孔型軋制生產線中推床的PLC控制

黃穎，陳新奎，季寶偉，呂正南

（1.天津電氣傳動設計研究所，天津300180；2.SEW－工業減速機（天津）有限公司，天津300457；3.揚州誠德鋼管有限公司，江蘇 揚州225200）

孔型軋制工藝的特殊性（即將截面為方形的鋼坯料，軋制成截面為圓形并符合工藝要求尺寸）決定了推床是孔型軋制生產線中必不可少的組成部分。可逆軋機的前后各設有一對推床，其基本功能是推動鋼坯使其根據不同軋制規程需要對準主機的不同孔型，并在軋制過程中保證坯料能順利通過軋機，防止頂鋼現象。對于可逆孔型軋機，在不同道次的軋制過程中，若方形鋼坯未能對準要求的軋機過孔，將使得鋼坯截面形狀錯誤，嚴重時導致鋼坯表面出現軋制產生的壓痕，最終導致鋼坯扭轉直至無法軋制。為保證鋼坯在軋制過程中每道次能經過工藝要求的孔型軋制并且經軋制的鋼坯截面形狀正確，需控制推床同步及推床電機力矩。采用以速度閉環加位置PID調節的控制方案來實現機前機后推床的同步功能；以電機力矩曲線控制方案實現推床矯直及正常送鋼功能。經某圓鋼生產現場實際應用，效果滿意。

1 系統的基本構成

在孔型軋制生產線中，推床主要用于移動軋件，使軋件對準軋輥孔型并順利通過軋機，也可對軋件進行矯直。該現場推床設備機械布置如圖1所示。

圖1 推床機械設備布置圖Fig.1 Layout of manipulator

圖1中，可逆軋機的前后各設有一對推床，布置在輥道的兩側，分別稱之為機前傳動側推床、機前操作側推床，機后傳動側推床、機后操作側推床。機前、機后分別由獨立的兩部分組成，每部分推床設備由電機、制動器、同步裝置、減速機、傳動絲桿絲母、推床導板、框架和導向裝置構成。此現場應用中每塊推板由機械同步的2臺電機驅動。

機械同步連接的2臺電機一臺安裝有絕對值型編碼器，另一臺安裝有增量式編碼器。推床是通過控制推床導板后連接的驅動電機的旋轉運動來實現控制推板進退直線方向運動的。

圖2為該現場實際推床控制系統的PLC系統基本配置圖。

圖2 推床控制系統PLC組成圖Fig.2 The composing of manipulator PLC control system

圖2中，推床的電機驅動部分采用德國西門子全數字調速裝置SIMOREG－6RA70。PLC控制部分采用西門子公司的S7－400控制器，執行推床的速度給定、位置閉環以及同步控制運算。

S7－400控制器通過以太網與人機界面通訊，對推床數據進行清零、校準、顯示等操作。控制器通過PROFIBUS DP通訊協議與傳動全數字裝置通訊，實現鋼坯矯直，固定鋼坯不產生扭轉等功能，完成控制系統邏輯運算、機械設備保護；現場主操作臺設有推板操作控制鈕，此操作臺也是通過PROFIBUS DP通訊協議與S7－400控制器通訊。

S7－400控制器系統通過絕對值編碼器信號輸入模板，將推床電機后的絕對值式編碼器信號接入，經運算處理后可以用來檢測推板實際位置，并參與推床同步調節及人機界面交互；S7－400控制器系統通過開關量模板將機械保護限位等信號接入控制系統，可控制推板的正常工作行程，防止推床超行程工作。

2 控制方案

推床在整個軋制過程中，盡管電機參數，機械設備結構，編碼器類型均相同，全數字裝置的速度給定相同，但是在機前帶載機后不帶載的工況下，機前機后推床必將存在明顯不同步的現象，如果此時單側的機前推床和機后推床同步性能很差，將無法保證鋼坯能順利進入軋機，也能產生頂鋼現象；如推床在整個工作過程中無力矩控制極容易導致軋件產生扭轉，也無法實現矯直功能，進而直接影響整塊坯料軋制或成品質量。

2.1 推床同步控制方案

根據推床同步控制系統的特點，主要是保證機前機后推床的位置同步，現提出以機前推床位置值為基準，機后推床位置應用PID調節器控制的策略。機后推床同步控制系統框圖如圖3所示。

圖3 推床同步控制框圖Fig.3 Manipulator synchronization control block diagram

圖3主要由4部分組成，其中Ⅰ為機后推床位置基準設定環節，Ⅱ為機后推床位置檢測環節，Ⅲ為機后推床位置調節環節，Ⅳ為機后推床控制對象環節。

1）機后推床位置基準設定環節Ⅰ。本環節中最終得出的結果值S1為機前推床的實際位置值。PLC控制器將機前推床絕對式編碼器數值N1經函數變換器G進行變換，通過清零校準等處理得出推床實際位置值S1。

2）機后推床位置檢測環節Ⅱ。本環節中最終得出的結果值S2為機后推床實際位置值。PLC控制器采用與處理機前推床編碼器相同的方式來處理機后推床絕對式編碼器讀數，經處理后的數據作為機后推床的實際位置值S2。

3）機后推床位置調節環節Ⅲ。機前推床的基準值S1與S2進行比較。如果兩信號完全相等，即S1＝S2，則ΔS＝0，不需要進行調節。否則，就用ΔS作為調節器的輸入信號。

從整個系統的快速性方面來考慮，調節器需采用比例調節；從系統的精度方面考慮，調節器需采用積分環節，所以針對此系統特點選用了比例積分調節器。當機前機后推床位置出現偏差時，位置調節器輸出信號產生變化，輸出一個偏差信號v0，通過v0與機后推床實際速度給定量v1進行綜合，用來改變機后推床的速度，最終消除機前機后位置差的產生。

4）機后推床控制對象環節Ⅳ。推床位置變化是通過控制推床后電機速度變化實現的，速度給定公式如下：

式中：v1為機前推床速度實際值；v2為機后推床速度給定；v0為PID控制器的輸出；ΔS為機前機后推床位置差。

同步調節后實際工作波形如圖4所示。PLC控制器將速度給定值v2傳到速度控制裝置SC中，并且推床驅動電機后所安裝的增量式編碼器信號直接輸入傳動全數字裝置，從而實現電機速度的閉環控制。最終實現推床的位置同步功能。

圖4 同步調節后實際工作波形Fig.4 Curves of the actual work after synchronization regulation

2.2 推床力矩控制方案

在孔型軋制的整個過程中，因為換孔操作，矯直操作和軋件送入孔型都在機前操作，所以對于機前傳動側推板和操作側推板在上述3種情況下所受到的力是不同的，因此要進行推板電機力矩大小的控制。圖5為機前兩側推板電機力矩控制曲線。

圖5 推床力矩控制曲線Fig.5 Manipulator torque control curves

圖5中，M0為電機啟動力矩，M1為帶載時允許最小力矩，M2為帶載時允許最大力矩，M3為矯直用電機力矩。設定推板從0到t1過程中推板空載運行，電機力矩給定為t時推床電機啟動力矩給定；當t從t1到t2過程中，兩推板與鋼坯接觸，為了使鋼坯能向一側移動對準孔型，所以此時一側推床產生推力作用，另一側推床產生阻力作用，力矩給定按照曲線所示M＝β（x）函數給定（即基于模糊控制的電機轉矩與推板受力的函數關系）；當t到達t2時認為推床投入矯直功能，電機力矩給定為鋼坯矯直時所需的電機力矩給定。由上述分析可以看出選擇正確的力矩控制曲線也是推床控制的關鍵。

3 提高控制系統精度的方法

由上述論述可以看出，推板同步控制性能和電機力矩控制的好壞會直接影響現場軋制效果和成品合格率。保證推床同步控制的精度，主要依靠如下兩方面因素。

1）絕對式編碼器的選擇。絕對式編碼器可產生一串數據鏈，為每個軸的位置提供獨一無二的編碼數字值。該應用現場選擇了精度較高的絕對值式編碼器。可使控制器直接讀到推床絲桿絕對位置值，經函數運算等處理后參與系統同步控制。

2）推床同步調節器的設計。選用同步調節器的目的是使系統響應時間短，精度高，所以如果正確選用了比例系數和積分時間，就能達到理想的效果。

4 結論

此推床控制系統方案已在項目中實際應用，控制效果優良。利用本方案后，推床的整個生產同步效果理想，系統整體響應時間也達到軋鋼生產線自動生產的工藝要求。

本控制方案簡單、實用、可靠性高。該控制方案的成功應用對軋鋼廠新建推床系統或舊設備改造，以及其他有類似機械設備控制系統的應用，具有一定的參考價值。

［1］丁修堏.軋制過程自動化［M］.第2版，北京：冶金工業出版社，2005.

［2］李鳳仁，武玉新，于寶琦.推鋼機系統的同步控制［J］.基礎自動化，2001，8（2）：22－25.