激光測(cè)距在帶鋼爐內(nèi)微張力的PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用

李戰(zhàn)勝，李 智，秦 嶺

(武漢工業(yè)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430023)

武漢某硅鋼廠DA3生產(chǎn)線原設(shè)計(jì)采用電磁測(cè)距方式測(cè)量帶鋼在作業(yè)線爐內(nèi)的微張力大小，由于該測(cè)量方式的先天性缺陷，因板厚、材質(zhì)的差別所形成的導(dǎo)磁率不同，導(dǎo)致測(cè)量誤差大，在變換鋼種時(shí)不能有效地對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行適時(shí)調(diào)節(jié)，造成張力控制失控，使帶鋼在爐內(nèi)拉斷或堆帶，產(chǎn)生大量廢品，每年出現(xiàn)故障達(dá)8次以上，還造成加熱爐內(nèi)燃燒環(huán)境的波動(dòng)變化，影響爐體壽命。由此而造成的設(shè)備損耗，加熱爐空燒造成的能源損耗等，年損失在200萬(wàn)元以上。為保證帶鋼的平穩(wěn)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)改進(jìn)采用激光測(cè)距代替原有的電磁測(cè)距方法并加入PLC控制系統(tǒng)，此方法不但能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)控，而且不受板厚、材質(zhì)的影響，根據(jù)測(cè)量信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置，有效地保證帶鋼運(yùn)行平穩(wěn)，避免事故的發(fā)生［1-2］。

1 激光測(cè)距的原理

激光測(cè)距無(wú)論在軍事應(yīng)用方面，還是在科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)建設(shè)方面，都起著重要作用。激光測(cè)距儀的測(cè)距原理是：由激光器對(duì)被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光信號(hào)，然后接受目標(biāo)反射回來(lái)的光信號(hào)，通過(guò)測(cè)量光信號(hào)往返經(jīng)過(guò)的時(shí)間，計(jì)算出目標(biāo)的距離。根據(jù)所采用技術(shù)途徑的不同，激光測(cè)距的方式可分為脈沖式、相位式和干涉法幾種測(cè)距方法［3］。

圖1 相位測(cè)距原理圖

傳統(tǒng)的光電測(cè)距儀需要合作目標(biāo)(即反射鏡)才能獲得返回光，而考慮到帶鋼所處環(huán)境的特殊性，也可采用非合作目標(biāo)，即利用被測(cè)物(帶鋼)自身的反射特性獲得返回光。為此本次新的方案中采用的就是相位式測(cè)距方法。激光相位測(cè)距的原理如圖1所示，激光測(cè)距儀的發(fā)射器發(fā)出的調(diào)制頻率fm的正弦調(diào)幅波，發(fā)射到被測(cè)點(diǎn)P上，在物體表面發(fā)生漫反射，其中與發(fā)射波同軸(或成一定角度)的反射波被激光測(cè)距儀的反射器接受，由于被測(cè)距d的存在，發(fā)射波與接受波之間產(chǎn)生相位差φm，則被測(cè)距離與相位差之間的關(guān)系為：

式中c為光速，fm是調(diào)制光頻率。測(cè)出相位角φm，就可計(jì)算出被測(cè)距離。相位測(cè)量采用差頻法，如圖2所示。

圖2 差頻原理圖

圖2中主振信號(hào)ed=Asin ωdt，它發(fā)射到外光路，經(jīng)過(guò)距離2d后，相位變化了φm，該信號(hào)被光電接受放大后，為ems=Bsin(ωdt+φm)，加本地振蕩信號(hào)e1=Csin ω1t，它分別在混頻器Ⅰ、Ⅱ上與ed、ems混頻，在混頻器Ⅰ的差頻信號(hào)eτ=Dsin(ωd-ω1)t，在 混 頻 器 Ⅱ 的 差 頻 信 號(hào) ef=Esin[(ωd-ω1)+φm]，混頻后得到的差頻信號(hào)eτ，ef保留原反射信號(hào)的相位信息，頻率比所加的原信號(hào)降低，即差頻后得到了低頻信號(hào)，信號(hào)頻率越低，相位變化2π需要的時(shí)間越長(zhǎng)，這樣也就便于測(cè)量，經(jīng)差頻后的低頻信號(hào)輸入相位檢波器進(jìn)行比較，可測(cè)出相位差φm［4］。

2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)硅鋼廠DA3生產(chǎn)線整個(gè)工藝流程的分析，其中的技術(shù)關(guān)鍵之處有以下幾個(gè)方面：首先最重要的是如何能夠非常精確的測(cè)出帶鋼與測(cè)距儀器之間的距離，當(dāng)然測(cè)量的精確度取決于測(cè)量?jī)x器的性能，硅鋼廠原采用的是電磁測(cè)距的方式，由于受各種因素(如因板厚、材質(zhì)的差別而形成不同的導(dǎo)磁率)的影響其性能較差，而本文所介紹的系統(tǒng)采用的激光測(cè)距儀完全不受這些因素的影響，測(cè)量非常精確，而且激光測(cè)距儀結(jié)構(gòu)小巧，安裝調(diào)整方便，實(shí)時(shí)性也非常高;其次是如何去識(shí)別激光測(cè)距儀所測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息，該系統(tǒng)采用的德國(guó)西門子公司的S7-200PLC系列中的 CPU226，以及其擴(kuò)展通訊模塊EM-277和A/D轉(zhuǎn)換模塊EM-235對(duì)激光測(cè)距儀所采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理;然后利用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線與工控機(jī)進(jìn)行通訊，最后用組態(tài)軟件WinCC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的監(jiān)控。

根據(jù)工藝要求，本系統(tǒng)的電控系統(tǒng)采用以工控機(jī)顯示工藝流程控制為上位機(jī)，可編程控制器(PLC)控制為下位機(jī)，激光測(cè)距儀、相位傳感器等設(shè)備為現(xiàn)場(chǎng)控制單元的三級(jí)分布式控制系統(tǒng)，如圖3所示。上位機(jī)為通用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，主要功能為顯示工藝流程、電機(jī)等電器的遠(yuǎn)行狀態(tài)及控制，顯示激光測(cè)距儀到帶鋼之間的距離等模擬量，其數(shù)據(jù)存入硬盤，設(shè)計(jì)保存期暫定為一年，供定時(shí)及隨時(shí)打印。下位機(jī)采用可編程控制器(PLC)，主要用于實(shí)現(xiàn)工藝邏輯控制以及控制算法;并可直接控制電動(dòng)機(jī)。同時(shí)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器采集現(xiàn)場(chǎng)采集單元的輸入信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)采集單元為激光測(cè)距儀和相位傳感器，主要完成從現(xiàn)場(chǎng)采集模擬信號(hào)，變送為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)字PID調(diào)節(jié)運(yùn)算后，控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PLC和工控機(jī)之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線相連。

圖3 系統(tǒng)硬件組成框圖

2.2 分部模塊的設(shè)計(jì)

2.2.1 激光測(cè)距儀的選用和設(shè)計(jì)

首先是光源的選用，激光器的種類很多，主要以固體激光器、氣體激光器和半導(dǎo)體激光器應(yīng)用最廣泛，不同光源在單色性、發(fā)散角、輸出功率、相干性等主要特性上有差異，根據(jù)硅鋼廠的實(shí)際情況所測(cè)量的距離較小，因此選用半導(dǎo)體激光器(GaAs)，它的特點(diǎn)是超小型、質(zhì)量輕、成本低，且能量轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、易于調(diào)制。

通過(guò)所選用的激光器，利用相位測(cè)距的原理對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(帶鋼到激光測(cè)距儀的距離)進(jìn)行采集，同時(shí)該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相位檢波器后能夠測(cè)出相應(yīng)的相位差φm。利用式(1)即可得到被測(cè)距離。激光測(cè)距儀設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。因此，該部分尤為重要，測(cè)量是如果采用非合作目標(biāo)測(cè)距，接受光功率將大大降低，為此對(duì)接受光功率進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)非合作目標(biāo)相位測(cè)距的接受光功率表達(dá)式為：

式中d為被測(cè)距離，ρ為被測(cè)表面反射率，θ為測(cè)量方向與被測(cè)點(diǎn)法線夾角，Aτ為有效接受面積，P1為激光發(fā)射功率，M1為調(diào)制度，K1為發(fā)射系統(tǒng)光學(xué)透過(guò)率，Kτ為接受系統(tǒng)光學(xué)透過(guò)率［5］。

由于測(cè)量的距離小，忽略空氣衰減量，即可計(jì)算出反射功率。

2.2.2 PLC部分設(shè)計(jì)

激光測(cè)距儀所測(cè)量到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相位檢波器后，輸出的是相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，而計(jì)算機(jī)所能接受和處理的數(shù)據(jù)為數(shù)字信號(hào)，因此，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)相位檢波器后，還要進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換即A/D轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)可編程控制器(PLC)選用西門子SIMATIC S7-300通用型PLC，它具有循環(huán)周期短、處理速度高、指令集功能強(qiáng)大、產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊、模塊化結(jié)構(gòu)等顯著特點(diǎn)，能適合自動(dòng)化工程中的各種應(yīng)用場(chǎng)合。

2.2.3 工控機(jī)與PLC接口的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中PLC和工控機(jī)之間采用的是PROFIBUS總線。采用 S7-300(CPU為315—2DP)作為PROFIBUS一類主站。配有CP5613(PROFIBUS網(wǎng)卡)的PC機(jī)作為二類主站，同時(shí)作為WinCC服務(wù)器，PROFIBUS從站包括變頻器 CT(通過(guò)UD73PROFIBUS—DP接口與 PROFIBUS相連)，ABB(ACS600S配置有PROFIBUS接口模塊NPBNA12)，S7-300(通過(guò) EM277與 PROFIBUS相連)，ET200M(遠(yuǎn)程堅(jiān)固式分布 I/O)，觸摸屏TP270、以及通過(guò)以太網(wǎng)與 WinCC服務(wù)器相連的WinCC客戶機(jī)(上位機(jī))。

主站S7-300(CPU為315—2DP)，它本身具有DP接口可直接與PROFIBUS相連作為一類DP主站，其負(fù)責(zé)在預(yù)定的信息周期內(nèi)，循環(huán)與從站交換信息包括發(fā)送控制信息和讀取從站的狀態(tài)，并且通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)從站的診斷和各種I/O信息的處理。PC Station PC1(插有CP5613PROFIBUS網(wǎng)卡)作為PROFIBUS二類主站及WINCC服務(wù)器。在PC中裝有 STEP7 Basis，SIMITIC NET，Protool/pro 和 WINCC等軟件。通過(guò)STEP7 Basis軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC程序的編寫(xiě)、下載，對(duì)總線上的各站的硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，監(jiān)控，數(shù)據(jù)診斷，總線參數(shù)的設(shè)置等。通過(guò)WinCC視窗控制中心組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)畫(huà)面進(jìn)行組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控和控制。本系統(tǒng)采用PROFIBUS S7協(xié)議，并且在SetPG—PC Interface接口選擇窗口中選擇CP5613_5614(PROFIBUS)＜Active作為PC與總線的接口［6］。

2.2.4 上位監(jiān)控機(jī)的設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)軟件WinCC，因?yàn)樗蓪I(yè)公司開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)正規(guī)嚴(yán)格的測(cè)試，可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、適用范圍廣、界面設(shè)計(jì)方便，通過(guò)更換不同的驅(qū)動(dòng)程序，可以方便地采用不同廠家生產(chǎn)的硬件設(shè)備組成監(jiān)控系統(tǒng);同時(shí)，WinCC是目前所有組態(tài)軟件中，在圖形及組態(tài)功能、數(shù)據(jù)點(diǎn)管理、網(wǎng)絡(luò)及通信功能等都比較強(qiáng)大的一種;另外，本系統(tǒng)下位機(jī)選用的是S7—300系列 CPU及其編程工具 STEP7，與WinCC同為德國(guó)SIEMENS公司的產(chǎn)品，WinCC本身提供S7-300的驅(qū)動(dòng)軟件，因此使PLC與上位機(jī)的連接可以變得非常容易。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于激光測(cè)距的帶鋼爐內(nèi)微張力控制系統(tǒng)投入使用三年多來(lái)，該硅鋼廠DA3線甚至整個(gè)硅鋼廠的帶鋼生產(chǎn)線運(yùn)行情況良好，設(shè)備自動(dòng)化程度提高，系統(tǒng)的可靠性加強(qiáng)，幾乎沒(méi)有發(fā)生什么影響生產(chǎn)的設(shè)備事故，有效地保證了生產(chǎn)的安全運(yùn)行。

［1］ 彭孝祥，張興敏.一種改進(jìn)的脈沖式激光測(cè)距儀的設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2008，31(6)：133-135.

［2］ 趙大龍，秦來(lái)貴.脈沖激光測(cè)距接收技術(shù)的研究［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2005，20(3)：19-21.

［3］ 榮光.冷軋硅鋼的生產(chǎn)工藝概述［J］.本鋼技術(shù)，2008(3)：25-27.

［4］ 王業(yè)濤，那立求.硅鋼連鑄生產(chǎn)新工藝的開(kāi)發(fā)［J］.黑龍江冶金，2008(3)：51-52.

［5］ 賈方秀，丁振良，袁峰，等.激光測(cè)距溫度控制系統(tǒng)［J］.紅外與激光工程，2008(6)：1016-1020.

［6］ 湯以范.電氣與可編程控制器技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.