鋁熱連軋軋件跟蹤的應(yīng)用與優(yōu)化

鄭自鏈

（中鋁瑞閩股份有限公司，福建福州 350015）

0 引言

典型的“1+3”鋁熱連軋機(jī)組配置如圖1所示。主要工藝過程：鋁板錠經(jīng)過加熱爐加熱，加熱爐翻料機(jī)將鋁板錠輸送到爐前輥道，后經(jīng)過單機(jī)架熱粗軋機(jī)往返軋制成中間坯,經(jīng)過重剪和輕剪切頭切尾，再經(jīng)過3機(jī)架精軋機(jī)連軋并由卷取機(jī)卷取。

對(duì)于“1+3”熱連軋機(jī)組，從生產(chǎn)計(jì)劃、進(jìn)出爐、粗軋機(jī)軋制、精軋機(jī)軋制、生產(chǎn)實(shí)績匯報(bào)的整個(gè)過程，均需要對(duì)相關(guān)的軋件帶材進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤，以實(shí)現(xiàn)軋制過程自動(dòng)化，包括實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動(dòng)化（L1級(jí)）的自動(dòng)軋制功能，過程自動(dòng)化（L2級(jí)）的排產(chǎn)和工藝信息下達(dá)、信號(hào)采集，以及與工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）的生產(chǎn)計(jì)劃接收和匯報(bào)。所以軋機(jī)跟蹤系統(tǒng)是軋制過程自動(dòng)控制中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是自動(dòng)化軋制不可或缺的部分[1]。

1 軋件跟蹤的工藝過程

軋件跟蹤是軋機(jī)自動(dòng)軋制和過程自動(dòng)控制的基礎(chǔ)。軋件跟蹤分為微跟蹤和宏跟蹤2類：微跟蹤是跟蹤系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過微跟蹤可以獲取軋件在機(jī)組中實(shí)際的物理位置，觸發(fā)相應(yīng)的自動(dòng)軋制功能和宏跟蹤的標(biāo)志位，同時(shí)在軋機(jī)模擬運(yùn)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)虛擬跟蹤信號(hào)和數(shù)據(jù)管理，完成模擬軋制功能；宏跟蹤包含軋件詳細(xì)的工藝數(shù)據(jù)和所處的工藝狀態(tài)，宏觀上對(duì)帶材的數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤使帶材和數(shù)據(jù)互相對(duì)應(yīng)，同時(shí)完成工藝設(shè)定計(jì)算和工藝模型自學(xué)習(xí)的功能?！?+3”熱軋機(jī)組的軋件跟蹤流程如圖2所示。

圖2中①M(fèi)ES（L3）將生產(chǎn)計(jì)劃下至L2，包含軋制序列，以及每個(gè)序列中的軋件信息流，包含卷號(hào)、合金號(hào)、軋件基本工藝信息和目標(biāo)成品信息等。

L2在生產(chǎn)完后將生產(chǎn)實(shí)績匯報(bào)給MES，包含已軋制軋件的卷號(hào)、合金號(hào)、軋件成品工藝信息等。

圖2中②制造執(zhí)行系統(tǒng)MES（L3）將生產(chǎn)計(jì)劃下至立推爐，立推爐將爐內(nèi)實(shí)際的裝料計(jì)劃返回給MES。

圖1“1+3”熱軋生產(chǎn)線

圖2 中③立推爐L1通過微跟蹤確定鑄錠在爐子中實(shí)際的位置和加熱工藝信息。在出爐時(shí)將出爐的鑄錠號(hào)和工藝信息發(fā)送給L2。

圖2“1+3”熱軋機(jī)組的軋件跟蹤流程

圖2 中④L2在接收到爐子的出料軋件號(hào)后，將相應(yīng)的工藝預(yù)設(shè)值發(fā)送給粗軋機(jī)，粗軋L1根據(jù)收到的工藝預(yù)設(shè)定值進(jìn)行生產(chǎn)軋制。當(dāng)輥道接收到鑄錠后，粗軋L1建立相應(yīng)軋件的帶材跟蹤，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)軋制功能，并且在相關(guān)測(cè)量點(diǎn)將測(cè)量值發(fā)送給L2，以便進(jìn)行工藝模型收集和優(yōu)化設(shè)定值。

圖2中⑤精軋機(jī)L1根據(jù)L2發(fā)送的工藝預(yù)設(shè)定值使軋機(jī)處于待命狀態(tài)，在粗軋機(jī)軋制完將軋件運(yùn)輸?shù)骄埲肟谳p剪處，精軋微跟蹤系統(tǒng)和粗軋機(jī)微跟蹤系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，完成軋件跟蹤信息的接收和控制。精軋機(jī)在軋制完后將成品工藝信息發(fā)送給二級(jí)，并通過微跟蹤系統(tǒng)，將卷材輸送到平面庫鞍座，等待移卷。圖2中⑥為立推爐和粗軋機(jī)微跟蹤之間信號(hào)通信，便于自動(dòng)控制立推爐出料和粗軋機(jī)接料。

圖2中⑦為粗軋機(jī)和精軋機(jī)微跟蹤之間的信號(hào)通信，便于自動(dòng)控制粗軋拋料和精軋接料，以及軋件所處的輥道的控制權(quán)交接。

2 熱軋各區(qū)域軋件的跟蹤

在實(shí)際自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，軋件的微跟蹤能讓控制系統(tǒng)隨時(shí)了解在機(jī)組中軋件的實(shí)際位置和控制狀況，實(shí)現(xiàn)在規(guī)定的時(shí)間和聯(lián)鎖條件下啟動(dòng)和關(guān)閉各有關(guān)功能程序，對(duì)指定的軋件準(zhǔn)確地進(jìn)行各種控制、數(shù)據(jù)采集、操作指導(dǎo)，同時(shí)防止可能的設(shè)備

事故發(fā)生[2]。在“1+3”熱連軋生產(chǎn)線上，共有3個(gè)獨(dú)立的跟蹤功能來實(shí)現(xiàn)全線的軋件跟蹤，即立推爐鑄錠跟蹤、粗軋機(jī)帶材跟蹤和精軋機(jī)帶材跟蹤。

2.1 立推爐區(qū)域的軋件跟蹤

立推爐的軋件跟蹤從鑄錠吊入入口對(duì)中輥道開始到鑄錠出爐完成。鑄錠由行車吊出放至入口對(duì)中輥道，在對(duì)中完成后進(jìn)入上料行走機(jī)構(gòu)時(shí)，軋件跟蹤觸發(fā)。立推爐的人機(jī)接口（也稱人機(jī)界面）會(huì)要求操作人員確認(rèn)鑄錠信息，建立該鑄錠的軋件跟蹤，鑄錠進(jìn)爐后將依照順序推料的原則刷新爐內(nèi)鑄錠序列，即如果有進(jìn)料，各個(gè)位置的鑄錠信息和工藝信息按照順序前移一位。同理出爐時(shí)重新刷新鑄錠序列。

2.2 粗軋區(qū)域的帶材跟蹤

粗軋機(jī)的跟蹤從鑄錠翻到粗軋輥道開始到帶材尾部離開輕型剪輥道。帶材跟蹤較立推爐復(fù)雜，因?yàn)檐埣谲垯C(jī)上往返軋制，物理上不斷延展，帶頭帶尾的位置不斷變化。需要依據(jù)跟蹤模型進(jìn)行計(jì)算，并且依靠標(biāo)定信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定。粗軋機(jī)的帶材跟蹤模型有2個(gè)軋件跟蹤信息，滿足2塊料的連軋需要。

2.3 精軋區(qū)域的帶材跟蹤

精軋機(jī)的跟蹤從輕剪剪切完成后接收粗軋來料到帶卷由平面庫鞍座被吊離。精軋機(jī)是將帶材軋制成單卷，因此其帶材跟蹤對(duì)于準(zhǔn)備或者正在軋制的帶材，依靠入口光電開關(guān)和F1-F3機(jī)架的咬料信號(hào)來標(biāo)定計(jì)算頭部和尾部的位置，完成自動(dòng)軋制。對(duì)于軋制成卷的卷材，則依靠運(yùn)卷小車和相應(yīng)光電傳感器的狀態(tài)來跟蹤卷材的位置。

3 熱粗軋機(jī)軋件帶材跟蹤原理及實(shí)現(xiàn)

3.1 跟蹤模型計(jì)算原理和硬件組成

粗軋機(jī)機(jī)組從爐前輥道到輕剪出入口輥道全長約347 m，共計(jì)36組輥道，每一組輥道由一個(gè)傳動(dòng)控制速度，輥道旁安裝19組對(duì)射式光電開關(guān)。跟蹤計(jì)算模型中將每一組輥道劃分為一個(gè)跟蹤區(qū)，沿著輥道方向設(shè)定為一個(gè)X軸，設(shè)定第6#光電開關(guān)的位置坐標(biāo)是0，往精軋方向?yàn)檎?，反之則為負(fù)值。每一組輥道的物理位置都有對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位置，在帶材正向或反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)頭部和尾部所在位置跟蹤區(qū)的輥道線速度計(jì)算頭尾的位移，從而得到帶材跟蹤的信息，同時(shí)依靠對(duì)射式光電開關(guān)進(jìn)行位置整定。當(dāng)光電開關(guān)被遮擋，輸出常1信號(hào)，反之輸出常0信號(hào)。軋機(jī)的“咬料信號(hào)”相當(dāng)于一個(gè)光電開關(guān)，帶材咬入輸出1信號(hào)，無咬入輸出0信號(hào)。因此當(dāng)帶材正向移動(dòng)時(shí)，光電開關(guān)輸出上升沿信號(hào)時(shí)，模型自動(dòng)將帶頭位置標(biāo)定為該光電開關(guān)的位置，光電開關(guān)輸出下降沿信號(hào)時(shí)，模型自動(dòng)將帶尾位置標(biāo)定為該光電開關(guān)位置，反向運(yùn)動(dòng)時(shí)候則相反。

3.2 跟蹤模型的軟件實(shí)現(xiàn)

帶材跟蹤的程序編寫是基于西門子S7-400 PLC，帶材跟蹤的數(shù)據(jù)見表1。

表1 帶材跟蹤的標(biāo)志位名稱及含義

2個(gè)帶材跟蹤計(jì)算有主輔之分，即默認(rèn)情況下投用1#跟蹤，只有當(dāng)1#跟蹤被占用，第二塊料進(jìn)入軋機(jī)時(shí)，2#跟蹤才投用。這樣使2個(gè)跟蹤有序進(jìn)行工作而不至紊亂。

因此，該跟蹤計(jì)算的實(shí)質(zhì)是基于“事件”觸發(fā)的程序原理。程序的流程如圖3所示。

4 問題及優(yōu)化措施

4.1 跟蹤開始計(jì)算的標(biāo)志位問題系統(tǒng)的帶

材跟蹤建立是在軋件頭部經(jīng)過某個(gè)特定的光電開關(guān)時(shí)（第六組光電開關(guān)），將頭部位置標(biāo)定為位置0，軋件尾部也同理，從而刷新帶材頭尾的位置。在實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用中，安裝在輥道旁的光電開關(guān)由于現(xiàn)場設(shè)備的震動(dòng)、環(huán)境灰塵等因素，標(biāo)定信號(hào)不穩(wěn)定，易造成誤標(biāo)定，使跟蹤自動(dòng)紊亂，造成自動(dòng)軋制功能混亂甚至引起設(shè)備故障。

針對(duì)上述情況，可以采用立推爐翻料機(jī)在鑄錠翻至輥道時(shí)開始建立帶材跟蹤?？赏ㄟ^和立推爐的控制器通信，獲取立推爐的微跟蹤信息。通信報(bào)文如表2所示。

圖3 程序流程

表2 微跟蹤信息標(biāo)志位名稱及含義

當(dāng)立推爐翻料機(jī)將鑄錠翻到輥道上時(shí)，觸發(fā)出爐完成標(biāo)志位，模型根據(jù)接收的爐號(hào)和出爐的鑄錠長度自動(dòng)建立跟蹤并且計(jì)算出頭尾的位置。

4.2 光電開關(guān)的抗擾動(dòng)濾波問題

由于現(xiàn)場工況，對(duì)于光電開關(guān)的修正信號(hào)需要采用濾波處理和設(shè)置有效感應(yīng)距離等來最大限度的保證標(biāo)定信號(hào)的準(zhǔn)確。由于現(xiàn)場的光電開關(guān)不是按照距離平均分布的，因此對(duì)有效感應(yīng)距離進(jìn)行差異化，不同的光電開關(guān)位置對(duì)應(yīng)不同的感應(yīng)距離，以提高標(biāo)定信號(hào)的準(zhǔn)確度。

4.3 輥道速度的異常問題

在光電開關(guān)之間，運(yùn)動(dòng)中的帶材是根據(jù)帶材頭尾所處的輥道線速度來計(jì)算位置，如果在生產(chǎn)過程中該輥道的傳動(dòng)單元發(fā)生故障（如堵轉(zhuǎn)、過載等），此時(shí)剛好計(jì)算速度取該輥道的速度，而該速度為0，這樣跟蹤模型計(jì)算出的位置就會(huì)出現(xiàn)大偏差。因此需要將該計(jì)算速度的取值進(jìn)行有效性判斷。如果該速度無效，則自動(dòng)取后一組輥道速度進(jìn)行計(jì)算。

4.4 人工干預(yù)功能

設(shè)計(jì)跟蹤修正功能，便于操作人員根據(jù)實(shí)際位置方便的進(jìn)行修正，可以及時(shí)避免因?yàn)楦櫺盘?hào)錯(cuò)誤造成的設(shè)備控制混亂。跟據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，帶材打滑及帶材跟蹤失真多發(fā)生在軋機(jī)出、入口側(cè)和立輥軋機(jī)入口側(cè)，因此設(shè)計(jì)人工可以在這幾處一鍵修正帶材跟蹤的功能。

4.5 自動(dòng)剪頭時(shí)帶材跟蹤的處理

在重剪和輕剪自動(dòng)剪切時(shí)，系統(tǒng)是依照帶材跟蹤進(jìn)行定位停車的。以剪切尾部為例，定位停車的計(jì)算公式為S1=S0-ΔSΔS1。其中，ΔS是人工設(shè)定需要剪切的長度；ΔS1=v2/2a是帶材停車的速度斜坡位移；S0是剪刃的坐標(biāo)位置。當(dāng)帶材尾部到達(dá)S1位置后，啟動(dòng)停車信號(hào)，輥道停止。在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)定位停車的偏差很大，而且不同寬度帶材偏差不同。主要原因?yàn)殡x重剪入口側(cè)最近的一個(gè)光電開關(guān)距離為3.4 m，當(dāng)軋件帶尾經(jīng)過該光電開關(guān)重新整定位置后，到定位停車位置都是依靠輥道線速度計(jì)算的。輥道線速度和角速度的關(guān)系見式（1）。

式中v——輥道線速度，m/s

n——輥道轉(zhuǎn)速，r/min

I——減速箱速比

a——輥道加速度，m/s2

D——為軋件邊緣所處的輥道直徑，m

影響整個(gè)定位停車的精度的因素是D，即軋件邊緣所處的輥道直徑。對(duì)于錐形輥道來說，輥道直徑D由帶材寬度W決定。針對(duì)該問題，可以對(duì)應(yīng)不同的寬度提供相應(yīng)的位移補(bǔ)償SK，來修正停車目標(biāo)值S1，提高定位精度。則定位停車的計(jì)算公式可以轉(zhuǎn)換為 S1=S0-ΔS-ΔS1+SK。

即對(duì)于不同的帶材寬度Wi，人工標(biāo)定定位，采集補(bǔ)償值SKi，建立多組（Wi，SKi）數(shù)據(jù)表。程序中將采樣的數(shù)據(jù)表進(jìn)行采樣點(diǎn)間線性化處理，對(duì)不同寬度的帶材計(jì)算出不同補(bǔ)償系數(shù)，這樣采用的數(shù)據(jù)越多，計(jì)算出來的補(bǔ)償量越準(zhǔn)確，能夠有效減少停車產(chǎn)生的精度偏差。

5 結(jié)束語

軋件帶材跟蹤是軋機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本功能，穩(wěn)定準(zhǔn)確的跟蹤系統(tǒng)能夠確保自動(dòng)軋制功能的正常準(zhǔn)確運(yùn)行。雖然跟蹤系統(tǒng)在原理上和工程應(yīng)用上已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是對(duì)于不同的設(shè)備工況，還有很多技術(shù)細(xì)節(jié)需要考慮和完善。