基于帶頭跟蹤系統在防止誤穿帶的應用

裴峻清

摘 要：帶頭跟蹤系統是用于冷軋機組的重要系統，其主要功能是在帶鋼穿帶的時候實時跟蹤帶頭的位置，確保相關自動步可以順利的進行。但在實際的生產過程中，由于每種帶鋼有各自的厚度、寬度、材質等屬性，在穿帶過程中帶鋼的帶頭經過夾送輥后有時會發生帶頭上翹或下翹的情況，導致帶鋼不能正常平穩穿帶，嚴重時會穿帶到機械的夾縫中，造成大量的帶頭廢料，同時會撞壞相關的機械設備，給用戶造成較大經濟損失。基于這種情況，我們優化了帶頭跟蹤系統，使它及時的自動發現誤穿帶，停止相關設備，發出診斷報警來提示操作人員。進而給用戶避免不必要的經濟損失，同時提高了生產效率。

關鍵詞：帶頭跟蹤；速度控制；應用

1 概述

在一條現代化的連續帶鋼生產線的自動控制系統中，帶頭跟蹤系統是冷軋機組入口段重要的組成部分。幾乎所有的自動化帶鋼連續生產線，均需配備精確的帶頭跟蹤系統用于控制產品的質量。在冷軋機組中，有些機組（例如熱鍍鋅機組、連退機組）帶鋼來料很薄，一般在0.3毫米到2.0毫米之間。由于來料過薄，又有各種不同的材質。入口段雖然有矯直機來矯正帶頭、但是經過后面的夾送輥之后，帶頭依舊會發生上翹和下翹的情況，從而導致帶頭不能正常穿帶。在無人監管的情況下，穿帶自動步依舊進行，一旦上翹或下翹的帶頭誤碰到相關設備，這時會導致大量的帶鋼堆積在相關設備處，嚴重影響生產，同時導致大量的廢鋼產生。等待操作人員發現堆鋼現象，為時已晚。而要切除大量的廢鋼，費時費力，嚴重影響整條機組正常生產，造成不必要的經濟損失。經與現場人員的討論及分析，一致同意優化帶頭跟蹤系統，一旦發生堆鋼、誤穿帶或誤碰撞相關設備時，系統自動發出診斷報警提示操作人員去處理帶頭，同時停止相關的穿帶自動步。進一步起到減少誤穿帶事故的概率、減少大量產生堆鋼的現象、防止帶頭發生誤碰撞現象、提高生產效率和減少經濟損失。

2 帶頭自動跟蹤設計方案介紹

帶鋼帶頭跟蹤系統是冷軋機組基礎自動化控制系統的一個主要的、相對高級的功能。可以實現對在冷軋機組入口段跟蹤區域內運行的所有帶鋼上的精確的位置跟蹤。在一條現代化的連續帶鋼生產線上，一個優秀的帶鋼帶頭跟蹤系統不僅僅可以極其精確地跟蹤在機組中移動的帶頭位置，指揮機組設備的動作（如抬棍和壓棍），提供整個機組的一個友善的人機界面。

2.1 采集傳動速度

通過建立入口段主控PLC與傳動之間Profibus網絡，采集到了入口段的開卷機、夾送輥、轉向輥和張力輥的速度。經過數據轉換、單位換算成M/S.同時計算出每一個掃描周期內輥子所轉動的距離。為今后計算出帶鋼帶頭所走的距離提供必要的數據。

2.2 采集入口段光柵信號

入口段的光柵信號在入口帶頭跟蹤系統中起著重要的作用，既可以修正帶頭的實際位置又可以檢測是否存在帶鋼。

2.3 分配入口各段距離

根據現場的實際情況，首先定義一個零點位置，一般來說選用入口剪刀為參考零點。依次測量出入口段各設備到入口剪的實際距離。同時我們采集了帶頭剪切信號、來自HMI和L2的剪切命令、手自動切換模式等重要信號。

2.4 帶頭跟蹤系統

通過采集各類信號，經過巧妙邏輯組合。我們計算得出了入口帶頭實際所走的行程，通過與工控機的通訊，將跟蹤的結果顯示在HMI畫面上。

3 帶頭自動跟蹤及速度控制實現

3.1 編碼器在帶頭跟蹤的應用

編碼器在機組運轉期間，隨著工作輥的轉動，所綁定的編碼器可以生成連續的脈沖信號。通過對脈沖進行連續的累積計數，可以描述帶鋼相對于工作輥的移動距離。通常，對于開卷機，帶鋼跟蹤系統使用安裝在速度輥上的編碼器。對于安裝在開卷機和轉向輥上的脈沖生成器的脈沖測量精度（分辨率），其經驗值分別為±0.1%和±1%。這些測量誤差的產生是由于帶鋼在輥上出現的不期望的滑動。在帶鋼正向牽引輥上存在負滑動，反之，在帶鋼反向拖曳輥上存在正滑動。

為了實現精確的帶鋼帶頭跟蹤，在機組入口段的重要位置處都安裝有光柵探測器，用于執行必要的帶頭跟蹤同步。帶頭跟蹤同步可以修正編碼器的累積誤差和帶鋼在工作輥上所發生的滑動誤差。

3.2 帶鋼步長計算

通過讀取對應傳動編碼器的值，比較上一個掃描周期編碼器的值與當前編碼器的值，我們判斷出帶鋼向前或向后。同時每0.5S讀取一個所選傳動的速度值，計算出0.5S內傳動所走的距離，通過不斷的累加傳動所走的距離，即可得出帶鋼所走距離。我們將入口剪做為零點，入口剪到開卷機為負值，入口剪到焊機為正值。當開卷機開始開卷的時候，將帶鋼的位置初始化，對應的傳動一動，即可得出帶鋼實際位置，每到一個光柵，實現一次實際位置校正。帶鋼跟蹤系統將使用安裝在開卷機或轉向輥上的編碼器來計算步長：

其中：StepLength：帶鋼步長；△：一個帶頭跟蹤程序的循環周期內編碼器反饋值的變化量Δ=New-Old

New：當前周期所獲得的編碼器的位置反饋值。Old：上一周期所獲得的編碼器的位置反饋值。Li： 脈沖長度。單位脈沖的長度。脈沖長度是脈沖發生器的特征值，其值必須連續的發送到帶鋼跟蹤系統的CPU。

3.3 入口段的帶頭穿帶速度控制

入口段有三個速度控制器，對于入口段的三個部份，即公共通道（從2號轉向夾送輥到入口活套），上通道（從1號開卷機到2號轉向夾送輥），下通道（從2號開卷機到2號轉向夾送輥）。圖1是入口段單通道帶頭穿帶速度控制曲線。

上通道開始上卷、穿帶。當帶頭穿到剪刀位置停止，開始帶頭剪切。在完成帶頭剪切后，啟動帶頭到焊機的定位。并將帶頭停在焊機。

4 帶頭自動跟蹤優化設計

4.1 帶頭跟蹤優化方案

在實際的冷軋機組的生產中，由于種種原因造成帶頭誤穿帶的現象。我們優化了入口段穿帶速度控制系統和帶頭跟蹤系統。兩者巧妙的優化結合，把誤穿帶的損失降到了最小程度。

帶頭跟蹤距離誤差計算：

△=S1-S2/S1%

△：帶頭實際位置誤差值；S1：光柵修正帶頭位置；S2：帶頭跟蹤系統計算值。

如果△值小于15%，那么我們一般認為是正常現象。入口段穿帶自動步正常運行。

如果△值大于等于15%，那么我們一般認為是異常現象，極其有可能是帶頭與設備碰撞或穿入到機械縫隙中等異常現象，造成了生產安全隱患。這時我們向入口穿帶自動步發出一個制動停止命令，進而避免損失過大。與此同時通過HMI畫面發出診斷報警，提醒操作人員人工檢查帶頭是否異常。從而實現了自動檢測誤穿帶的功能。

4.2 帶頭跟蹤制動距離的計算

帶鋼從移動到停止，必須估算實際行程（制動距離）。這個制動距離取決于目前運行的實際速度、最大制動減速度以及在發出制動命令時系統所處的狀態：加速、減速、恒速。

在定位開始時，首選產生一個檢查，檢查定位設定是否大于最小的制動距離。如果是就發出一個“快停”操作命令。

下面介紹在各種不同情況下的帶頭跟蹤制動距離計算：

5 結束語

在沒有優化帶頭跟蹤之前，穿帶在無人監管的情況下，一旦發生誤穿帶，會導致大量的堆鋼，產生大量的帶頭廢料，人工處理誤穿帶費時費力，同時會有損壞相關設備的可能性。

當優化帶頭跟蹤系統后，帶頭跟蹤值遠遠大于實際值后（15%），相關的穿帶自動步停止，給操作工報警提示，人工干預穿帶。排除了安全隱患，保護了相關設備，節約了穿帶時間，大幅減少了帶頭廢料的產生，提高了生產效率和經濟價值。優化后的帶頭跟蹤系統已在上海寶山鋼鐵股份有限公司及其下屬的不銹鋼分公司熱鍍鋅機組上成功使用。經過長時間考核和檢驗，是一個精準、高效、可靠的系統。

參考文獻

[1]張進秋.可編程序控制原理及其應用[M].機械工業出版社.

[2]廖常初.大中型PLC應用教程[M].機械工業出版社.