龍忠義

（華菱湘鋼五米寬厚板廠,湖南 湘潭 411100）

定尺機(jī)由電機(jī)通過減速機(jī)傳動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)使擋板小車前后移動(dòng)，移動(dòng)速度為0～1．3m/s，由一臺(tái)AC380V、30kW的調(diào)速電機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)。對鋼板長度進(jìn)行精確定位。定尺機(jī)擋板可進(jìn)行升降動(dòng)作，定尺機(jī)擋板下降到位后的位置到定尺剪下剪刃的距離是定尺機(jī)當(dāng)前的實(shí)際位置，也是定尺鋼板的實(shí)際長度。定尺剪切完成后，定尺機(jī)氣缸動(dòng)作翻起擋板使鋼板通過。定尺機(jī)上裝載有一臺(tái)空壓機(jī)和電磁閥，用于給定尺擋板升降氣缸及抱閘供氣，氣缸工作壓力為0．6MPa。定尺機(jī)移動(dòng)范圍設(shè)有最大最小極限位接近開關(guān)，齒輪齒條移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用絕對值編碼器檢測實(shí)際位移。西門子S7-400 PLC具有運(yùn)行速度快、存儲(chǔ)容量大、I/O擴(kuò)展功能廣、集成通信能力強(qiáng)等特點(diǎn)；西門子SINAMICS S120是集V/F控制、矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有模塊化的設(shè)計(jì)、快速的從對從通訊方式和高速的驅(qū)動(dòng)接口DRIVECLiQ。因此，研究如何運(yùn)用西門子S7-400 PLC與SINAMICS S120傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在定尺機(jī)區(qū)域物料跟蹤的精確定位，對保護(hù)設(shè)備安全、提高定尺精度、加快生產(chǎn)節(jié)奏具有重要意義。

1 定尺機(jī)區(qū)域的設(shè)備布置概況

定尺剪出口裝配有出口測長輥、擺動(dòng)輥道、L27輥道、L28輥道、L29輥道、定尺機(jī)等設(shè)備，分別在出口測長輥、擺動(dòng)輥道、L27輥道、L28輥道、L29輥道后設(shè)置有檢測鋼板的光柵，這些光柵離定尺剪下剪刃的距離分別為：1030mm、5150mm、12300mm、20780mm、30780mm。定尺機(jī)移動(dòng)軌道安裝于出口輥道的兩側(cè)上方，定尺機(jī)本體橫跨輥道通過齒輪齒條傳動(dòng)在輥道上方移動(dòng)，定尺機(jī)移動(dòng)時(shí)會(huì)對移動(dòng)范圍內(nèi)的L27輥道、L28輥道、L29輥道的光柵信號(hào)造成干涉，從而影響該區(qū)域的物料跟蹤的精確定位。定尺機(jī)區(qū)域的設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 定尺機(jī)區(qū)域的設(shè)備布置

定尺機(jī)的移動(dòng)對某個(gè)光柵干涉的影響范圍是在定尺機(jī)區(qū)域無鋼板時(shí)，將定尺機(jī)由最大位置開往最小位置，當(dāng)光柵信號(hào)由0變?yōu)?時(shí)記錄下此時(shí)定尺機(jī)的具體位置即為影響某個(gè)光柵的最大位置，當(dāng)光柵信號(hào)再從1變?yōu)?時(shí)記錄下此時(shí)定尺機(jī)的具體位置即為影響某個(gè)光柵的最小位置，最大位置與最小位置組成的區(qū)域即為定尺機(jī)移動(dòng)或定位到某個(gè)位置時(shí)對某個(gè)光柵的遮擋范圍。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際測得定尺機(jī)對L27輥道、L28輥道、L29輥道光柵的遮擋范圍分別為：6690～13710mm、15250～22230mm、25870mm以上。

2 定尺機(jī)區(qū)域鋼板物料跟蹤的原理及應(yīng)用

2.1 定尺機(jī)區(qū)域電氣系統(tǒng)的主要配置

（1）自動(dòng)化系統(tǒng)配置。定尺剪PLC選用西門子S7-400系統(tǒng)，中央處理器選用CPU 416-2DP_4TS1，作為整個(gè)定尺剪設(shè)備的主站，將定尺剪主電機(jī)、定尺機(jī)橫移電機(jī)、定尺剪入出口輥道等傳動(dòng)設(shè)備及現(xiàn)場遠(yuǎn)程IO站作為DP從站連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中，傳輸速率設(shè)為1．5Mbit/s，總線行規(guī)設(shè)定為DP，最高站地址使用缺省值126。在主從站的硬件組態(tài)窗口中分別設(shè)置主從站的站地址、主從站的發(fā)送與接收區(qū)的地址。Step7編程軟件采用CFC編程語言，使用功能塊SFC14和SFC15傳輸PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中各站之間連續(xù)的數(shù)據(jù)：SFC14“DPRD_DAT”用于讀取DP標(biāo)準(zhǔn)從站的連續(xù)數(shù)據(jù)；SFC 15“DPWR_DAT”用于寫標(biāo)準(zhǔn)從站的連續(xù)數(shù)據(jù)。

（2）傳動(dòng)系統(tǒng)配置。定尺剪傳動(dòng)系統(tǒng)選用西門子SINAMICS S120傳動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)中的每個(gè)DP從站（控制單元為CU320）控制著調(diào)速電機(jī)的各逆變裝置。同一個(gè)DP從站（如定尺剪主電機(jī)）控制下的兩個(gè)逆變裝置同樣存在主從依存關(guān)系，它們之間直接通過S120傳動(dòng)的高速驅(qū)動(dòng)接口DRIVE-CLiQ網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。不同DP從站（如定尺剪入出口各輥道）之間的逆變裝置同樣也存在主從依存關(guān)系，并且這種主站從站存在切換的需要，如鋼板在定尺剪入口時(shí)，以定尺剪入口機(jī)架輥?zhàn)鳛橹髡?，入口其它輥道作為它的從站；?dāng)鋼板到達(dá)出口擺動(dòng)輥道時(shí)，將擺動(dòng)輥道設(shè)定為主站，入出口輥道作為它的從站。本文研究的內(nèi)容只涉及不同DP從站間的主從控制，即PLC只給PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中傳動(dòng)系統(tǒng)中的主站發(fā)送控制字和速度給定，接收其狀態(tài)字和實(shí)際值，而傳動(dòng)系統(tǒng)中的DP從站只接收來自PLC的控制字，不接收來自PLC的速度給定，傳動(dòng)系統(tǒng)中的DP從站接收來自DP主站傳動(dòng)逆變裝置的實(shí)際速度值作為自身的速度給定值，但其同樣需將狀態(tài)字和實(shí)際值發(fā)送給PLC。

2.2 物料跟蹤的頭部、尾部位置計(jì)算及描述

在自動(dòng)模式下，定尺剪每一個(gè)跟蹤區(qū)域只能存在一塊鋼板，即不允許存在一個(gè)跟蹤區(qū)內(nèi)有兩塊鋼板的情況。鋼板頭部位置是根據(jù)輥道實(shí)際速度進(jìn)行積分計(jì)算出來的鋼板頭部在輥道上的理論計(jì)算位置，每遇到輥道光柵時(shí)，就用輥道光柵離參考點(diǎn)的距離值對其進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)接收到新的定尺鋼板的長度時(shí)，前一塊計(jì)數(shù)的鋼板頭部位置將清除。頭部跟蹤位置減去鋼板定尺長度即為當(dāng)前跟蹤鋼板的尾部位置。

2.3 定尺機(jī)區(qū)域光柵模擬信號(hào)的選擇

由于定尺機(jī)在其移動(dòng)范圍內(nèi)行走時(shí)會(huì)遮擋相應(yīng)的光柵，定位完成后有可能一直遮擋住某個(gè)光柵，使光柵信號(hào)為1，而實(shí)際上對應(yīng)光柵的下方無鋼板，也就表明定尺機(jī)在某個(gè)光柵的遮擋范圍內(nèi)移動(dòng)或定位時(shí)，對應(yīng)的光柵信號(hào)對鋼板物料跟蹤檢測無效。為了保證鋼板在輥道上的物料跟蹤準(zhǔn)確及有效識(shí)別輥道上有無鋼板的信號(hào)，需要對定尺機(jī)移動(dòng)所在位置的光柵做模擬信號(hào)，而定尺機(jī)移動(dòng)或定位不遮擋的光柵就不需要進(jìn)行信號(hào)的模擬。在自動(dòng)模式下，判斷定尺機(jī)區(qū)域的L27輥道、L28輥道、L29輥道光柵是否需要進(jìn)行模擬，即判斷當(dāng)定尺機(jī)所處位置在6690～13710mm時(shí)，選擇對L27輥道光柵進(jìn)行模擬；當(dāng)定尺機(jī)所處位置在15250～22230mm時(shí)，選擇對L28輥道光柵進(jìn)行模擬；當(dāng)定尺機(jī)所處位置大于25870mm以上時(shí)選擇對L29輥道光柵進(jìn)行模擬。

2.4 光柵模擬信號(hào)的準(zhǔn)確檢測

當(dāng)根據(jù)定尺機(jī)所處位置選擇了相應(yīng)的輥道光柵進(jìn)行模擬后，所選模擬信號(hào)什么時(shí)候?yàn)?，什么時(shí)候?yàn)?，還需另外根據(jù)光柵離下剪刃的實(shí)際距離進(jìn)行計(jì)算與判斷?，F(xiàn)以L27輥道光柵為例進(jìn)行說明，當(dāng)鋼板的頭部跟蹤位置大于L27輥道光柵距下剪刃的距離12300mm，同時(shí)尾部跟蹤位置小于12300mm時(shí)，說明鋼板正在L27輥道光柵的檢測范圍內(nèi)，此時(shí)選用模擬信號(hào)來表示L27輥道光柵檢測到有鋼信號(hào)，同時(shí)將此信號(hào)發(fā)送到前后輥道控制的程序控制塊，不允許后一組輥道上鋼板繼續(xù)前進(jìn)，請求前一組輥道處于準(zhǔn)備接收鋼板的狀態(tài)。當(dāng)不能滿足鋼板頭部位置大于12300mm、尾部位置小于12300mm的條件時(shí)，L27輥道光柵信號(hào)即變?yōu)?。為了防止定尺機(jī)區(qū)域還存在鋼板，而開始剪切下一塊鋼板的頭部或試樣后，將需要剪切的下一塊鋼板的定尺長度數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，特將用于當(dāng)前跟蹤鋼板計(jì)算所用的定尺鋼板長度切換的條件限制為只有檢測到定尺擋板下降到位信號(hào)后，才將下一塊鋼板的定尺長度數(shù)據(jù)接收過來，這其中存在兩個(gè)主要邏輯：一為定尺機(jī)區(qū)域檢測到有鋼信號(hào)時(shí)，不允許定尺擋板下降；二為定尺機(jī)擋板檢測到下降到位信號(hào)，說明鋼板已離開定尺機(jī)區(qū)域，此時(shí)選用下一塊鋼板的定尺長度數(shù)據(jù)來用于當(dāng)前跟蹤鋼板位置的計(jì)算是非常合理的，說明定尺機(jī)已準(zhǔn)備好用于下一塊鋼板的定尺定位。

2.5 定尺擋板下降到位后的物料跟蹤定位

定尺機(jī)擋板下降到位后，待定位的鋼板從定尺剪剪刃處開始以高速前進(jìn)；當(dāng)鋼板頭部跟蹤位置到達(dá)離定尺機(jī)擋板位置小于2米時(shí)選用中速前進(jìn)；當(dāng)鋼板頭部跟蹤位置到達(dá)離定尺機(jī)擋板位置小于1．2米時(shí)選用低速緩慢靠近定尺擋板；當(dāng)定尺擋板發(fā)生輕微位移時(shí)，接近開關(guān)將定位到位信號(hào)發(fā)送給PLC，定尺鋼板停止運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)精確定位，進(jìn)而等待定尺剪主剪進(jìn)行剪切。

3 結(jié)語

定尺機(jī)在定尺剪設(shè)備組成中處于非常關(guān)鍵的部分，直接關(guān)系到鋼板的定位精度、產(chǎn)品的非計(jì)劃率和成材率。在西門子S7-400 PLC及SINAMICS S120傳動(dòng)系統(tǒng)中，運(yùn)用先進(jìn)的物料跟蹤理論在某鋼中厚板廠定尺機(jī)區(qū)域得以成功應(yīng)用。定尺機(jī)區(qū)域的物料跟蹤巧妙地運(yùn)用了模擬信號(hào)跟蹤，解決了定尺機(jī)在行走或停留所在位置對光柵的影響。這整套模擬物料跟蹤的解決方案可推廣到其它類似應(yīng)用場合，對保護(hù)設(shè)備安全、提高定尺精度、加快生產(chǎn)節(jié)奏具有重要意義。