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摘要：为了解决冷轧带钢生产中的带材跑偏问题,简述了带材自动纠偏系统控制基本原理,详细介绍了由西安重型机械研究所设计成套的带材CPC 电液伺服控制系统的硬件和软件设计,通过该系统在由西安重型机械研究所设计成套的冷轧机组中的应用,证明了该设计的可行性。自调试成功投入生产以来,系统性能可靠,控制精度高,极大地提高了劳动生产率。
关键词：自动纠偏 中心位置控制 电液伺服
1 引言
在轧钢生产中由于来料、机械等各种因素的影响,带材开卷送入轧机、平整机时总会造成跑偏,为了保证产品质量及满足正常生产加工的需要,就要使用开卷机带材对中CPC (center position cont rol) 纠偏系统。CPC 纠偏系统用于控制带材位置,以避免因来料卷层不齐而造成的开卷机轧制、平整时板形变化和不易升速的弊端,通过自动调节来消除偏差,使带材中心位置始终保持在轧制中心线位置,并使卷取带卷整齐。
由西安重型机械研究所(以下简称西重所) 设计成套的4 ,6 辊可逆冷轧机组和4 辊平整机组中,为了使带材开卷后准确地送入轧机,通常在开卷侧都安装有对中纠偏装置,对带材位置的偏差进行纠正,实现开卷CPC 控制。有效地解决了带材跑偏的问题,减少了断带次数,对于提高机组速度、增加产量、提高劳动生产率取得了显著的效果。
西重所在轧机、平整机机组中实现开卷机CPC 控制大多选用国外成套对中纠偏装置产品,这些产品相对主轧机为一套独立的控制设备且性能可靠、控制精度高,能很好地实现控制要求。但在给某企业设计成套的4 辊粗中轧机组中采用了基于主机PLC 控制器的CPC 控制系统,这套系统不但节约了成本而且响应快、精度高、系统稳定性好,可完全替代进口设备。
2 设备组成及控制原理
由西重所自主设计制造的4 辊粗中轧机组开卷CPC 系统主要由液压缸,伺服比例阀、高频光电检测系统、PLC 控制器、磁致伸缩位置传感器、液压设备等组成。是一种全闭环电液伺服控制系统。CPC 控制功能由PLC 完成。其主要控制原理是将带材位置的检测信号和开卷机的油缸位置反馈信号送至PLC ,进行PID 运算后,输出信号控制开卷机机座油缸比例伺服阀,使双柱头开卷机移动以控制带材中心位置。图1 为4 辊粗中轧机组开卷机及CPC 系统设备结构简图。 （图片）
图1 设备结构简图 开卷CPC 控制系统中,开卷位移传感器选用的是KYCM 系列磁致伸缩线型位移传感器。其主要是由测杆、电子舱和套在测杆上的非接触的磁环组成。测杆内装有磁致伸缩线(波导丝) ,测杆由不导磁的不锈钢管组成,可靠地保护了波导丝。工作时,由电子舱的电子电路产生一起始脉冲,此起始脉冲在波导丝中传输时,同时产生一沿波导丝方向前进的旋转磁场,当这个磁场与磁环中的永久磁场相遇时,产生磁致伸缩效应,使波导丝发生扭动,这一扭动被安装在电子舱内的测能机构所感应并转换成相应的电流脉冲,通过电子电路计算出两个脉冲之间的时间差,即可精确测出被测体的位移。
CPC 比例伺服阀选用的是atos 的DL KZOTE 型高性能伺服比例阀。该阀内配有集成的电子放大器,比例阀与电子放大器配合工作。电子放大器输出电流信号控制比例阀输出使之与供给电子放大器的输入信号相对应,以此来控制阀芯位置,同时由阀内装输出检测装置的作用,实现对阀的闭环调节控制。
选用了HFGY 60 型高频光电检测系统作为带材运动中的位置跑偏检测,检测到的信号供对中位置控制(CPC) 纠偏用。该系统包括荧光灯高频专用电源,荧光灯光源箱和检测器箱3 个装置。在开卷时荧光灯管光源发出高频闪烁灯光,当带材置于光路中时,检测器箱内透镜组将带材遮掩后的光会聚到光敏元件,光敏元件的信号电压经色度补偿选频放大,带通滤波器滤波及信号电压整形,最后输出稳定的,抗干扰性能强的电压(电流) 控制信号作为带材实际位置信号输入到PLC。
3 控制系统软硬件组成及设计
3. 1 硬件组成
4 辊粗中轧机组的电气自动化控制系统硬件主要采用了西门子S7 300 系列PLC 控制器,CPU 选用了318 2DP 型,开卷CPC 控制系统的逻辑顺序控制及数据处理输出均由主CPU 控制完成。选用了SM321 开关量输入模块, SM322开关量输出模块, SM331 模拟量输入模块,SM332 模拟量输出模块。开关量输入输出模块用于控制电磁换向阀的通断,模拟量输入输出模块用于对位移量数据的采集及对比例阀的控制输出。图2 为PLC 硬件控制简图。（图片）
图2 PLC 硬件控制简图 3. 2 软件组成
开卷CPC 控制PLC 控制软件中编程语言为STEP7 。STEP7 是用于SIMA TIC S7 300/ 400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件,是西门子公司开发用于S7 300/ 400PLC 的编程语言,可使用梯形逻辑、功能块图或语句表。可以在Windows 环境下实现硬件配置、参数设置、编程、测试、启动、故障诊断等功能。
在程序控制设计中采用了西门子用于S7 300/ 400 的标准软件PID 控制包的连续控制的控制块FB41 CON T_C。FB41 为连续控制的PID功能块,用于控制连续变化的模拟量[1 ] ,在系统中完成对比例阀的调节控制,每次调用需分配一个背景数据块。本文对FB41 功能块中主要输入输出接口功能作如下简介。
COM_RST : 调节器输入BOOL 型,当该位TURE 时, PID 执行重新启动功能,复位PID 内部参数到默认值。通常在系统重启动时执行一个扫描周期,或在PID 进入饱和状态需要退出时用这个位。
SP_INT:调节器输入REAL 型,PID 的给定值。
PV_IN :调节器输入REAL 型, PID 的反馈值。
MAN : 调节器输入REAL 型, 手动值, 由MAN_ON 选择有效。
GAIN :调节器输入REAL 型,比例增益设置。
TI :输入TIME ,调节器积分时间设置。
TD :输入TIME ,调节器微分时间设置。
LMN :TIME 输出REAL 型,PID 控制器输出。
3. 3 控制方式
开卷CPC 控制系统根据工艺分为手动、自对中及自动3 种控制方式。由于4 辊粗中轧机开卷机是双柱头结构,由2 个油缸组成,因此在每个油缸装有1 个位移传感器分别检测出传动侧和操作侧油缸位置以进行上卷手动及自对中操作时油缸的定位控制。当开卷机CPC 控制在手动方式时,电磁球座阀切断,使2 个油缸独立,通过PLC 输出控制相应的电磁换向阀,使2 个油缸可分别带动双柱头开卷机向传动侧或操作侧单独运动。当开卷机CPC 控制在自对中和自动方式时,电磁球座阀打开,使2 个油缸串联,通过PLC 输出控制相应的电磁换向阀,控制主油路的通断及对中油缸液压锁的开闭。同时对中油缸的动作由比例伺服阀来控制。自对中方式下,油缸内的磁致伸缩位移传感器测得油缸实际位置信号输入到PLC与预设值进行比较,经过PID 调节器输出调偏信号控制比例伺服阀,驱动油缸向轧线中心位置移动。图3 为自对中方式下系统控制框图,其中S1为自对中时开卷机对中位置, f 1 为位移传感器检测到的开卷机实际位置。（图片）
图3 自对中方式控制框图 自动方式下, HFGY 60 型高频光电检测系统检测出当前带材遮光量信号通过PLC 与预设值进行比较,经过PID 调节器输出调偏信号控制比例伺服阀,驱动油缸向消除偏差方向运动,达到带材自动对中的控制目的。图4 为自动方式下系统控制框图,其中W1 为轧线中心位置, G1 为光电检测器检测到的带材实际位置。（图片）
图4 自动方式控制框图 3. 4 软件设计
开卷CPC 控制系统PLC 控制软件的程序控制流程如图5 所示。在自对中方式下FB41 对应的背景数据块为DB1 ,采用PI 调节控制比例增益为0. 5 ,积分时间1 ms。在自动方式下FB41 对应的背景数据块为DB3 ,采用PI 调节控制比例增益为0. 8 ,积分时间1 ms。（图片）
图5 程序控制流程图 4 结束语
这套冷轧带钢CPC 电液伺服控制系统经调试投入使用一年来,性能稳定可靠、控制精度高,大大提高了产品的成品率,减少了浪费,降低了成本。由于带材的位置由纠偏系统控制,减少了断带次数且带速可以大大提高,由此提高了设备的生产能力,既增加了生产时间又减轻了操作人员的劳动强度,操作人员可以有更多的时间和精力从事其它工作。
参考文献
1 西门子公司. SIMATIC 用于S7 300 和S7 400 的标准软件PID 控制用户手册,2001
8/31/2009
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