閆中偉

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

清輥器廣泛應(yīng)用于熱軋機(jī)，主要用于清除工作輥表面的粘鋁及其它臟物，以提高熱軋帶材的表面質(zhì)量，為后續(xù)產(chǎn)品加工提供高質(zhì)量的原料?，F(xiàn)有清輥器的控制方式多是機(jī)械式控制方式，徑向壓靠靠換向閥或比例閥來實(shí)現(xiàn)，軸向躥動(dòng)靠機(jī)械式偏心套或液壓缸換向閥來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有的機(jī)械控制方式存在以下問題：換向閥實(shí)現(xiàn)徑向壓靠時(shí)壓靠力不可調(diào)，比例閥控制開環(huán)控制時(shí)不能實(shí)現(xiàn)設(shè)定的壓靠壓力；比例閥控制閉環(huán)控制時(shí)，調(diào)節(jié)很慢而且不容易穩(wěn)定。本文介紹一種基于伺服閥、壓力傳感器、位移傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)壓靠力、壓靠位置、軸向躥動(dòng)速度、轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié)。

1 控制策略

影響清輥器清刷質(zhì)量的因素很多，如清輥器的軸向躥動(dòng)、清輥器的轉(zhuǎn)速、清輥器的壓靠壓力/壓靠位置等，其中清輥器的壓靠壓力/位置對清刷質(zhì)量影響最大。清輥器的控制系統(tǒng)采用以下控制策略實(shí)現(xiàn)對清輥器壓靠的控制，具體方法如下：

1)壓力調(diào)節(jié)。壓力調(diào)節(jié)是軋制時(shí)清輥器壓靠的主要控制方式，通過設(shè)定壓力值與傳感器實(shí)測的壓力值組成的反饋回路對清輥器壓靠壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2)位置調(diào)節(jié)。位置調(diào)節(jié)是控制清輥器與熱軋機(jī)工作輥的相對壓靠位置，通過設(shè)定壓靠位置與傳感器實(shí)測的位置值組成反饋系統(tǒng)對清輥器的壓靠位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。

清輥器的壓靠控制分別與清輥器的轉(zhuǎn)速、躥動(dòng)控制相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)在線軋制時(shí)的壓靠力/壓靠位置、清輥器躥動(dòng)、清輥器轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制，為操作人員摸索出一個(gè)最優(yōu)的壓靠力/壓靠位置、清輥器躥動(dòng)速度、清輥器轉(zhuǎn)速提供了方法。

2 清輥器控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

清輥器控制系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示 ，由西門子S7-400邏輯控制器、TP277觸摸屏、各種傳感器和液壓伺服系統(tǒng)等組成。參與控制的信號有模擬量和開關(guān)量，模擬輸入量是從傳感器采集的油缸壓力和位置信號，模擬量輸出量是伺服閥調(diào)節(jié)輸出信號，開關(guān)量的輸入信號有泵站的運(yùn)行信號、軋制方向信號油缸極限信號等。輸出信號包括泵站運(yùn)行信號、清輥器工作信號、與其它部分的通訊信號等。

在整個(gè)控制系統(tǒng)中邏輯控制器是核心部分，要完成清輥器的壓力閉環(huán)和位置閉環(huán)控制、狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警信息的判斷與顯示燈全部功能。西門子S7-400系列中的S7-416型CPU，其邏輯運(yùn)算時(shí)間和定點(diǎn)加運(yùn)算時(shí)間均是30ns，浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)間為90ns，最小中斷周期為1ms，完全滿足了系統(tǒng)對采樣周期的要求。選用西門子S7-400作為核心的控制部分，通過讀取子站相應(yīng)的模擬量和數(shù)字量控制信息，主站讀取子站時(shí)讀取子站的模擬量和數(shù)字量會(huì)有相應(yīng)的滯后，但此讀取速率能滿足此控制系統(tǒng)的控制要求?？刂葡到y(tǒng)的硬件配置方案如表1所示。

表1 PLC的硬件配置

TP277是西門子公司推出的專門用于邏輯控制器顯示的10寸觸摸屏多功能面板，其中內(nèi)置了Windows CE操作系統(tǒng)，使用時(shí)可以利用PC上的Wincc flexible組態(tài)軟件對操作界面進(jìn)行組態(tài)，通過RJ45接口對觸摸屏進(jìn)行組態(tài)。觸摸屏和控制器之間通過DP接口相連接，觸摸屏可以直接對控制器中的變量進(jìn)行讀寫。

傳感器部分主要有8個(gè)油缸內(nèi)置位移傳感器和9個(gè)壓力傳感器組成。其中位移傳感器采用的是巴魯夫位移傳感器，測量范圍0～75mm，分辨率100μm；壓力傳感器采用的是巴士德壓力傳感器，量程0～200Bar。

液壓與伺服系統(tǒng)是邏輯控制器中輸出信號的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要輸出的信號通過模擬輸出板轉(zhuǎn)變?yōu)?mA～20mA伺服電流后對伺服控制對象進(jìn)行具體操作。

3 清輥器控制系統(tǒng)軟件的組成

系統(tǒng)的軟件部分可分為監(jiān)控軟件和控制軟件兩部分。監(jiān)控軟件部分主要依托于TP277觸摸屏控制面板的Wincc flexible組態(tài)軟件來進(jìn)行編寫，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的壓靠壓力、壓靠位置的顯示、報(bào)警信息的顯示、壓靠參數(shù)的調(diào)整、躥動(dòng)速度的調(diào)整、極限幅值的修改等功能?？刂栖浖捎玫氖荢IMATIC STEP7 V5.5來編寫，STEP7是基于Windows的S7-300和S7-400的標(biāo)準(zhǔn)軟件開發(fā)包。利用STEP7，用戶可以組態(tài)控制器硬件、在線診斷控制器的硬件狀態(tài)和I/O通道狀態(tài)，通過STEP7用戶可以編寫出符合自己需要的控制程序。

3.1 系統(tǒng)的功能塊劃分與數(shù)據(jù)流信息

清輥器控制系統(tǒng)的劃分和數(shù)據(jù)流信息如圖2所示。系統(tǒng)的的功能主要分為三大部分，觸摸屏是用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的的設(shè)備，主要操作人員參數(shù)的設(shè)定和修改，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的、系統(tǒng)狀態(tài)的和報(bào)警信息的顯示，以及調(diào)試人員對調(diào)試參數(shù)的修改測試，觸摸屏通過Profibus-DP總線與控制器實(shí)現(xiàn)通訊連接。傳感器和伺服系統(tǒng)屬于檢測和執(zhí)行部分，采集實(shí)時(shí)信號并讀入控制器，同時(shí)將控制器輸出的數(shù)字或模擬量信號轉(zhuǎn)換為伺服操作系統(tǒng)的具體動(dòng)作。邏輯控制器部分則是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和處理的中心，為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理，按功能將控制器的軟件部分分成了數(shù)據(jù)標(biāo)定、報(bào)警判斷、輸出顯示壓力/厚度控制、公共數(shù)據(jù)區(qū)等幾大功能塊。

從模塊輸入的模擬量信號不能直接參與數(shù)據(jù)的運(yùn)算與顯示，需要經(jīng)過標(biāo)定轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式參與數(shù)據(jù)的顯示與運(yùn)算，需要顯示的數(shù)據(jù)標(biāo)定之后經(jīng)過邏輯判斷直接通過Profibus-DP總線輸出到觸摸屏進(jìn)行顯示。此外，還需要設(shè)立公共數(shù)據(jù)區(qū)，對觸摸屏設(shè)定參數(shù)和傳感器采集的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，控制器程序可以對公共數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

3.2 系統(tǒng)的工藝流程

系統(tǒng)的工藝流程如圖3所示，軟件控制的流程主要分為靠零、模式選擇、參數(shù)設(shè)定、壓力/位置控制等部分。

壓靠是在清輥器控制系統(tǒng)第一次執(zhí)行時(shí)需要執(zhí)行的模塊，目的是要找到清輥器相對于工作輥的一個(gè)基準(zhǔn)零位，在位置控制中需要用到此基準(zhǔn)零位，畫面顯示也要以此基準(zhǔn)零位顯示清輥器的壓靠位置供操作人員參考判斷?？苛阍诿看伍_機(jī)或泄油之后都必須運(yùn)行，目的使清輥器與軋機(jī)工作輥保持平行，并測出壓靠位置的相對基點(diǎn)。

清輥器正常清刷工作輥時(shí)，壓力控制和位置控制是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。在選擇壓力控制模式時(shí)，控制器是以清輥器的壓靠壓力為目標(biāo)控制量，通過壓力閉環(huán)PI控制器實(shí)現(xiàn)對清輥器兩端的壓靠壓力進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制，根據(jù)操作人員的設(shè)定壓靠力迅速響應(yīng)實(shí)現(xiàn)壓靠壓力的在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。在選擇位置控制模式時(shí)，控制器是以清輥器的壓靠位置為目標(biāo)控制量，通過位置閉環(huán)PI控制器實(shí)現(xiàn)對清輥器兩端的壓靠位置進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制。

對于壓力/位置控制器所輸入和輸出的參數(shù)，對應(yīng)的變量都是電流電壓信號，在控制器中做具體計(jì)算時(shí)需要標(biāo)定，轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一的數(shù)據(jù)類型之后才可以參加數(shù)值與邏輯計(jì)算。對清輥器轉(zhuǎn)速的控制由傳動(dòng)程序在相應(yīng)的變頻器上進(jìn)行轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，清輥器的軸向躥動(dòng)是由控制躥動(dòng)缸換向閥的換向時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。此外軟件上還做了很多的保護(hù)功能，如在硬件故障時(shí)會(huì)自動(dòng)泄油保護(hù)等。

4 結(jié)束語

清輥器的壓靠位置或壓靠力并不是越大就能刷的越干凈，而是有一個(gè)最優(yōu)的壓靠位置或壓靠力，這個(gè)壓靠位置或壓靠力需要軋機(jī)操作人員在軋制實(shí)踐中進(jìn)行摸索，總結(jié)出最優(yōu)的壓靠位置或壓靠力。本文所介紹的控制系統(tǒng)為軋機(jī)操作人員提供了一個(gè)在軋制過程中實(shí)時(shí)調(diào)整壓靠位置或壓靠力的方法，以此控制方式為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于南方某鋁板帶加工廠的熱軋機(jī)上，清輥器清刷效果顯著，熱軋成品帶材的表面質(zhì)量得到了明顯改善。基于伺服閥、壓力傳感器、位移傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對提高鋁板帶表面質(zhì)量以及清輥器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都有重要意義。