一種新型CPC控制系統的設計及應用

張 強，宋念龍，王 東，鄭 崗

(1．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032;2．西安理工大學自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048)

1 前言

對于有一定的塔形缺陷的板帶來料、新上帶材的中心偏離軋制中心線和軋制過程中帶卷跑偏的情況，可通過控制開卷機浮動缸隨時調節帶材位置，使帶材中心線自動對準軋制中心線，從而保證板帶能正常軋制。目前板帶軋機上用的技術比較成熟的開卷機自動對中控制系統均是以可見光或電子式高頻可見光作為檢測光信號，硅光電池作為檢測傳感器，在探測器的檢測回路中通過低通濾波器去除外界干擾的光電式CPC控制系統。廠房內的各種光線如燈光、自然光(太陽光及其衍生光)等可見光均可成為其檢測的光干擾源，自然光本身就涵蓋了所有可見光，這就使其無法完全消除自然光和車間照明等環境光線對CPC控制系統的不利影響。

本文所述的CPC控制系統是由西安理工大學開發，在中國重型機械研究院有限公司為用戶提供的軋機設備實際使用中完全達到了設計要求。由于其采用非可見光作為檢測光信號，從根本上大量減少了光干擾的存在，再經系統過濾，能更好的消除外界干擾，使系統更趨于精確、穩定、可靠。

2 CPC控制系統的工作原理及組成

該CPC控制系統由檢測系統、控制系統、液壓伺服系統三部分組成。檢測系統由燈箱與檢測頭組成，燈箱的光源是普通24VDC供電的紅外(非可見光)發光二極管陣列，檢測頭是通過CCD圖像傳感器的感光性將檢測到的板帶兩側邊緣的圖像信息轉變為點位信息，信息傳遞控制框圖如圖1所示。控制系統中PLC可隨時將檢測到的信號與設定值進行比較計算，將得到的控制信號傳輸給液壓伺服系統;同時軟件中設置有自適應環節，當燈箱因灰塵、光源衰減等有輕微污染時系統具有相應的自動補償功能，當污染嚴重及斷光時系統自動報警。液壓伺服控制原理如圖2所示，液壓動力源提供的系統工作壓力和額定流量完全可以滿足CPC控制油缸的動作需要;CPC閥站上裝有比例閥或伺服閥，就近布置在開卷機傳動側的地面上;CPC油缸是裝有位移傳感器的伺服油缸，固定在開卷機底座上，動作時CPC油缸帶動開卷機滑座及其上的帶卷沿開卷機底座上的軌道滑動，實現帶卷中心的對中。

3 CPC控制系統的安裝和標定

某1200 mm六輥軋機中使用的CPC控制系統在實際使用中的安裝和標定。

3.1 檢測系統、控制系統(圖3)

(1)檢測系統的安裝。①燈箱安裝的水平度誤差不大于2 mm，兩側燈箱相對于軋制中心線鏡像對稱的誤差不大于2 mm;②檢測頭A1、A2相對于軋制中心線鏡像對稱的誤差不大于2 mm，檢測頭的中心線需垂直于燈箱;③檢測頭上設置有供安裝和調整用的激光紅點，用來檢查檢測頭是否對準燈箱中心，安裝或維修時可參照激光紅點調整檢測頭的安裝角度;④檢測頭上的孔形插頭為電源和通信插頭，針形插頭為激光指示器插頭。

圖3 檢測原理Fig.3 Principle of detection

安裝好以后調整光路方法:①粗調檢測頭箱體的安裝螺釘，使A1、A2兩檢測頭的箱體中心間距900 mm，且對稱于軋制中心線，其檢測頭垂直于燈箱;②打開檢測頭箱體的盒蓋，精調檢測頭的安裝螺釘，使兩個檢測頭的激光點分別對準各自相應的燈箱中央;③調節光圈:將光圈調至最大，在PLC工作狀態打至手動模式時，在燈箱上放置一塊遮擋物，同時觀察報警指示燈，若5 s后報警指示燈閃爍，再觀察撤掉遮擋物后報警指示燈能否自動消失。觀察數秒后報警指示燈若不消失，逐漸調小光圈后重新試驗，直到遮擋物去掉后，報警指示燈在觀察數秒后消失為止。需要注意的是，鏡頭的焦距在出廠前均已調好，使用過程中不能隨意調整。

(2)檢測系統、控制系統的標定［4］。CPC控制系統在正式運行之前，需對A1、A2兩側的點位信息進行標定并將標定的信息輸入控制系統中，系統正常工作后無需再更改。標定方法:①將CPC控制系統的工作模式至手動模式;②依次用遮擋物遮擋操作側左側、操作側右側、傳動側左側、傳動側右側的指定位置，并分別讀取此時的點位信息，將其依次輸入到控制面板中的操作側左側信息A1l、操作側右側信息A1r、傳動側左側信息A2l、傳動側右側信息A2r欄中;③測量操作側左側指定位置與操作側右側指定位置的距離，從而得到傳動側的標定物理距離X1，將其與前面控制面板中的輸入值A1l、A1r對應;④測量傳動側左側指定位置與傳動側右側指定位置的距離，從而得到傳動側標定物理距離 X2。由此得:

左側單位點的物理長度

右側單位點的物理長度

系統運行時可將所測左側點位A1p、右側點位A2p傳給PLC，可計算出:

左側帶材邊緣與軋制中心線的距離

右側帶材邊緣與軋制中心線的距離

帶材中心偏離軋制中心線的距離

3.2 液壓伺服系統

液壓伺服控制系統的調試是在工作介質的選用、管路安裝和打壓、電氣打點、動力站的啟動運行停止等完全達標，且液壓伺服系統的油液清潔度達到NAS 7級后，①手動操作液壓閥，完成CPC伺服油缸反復推動開卷機運動部分沿軌道雙向行走，以檢查在運動過程中是否有卡阻并能到達兩個方向的最大行程，系統的溢流保護功能能否實現，CPC伺服油缸在開卷機有帶卷的情況下是否固定可靠;②安裝正式使用的比例閥或伺服閥，連接并測試好CPC伺服油缸內位移傳感器的電路后，電動控制CPC伺服油缸推動開卷機活動部分反復大行程走動幾次;③依次在指定位置測量開卷機活動部分離開軋制中心線的實際尺寸，對比CPC伺服油缸內位移傳感器檢測到的尺寸設置位移傳感器的零位;④與檢測系統、控制系統構成閉環CPC控制系統，分別在空載、帶載兩種情況下進行聯機調試。

現場在燈箱附近人為制造與車間光線頻率相同但強度較高的干擾源，系統的數顯值和動作沒有出現異常波動;人為遮擋一定范圍內的紅外發光二極管，測試CPC系統的自動補償能力。

4 CPC控制系統的性能指標

以1200 mm六輥軋機為例，其要求CPC控制系統具有三種控制功能，對應于控制功能的三種不同工況。CPC控制系統設置了三種控制模式:①手動模式。為方便調試可手動控制開卷機的位置;②自對中模式。在開卷上帶前，伺服油缸內裝位移傳感器與比例伺服閥形成位置閉環控制，使開卷機的卷筒中心線與軋制中心線相一致;③自動模式。穿帶完畢，在軋制過程中比例伺服閥與檢測到帶材中心線偏離信號形成位置閉環控制。當帶材中心線偏移時，比例伺服閥控制伺服油缸帶動開卷機運動部分滑動，使帶材中心線與機組中心線趨于一致。軋制完畢后，恢復到開卷上帶前的自對中模式，使開卷機回到上卷零位，為重新上卷做好準備。要求的主要性能指標:單邊檢測寬度變化范圍0～250 mm，控制精度±1.0 mm，能在開卷軋制過程中快速糾偏，能自動適應不同的來料寬度，具有較好的對車間環境光污染的抗干擾能力。

現場對CPC自動對中系統的實際性能指標進行了考核。

(1)燈箱和檢測頭距分別距帶材1500 mm和1200 mm，如圖3所示，檢測寬度變化范圍為650 mm～1150 mm，系統實際的有效測量范圍大于帶材允許的跑偏距離。燈箱內使用的紅外發光二極管陣列具有光源穩定、使用壽命長、易安裝的特點。

(2)光電檢測頭內裝有線陣CCD器件，使系統的光電檢測頭具有高精度的分辨率，檢測裝置的綜合分辨率可達到±0.1 mm，帶材位置控制精度±1 mm，重復精度±0.4 mm。

(3)系統初始的標定、設置相應參數、帶材邊緣的信號檢測及傳輸處理、開卷機位置的伺服控制過程等均采用數字信號，系統的響應時間達到10 ms，具有檢測精度高、響應速度快、系統穩定性好等特點。

(4)快速糾偏的能力。軋機的開卷機卷筒中心距軋機機組中心線間距9830 mm，設計的最大開卷速度為450 m/min，CPC控制系統最大糾偏量±100mm。在開卷速度為300 m/min的開卷軋制過程中，人為使開卷機帶著帶材偏離到－100 mm或+100 mm的位置，使當帶材上的標記點到達機組中心線時，帶材的中心線返回并略微超過軋制中心線。

(5)調試過程中軋制不同寬度的帶卷，CPC控制系統均能自動完成上卷對中、開卷軋制自動糾偏的功能。

5 結論

本CPC控制系統經過多個項目的實際檢驗，完全可以達到系統的工作要求。系統以紅外線(非可見光)為檢測光信號，基本消除了影響檢測的光干擾源，比以可見光或高頻可見光為光信號的光電式CPC控制系統有諸多優勢，是CPC控制系統的又一發展趨勢。

［1］ 石順祥．物理光學與應用光學［M］．西安:西安電子科技大學出版社，2008:3．

［2］ 騰龍視覺設計工作室．家庭數碼攝影師完全自學手冊［M］．北京:化學工業出版社，2006:1－3．

［3］ 王春行．液壓控制系統［M］．北京:機械工業出版社，1999:112－113．

［4］ 宋念龍，江麗萍．基于雙線陣CCD的帶材自動對中控制系統［J］．冶金自動化，2007，(5)．