基于帶頭跟蹤系統(tǒng)在防止誤穿帶的應(yīng)用

裴峻清

摘 要：帶頭跟蹤系統(tǒng)是用于冷軋機(jī)組的重要系統(tǒng)，其主要功能是在帶鋼穿帶的時(shí)候?qū)崟r(shí)跟蹤帶頭的位置，確保相關(guān)自動(dòng)步可以順利的進(jìn)行。但在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，由于每種帶鋼有各自的厚度、寬度、材質(zhì)等屬性，在穿帶過(guò)程中帶鋼的帶頭經(jīng)過(guò)夾送輥后有時(shí)會(huì)發(fā)生帶頭上翹或下翹的情況，導(dǎo)致帶鋼不能正常平穩(wěn)穿帶，嚴(yán)重時(shí)會(huì)穿帶到機(jī)械的夾縫中，造成大量的帶頭廢料，同時(shí)會(huì)撞壞相關(guān)的機(jī)械設(shè)備，給用戶造成較大經(jīng)濟(jì)損失。基于這種情況，我們優(yōu)化了帶頭跟蹤系統(tǒng)，使它及時(shí)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)誤穿帶，停止相關(guān)設(shè)備，發(fā)出診斷報(bào)警來(lái)提示操作人員。進(jìn)而給用戶避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：帶頭跟蹤；速度控制；應(yīng)用

1 概述

在一條現(xiàn)代化的連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，帶頭跟蹤系統(tǒng)是冷軋機(jī)組入口段重要的組成部分。幾乎所有的自動(dòng)化帶鋼連續(xù)生產(chǎn)線，均需配備精確的帶頭跟蹤系統(tǒng)用于控制產(chǎn)品的質(zhì)量。在冷軋機(jī)組中，有些機(jī)組（例如熱鍍鋅機(jī)組、連退機(jī)組）帶鋼來(lái)料很薄，一般在0.3毫米到2.0毫米之間。由于來(lái)料過(guò)薄，又有各種不同的材質(zhì)。入口段雖然有矯直機(jī)來(lái)矯正帶頭、但是經(jīng)過(guò)后面的夾送輥之后，帶頭依舊會(huì)發(fā)生上翹和下翹的情況，從而導(dǎo)致帶頭不能正常穿帶。在無(wú)人監(jiān)管的情況下，穿帶自動(dòng)步依舊進(jìn)行，一旦上翹或下翹的帶頭誤碰到相關(guān)設(shè)備，這時(shí)會(huì)導(dǎo)致大量的帶鋼堆積在相關(guān)設(shè)備處，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，同時(shí)導(dǎo)致大量的廢鋼產(chǎn)生。等待操作人員發(fā)現(xiàn)堆鋼現(xiàn)象，為時(shí)已晚。而要切除大量的廢鋼，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響整條機(jī)組正常生產(chǎn)，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)人員的討論及分析，一致同意優(yōu)化帶頭跟蹤系統(tǒng)，一旦發(fā)生堆鋼、誤穿帶或誤碰撞相關(guān)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出診斷報(bào)警提示操作人員去處理帶頭，同時(shí)停止相關(guān)的穿帶自動(dòng)步。進(jìn)一步起到減少誤穿帶事故的概率、減少大量產(chǎn)生堆鋼的現(xiàn)象、防止帶頭發(fā)生誤碰撞現(xiàn)象、提高生產(chǎn)效率和減少經(jīng)濟(jì)損失。

2 帶頭自動(dòng)跟蹤設(shè)計(jì)方案介紹

帶鋼帶頭跟蹤系統(tǒng)是冷軋機(jī)組基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的一個(gè)主要的、相對(duì)高級(jí)的功能?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)在冷軋機(jī)組入口段跟蹤區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的所有帶鋼上的精確的位置跟蹤。在一條現(xiàn)代化的連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線上，一個(gè)優(yōu)秀的帶鋼帶頭跟蹤系統(tǒng)不僅僅可以極其精確地跟蹤在機(jī)組中移動(dòng)的帶頭位置，指揮機(jī)組設(shè)備的動(dòng)作（如抬棍和壓棍），提供整個(gè)機(jī)組的一個(gè)友善的人機(jī)界面。

2.1 采集傳動(dòng)速度

通過(guò)建立入口段主控PLC與傳動(dòng)之間Profibus網(wǎng)絡(luò)，采集到了入口段的開(kāi)卷機(jī)、夾送輥、轉(zhuǎn)向輥和張力輥的速度。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、單位換算成M/S.同時(shí)計(jì)算出每一個(gè)掃描周期內(nèi)輥?zhàn)铀D(zhuǎn)動(dòng)的距離。為今后計(jì)算出帶鋼帶頭所走的距離提供必要的數(shù)據(jù)。

2.2 采集入口段光柵信號(hào)

入口段的光柵信號(hào)在入口帶頭跟蹤系統(tǒng)中起著重要的作用，既可以修正帶頭的實(shí)際位置又可以檢測(cè)是否存在帶鋼。

2.3 分配入口各段距離

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，首先定義一個(gè)零點(diǎn)位置，一般來(lái)說(shuō)選用入口剪刀為參考零點(diǎn)。依次測(cè)量出入口段各設(shè)備到入口剪的實(shí)際距離。同時(shí)我們采集了帶頭剪切信號(hào)、來(lái)自HMI和L2的剪切命令、手自動(dòng)切換模式等重要信號(hào)。

2.4 帶頭跟蹤系統(tǒng)

通過(guò)采集各類信號(hào)，經(jīng)過(guò)巧妙邏輯組合。我們計(jì)算得出了入口帶頭實(shí)際所走的行程，通過(guò)與工控機(jī)的通訊，將跟蹤的結(jié)果顯示在HMI畫(huà)面上。

3 帶頭自動(dòng)跟蹤及速度控制實(shí)現(xiàn)

3.1 編碼器在帶頭跟蹤的應(yīng)用

編碼器在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)期間，隨著工作輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，所綁定的編碼器可以生成連續(xù)的脈沖信號(hào)。通過(guò)對(duì)脈沖進(jìn)行連續(xù)的累積計(jì)數(shù)，可以描述帶鋼相對(duì)于工作輥的移動(dòng)距離。通常，對(duì)于開(kāi)卷機(jī)，帶鋼跟蹤系統(tǒng)使用安裝在速度輥上的編碼器。對(duì)于安裝在開(kāi)卷機(jī)和轉(zhuǎn)向輥上的脈沖生成器的脈沖測(cè)量精度（分辨率），其經(jīng)驗(yàn)值分別為±0.1%和±1%。這些測(cè)量誤差的產(chǎn)生是由于帶鋼在輥上出現(xiàn)的不期望的滑動(dòng)。在帶鋼正向牽引輥上存在負(fù)滑動(dòng)，反之，在帶鋼反向拖曳輥上存在正滑動(dòng)。

為了實(shí)現(xiàn)精確的帶鋼帶頭跟蹤，在機(jī)組入口段的重要位置處都安裝有光柵探測(cè)器，用于執(zhí)行必要的帶頭跟蹤同步。帶頭跟蹤同步可以修正編碼器的累積誤差和帶鋼在工作輥上所發(fā)生的滑動(dòng)誤差。

3.2 帶鋼步長(zhǎng)計(jì)算

通過(guò)讀取對(duì)應(yīng)傳動(dòng)編碼器的值，比較上一個(gè)掃描周期編碼器的值與當(dāng)前編碼器的值，我們判斷出帶鋼向前或向后。同時(shí)每0.5S讀取一個(gè)所選傳動(dòng)的速度值，計(jì)算出0.5S內(nèi)傳動(dòng)所走的距離，通過(guò)不斷的累加傳動(dòng)所走的距離，即可得出帶鋼所走距離。我們將入口剪做為零點(diǎn)，入口剪到開(kāi)卷機(jī)為負(fù)值，入口剪到焊機(jī)為正值。當(dāng)開(kāi)卷機(jī)開(kāi)始開(kāi)卷的時(shí)候，將帶鋼的位置初始化，對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)一動(dòng)，即可得出帶鋼實(shí)際位置，每到一個(gè)光柵，實(shí)現(xiàn)一次實(shí)際位置校正。帶鋼跟蹤系統(tǒng)將使用安裝在開(kāi)卷機(jī)或轉(zhuǎn)向輥上的編碼器來(lái)計(jì)算步長(zhǎng)：

其中：StepLength：帶鋼步長(zhǎng)；△：一個(gè)帶頭跟蹤程序的循環(huán)周期內(nèi)編碼器反饋值的變化量Δ=New-Old

New：當(dāng)前周期所獲得的編碼器的位置反饋值。Old：上一周期所獲得的編碼器的位置反饋值。Li： 脈沖長(zhǎng)度。單位脈沖的長(zhǎng)度。脈沖長(zhǎng)度是脈沖發(fā)生器的特征值，其值必須連續(xù)的發(fā)送到帶鋼跟蹤系統(tǒng)的CPU。

3.3 入口段的帶頭穿帶速度控制

入口段有三個(gè)速度控制器，對(duì)于入口段的三個(gè)部份，即公共通道（從2號(hào)轉(zhuǎn)向夾送輥到入口活套），上通道（從1號(hào)開(kāi)卷機(jī)到2號(hào)轉(zhuǎn)向夾送輥），下通道（從2號(hào)開(kāi)卷機(jī)到2號(hào)轉(zhuǎn)向夾送輥）。圖1是入口段單通道帶頭穿帶速度控制曲線。

上通道開(kāi)始上卷、穿帶。當(dāng)帶頭穿到剪刀位置停止，開(kāi)始帶頭剪切。在完成帶頭剪切后，啟動(dòng)帶頭到焊機(jī)的定位。并將帶頭停在焊機(jī)。

4 帶頭自動(dòng)跟蹤優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 帶頭跟蹤優(yōu)化方案

在實(shí)際的冷軋機(jī)組的生產(chǎn)中，由于種種原因造成帶頭誤穿帶的現(xiàn)象。我們優(yōu)化了入口段穿帶速度控制系統(tǒng)和帶頭跟蹤系統(tǒng)。兩者巧妙的優(yōu)化結(jié)合，把誤穿帶的損失降到了最小程度。

帶頭跟蹤距離誤差計(jì)算：

△=S1-S2/S1%

△：帶頭實(shí)際位置誤差值；S1：光柵修正帶頭位置；S2：帶頭跟蹤系統(tǒng)計(jì)算值。

如果△值小于15%，那么我們一般認(rèn)為是正常現(xiàn)象。入口段穿帶自動(dòng)步正常運(yùn)行。

如果△值大于等于15%，那么我們一般認(rèn)為是異?，F(xiàn)象，極其有可能是帶頭與設(shè)備碰撞或穿入到機(jī)械縫隙中等異?，F(xiàn)象，造成了生產(chǎn)安全隱患。這時(shí)我們向入口穿帶自動(dòng)步發(fā)出一個(gè)制動(dòng)停止命令，進(jìn)而避免損失過(guò)大。與此同時(shí)通過(guò)HMI畫(huà)面發(fā)出診斷報(bào)警，提醒操作人員人工檢查帶頭是否異常。從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)誤穿帶的功能。

4.2 帶頭跟蹤制動(dòng)距離的計(jì)算

帶鋼從移動(dòng)到停止，必須估算實(shí)際行程（制動(dòng)距離）。這個(gè)制動(dòng)距離取決于目前運(yùn)行的實(shí)際速度、最大制動(dòng)減速度以及在發(fā)出制動(dòng)命令時(shí)系統(tǒng)所處的狀態(tài)：加速、減速、恒速。

在定位開(kāi)始時(shí)，首選產(chǎn)生一個(gè)檢查，檢查定位設(shè)定是否大于最小的制動(dòng)距離。如果是就發(fā)出一個(gè)“快?！辈僮髅睢?/p>

下面介紹在各種不同情況下的帶頭跟蹤制動(dòng)距離計(jì)算：

5 結(jié)束語(yǔ)

在沒(méi)有優(yōu)化帶頭跟蹤之前，穿帶在無(wú)人監(jiān)管的情況下，一旦發(fā)生誤穿帶，會(huì)導(dǎo)致大量的堆鋼，產(chǎn)生大量的帶頭廢料，人工處理誤穿帶費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)會(huì)有損壞相關(guān)設(shè)備的可能性。

當(dāng)優(yōu)化帶頭跟蹤系統(tǒng)后，帶頭跟蹤值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際值后（15%），相關(guān)的穿帶自動(dòng)步停止，給操作工報(bào)警提示，人工干預(yù)穿帶。排除了安全隱患，保護(hù)了相關(guān)設(shè)備，節(jié)約了穿帶時(shí)間，大幅減少了帶頭廢料的產(chǎn)生，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。優(yōu)化后的帶頭跟蹤系統(tǒng)已在上海寶山鋼鐵股份有限公司及其下屬的不銹鋼分公司熱鍍鋅機(jī)組上成功使用。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間考核和檢驗(yàn)，是一個(gè)精準(zhǔn)、高效、可靠的系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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