周紅芳

（西安交通工程學(xué)院，西安 710300）

0 引言

近年來，航空航天和醫(yī)療器械等領(lǐng)域?qū)︿X板材和鋁卷材的需求量越來越大，同時(shí)對(duì)其表面平直度要求越來越高，矯直機(jī)通過調(diào)節(jié)輥縫值大小，來消除板材和卷材波浪彎，使鋁材表面平直。根據(jù)鋁材板面波浪彎不同的形狀，支撐輥被調(diào)節(jié)成不同的凸度，當(dāng)具有不同波浪彎度的板材通過輥縫時(shí)，經(jīng)過反復(fù)矯直，消除板材彎曲及瓢曲缺陷，達(dá)到矯直目的。本文提出了采用旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)數(shù)支撐輥上升和下降的高度，將編碼器的脈沖數(shù)通過西門子高速計(jì)數(shù)器FM350-2計(jì)數(shù)，在PLC中編寫支承輥上升和下降高度程序，將程序計(jì)算的高度值輸出至上位機(jī)，顯示輥縫值的大小。矯直機(jī)主傳動(dòng)采用直流調(diào)速裝置調(diào)速，通過PROFIBUS總線與CPU315-2DP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，控制工作輥的速度和轉(zhuǎn)矩。

1 十三輥矯直機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

平行輥矯直機(jī)是目前應(yīng)用最廣的矯直機(jī)。板材矯直過程中，通過支承輥來改變工作輥的凸度，在板材波浪部位的矯直輥的支承輥不加壓力，而在平直部位的矯直輥的支承輥加大壓力使該部位的板材產(chǎn)生較大彎曲，結(jié)果會(huì)使原來的長(zhǎng)纖維處于壓縮狀態(tài)，使原來的短纖維處于拉升狀態(tài)，如此反復(fù)多次將逐漸消除波浪彎曲和瓢曲缺陷[1]。矯直機(jī)主要由壓下機(jī)構(gòu)、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。矯直機(jī)的基本組成機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 十三棍矯直機(jī)簡(jiǎn)圖

1）壓下機(jī)構(gòu)。由4臺(tái)壓下電機(jī)帶動(dòng)壓下絲桿上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)壓下橫梁和上輥系的上下動(dòng)作，調(diào)整上輥系壓下量，使上下工作輥之間的輥縫值達(dá)到板材厚度的要求，便于不同厚度板材的矯直。四臺(tái)壓下電機(jī)通過組態(tài)上位機(jī)上的投入和切除按鈕控制。入口壓下電機(jī)和出口壓下電機(jī)共同控制矯直機(jī)的傾斜度，使矯直機(jī)的入口開口度大于出口開口度，方便矯直機(jī)咬入波浪彎曲度較大的板材。

2）主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。矯直機(jī)的上下兩排工作輥用萬向連接器連接至減速器的齒輪，齒輪經(jīng)過機(jī)械減速裝置與直流電動(dòng)機(jī)軸承連接。且上聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)7個(gè)輥，下聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)6個(gè)輥。采用西門子6RA70直流調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)電機(jī)，S7-300PLC與6RA70直流調(diào)速裝置通過現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP通信，控制直流電機(jī)的速度與轉(zhuǎn)矩。

3）調(diào)整機(jī)構(gòu)。矯直機(jī)的調(diào)整機(jī)構(gòu)采用彎輥凸度法調(diào)節(jié)輥縫值大小，能夠有效的消除瓢曲缺陷。在上下工作輥的背面裝有一排支承輥，不但增強(qiáng)了工作輥的剛度，而且防止工作輥在工作時(shí)產(chǎn)生塑性變形。下支承輥由7個(gè)輥組成一排，上支承輥由8個(gè)輥組成一排，每個(gè)下支承輥都配有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，可以控制支承輥的上下移動(dòng)。根據(jù)板面波浪彎度的不同，支承輥被調(diào)節(jié)成不同的凸度，板材經(jīng)過輥縫反復(fù)彎曲之后，可消除板材的波浪彎曲，達(dá)到矯直目的。

2 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)選用西門子控制器CPU315-2DP作為控制中心。精整剪切線分布廣，十三棍矯直機(jī)是其中一部分，因此采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的分布式I/O，ET200M是標(biāo)準(zhǔn)的DP從站。分布式I/O ET200M安裝在十三棍矯直機(jī)操作臺(tái)控制柜中，減少現(xiàn)場(chǎng)接線。PROFIBUS-DP的優(yōu)點(diǎn)是在STEP7編程軟件中簡(jiǎn)單的組態(tài)，甚至在不編寫程序的情況下，就可以實(shí)現(xiàn)DP網(wǎng)絡(luò)的通信[2]。

矯直機(jī)主傳動(dòng)部分采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作輥工作，其輸出功率大小為144KW,轉(zhuǎn)速大小為1200r/min，采用西門子6RA70直流調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。直流調(diào)速裝置與CPU315-2DP之間通過PROFIBUS-DP總線進(jìn)行通信，轉(zhuǎn)速設(shè)定值以轉(zhuǎn)速大小形式給定，轉(zhuǎn)矩限幅值以額定轉(zhuǎn)矩百分比給定，通過上位機(jī)寫入CPU315-2DP，編寫程序?qū)⑥D(zhuǎn)速給定值與轉(zhuǎn)矩限幅值轉(zhuǎn)化為直流調(diào)速裝置能識(shí)別的數(shù)字量后，由現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP傳輸至直流調(diào)速裝置，作為直流調(diào)速裝置的速度給定與轉(zhuǎn)矩限幅值。

矯直機(jī)輥縫值通過旋轉(zhuǎn)增量式編碼器測(cè)量，編碼器安裝在支撐輥電機(jī)軸上，當(dāng)支撐輥電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)，同時(shí)編碼器輸出脈沖數(shù)被高速計(jì)數(shù)器模塊FM350-2計(jì)數(shù)，編寫輥縫控制程序，達(dá)到輥縫值精確控制。矯直機(jī)硬件控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 矯直機(jī)硬件控制系統(tǒng)

3 矯直機(jī)主傳動(dòng)控制

3.1 設(shè)置直流調(diào)速裝置6RA70端子

1）開關(guān)量輸出端子：直流調(diào)速裝置內(nèi)部狀態(tài)字第0位，即開機(jī)準(zhǔn)備好B0100連接至46與47端子，當(dāng)狀態(tài)字第0位為1時(shí)，繼電器輸出觸點(diǎn)閉合，直流調(diào)速裝置冷卻風(fēng)機(jī)合閘，為直流調(diào)速裝置運(yùn)行做準(zhǔn)備；直流調(diào)速裝置內(nèi)部狀態(tài)字第3位，即故障信號(hào)B0100連接至48與54端子，當(dāng)變頻器無故障，狀態(tài)字第3位為1，繼電器輸出觸點(diǎn)閉合，控制直流電機(jī)抱閘打開。同時(shí)將K3觸點(diǎn)連接至105和106，即就是“進(jìn)線接觸器控制端子”，當(dāng)變頻器有故障時(shí)，繼電器K3失電，K3觸點(diǎn)斷開，即端子105和106之間的繼電器觸點(diǎn)斷開，109與110端子連接繼電器K1斷電，以便在15ms時(shí)間內(nèi)分?jǐn)嘀鹘佑|器KM1，OFF2安全停車功能起作用[3]。直流調(diào)速裝置設(shè)置端子如圖3。

圖3 直流調(diào)速裝置端子設(shè)置

2）開關(guān)量輸入端子：37和38具有固定功能，其中37接入合閘/分閘信號(hào)，38接入使能信號(hào)。當(dāng)控制器冷卻風(fēng)機(jī)合閘接觸器KM2得電，且控制器無故障接觸器KM1也得電，則主回路合分閘接觸器KM3得電，KM3觸點(diǎn)閉合連接至端子37，上升沿啟動(dòng)，為0時(shí)為OFF1(斜坡下降停車)；編寫PLC使能程序，將PLC數(shù)字量輸出Q100.0連接至端子38，端子38用于控制字的第3位，逆變脈沖使能，運(yùn)行的必要條件。

3.2 直流調(diào)速裝置6RA70與CPU315-2DP之間通信設(shè)置

當(dāng)生產(chǎn)線完成穿帶工作后，開始正常生產(chǎn)時(shí)，直流調(diào)速裝置工作在轉(zhuǎn)速環(huán)飽和，轉(zhuǎn)矩限幅工作狀態(tài)。速度設(shè)定值與轉(zhuǎn)矩限幅參考值通過上位機(jī)輸入域DB101.DBD0和DB101.DBD4輸入，通過MPI總線傳輸給CPU315-2DP，其中矯直機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為525N·m，轉(zhuǎn)矩限幅為額定轉(zhuǎn)矩的80%。

直流調(diào)速裝置與CPU315-2DP之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUSDP傳輸數(shù)據(jù)，在編程軟件STEP7中調(diào)用系統(tǒng)功能SFC14和SFC15來讀寫直流調(diào)速裝置數(shù)據(jù)區(qū)PZD中的數(shù)據(jù)。在上位機(jī)輸入域DB101.DBD0輸入速度設(shè)定值，經(jīng)公式(1)計(jì)算后，得到數(shù)字量DB100.DBD0，由SFC15傳輸給直流調(diào)速裝置，作為直流調(diào)速裝置轉(zhuǎn)速給定，在上位機(jī)輸入域DB101.DBD4輸入轉(zhuǎn)矩限幅值，經(jīng)公式(2)計(jì)算后得到轉(zhuǎn)矩限幅相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，由SFC15傳輸給直流調(diào)速裝置，作為直流調(diào)速裝置轉(zhuǎn)矩限幅值，同時(shí)，SFC15傳輸控制字到直流調(diào)速裝置，控制直流調(diào)速裝置的運(yùn)行過程。通過SFC14將直流調(diào)速裝置狀態(tài)字、轉(zhuǎn)速實(shí)際值及轉(zhuǎn)矩實(shí)際值數(shù)字量傳輸?shù)絇LC，用類似的方法編寫轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值與轉(zhuǎn)速實(shí)際值程序，將參數(shù)顯示在上位機(jī)參數(shù)設(shè)置畫面上[4]。通信程序如圖4所示。

圖4 直流調(diào)速裝置與 PLC通信數(shù)據(jù)傳輸

4 矯直機(jī)輥縫控制

4.1 FM350-2高速計(jì)數(shù)器控制輥縫值

下排矯直輥安裝有支撐輥，支撐輥用調(diào)整電機(jī)帶動(dòng)，依據(jù)板面波浪彎度大小調(diào)節(jié)支撐輥調(diào)節(jié)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，形成不同的凸度。FM350-2功能模塊是具有計(jì)量功能的8通道計(jì)數(shù)模塊，將編碼器的信號(hào)線接至FM350-2端子A0～A7，方向信號(hào)線接至端子B0～B7，以及接好其它控制端子。當(dāng)支撐輥調(diào)整電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，安轉(zhuǎn)在調(diào)整電機(jī)軸上的編碼器同步旋轉(zhuǎn)，高速計(jì)數(shù)器FM350-2將讀取編碼器產(chǎn)生的脈沖，編寫程序計(jì)算出支撐輥上升與下降的位移，即精確調(diào)整上下矯直輥之間的輥縫凸度值。

在STEP7軟件中對(duì)高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行硬件組態(tài)，將FM350-2組態(tài)在PROFIBUS-DP遠(yuǎn)程從站ET200M中，起始地址為276，創(chuàng)建具有相關(guān)用戶定義數(shù)據(jù)類型UDT1的數(shù)據(jù)塊DB10，組態(tài)計(jì)數(shù)方式為連續(xù)計(jì)數(shù)，編碼器選擇為雙通道輸出型，其它的默認(rèn)。FM350-2硬件組態(tài)如圖5所示。

圖5 FM350-2硬件組態(tài)圖

4.2 輥縫軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)板帶波浪彎形狀的不同，支撐輥被調(diào)節(jié)成不同的凸度。當(dāng)支撐輥電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)輸出脈沖，通過高速計(jì)數(shù)器FM350-2計(jì)數(shù)精確定位其位置。當(dāng)編碼器與調(diào)整電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相比B相超前90°，進(jìn)行加計(jì)數(shù)，位移值增大，相對(duì)應(yīng)輥縫值減小；當(dāng)調(diào)整電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相比B滯后90°，進(jìn)行減計(jì)數(shù)，位移值正向減小，相對(duì)應(yīng)輥縫值增大。

在FC100中調(diào)用功能FC2、FC3、FC4。其中FC2是高速計(jì)數(shù)器的控制模塊，在FC2中用軟件門DB10.DBX23.0-DB10.DBX23.7控制計(jì)數(shù)器的開始計(jì)數(shù)與停止計(jì)數(shù)；FC3是寫功能模塊，將高速計(jì)數(shù)器FM350-2讀取的當(dāng)前實(shí)際值直接裝載在DB10.DBD52-DB10.DBD80中，以便更改當(dāng)前計(jì)數(shù)值，計(jì)數(shù)器會(huì)直接將新計(jì)數(shù)值用作當(dāng)前計(jì)數(shù)值；FC4是讀功能模塊，高速計(jì)數(shù)器FM350-2通過FC4讀取編碼器脈沖當(dāng)前實(shí)際值，且將讀取的當(dāng)前值存儲(chǔ)在DB10.DBD148-DB10.DBD204中。根據(jù)位移=脈沖數(shù)×脈沖當(dāng)量[5]，其中脈沖當(dāng)量大小為0.05，編寫支撐輥上升下降位移程序，并將位移值顯示在上位機(jī)監(jiān)控畫面上，方便工作人員觀察。1#支承輥調(diào)整電機(jī)調(diào)節(jié)輥縫凸度值如圖6所示。

圖6 1#支撐輥調(diào)整電機(jī)調(diào)節(jié)輥縫程序

5 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用西門子WinCC V7.0進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)矯直機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控畫面。矯直機(jī)畫面包括參數(shù)設(shè)置和支承輥凸度調(diào)整兩部分。需要設(shè)置的矯直機(jī)參數(shù)有：主傳動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩和以百分比設(shè)置轉(zhuǎn)矩限幅值。需要顯示的其它參數(shù)有：轉(zhuǎn)速實(shí)際值、電流實(shí)際值和以百分比形式表示的轉(zhuǎn)矩實(shí)際值。支承輥凸度調(diào)整畫面顯示當(dāng)前支承輥的準(zhǔn)確位置。矯直機(jī)畫面如圖7所示。

圖7 矯直機(jī)換面

6 結(jié)語

退火后鋁板材波浪彎曲度較大，因此必須采用矯直機(jī)來矯直消除板材的波浪彎，本文設(shè)計(jì)了針對(duì)不同的波浪彎，調(diào)整支承輥電機(jī)來調(diào)節(jié)輥縫凸度值，用西門子高速計(jì)數(shù)器FM350-2計(jì)數(shù)編碼器的脈沖數(shù)，編寫支承輥上升下降位移程序，精確控制輥縫凸度值大小，板材經(jīng)過矯直機(jī)反復(fù)矯直后，到達(dá)板材表面平直，提高產(chǎn)品質(zhì)量。