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)

毛管橫移小車主要負(fù)責(zé)將穿孔機(jī)區(qū)域生產(chǎn)出來的毛管快速地運(yùn)送到軋機(jī)區(qū)域，運(yùn)行方式采用周期式的運(yùn)行方式，運(yùn)行周期要求小于軋制周期，運(yùn)行最大線速度一般為6～8 m/s之間。如圖7所示，毛管橫移小車軌道上設(shè)置有抓鋼位、抓鋼等待位、質(zhì)檢位、放鋼等待位和放鋼位5個工位。運(yùn)行時的控制流程如圖8所示。

圖7 毛管橫移小車設(shè)備示意圖Fig.7 Steel traverse carriage equipment schematic

圖8 毛管橫移小車控制流程示意圖Fig.8 Control flow chart of steel traverse carriage

由于工位較多，通過邏輯控制實現(xiàn)以上控制流程的難度和程序的復(fù)雜程度較大。但通過位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以輕松的實現(xiàn)以上控制。首先標(biāo)定好5個工位在軌道上的實際位置，然后通過簡單的邏輯控制修改位置系統(tǒng)的位置給定，最終實現(xiàn)機(jī)械手的位置控制。系統(tǒng)示意圖如圖9所示。

毛管橫移小車的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)在抓鋼位和放鋼位裝有限位開關(guān)，用于對位置編碼器的累積誤差進(jìn)行校正，同時與位置編碼器的行程信號并用，作為抓鋼位和放鋼位的定位信號，控制時采用前者優(yōu)先的邏輯控制方式。在抓鋼等待位、放鋼等待位安裝有限位開關(guān)，作為檢測開關(guān)的位置偏差報警使用。當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)生產(chǎn)故障時，毛管橫移小車切換至低速運(yùn)行，保證當(dāng)前產(chǎn)品能夠繼續(xù)生產(chǎn)。

圖9 毛管橫移小車位置給定示意圖Fig.9 Position set system of steel traverse carriage

2.3 限動齒條位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)

限動齒條是無縫鋼管生產(chǎn)線的核心設(shè)備。限動齒條位于連軋機(jī)前，當(dāng)毛管進(jìn)入連軋機(jī)軋前輥道后，限動齒條負(fù)責(zé)將芯棒穿入毛管，并將毛管推入軋機(jī)中。當(dāng)軋機(jī)咬鋼后，限動齒條需要產(chǎn)生一定的阻力，使軋件與軋機(jī)之間保持微張力，此張力在工藝上被稱為限動力矩。限動力矩的控制精度會直接影響軋件的長度和壁厚。限動力矩控制較多通過人工速度匹配的方式實現(xiàn)，在本文中介紹一種引入了限動力矩控制環(huán)節(jié)的方式。

在實際應(yīng)用時，限動齒條的調(diào)節(jié)系統(tǒng)具備位置調(diào)節(jié)器、位置檢測元件故障診斷系統(tǒng)、限位開關(guān)校正系統(tǒng)，同時在限動齒條的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)中引入限動力矩控制。調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖10所示。

圖10中虛線標(biāo)出的部分為限動力矩控制環(huán)節(jié)。當(dāng)限動齒條運(yùn)行時首先會按照位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行，當(dāng)限動齒條位置系統(tǒng)接收到軋機(jī)咬鋼信號需要產(chǎn)生限動力矩時，限動力矩控制環(huán)節(jié)接入系統(tǒng)中，將限動齒條的速度設(shè)定略微降低，從而使限動齒條產(chǎn)生限動力矩。限動力矩的大小可以通過調(diào)節(jié)系數(shù)Kp來改變。和人工速度匹配的方式比較起來，此系統(tǒng)具有較強(qiáng)的容錯能力，速度匹配的值會根據(jù)反饋轉(zhuǎn)矩的大小進(jìn)行相應(yīng)的變化，使限動力矩穩(wěn)定。當(dāng)接收到限動齒條回退的命令時，限動力矩控制環(huán)節(jié)切除系統(tǒng)恢復(fù)普通的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

限動力矩曲線如圖11所示。當(dāng)咬鋼減速后，限動力矩控制環(huán)節(jié)投入，限動力矩逐漸穩(wěn)定在4 000 N·m左右。

圖10 限動齒條位置系統(tǒng)示意圖Fig.10 Limit rack position system

圖11 限動齒條負(fù)載力矩曲線Fig.11 Limit rack loading curve

3 結(jié)論

位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過添加不同的控制環(huán)節(jié)滿足了不同設(shè)備的運(yùn)行需求，與無位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制方式相比，引入位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制方式無論在快速性方面還是安全性方面都有很大的提升。這些系統(tǒng)已經(jīng)先后在兩條無縫鋼管生產(chǎn)線上投入使用，運(yùn)行效果良好。

修改稿日期：2016-05-09

High Speed Position Control System Applied in Seamless Steel Pipe Production Line

ZHAN Peng，ZHANG Xiaolin，HU Qingjun，WANG Jingsheng，HAO Ruifeng
（Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）

Linear motion equipment in the seamless steel pipe production line is a large number of use，the efficiency of these equipment directly affects the production efficiency of seamless steel pipe production line.The closed loop position control system can effectively improve the operation efficiency of the linear motion equipment.Discussed configuration and operation mode of position adjustment system，And described how to use position adjustment system in seamless steel tube production lines.

seamless steel tube production lines；position adjustment system；Linear motion equipment

TP13

A

10.19457/j.1001-2095.20161117

展鵬（1987-），男，本科，工程師，Email:408239523@qq.com

2015-10-22