銅帶材冷軋機控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

1 引言
隨著自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC、現(xiàn)場總線和全數(shù)字測量傳動裝置在銅帶材冷軋機的控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，使得系統(tǒng)安裝、調(diào)試及維護工作量大大減少，控制精度和自動化程度越來越高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到大幅度提升。同時，隨著銅板帶材產(chǎn)品競爭的日益激烈，對軋機控制系統(tǒng)的要求也在逐漸發(fā)生變化，在提高設(shè)備自動化程度和控制精度的前提下，要求實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化和進一步提高生產(chǎn)效率。因此，控制系統(tǒng)的模塊化、網(wǎng)絡(luò)化已是發(fā)展的必然趨勢。

2 銅帶材冷軋機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1是某有色金屬加工廠設(shè)計改造的一臺銅冷軋機的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)采用了三層網(wǎng)絡(luò)控制方案，最底層為現(xiàn)場設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，中間為環(huán)形對等網(wǎng)絡(luò)，最上面是工業(yè)以太網(wǎng)。

圖1 銅帶材冷軋機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
在本系統(tǒng)中，為了控制的方便性，在現(xiàn)場設(shè)置了多個遠程IO子站。每個操作臺的按鈕、指示燈等直接接入各自臺內(nèi)的遠程子站，現(xiàn)場的檢測元件和電動執(zhí)行元件就近接入附近的現(xiàn)場控制箱。這些遠程IO通過現(xiàn)場以通訊的方式連入主控室內(nèi)的PLC主站。遠程IO的通訊介質(zhì)為屏蔽絞線，通信速率為2.5Mbit/s。采用遠程IO方式，不但減少了電纜用量，同時也更加便于維護，減少了生產(chǎn)輔助時間。
軋機的控制系統(tǒng)包括6臺PLC和1個觸摸屏式操作屏。每臺PLC均各自構(gòu)成一個獨立的子系統(tǒng)，分別控制AGC(自動厚度控制)、AFC(自動軋力控制)、傳動系統(tǒng)和輔助系統(tǒng);觸摸屏式操作屏放置在主操作臺。為了使這些獨立的控制系統(tǒng)更好地成為一個整體，設(shè)置了環(huán)形對等網(wǎng)，將6臺PLC鏈接到同一個網(wǎng)絡(luò)平臺。在網(wǎng)絡(luò)中，各個PLC讀取所需要的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實施共享。通訊介質(zhì)為光纖，通訊速率為10Mbit/s。
三層網(wǎng)絡(luò)的最頂層是與工業(yè)控制計算機相連接的工業(yè)以太網(wǎng)，PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)控制計算機進行通訊連接。在環(huán)形對等網(wǎng)上的6臺PLC中，輔助系統(tǒng)PLC上設(shè)置了以太網(wǎng)接口板，這臺PLC從對等網(wǎng)收取所有需要發(fā)送的運行數(shù)據(jù)，進行分類打包處理，發(fā)送給工業(yè)控制計算機系統(tǒng)。工業(yè)控制計算機系統(tǒng)將一級系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)解包，進行運算處理，再將需要的數(shù)據(jù)發(fā)送回輔助系統(tǒng)PLC，其他PLC通過對等網(wǎng)讀取各自需要的數(shù)據(jù)。
為了方便操作手對工業(yè)控制計算機的使用，在主操作臺設(shè)置了一臺HMI(人機界面)，供操作手查看工業(yè)控制計算機中與操作相關(guān)的數(shù)據(jù)，同時可以對權(quán)限內(nèi)的一些內(nèi)容進行設(shè)置與修改。另外，還設(shè)了一套工程師站，用于整個控制系統(tǒng)的本地維護，必要時也可以接上網(wǎng)絡(luò)或電話線，對現(xiàn)場進行遠程維護。HMI和工程師站都連接在以太網(wǎng)上，通訊介質(zhì)是標準5類線，RJ45接頭，通訊速率為100Mbit/s。

3 底層PLC控制系統(tǒng)
3.1 速度控制
軋機控制的核心是板形和厚度控制。要達到良好的板形和保證可接受的厚度公差，軋機就必須保證良好的速度、張力的穩(wěn)定性。在控制方式上，主機為速度控制，給整個軋機提供穩(wěn)定的線速度基準。開卷機和卷取機為恒張力控制。
速度設(shè)定由主操作手在操作臺控制，數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC處理后傳送各個傳動系統(tǒng)。速度設(shè)定是以主機為線速度基準速度，通過設(shè)定工作輥的直徑與減速箱的減速比，從而給出電機的轉(zhuǎn)速給定值。根據(jù)控制功能，速度設(shè)定有正反向點動功能，用于故障處理;穿帶速度設(shè)定，用于生產(chǎn)前軋機穿帶;軋機線速度設(shè)定，用于正常軋制。按照線速度相等的原則以轉(zhuǎn)速的形式分配給各傳動系統(tǒng)，其中要考慮前后滑系數(shù)的成分。
3.2 張力控制
張力控制在整個軋機控制中至關(guān)重要。因系統(tǒng)中未配備張力計，所以采用了間接張力控制方式。
就卷取機系統(tǒng)而言，若忽略電動機的空載損耗，則有如下關(guān)系:
MD=CM∮I=FD/2i
式中:MD為電動機的電磁轉(zhuǎn)矩;∮為電動機磁通;I為電動機額定電流;CM為機電時間常數(shù);F為卷取機張力;D為卷徑;i為機械減速比。由此可知，卷取機的張力控制可以近似看成轉(zhuǎn)矩控制。而要保證張力控制的精度和穩(wěn)定性，在就要獲得兩個重要的變量:線速度和卷徑。
(1) 線速度的測量
通過PLC系統(tǒng)讀取卷取機前的偏導(dǎo)輥上的脈沖編碼器進行計算而獲得的。是卷徑計算需要的一個重要變量。轉(zhuǎn)速測量的精度與脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)及采樣時間有關(guān)，在轉(zhuǎn)速恒定的情況下，脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)越多，采樣時間越長，測量精度越高。
(2) 卷徑計算
卷徑計算有線速度法和直接測量法兩種，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)直接測量法比較穩(wěn)定和精確。一般采用超聲波測距儀或激光測距儀，其中激光測距儀可以達到很高的測量精度和穩(wěn)定性，完全可以滿足卷徑測量的需要。
在間接張力控制中，為保證張力控制的準確性，要充分考慮卷取機在加減速過程中轉(zhuǎn)動慣量以及機械本身固有的摩擦力對轉(zhuǎn)矩的影響。因此，在系統(tǒng)中設(shè)計了加減速和摩擦轉(zhuǎn)矩補償環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)矩補償量即為轉(zhuǎn)矩預(yù)控值與轉(zhuǎn)矩設(shè)定值疊加，作為卷取機系統(tǒng)的合力矩，對卷取機進行控制。
3.3 入口上卷原理
入口上卷自動的關(guān)鍵是卷材卷徑和寬度的測量精度。在小車輥道上安裝了一套對射式的光電開關(guān)，配合小車升降機上的脈沖編碼器實現(xiàn)卷材卷徑的測量，在小車行走輥道的側(cè)面基礎(chǔ)上安裝了另一套對射式的光電開關(guān)，配合小車行走方向的脈沖編碼器完成卷材寬度的測量。
上卷自動的起點是卷材儲運軌道，小車搭載著卷材離開儲運輥道后向前行進，到升降位置時小車停止同時小車升降機開始下降，在下降的過程中利用第一套光電開關(guān)和脈沖編碼器的配合測量了卷材的卷徑。小車下降到下極限后，繼續(xù)向前行進，行進過程中利用第二套光電開關(guān)和脈沖編碼器測量出了卷材寬度。當小車行進到等待位置時停止，根據(jù)測量的卷材卷徑小車通過升降動作對中卷材中心，完成后根據(jù)測量的卷材寬度向前繼續(xù)行進對正卷材寬度中心點。這樣卷材就被自動放置在開卷卷軸上了。
另外還有上卸套筒自動，卸卷自動等。

3.4 軋制力閉環(huán)AFC原理
軋制力閉環(huán)控制系統(tǒng)由AutoMax系統(tǒng)、伺服閥放大器、伺服閥、油缸及壓力傳感器等環(huán)節(jié)組成，其工作原理為:當軋制力設(shè)定信號加入該系統(tǒng)的輸入端時，由于此時工作輥并未接觸，故軋制力反饋信號為零，系統(tǒng)偏差既等于輸入信號，在此偏差信號作用下，油缸迅速動作，起動軋輥向上移動，直到工作輥互相接觸，靠實產(chǎn)生軋制力。當實際軋制力隨著軋輥的繼續(xù)上壓而增加到等于設(shè)定值時，油缸停止移動，使實際軋制力等于設(shè)定值保持不變。
AFC只有在軋輥壓靠進行輥縫清零操作或做為平整時才使用，正常軋制時，AFC將被切除。
3.5 張力AGC控制原理(T-AGC)
當出口厚度小于0.5mm并接近0.1mm時，由于軋輥壓扁影響的增加及帶材寬度以外的工作輥之間開始接觸，導(dǎo)致軋制力對厚度的作用減小，而軋機速度及入口張力對厚度的影響逐漸增大，最終在鋁板軋制過程中起主導(dǎo)作用。張力AGC是通過調(diào)節(jié)張力來改變板帶的塑性系數(shù)的大小來實現(xiàn)厚度調(diào)節(jié)的。
3.6 速度AGC控制原理(S-AGC)
速度AGC是通過速度調(diào)節(jié)來改變板帶摩擦系數(shù)的大小來實現(xiàn)厚度控制的。

4 工業(yè)控制計算機系統(tǒng)
在軋機的控制系統(tǒng)中，工業(yè)控制計算機起著十分重要的作用。以往，國內(nèi)銅帶軋機的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)主要偏重于系統(tǒng)的監(jiān)視，其主要功能為故障顯示與記錄、主要運行參數(shù)記錄、實時狀態(tài)顯示與監(jiān)控、設(shè)定內(nèi)容打印等。隨著生產(chǎn)廠家對自動化程度要求的不斷提高，尤其是全自動軋制概念的引入，工業(yè)控制計算機系統(tǒng)必須具有更加完善的功能。
全自動軋制是指輸入來料卷材及產(chǎn)品數(shù)據(jù)后自動生成軋制表，自動按照軋制表進行各道次軋制，軋機可自動進行加減速，并且通過參數(shù)自學(xué)習(xí)可不斷改善軋制參數(shù)。自動軋制的實現(xiàn)大大減少了手動操作，減少了人為因素對生產(chǎn)過程的影響。
項目設(shè)計改造的這臺銅帶材冷軋機，采用了完善的自動化設(shè)計，配合工業(yè)控制計算機，可實現(xiàn)自動軋制。其工藝流程如圖2所示。

圖2 軋制過程流程圖
軋機的操作有手動和自動兩種方式。手動操作方式，功能與以往的軋機不同，手動單步實現(xiàn)軋制過程的所有操作。本設(shè)計中，手動操作方式作為自動軋機的備用功能。自動操作方式可實現(xiàn)自動上卷、自動上套筒、自動穿帶準備、穿帶自動控制、自動軋制、自動料尾處理、自動卸卷及自動卸套筒等。生產(chǎn)中，操作手根據(jù)實際生產(chǎn)情況，啟動相應(yīng)的過程自動控制程序，設(shè)備即可按照預(yù)定程序進行工作，不需要過多的人工操作。生產(chǎn)過程中可隨時進行一定的手工干預(yù)，并且可隨時由自動狀態(tài)切換到手動狀態(tài)。
(1) 實時采集軋制數(shù)據(jù)
實施采集板形、厚度、軋制速度、升降速時間點以及開卷機、卷取機、主機的電機運行參數(shù)等。
(2) 軋制數(shù)據(jù)分析
將采集的數(shù)據(jù)進行綜合整理，以曲線和列表的方式顯示。這些數(shù)據(jù)可用于分析軋制工藝對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，為改進生產(chǎn)工藝提供依據(jù)。
(3) 卷材管理
每個卷材均建有單獨的檔案，該卷材的軋制表、已完成的軋制道次、將要進行的軋制道次等均以表格形式存儲，在批量軋制時可隨時調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)進行軋制。
(4) 自動生成軋制道次表
按照卷材的合金牌號、規(guī)格及成品要求，自動生成軋制表，并可進行人工修改。
(5) 生產(chǎn)工藝參數(shù)自學(xué)習(xí)
根據(jù)每個帶卷的生產(chǎn)工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量進行自學(xué)習(xí)。
(6) 中間產(chǎn)品及最終產(chǎn)品的質(zhì)量跟蹤
在軋制過程中，如果出現(xiàn)板形缺陷，可自動記錄該缺陷的起點和終點位置，并在下一道次的軋制中預(yù)先提醒缺陷點。
(7) 生產(chǎn)班次管理
按照車間的生產(chǎn)班次，分別統(tǒng)計生產(chǎn)時間、產(chǎn)品種類、數(shù)量、成品率等。
(8) 故障診斷與記錄
匯總并記錄一級系統(tǒng)傳來的非正常軋制狀態(tài)及其發(fā)生時刻，供需要時查詢。
(9) 生產(chǎn)狀況監(jiān)控
記錄生產(chǎn)過程中一級系統(tǒng)的正常狀態(tài)及運行時刻。
生產(chǎn)開始，開卷機上卷，工控機調(diào)出該卷材的數(shù)據(jù)，給出相應(yīng)道次的軋制參數(shù);開始軋制后，工控機不斷采集軋制過程數(shù)據(jù)及整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對操作者給出一些指導(dǎo)性建議;在選擇自動操作情況下，可實現(xiàn)輥縫自動調(diào)節(jié)、自動加減速等功能;軋制完成后，對采集的各種數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，并以數(shù)據(jù)和曲線的形式在工控機上和HMI上顯示;所有數(shù)據(jù)以文件形式進行記錄，供日后需要時使用。

5 結(jié)束語
通過對冷軋機控制系統(tǒng)功能的改進與提高，使得它的性能得到大幅度提升。
(1) 成品率得到了提高
采用自動加減速后減少了帶頭、帶尾的長度和人為因素的影響，從而提高了帶材成品率。
(2) 提高了生產(chǎn)效率
由于自動化程度的提高，輔助時間自然減少;工控機提供的班次管理，更可以清楚地看出每個班次的有效生產(chǎn)時間及輔助時間，為更加合理有效地安排生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率提供有效依據(jù)。
(3) 完整的數(shù)據(jù)記錄與分析
為工廠的質(zhì)量跟蹤與管理提供了詳實的資料，也可為后續(xù)加工或產(chǎn)品的購買者提供可靠的數(shù)據(jù)資料。
實際生產(chǎn)運行表明，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，有效地提高了產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率及經(jīng)濟效益，受到用戶良好評價。