百米重軌冷床同步預彎控制

王春明　江杰

摘要：本文詳細講述了冷床控制系統的各種設備以及相關工藝，并且對電氣自動化控制系統做了深入淺出地分析和完善的設計。同時依據控制任務的核心難點一預彎小車同步問題的解決方面，利用編碼器位置反饋與預彎模型設定位置通過閉環控制，使在預彎的輸送過程中的同步問題，預彎小車橫移定位這一控制核心難點得到了解決。實時依據生產過程中發現的問題和冷床控制系統的各種設備以及工藝的特性以及反饋信息，及時通過控制程序自動對運行參數進行修正，形成了一套完善的整個系統之間的閉環控制，保證了預彎工藝的控制精度。同時筆者為以后電氣自動化控制系統的不斷改進提出了很好的建議和實施方案。

關鍵詞：軌梁廠；冷床；電氣自動化；預彎

中圖分類號TP3 文獻標識碼A 文章編號2095-6363（2016）06-0198-02

由于生產工藝的原因，軋制的鋼軌進入冷床，鋼軌經過自然冷卻后，由于鋼軌的斷面不對稱，各部分的應力不同，最終鋼軌會形成較大的彎曲度?？刂平禍睾蟮膹澢仁菫榱藵M足矯直工藝的要求。另外，經測定彎曲度較大的鋼軌殘余應力也較大，這會影響鋼軌的使用時間。為了解決這些問題，百米重軌的冷床除了起到降溫的功能外，還人工加入了預彎工序。為了使冷卻后的重軌產生的彎曲度變小，人工給鋼軌彎出一個反變形彎曲度，這樣冷卻后的鋼軌也就接近成直線。這就是控制核心部分預彎控制。

關于冷床橫移裝置預彎同步控制技術，我國為此引進了西門子的技術，經過不斷的調試，掌握了預彎技術。包頭鋼鐵公司軌梁廠的冷床是中國第二條百米重軌生產線。從設計、安裝到調試全部實現了國產化。預彎控制的程序和算法全都是工程技術人員白行開發的。通過多次認真預彎測試數據的積累、分析及數學模型的不斷修改和補充完善，最終建立了能夠滿足百米重軌生產的符合實際的完善的數學模型。已達到國內先進水平。

1.冷床預彎裝置設備組成

入口橫移定位系統。作用是從入口輥道把鋼軌通過橫移小車輸送到步進梁，移送過程中實現對鋼軌的預彎。橫移裝置是由40臺橫移小車以及相關配套的位置編碼器、小車驅動設備構成。橫移小車通過變頻器控制電機驅動小車前進和后退，液壓缸驅動小車升降，PLC通過現場總線控制橫移小車變頻器的啟/停、加速、減速，讀取變頻器的運行參數。

2.PLC控制系統硬件及網絡

控制系統下位系統采用S7-400系列CPU，此CPU是西門子公司系列的高端產品，其具有強大的邏輯處理和浮點運算能力，運行穩定可靠。由此CPU實現整個控制程序，包括讀取遠程I/0設備數據，邏輯運算和實際輸出。主站是采用CP443 5接口模塊通過PROFIBUS DP與各遠程I/0站的西門子ET200S、ET200M、編碼器及變頻器的通訊接口進行數據通訊，通訊速率為1.5mbps。

上位機網絡。冗余服務器及客戶端、工程師站Es與主控制器之間通過工業以太網實現數據交換，與中央機架的西門子SIMATIC系列CP443 1以太網通訊模板進行數據通訊，速率為100兆。

3.冷床橫移裝置工藝過程

鋼軌的輸送步驟如下：1）當初始位置開始，所有橫移運輸小車以相同的速度在軋件下面運行，一直到達鋼軌的測量位置為止，通過每臺橫移裝置上高于輥道水平面的部分把鋼軌推直；2）當小車到位后上升到上極限，這是鋼軌平放在導向板中；3）小車將向冷床運行到達目的位置。橫移運輸小車將根據存儲在控制器中的運行設定距離，控制各個小車同啟同停但是不同速到達目標位置；4）到位后小車下降至下極限以高速退回至小車初始位置。

4.冷床橫移裝置控制方案

4.1小車同步升降

小車其上升、下降動作分別由13個液壓缸單獨驅動，控制系統控制安裝在缸體部分的比例閥，通過調節每個比例閥來實現升降的同步。由于各液壓缸使用的液壓動力是同一液壓管道上，管道線路較長，導致液壓缸在同時動作時，其各個液壓缸上的液壓動力不同，且液壓缸在動作過程中，根據反饋位置需要不斷的調節速度，使控制的比例閥的開度隨時進行調整，同時每個液壓缸的動作變化會影響液壓總管的壓力，即各液壓缸之間的動作變化存在耦合關系。因此，在控制程序對這種變化進行各自不同的相應補償、解耦和調節。

4.2小車同步橫移定位

入口小車橫移運行分為兩步：第一步為同啟、同速、同停的位置定位閉環控制，其目的是矯直進入冷床入口輥道的熱軌，以便下一步穿靴動作順利進行；第二步為同啟，不同速、同停的位置定位閉環控制，其目的是對熱軌進行預彎，保證預彎的參數滿足生產工藝需求，為后序鋼軌順利進入矯直機提供保證。第一步的控制為固定目標值控制，此控制目標值根據生產工藝確定；第二步的控制為可變固定目標值控制，其目標值由預彎參數給定，即同啟、不同速、同停的閉環控制。入口和出口小車的位置反饋由小車各自的位置編碼器檢測。由此位置反饋和各自的目標值組成各自的位置閉環定位控制回路。

4.3小車控制原理

每臺小車都是用獨立的逆變器單獨控制，每臺小車電機減速機都安裝一個編碼器作為位置檢測。當PLC接到啟動指令時，PLC通過數學模型，計算出需要給定的頻率，通過Profibus DP網絡，將啟動指令及給定頻率以報文的形式發送給逆變器，逆變器拖動電機啟動，勻加速1s至給定頻率，到達lls的時候做勻減速運動，12s的時候停止，使小車能夠準確的到達設定位置，并且通過編碼器實時檢測運行距離，如果設定值與實際檢測值偏差超過允許范圍，PLC通過判斷進行報警，根據偏差大小對數學模型進行微調，保證小車下次偏差達到允許范圍之內。同時變頻器把運行過程的狀態字也以報文形式發送到PLC，并且通過人機界面顯示變頻器運行狀態。

4.4數學模型的建立

預彎過程控制的實現是通過入口部分的39部升降/橫移小車各自獨立且同步運行來完成的。所以冷床入口的39部升降/橫移小車各自的橫移定位控制精度及同步性是預彎控制精度的關鍵。針對這一控制難點，根據小車變頻給定曲線對每臺橫移小車建立單位時間內每個頻率區間的走行距離的數學模型，小車根據工藝設定預彎距離，自動匹配合適的數學模型，對小車進行對應的頻率給定。保證每臺小車都能夠在單位時間內完成：啟動-勻加速-恒速-勻減速-停車，這樣既保證了小車運行平穩，而且控制精度控制在20mm內。

操作預彎時，由操作人員根據工藝把每臺小車行走的距離通過人機界面的接口，進行設定，當啟動預彎程序時，全部39臺小車根據設定的距離，同時啟動小車根據設定的距離，把鋼軌推出一條符合工藝需求的曲線，并且同時停止，保證鋼軌均勻彎曲。

5.結論

控制系統在投入使用后，針對預彎及移送同步控制這一核心問題，通過數學模型的建立，閉環的控制算法最終達到了預彎同步控制的效果。保障生產的順利運行，同時提高了鋼軌的質量。本文依據現在冷床的生產情況和今后軌梁廠發展規劃，為今后自動化控制系統的升級改造提出了可行的方案。