摘要：為了解決冷軋帶鋼生產中的帶材跑偏問題,簡述了帶材自動糾偏系統控制基本原理,詳細介紹了由西安重型機械研究所設計成套的帶材CPC 電液伺服控制系統的硬件和軟件設計,通過該系統在由西安重型機械研究所設計成套的冷軋機組中的應用,證明了該設計的可行性。自調試成功投入生產以來,系統性能可靠,控制精度高,極大地提高了勞動生產率。
關鍵詞：自動糾偏 中心位置控制 電液伺服

1 引言

在軋鋼生產中由于來料、機械等各種因素的影響,帶材開卷送入軋機、平整機時總會造成跑偏,為了保證產品質量及滿足正常生產加工的需要,就要使用開卷機帶材對中CPC (center position cont rol) 糾偏系統。CPC 糾偏系統用于控制帶材位置,以避免因來料卷層不齊而造成的開卷機軋制、平整時板形變化和不易升速的弊端,通過自動調節來消除偏差,使帶材中心位置始終保持在軋制中心線位置,并使卷取帶卷整齊。

由西安重型機械研究所(以下簡稱西重所) 設計成套的4 ,6 輥可逆冷軋機組和4 輥平整機組中,為了使帶材開卷后準確地送入軋機,通常在開卷側都安裝有對中糾偏裝置,對帶材位置的偏差進行糾正,實現開卷CPC 控制。有效地解決了帶材跑偏的問題,減少了斷帶次數,對于提高機組速度、增加產量、提高勞動生產率取得了顯著的效果。

西重所在軋機、平整機機組中實現開卷機CPC 控制大多選用國外成套對中糾偏裝置產品,這些產品相對主軋機為一套獨立的控制設備且性能可靠、控制精度高,能很好地實現控制要求。但在給某企業設計成套的4 輥粗中軋機組中采用了基于主機PLC 控制器的CPC 控制系統,這套系統不但節約了成本而且響應快、精度高、系統穩定性好,可完全替代進口設備。

2 設備組成及控制原理

由西重所自主設計制造的4 輥粗中軋機組開卷CPC 系統主要由液壓缸,伺服比例閥、高頻光電檢測系統、PLC 控制器、磁致伸縮位置傳感器、液壓設備等組成。是一種全閉環電液伺服控制系統。CPC 控制功能由PLC 完成。其主要控制原理是將帶材位置的檢測信號和開卷機的油缸位置反饋信號送至PLC ,進行PID 運算后,輸出信號控制開卷機機座油缸比例伺服閥,使雙柱頭開卷機移動以控制帶材中心位置。圖1 為4 輥粗中軋機組開卷機及CPC 系統設備結構簡圖。

圖1 設備結構簡圖
開卷CPC 控制系統中,開卷位移傳感器選用的是KYCM 系列磁致伸縮線型位移傳感器。其主要是由測桿、電子艙和套在測桿上的非接觸的磁環組成。測桿內裝有磁致伸縮線(波導絲) ,測桿由不導磁的不銹鋼管組成,可靠地保護了波導絲。工作時,由電子艙的電子電路產生一起始脈沖,此起始脈沖在波導絲中傳輸時,同時產生一沿波導絲方向前進的旋轉磁場,當這個磁場與磁環中的永久磁場相遇時,產生磁致伸縮效應,使波導絲發生扭動,這一扭動被安裝在電子艙內的測能機構所感應并轉換成相應的電流脈沖,通過電子電路計算出兩個脈沖之間的時間差,即可精確測出被測體的位移。

CPC 比例伺服閥選用的是atos 的DL KZOTE 型高性能伺服比例閥。該閥內配有集成的電子放大器,比例閥與電子放大器配合工作。電子放大器輸出電流信號控制比例閥輸出使之與供給電子放大器的輸入信號相對應,以此來控制閥芯位置,同時由閥內裝輸出檢測裝置的作用,實現對閥的閉環調節控制。

選用了HFGY 60 型高頻光電檢測系統作為帶材運動中的位置跑偏檢測,檢測到的信號供對中位置控制(CPC) 糾偏用。該系統包括熒光燈高頻專用電源,熒光燈光源箱和檢測器箱3 個裝置。在開卷時熒光燈管光源發出高頻閃爍燈光,當帶材置于光路中時,檢測器箱內透鏡組將帶材遮掩后的光會聚到光敏元件,光敏元件的信號電壓經色度補償選頻放大,帶通濾波器濾波及信號電壓整形,最后輸出穩定的,抗干擾性能強的電壓(電流) 控制信號作為帶材實際位置信號輸入到PLC。

3 控制系統軟硬件組成及設計

3. 1 硬件組成

4 輥粗中軋機組的電氣自動化控制系統硬件主要采用了西門子S7 300 系列PLC 控制器,CPU 選用了318 2DP 型,開卷CPC 控制系統的邏輯順序控制及數據處理輸出均由主CPU 控制完成。選用了SM321 開關量輸入模塊, SM322開關量輸出模塊, SM331 模擬量輸入模塊,SM332 模擬量輸出模塊。開關量輸入輸出模塊用于控制電磁換向閥的通斷,模擬量輸入輸出模塊用于對位移量數據的采集及對比例閥的控制輸出。圖2 為PLC 硬件控制簡圖。

圖2 PLC 硬件控制簡圖
3. 2 軟件組成

開卷CPC 控制PLC 控制軟件中編程語言為STEP7 。STEP7 是用于SIMA TIC S7 300/ 400站創建可編程邏輯控制程序的標準軟件,是西門子公司開發用于S7 300/ 400PLC 的編程語言,可使用梯形邏輯、功能塊圖或語句表。可以在Windows 環境下實現硬件配置、參數設置、編程、測試、啟動、故障診斷等功能。

在程序控制設計中采用了西門子用于S7 300/ 400 的標準軟件PID 控制包的連續控制的控制塊FB41 CON T_C。FB41 為連續控制的PID功能塊,用于控制連續變化的模擬量[1 ] ,在系統中完成對比例閥的調節控制,每次調用需分配一個背景數據塊。本文對FB41 功能塊中主要輸入輸出接口功能作如下簡介。

COM_RST : 調節器輸入BOOL 型,當該位TURE 時, PID 執行重新啟動功能,復位PID 內部參數到默認值。通常在系統重啟動時執行一個掃描周期,或在PID 進入飽和狀態需要退出時用這個位。

SP_INT:調節器輸入REAL 型,PID 的給定值。
PV_IN :調節器輸入REAL 型, PID 的反饋值。
MAN : 調節器輸入REAL 型, 手動值, 由MAN_ON 選擇有效。
GAIN :調節器輸入REAL 型,比例增益設置。
TI :輸入TIME ,調節器積分時間設置。
TD :輸入TIME ,調節器微分時間設置。
LMN :TIME 輸出REAL 型,PID 控制器輸出。

3. 3 控制方式

開卷CPC 控制系統根據工藝分為手動、自對中及自動3 種控制方式。由于4 輥粗中軋機開卷機是雙柱頭結構,由2 個油缸組成,因此在每個油缸裝有1 個位移傳感器分別檢測出傳動側和操作側油缸位置以進行上卷手動及自對中操作時油缸的定位控制。當開卷機CPC 控制在手動方式時,電磁球座閥切斷,使2 個油缸獨立,通過PLC 輸出控制相應的電磁換向閥,使2 個油缸可分別帶動雙柱頭開卷機向傳動側或操作側單獨運動。當開卷機CPC 控制在自對中和自動方式時,電磁球座閥打開,使2 個油缸串聯,通過PLC 輸出控制相應的電磁換向閥,控制主油路的通斷及對中油缸液壓鎖的開閉。同時對中油缸的動作由比例伺服閥來控制。自對中方式下,油缸內的磁致伸縮位移傳感器測得油缸實際位置信號輸入到PLC與預設值進行比較,經過PID 調節器輸出調偏信號控制比例伺服閥,驅動油缸向軋線中心位置移動。圖3 為自對中方式下系統控制框圖,其中S1為自對中時開卷機對中位置, f 1 為位移傳感器檢測到的開卷機實際位置。