李志斌，張 琪，彭道剛，魏亞威，湯 棟

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

在鋼鐵廠的薄鋼板生產(chǎn)中，不論是軋制過(guò)程還是最終成品階段，對(duì)薄鋼板的尺寸精度和外形輪廓都有較高的要求.為了達(dá)到最佳的軋制效果和收得率，檢測(cè)薄鋼板的垂直度和切割精度就變得尤為重要［1］.薄鋼板通過(guò)橫切機(jī)剪切完成后，相鄰的邊通常不會(huì)完全垂直，但是人眼無(wú)法識(shí)別這其中微小的差異，而要驗(yàn)證切割后的薄鋼板是否合格，就需要一種精密的測(cè)量設(shè)備對(duì)切割精度進(jìn)行效驗(yàn).

為此，本文設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一套用于薄鋼板切割精度效驗(yàn)的測(cè)量裝置.出于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可靠性的考慮，選用了西門子公司的S7-300 PLC(315-2DP)，該控制器具有體積小、速度快、網(wǎng)絡(luò)通信能力強(qiáng)，以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)［2，3］.

1 切割精度的定義及數(shù)學(xué)描述

鋼鐵行業(yè)中所規(guī)定的板長(zhǎng)偏差和對(duì)角線偏差從本質(zhì)上說(shuō)就是對(duì)橫切機(jī)切割的加工精度，即切割精度提出的要求.切割精度中的板長(zhǎng)偏差是指切割完成后薄鋼板的實(shí)際測(cè)量長(zhǎng)度L′與薄鋼板的設(shè)定長(zhǎng)度L之間的差值.它反映了薄鋼板的實(shí)際板長(zhǎng)偏離設(shè)定要求的程度.若以ΔL來(lái)表示板長(zhǎng)偏差，即

切割精度中的對(duì)角線偏差是指薄鋼板對(duì)角線的實(shí)際測(cè)量長(zhǎng)度D′1或D′2與薄鋼板的理論對(duì)角線長(zhǎng)度D之間的差值.它反映了薄鋼板接近矩形的程度.薄鋼板理論對(duì)角線長(zhǎng)度D指的是以薄鋼板的設(shè)定長(zhǎng)度L和薄鋼板的帶凈寬H分別為長(zhǎng)和寬的矩形對(duì)角線的長(zhǎng)度.若以ΔD來(lái)表示對(duì)角線偏差，則

工程上通常采用D′1與D′2的差值來(lái)表示對(duì)角線偏差，即

2 計(jì)算模型設(shè)計(jì)

根據(jù)切割精度的定義及數(shù)學(xué)描述，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的薄鋼板切割精度測(cè)量的計(jì)算模型如圖1所示.

圖1 計(jì)算模型示意

圖1中，虛線標(biāo)識(shí)的是標(biāo)準(zhǔn)板，通過(guò)運(yùn)行測(cè)量裝置的標(biāo)準(zhǔn)板校驗(yàn)功能可以獲得一組標(biāo)準(zhǔn)板的探規(guī)讀數(shù)xi，這一組參數(shù)與6個(gè)探規(guī)之間的距離 yi一起作為系統(tǒng)的初始化結(jié)構(gòu)參數(shù).圖1中實(shí)線標(biāo)識(shí)的是待測(cè)薄鋼板，通過(guò)運(yùn)行測(cè)量裝置的測(cè)量功能可以獲得一組待測(cè)板的探規(guī)讀數(shù)xi′，則待測(cè)板和標(biāo)準(zhǔn)板差值的絕對(duì)值為

式中，i=1，2，3，4，5，6.

固定在測(cè)量平臺(tái)右側(cè)面的3個(gè)探規(guī)所測(cè)量得到的待測(cè)板和標(biāo)準(zhǔn)板差值的絕對(duì)值dxi總是滿足dx1

在測(cè)量前操作人員需要在觸摸屏上輸入待測(cè)板的設(shè)定板高h(yuǎn)和板寬a，根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)xi和yi，以及待測(cè)板的探規(guī)讀數(shù)xi′，可以完成待測(cè)板切割精度的計(jì)算.

圖1為計(jì)算模型1的情況，待測(cè)板和標(biāo)準(zhǔn)板差值的絕對(duì)值dxi可通過(guò)式(4)計(jì)算得到，∠b和∠c可通過(guò)式(5)和式(6)計(jì)算得到.

根據(jù)三角形的余弦定理和勾股定理可計(jì)算得到AE 和 GE，即

AE即作為待測(cè)板的實(shí)際板高.

由勾股定理可得對(duì)角線AG和PF，即

因此，待測(cè)板的對(duì)角線偏差為 AG－PF，高度為AE，斜切率為tan b.

當(dāng)dx6

3 測(cè)量裝置的硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)薄鋼板切割精度的測(cè)量要求(高度偏差小于1 mm，對(duì)角線偏差的絕對(duì)值小于1 mm)，選用了西門子的S7-300，變頻器CU310DP，伺服電機(jī) SIMATIC S120，觸摸屏 TP270，GIVI光柵尺，Sony多軸探規(guī)接口模塊MG20-DT和6個(gè)探規(guī)DT12P等組成了測(cè)量裝置.薄鋼板切割精度效驗(yàn)裝置的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 薄鋼板切割精度效驗(yàn)裝置的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)上位機(jī)選用觸摸屏TP270對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，將下位機(jī)S7-300 PLC作為主控制器.在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，PLC根據(jù)編制的程序來(lái)控制電機(jī)的速度和移動(dòng)方向，按照Profubus通信協(xié)議，將速度命令信號(hào)發(fā)送給變頻器CU310DP.變頻器獲得命令信號(hào)后執(zhí)行動(dòng)作并反饋運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警信號(hào)給PLC.測(cè)量裝置通過(guò)西門子的高速計(jì)數(shù)器模塊FM350-1和光柵尺的配合來(lái)完成電機(jī)的定位功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)的3個(gè)探規(guī)進(jìn)行準(zhǔn)確定位.探規(guī)DT12P通過(guò)氣閥伸縮完成對(duì)位移量的測(cè)量，所測(cè)位移數(shù)據(jù)上傳給多軸探規(guī)接口模塊MG20-DT，PLC通過(guò)串口與MG20-DT通信獲得探規(guī)DT12P所測(cè)量的6個(gè)位移數(shù)據(jù)，然后通過(guò)計(jì)算模型可得到待測(cè)薄鋼板的實(shí)際高度、對(duì)角線差和斜切率，并判斷待測(cè)薄鋼板的切割精度是否在允許誤差范圍之內(nèi)，并將測(cè)量結(jié)果顯示在觸摸屏上.觸摸屏TP270同樣通過(guò)Profibus總線和PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，并可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，操作人員也可通過(guò)觸摸屏直接進(jìn)行操作.

3.2 PLC選型以及輸入輸出點(diǎn)分配

校驗(yàn)裝置選用了西門子S7-300 PLC，整個(gè)系統(tǒng)中所需要的I/O點(diǎn)數(shù)主要有:輸入信號(hào)有1個(gè)光柵尺計(jì)數(shù)清零限位開(kāi)關(guān)，1個(gè)上部保護(hù)限位開(kāi)關(guān)，一個(gè)下部保護(hù)限位開(kāi)關(guān)，1個(gè)緊急停車和1個(gè)腳踩測(cè)量信號(hào)共5個(gè)輸入點(diǎn);輸出信號(hào)有6個(gè)氣閥的啟動(dòng)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)探規(guī).

根據(jù)所需要的I/O點(diǎn)數(shù)以及整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，進(jìn)行了 PLC 的選型［4，5］，所選的模塊如下:

(1)CPU模塊 S7-300的CPU 315-2 DP，型號(hào)為6ES7 315-2AG10-0AB0;

(2)通信模塊 CP 340-RS232C，型號(hào)為6ES7 340-1AH02-0AE0;

(3)輸入模塊 DI16*DC24V，型號(hào)為6ES7 321-1BH02-0AA0;

(4)輸出模塊 DO16*DC24V/0.5A，型號(hào)為6ES7 322-1BH01-0AA0;

(5)計(jì)數(shù)模塊 FM350 COUNTER，型號(hào)為6ES7 350-1AH03-0AE0;

(6)電源模塊 DC24V/2A電源，型號(hào)為6ES7 307-1BA00-0AA0.

CPU模塊、通訊模塊、輸入模塊、輸出模塊和計(jì)數(shù)模塊通過(guò)背板總線進(jìn)行連接，電源模塊用來(lái)提供PLC工作所需要的24 V電源.

4 測(cè)量裝置的功能和軟件設(shè)計(jì)

4.1 測(cè)量裝置功能

本校驗(yàn)裝置通過(guò)對(duì)切割后的薄鋼板對(duì)角線差、斜切率和高度進(jìn)行測(cè)量，來(lái)判斷產(chǎn)品是否合格.為了達(dá)到這個(gè)目的，在設(shè)計(jì)中必須要實(shí)現(xiàn)如下基本功能:

(1)零位校準(zhǔn) 通過(guò)在機(jī)械平臺(tái)上側(cè)裝上限位開(kāi)關(guān)，每次上電前，電機(jī)控制移動(dòng)機(jī)械臂觸碰限位開(kāi)關(guān)后，F(xiàn)M350-1計(jì)數(shù)器模塊清零，以保證每次開(kāi)機(jī)后測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;

(2)標(biāo)準(zhǔn)板校準(zhǔn) 測(cè)量裝置應(yīng)每隔3個(gè)月進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)板的校驗(yàn)，以避免標(biāo)準(zhǔn)板因使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成系統(tǒng)誤差，這項(xiàng)校準(zhǔn)設(shè)置了用戶權(quán)限，需要密碼進(jìn)入;

(3)系統(tǒng)復(fù)位 系統(tǒng)零位校準(zhǔn)后恢復(fù)至測(cè)量狀態(tài)，每次測(cè)量后系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位;

(4)系統(tǒng)調(diào)試 用于設(shè)計(jì)人員對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，設(shè)置用戶權(quán)限，需要密碼進(jìn)入;

(5)傳感器調(diào)試 用于檢測(cè)傳感器是否正常運(yùn)行，設(shè)置用戶權(quán)限;

(6)開(kāi)始測(cè)量 把待測(cè)鋼板放在工作臺(tái)上，通過(guò)觸摸屏輸入薄板規(guī)格以及所需要的測(cè)量精度，然后給系統(tǒng)發(fā)出指令，PLC通過(guò)伺服電機(jī)控制3個(gè)水平探規(guī)的位置，并且通過(guò)氣閥控制6個(gè)探規(guī)的伸縮，將數(shù)據(jù)讀出后，通過(guò)算法模塊計(jì)算得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，用來(lái)判斷產(chǎn)品是否合格，并在觸摸屏上顯示出結(jié)果;

(7)腳踩測(cè)量開(kāi)關(guān) 方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員使用;

(8)緊停開(kāi)關(guān) 當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工作人員操作失誤或儀器發(fā)生異常致使電機(jī)不能正常停車時(shí)，可直接將電機(jī)關(guān)閉，并且復(fù)位系統(tǒng)所有信號(hào).

4.2 PLC程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)組態(tài)

4.2.1 PLC程序設(shè)計(jì)

測(cè)量裝置中的PLC控制程序流程見(jiàn)圖3.

圖3 PLC控制程序流程示意

為保證測(cè)量精度，測(cè)量裝置上電之后必須進(jìn)行零位校準(zhǔn).而測(cè)量裝置每隔一個(gè)季度或半年應(yīng)進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)板的校驗(yàn)，這樣可以避免因探規(guī)使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成探規(guī)特性改變而引起的系統(tǒng)誤差.在觸摸屏控制面板上輸入所測(cè)薄鋼板的規(guī)格參數(shù)后開(kāi)始測(cè)量，此時(shí)，控制面板會(huì)顯示出所測(cè)薄鋼板的測(cè)量參數(shù)，并顯示產(chǎn)品是否合格.測(cè)量結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)復(fù)位，以準(zhǔn)備下一次的測(cè)量.在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)異常或操作失誤時(shí)，可通過(guò)緊急停止開(kāi)關(guān)強(qiáng)行關(guān)掉系統(tǒng)，并進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位［6，7］.

測(cè)量裝置中下位機(jī)程序設(shè)計(jì)使用STEP 7 V5.3軟件平臺(tái)進(jìn)行PLC程序的編寫，STEP 7 V5.3可支持梯形圖、SIMATIC指令和功能圖的程序編寫，且具有指令豐富、結(jié)構(gòu)清晰、編程方便等優(yōu)點(diǎn).

4.2.2 上位機(jī)組態(tài)

選用西門子的OP操作監(jiān)視站(TP270)，并運(yùn)用WinCC軟件進(jìn)行上位機(jī)的組態(tài)設(shè)計(jì).SIMATIC WinCC flexible工程軟件集控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖形技術(shù)于一身，包含動(dòng)態(tài)顯示、報(bào)警、控件、趨勢(shì)及網(wǎng)絡(luò)通信等組件，提供友好的人機(jī)界面，便于用戶在不需要編寫程序代碼的情況下便可生成自己需要的應(yīng)用軟件.TP270通過(guò)Profibus總線與下位機(jī)PLC進(jìn)行通訊，主要顯示以下3種界面.

(1)主畫面 主畫面上設(shè)有開(kāi)始測(cè)量和系統(tǒng)校驗(yàn).

(2)測(cè)量界面 測(cè)量界面上需要人工輸入操作員的工號(hào)，所測(cè)薄板的規(guī)格和要求的誤差精度，輸入完成后，點(diǎn)擊測(cè)量按鈕，系統(tǒng)完成測(cè)量，顯示所測(cè)得的參數(shù)，并判斷產(chǎn)品是否合格.見(jiàn)圖4.

圖4 測(cè)量界面

(3)校驗(yàn)界面 校驗(yàn)界面設(shè)有系統(tǒng)零位校驗(yàn)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn).零位校驗(yàn)在系統(tǒng)每次上電之前就要校驗(yàn)一次，而標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)需要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)板對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn).

5 結(jié)束語(yǔ)

本校驗(yàn)裝置在某薄板冷軋廠已投入運(yùn)行4個(gè)多月，運(yùn)行狀況良好，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的測(cè)量功能.由于PLC是非常成熟的工業(yè)控制產(chǎn)品，可靠性高，易于擴(kuò)展，因此該校驗(yàn)裝置具有較高的實(shí)用價(jià)值.另外，本裝置在PLC程序設(shè)計(jì)中采用了模塊化設(shè)計(jì)，有利于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí).

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