鋼板彩印線張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黨 洋，任 彥

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

當(dāng)前，鋼板彩印技術(shù)的發(fā)展尚處于早期階段，我國作為擁有豐富的產(chǎn)品類型和完整產(chǎn)業(yè)鏈的制造業(yè)大國，應(yīng)通過持續(xù)加大指向產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展事業(yè)領(lǐng)域的資金投入力度，獲取和占據(jù)制造業(yè)發(fā)展進(jìn)程中的高端地位，繼而在實(shí)際經(jīng)營運(yùn)作中順利獲取最大收益[1]。

我國工業(yè)和信息化部統(tǒng)計(jì)測(cè)算的權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，2020年全年，我國生鐵產(chǎn)品的累計(jì)產(chǎn)量為8.88億t，與2019年相比，同比增長幅度為4.30%；粗鋼產(chǎn)品的累計(jì)產(chǎn)量為10.53億t，與2019年相比，同比增長幅度為5.20%；鋼材產(chǎn)品的累計(jì)產(chǎn)量為7.70億t，與2019年相比，同比增長幅度為7.70%[2]。通過解讀我國工業(yè)和信息化部統(tǒng)計(jì)測(cè)算的相關(guān)數(shù)據(jù)信息可知，在后疫情時(shí)代，我國鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)制造行業(yè)實(shí)際獲取的經(jīng)濟(jì)收益水平呈現(xiàn)穩(wěn)定的持續(xù)提升趨勢(shì)[3]。根據(jù)中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的統(tǒng)計(jì)測(cè)算數(shù)據(jù)，2020年全年，我國鋼鐵行業(yè)主要企業(yè)的累計(jì)經(jīng)濟(jì)收益為2 074.00億元，與2019年相比，同比增長幅度為6.60%[4]。在可以預(yù)見的未來一段時(shí)期內(nèi)，彩印鋼板產(chǎn)品在真實(shí)的市場(chǎng)環(huán)境中，會(huì)保持強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)能力和良好的發(fā)展前景。

1 張力控制技術(shù)方法的歷史發(fā)展脈絡(luò)

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的持續(xù)提升，張力控制技術(shù)方法逐漸實(shí)現(xiàn)發(fā)展進(jìn)步，且其發(fā)展歷程可以被劃分成3個(gè)具體階段[5]。

（1）機(jī)械式張力控制技術(shù)系統(tǒng)。機(jī)械式張力控制技術(shù)系統(tǒng)本質(zhì)上就是在電氣化技術(shù)形態(tài)引入之前，以機(jī)械技術(shù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)條件，運(yùn)用齒輪技術(shù)組件和連軸技術(shù)組件，發(fā)揮針對(duì)主軸技術(shù)結(jié)構(gòu)和從軸技術(shù)結(jié)構(gòu)的相互連接作用，實(shí)現(xiàn)張力控制技術(shù)目標(biāo)。在機(jī)械式張力控制技術(shù)系統(tǒng)具體運(yùn)用過程中，通常涉及較多的人工技術(shù)操作環(huán)節(jié)，具體運(yùn)用的控制技術(shù)相對(duì)簡單，且由于機(jī)械齒輪技術(shù)組件在發(fā)揮傳動(dòng)技術(shù)功能的過程中展示的技術(shù)誤差較大，客觀上無法在具體控制技術(shù)活動(dòng)開展過程中獲取和展示較高的精確度。

（2）電子式張力控制技術(shù)系統(tǒng)。電子式張力控制技術(shù)系統(tǒng)就是在引入種類多樣的電氣化技術(shù)組件的前提下，將張力控制技術(shù)系統(tǒng)中包含的機(jī)械技術(shù)結(jié)構(gòu)替換成控制器技術(shù)組件、張力傳感器技術(shù)組件以及執(zhí)行器技術(shù)組件等，構(gòu)建具備電氣化特征的張力控制技術(shù)系統(tǒng)。電子式張力控制技術(shù)系統(tǒng)與機(jī)械式張力控制技術(shù)系統(tǒng)在具體發(fā)揮張力控制功能的過程中，能顯著提高總體精度。與此同時(shí)，機(jī)械式張力控制技術(shù)系統(tǒng)普遍存在強(qiáng)耦合技術(shù)因素和非線性技術(shù)因素，客觀上不宜在精確控制技術(shù)領(lǐng)域加以運(yùn)用。

（3）智能式張力控制技術(shù)系統(tǒng)。智能式張力控制技術(shù)系統(tǒng)本質(zhì)上就是在電子式張力控制技術(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入并且運(yùn)用智能控制算法技術(shù)程序，提高張力控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中的總體穩(wěn)定性，全面徹底地解決傳統(tǒng)張力控制技術(shù)方式在實(shí)際運(yùn)用過程中精確度水平較低的問題，客觀上成為現(xiàn)代化張力控制技術(shù)活動(dòng)過程中可供選擇運(yùn)用的首要方法。

近年來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)整體發(fā)展水平的提升，交流伺服技術(shù)形態(tài)的選擇運(yùn)用領(lǐng)域呈現(xiàn)越來越廣泛的趨勢(shì)。在具體運(yùn)行過程中，伺服電機(jī)技術(shù)設(shè)備能將電壓技術(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)矩技術(shù)參數(shù)和速度技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度參數(shù)水平和具體所處空間位置的精確控制。當(dāng)前，伺服技術(shù)形態(tài)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人設(shè)備制造行業(yè)、數(shù)控機(jī)床設(shè)備制造行業(yè)以及高端印染行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

2 金屬彩印線傳動(dòng)控制技術(shù)概述

2.1 金屬彩印線傳動(dòng)控制技術(shù)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

在金屬彩印線傳動(dòng)控制技術(shù)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，入口段主要包含開卷段，其工藝段主要包含入口活套段、清洗段、鈍化段、底涂段、印花段、罩光段以及出口活套段，出口段主要包含收卷段。

2.2 金屬彩印線傳動(dòng)控制技術(shù)系統(tǒng)的基本工藝流程

在金屬彩印線傳動(dòng)控制技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，需要執(zhí)行的基本工藝流程依次為：1#上料技術(shù)環(huán)節(jié)→1#開卷機(jī)技術(shù)環(huán)節(jié)→1#開卷轉(zhuǎn)向夾送輥技術(shù)環(huán)節(jié)→1#剪刀技術(shù)環(huán)節(jié)→過渡導(dǎo)板技術(shù)環(huán)節(jié)→轉(zhuǎn)向夾送輥技術(shù)環(huán)節(jié)（2#上料技術(shù)環(huán)節(jié)→2#開卷機(jī)技術(shù)環(huán)節(jié)→2#開卷轉(zhuǎn)向夾送技術(shù)環(huán)節(jié)→2#剪刀技術(shù)環(huán)節(jié)）→匯合夾送輥技術(shù)環(huán)節(jié)→縫合機(jī)技術(shù)環(huán)節(jié)→壓毛刺輥技術(shù)環(huán)節(jié)→1#張力輥技術(shù)環(huán)節(jié)→入口活套技術(shù)環(huán)節(jié)→1#雙輥糾偏技術(shù)環(huán)節(jié)→2#張力輥技術(shù)環(huán)節(jié)→清洗段技術(shù)環(huán)節(jié)（1#、2#熱水噴淋）→吹干加熱裝置技術(shù)環(huán)節(jié)→三色印花機(jī)裝置技術(shù)環(huán)節(jié)（預(yù)留一色印花單元位置）→1#托輥組技術(shù)環(huán)節(jié)→3#張力輥技術(shù)環(huán)節(jié)→2#托輥組技術(shù)環(huán)節(jié)→2#雙輥糾偏技術(shù)環(huán)節(jié)→輥涂機(jī)技術(shù)環(huán)節(jié)→固化爐技術(shù)環(huán)節(jié)→熱覆膜機(jī)技術(shù)環(huán)節(jié)→風(fēng)冷裝置技術(shù)環(huán)節(jié)→霧冷裝置技術(shù)環(huán)節(jié)→水冷裝置技術(shù)環(huán)節(jié)→3#擠干糾偏裝置技術(shù)環(huán)節(jié)→烘干裝置技術(shù)環(huán)節(jié)→4#張力輥技術(shù)環(huán)節(jié)→出口活套技術(shù)環(huán)節(jié)→4#雙輥糾偏技術(shù)環(huán)節(jié)→5#張力輥技術(shù)環(huán)節(jié)→水平檢查臺(tái)技術(shù)環(huán)節(jié)→冷覆膜機(jī)技術(shù)環(huán)節(jié)→出口剪技術(shù)環(huán)節(jié)（帶夾送輥）→EPC技術(shù)環(huán)節(jié)→出口轉(zhuǎn)向夾送輥技術(shù)環(huán)節(jié)→卷取機(jī)技術(shù)環(huán)節(jié)→人工卸料技術(shù)環(huán)節(jié)。

3 張力控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分析

在設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)系統(tǒng)的過程中，需要遵循的主要原則是確保自動(dòng)化技術(shù)系統(tǒng)同時(shí)具備高度的完整性、先進(jìn)性、可靠性以及適用性，為后續(xù)維護(hù)環(huán)節(jié)和功能擴(kuò)展環(huán)節(jié)創(chuàng)造便利條件。此外，鑒于實(shí)際涉及的各類工藝技術(shù)設(shè)備具備預(yù)留功能，自動(dòng)化技術(shù)系統(tǒng)也應(yīng)具備預(yù)留功能。

在建設(shè)機(jī)組設(shè)備、形成自動(dòng)控制技術(shù)系統(tǒng)的過程中，要選擇具備電儀一體化特點(diǎn)的自動(dòng)控制技術(shù)系統(tǒng)。在選擇各類技術(shù)設(shè)備的過程中，要嚴(yán)格遵循和踐行先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性以及可靠性指導(dǎo)原則。要選擇質(zhì)量可靠、性價(jià)比較高的先進(jìn)技術(shù)設(shè)備和元件，保證在具體生產(chǎn)過程中表現(xiàn)出良好的質(zhì)量，并且在技術(shù)指標(biāo)層面和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)層面充分展現(xiàn)先進(jìn)性。

3.1 控制器技術(shù)組件的型號(hào)選取

控制器技術(shù)組件在控制技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部占據(jù)核心地位，能發(fā)揮穩(wěn)定且充分的決策功能，是控制技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)組成部分。

結(jié)合鋼板彩印線運(yùn)行使用過程中需滿足的控制器技術(shù)要求和基本工藝技術(shù)特點(diǎn)，選擇運(yùn)用隸屬于SIMATIC S7-1500系列的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）技術(shù)組件，主要特點(diǎn)集中體現(xiàn)在以下方面：CPU1516-3PN/DP編程技術(shù)環(huán)節(jié)運(yùn)用的數(shù)據(jù)塊數(shù)量最多能達(dá)到6 000個(gè)，數(shù)據(jù)塊的最大容量為5.00 MB，F(xiàn)B、FC以及OB的最大容量為512.00 KB。用于發(fā)揮程序控制功能的工作存儲(chǔ)器技術(shù)結(jié)構(gòu)容量為5.00 MB，用于發(fā)揮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的工作存儲(chǔ)器技術(shù)結(jié)構(gòu)容量為1.00 MB。插槽式裝載存儲(chǔ)器技術(shù)結(jié)構(gòu)的最大容量為2.00 GB，S7定時(shí)器技術(shù)結(jié)構(gòu)和計(jì)數(shù)器技術(shù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置數(shù)量各為2 048個(gè)，IEC定時(shí)器技術(shù)結(jié)構(gòu)和計(jì)數(shù)器技術(shù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)置數(shù)量不受限制。位存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)構(gòu)的容量為16.00 KB。I/O技術(shù)模塊的設(shè)置數(shù)量最多可達(dá)8 192個(gè)，過程映像分區(qū)的設(shè)置數(shù)量最多32個(gè)，過程映像輸入環(huán)節(jié)與輸出環(huán)節(jié)的最大容量都是32.00 KB，每個(gè)機(jī)架結(jié)構(gòu)內(nèi)部最多可以設(shè)置32個(gè)技術(shù)模塊。

CPU控制器技術(shù)組件擁有超高速運(yùn)算處理能力，位操作技術(shù)指令的處理過程持續(xù)時(shí)間典型值為10.00 ns，換言之，在1 μs內(nèi)可支持完成針對(duì)100條位操作技術(shù)指令的處理環(huán)節(jié)，浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算指令的處理過程持續(xù)時(shí)間典型值為64.00 ns。S7-1500采用當(dāng)前最快的背板總線和高效的傳輸技術(shù)協(xié)定，控制且保證了技術(shù)信號(hào)快速化處理狀態(tài)，點(diǎn)到點(diǎn)之間的反應(yīng)過程持續(xù)時(shí)間不到500.00 μs。AI技術(shù)模塊與AO技術(shù)模塊的分辨率參數(shù)均為16位，8點(diǎn)AI技術(shù)模塊的每個(gè)技術(shù)模塊轉(zhuǎn)換時(shí)間參數(shù)為125.00 μs，數(shù)字量輸入技術(shù)模塊具有50.00 μs的超短輸入延時(shí)技術(shù)特征。用于發(fā)揮計(jì)數(shù)功能、測(cè)量功能和定位輸入功能的工藝模塊TM Poslnput的最高信號(hào)頻率參數(shù)為1.00 MHz，4倍速時(shí)的參數(shù)為4.00 MHz，可用RS-422接口技術(shù)結(jié)構(gòu)具體連接脈沖編碼器，支持等式模式、診斷中斷和硬件中斷。采用PROFINET IRT通信可以保證確定的反應(yīng)時(shí)間和高精度的系統(tǒng)響應(yīng)，最短循環(huán)時(shí)間參數(shù)為250.00 μs?？刂破骷夹g(shù)組件的型號(hào)選擇分布如表1所示。

表1 控制器技術(shù)組件的型號(hào)選擇分布

3.2 電機(jī)設(shè)備的型號(hào)選取

電機(jī)設(shè)備的型號(hào)選取參數(shù)分布如表2所示。

表2 電機(jī)設(shè)備的型號(hào)選取參數(shù)分布

3.3 變頻器技術(shù)組件的型號(hào)選取

變頻器技術(shù)組件的型號(hào)選取參數(shù)分布如表3所示。

表3 變頻器技術(shù)組件的型號(hào)選取參數(shù)分布

3.4 張力傳感器技術(shù)組件的型號(hào)選取

（1）將工作電壓參數(shù)指標(biāo)設(shè)定為24.00 DV。

（2）將工作電流參數(shù)指標(biāo)設(shè)定為4.00～20.00 mA。

（3）將響應(yīng)頻率參數(shù)指標(biāo)設(shè)定為大于300.00 Hz。

（4）將靈敏度參數(shù)指標(biāo)設(shè)定為（5 000.00±30.00）mV/fs。

（5）將測(cè)量范圍參數(shù)指標(biāo)設(shè)定為0～3 000.00 kg。

4 結(jié)語

綜合梳理現(xiàn)有研究成果可知，彩印鋼板產(chǎn)品具備優(yōu)質(zhì)技術(shù)性能和較大應(yīng)用空間，做好針對(duì)鋼板彩印線張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)提升彩印鋼板產(chǎn)品的總體技術(shù)性能、發(fā)揮彩印鋼板產(chǎn)品的最大應(yīng)用價(jià)值發(fā)揮著不容忽視的作用。