冷軋磨輥間全自動無人裝載機的實現方法

劉志

摘要：本文介紹了西門子SIMATIC$7-400PLC、$7-300PLC、SIMATICSS 120、MICROMASTER 420和SMC20等自動化產品在國內第一套冷軋磨輥間全自動無人裝載機系統中的應用，從硬件的組態以及軟件實現的方法等方面敘述了系統對關鍵功能的實現方法。

關鍵詞：全自動無人裝載機;S120;自動磨輥間;同步控制

一、項目簡介

鋼廠冷軋磨輥間主要承擔各軋機的工作輥/中間輥表面磨削和毛化等任務，其最重要的設備是工作輥/中間輥磨床和電火花打毛機床（EDT）。

為了滿足磨輥間對高質量、高產量、高效益和低能耗的總體要求，減小軋輥在裝卸時對磨床的撞擊，提高軋輥磨削精度、降低磨床的故障率，一般在磨輥車間配備軋輥自動裝載裝置。

上海寶信軟件股份有限公司智能裝備事業本部自主研發的軋輥全自動無人裝載機全自動實現了磨輥間軋輥上下磨床的工作，實現了工作區的自動化和無人化、設備操作自動運行控制，建立了全自動的安全的工作環境，提高設備的利用率，減輕了人員的勞動強度。軋輥全自動無人裝載機采用五軸伺服定位系統，自動吊運重量最大達10t的軋輥時其定位精度達到±2mm，大大減小了軋輥在裝卸時對磨床的撞擊，提高了磨輥的精度和質量。

本項目是在寶鋼湛江2030及1550冷軋磨輥間，每個磨輥間選用1套（兩臺）磨輥間全自動無人裝載裝置，負責磨輥間內4臺軋輥磨床及1臺電火花打毛機床的自動裝、卸軋輥（工作輥、中間輥）的工作。

二、工藝介紹

在磨輥車間規劃出磨床安放區間，各機床的前方設有二個單層軋輥支架為軋輥磨削等待緩沖輥架，一個為“待磨緩存輥架”、一個為“磨完緩存輥架”。操作工通過車間行車將待磨削的軋輥（工作輥、中間輥）吊入待磨輥存放區。全自動無人裝載機根據磨輥間管理系統（RSMS）下發的生產計劃自動由將待磨輥存放區內的軋輥（或“待磨緩存輥架”）吊入機床的工作位置上，由機床自行完成磨削任務，當軋輥磨削完成后，由全自動無人裝載機將機床上的軋輥自動卸下吊入成品輥存放區的輥架上（或“磨完緩存輥架”）。軋輥進出自動區域的吊運由操作工通過車間行車完成，軋輥在自動區域內的吊運由全自動無人裝載機全自動完成。

三、控制系統構成

全自動無人裝載機的控制系統包含地面主控系統和車載控制系統兩部分，分別描述如下。

1、地面主控系統

地面主控系統，如圖l所示，采用CPU414-2DP的CPU，在主機架上同時集成了I/O模塊和CP443-1模塊等。CP443-1負責同RSMS系統建立Ethernet-Connection，接收及發送地面系統設備相關的生產數據，同時負責和HMI服務器進行通訊鏈接。由于磨輥間的磨床、EDT及全自動無人裝載機都是獨立的DP網絡，相互之間的通訊速率及站地址也不盡相同，設備間跨越的距離也較遠，因此我們采用西門子的DP/DP Coupler模塊來實現地面主控系統與各個地面系統設備之間的控制信號和狀態信號的數據信息的傳遞。

由地面主控系統STEP 7HW配置圖，如圖2所示，系統通過西門子ET-200M子站的形式與地面各類輥架、安全門和防護區信號進行數據傳遞。由于整個地面自動化區域的范圍較廣，ET-200M的子站數量較多，因此我們選用有源背板總線，這樣可支持模板熱拔插而不會導致CPU停機。

2、車載控制系統

每套全自動軋輥裝卸系統包含2臺全自動無人裝載機，每臺全自動無人裝載機都有自己獨立的車載控制系統。常規狀態下兩臺無人裝載機在各自劃分的區域中完成軋輥自動裝卸任務（兩劃分區中間有一段重疊區間）;當其中一臺故障或檢修時，另一臺能覆蓋整個封閉區域的軋輥自動裝卸任務。

由于全自動無人裝載機要求做到軋輥在磨床裝卸時輕起輕放，杜絕磨床因軋輥的撞擊而損壞精度，因此裝載機定位精度要求非常高，達到定位精度小于±2mm，為此車載控制系統的傳動部分我們采用了SIEMENS SINAMICS五軸伺服定位控制系統，伺服驅動和電機選擇了西門子S120書本型模塊和1FK7系列伺服電機。采用SINAMICS驅動系統，在電氣上保證了同步和定位的精度，可滿足梁上大車和地面大車的雙電機同步運行要求。同時考慮到系統對位置精度的要求，我們在自帶編碼器的1FK7系列伺服電機的外部配置了絕對值編碼器，通過西門子SMC20編碼器信號轉換模塊直接把外置絕對值編碼器接入西門子S120驅動系統。

車載控制系統，如圖3所示，采用CPU315-2DP的CPU，在主機架上同時集成了I/O模塊和SM331模擬量輸入模塊等。車載控制系統的子站采用了西門子的ET-200S，它分布在全自動無人裝載機的調寬機構的端子盒里面，這樣大大節省布線。同時ET-200S相對于地面主控系統使用的ET-200M、ET-200S更加經濟和靈活，在滿足同枠性能的同時也節省了更多的空間。

全自動無人裝載機的吊具采用回旋式自鎖型夾鉗，由2臺西門子MM420采用端子控制驅動渦輪蝸桿傳動副。

由于裝載設備是無人全自動運行，為了監視吊具鎖緊機構及吊運狀態，在兩側的定滑輪支座上裝有稱重儀壓力傳感器，我們使用西門子SM331模擬量輸入模塊來動態測量兩根鋼絲繩的受力狀況，當兩端鋼絲繩受力偏差大于設定閾值或測定力小于設定值時，升降機構停止運行，并聲光報警。同時我們在ET-200S上使用了6ES7134-4FB01-0AB02AI模擬量輸入模塊來讀取裝在吊具夾鉗兩端的SICK DT50測量的軋輥距離數據，當軋輥兩端的距離偏差大干設定閾值或測定距離小于設定值時，升降機構停止運行，并報警告知軋輥傾斜。

由車載控制系統S7EP 7HW配置圖，如圖4所示，系統通過組態西門子Profibus總線的形式與SICK公司的激光測距儀DL100進行通訊。

大車位置測量采用測距長度為300m兩個DL100激光測距儀，可以避免齒輪齒條傳動隔帶來的故障率，減少分散驅動控制的大車運行機構可能發生的上下兩車的運行位置超差問題。同時大車運行機構的上下兩側均由各自的伺服電機同步驅動，推動大車前后運動，采用電機后部的磁盤式抱閘進行駐車制動，減速機采用西門子減速機。大車上下電機采用主從關系進行運行控制，大車地面伺服電機作為主動軸總是恒定速度運行，大車梁上伺服電機從動軸總是在跟隨在后，在運行過程中根據大車上下位置差值進行轉速補償。

（1）差值小于（+/-2mm）時，設定值不作補償。

（2）差值大于（+/-2mm）并小于（+/-10mm）時，對梁上大車設定值進行補償。

（3）差值大于（+/-10mm）時，報警（停機）并將設定值清零。

轉速補償控制程序示例如圖5所示。

四、控制系統完成的功能

1、地面主控系統完成的功能

（1）地面各類輥架、安全門、各防護分區信號（DI）監控。

（2）地面各安全門指示燈信號（DO）監控。

（3）與四臺磨床和一臺電火花毛化設備的聯鎖信號交換。

（4）主控HMI上各類狀態顯示輸出。

（5）主控HMI上各類控制命令和軋輥數據接收。

（6）l#及2#裝載機各類設備狀態接收。

（7）l#及2#裝載機各類運行命令輸出。

（8）1#及2#裝載機各軸定位距離命令輸出。

由磨床與Loader通訊DB塊示例圖，如圖6所示，系統通過DP/DP Coupler進行交換的數據，這些數據包括了二者之間的連鎖信號及狀態信號等。

2、車載控制系統完成的功能

（1）向地面主控PLC發送車載各設備狀態。

（2）接收地面主控PLC發送的運行命令及定位距離命令。

（3）車載各安全門、防撞、限位（DI）信號監控及（DO）輸出。

（4）大車、小車、升降、調寬位置實際值采集及定位控制。

（5）采集車載各變頻、伺服設備的狀態和控制它們的運行。

（6）無線手動遙控控制。

（7）設備的自動步控制。

在大車、小車、升降和調寬位置實際值采集及定位控制的S120系統調試時候，我們發現當速度環點動時運行狀態很好，但位置環運行時出現速度不穩現象，可以通過對位置環的Kp（P2538）進行調整，通常減小Kp值，速度會趨于穩定但同時栢應變慢（帶來速度上升和下降的斜率時間加長）;反之加大Kp值，速度易波動，是因為相應變快（帶來速度上升和下降的斜率時間縮短），因此位置環的Kp（P2538）該值很重要，需要根據不同的負載和工況進行調整。調整在：Technology→Position control→Positioncontroller畫面中，如圖7-11所示。

（1）Kp：3.0Tn72ms。

大車、小車、升降和調寬等伺服系統在調試時候需要不斷觀察和記錄運行曲線，不同機構對驅動系統的運行曲線的要求也不盡相同，調試過程中記錄的運行曲線，如圖12所示。

3、HMI系統完成的功能

冷軋磨輥間地面HMI系統的主要任務就是與磨輥間地面主控系統一起配合對磨輥間庫區進行監控和管理，編程語言采用目前在工業智能制造領域使用較多的微軟C#編寫。冷軋磨輥間地面HMI系統具備部分MES系統的功能，涉及的范圍為：

（1）監控磨輥間栢關設備狀態。

（2）編制操作人員發送的指令。

（3）記錄和顯示當前系統故障。

（4）管理系統參數。

（5）自動步顯示。

（6）Loader工作模式切換。

冷軋磨輥間地面HMI系統的總體功能層次圖，如圖13所示。

冷軋磨輥間地面HMI系統的主畫面示意圖，如圖14所示。

冷軋磨輥間地面HMI系統控制中根據庫區信息規劃自動生成吊運指令功能示例，如圖15所示。

冷軋磨輥間地面系統的庫區規劃的目標函數的約束條件涉及工藝約束及設備約束等，如軋輥堆放涉及的輥種、直徑和重量等，目前系統已經支持的全自動吊運軋輥類型包括1550酸扎中間輥ZBZI、1550酸扎工作輥ZBZW、1550連退工作輥ZBPW、1550連退中間輥ZBPI、1550鍍鋅工作輥ZBGW、2030鍍鋅工作輥AGW、2030酸扎工作輥AZW、2030連退中間輥API和2030連退工作輥APW，共9種。設備約束主要指不同廠家的磨床（特別是可以磨削支撐輥的萬能磨床）或EDT等設備，這些設備由于工作方式及設備尺寸的不同會對Auto Loader在吊運和軋輥鞍座規劃產生一定的設備約束。

五、結論

項目于2016年11月上線運行，系統運行良好穩定，設備總圖，如圖16所示。國內第一套具有自主知識產權的冷軋2030磨輥間全自動無人裝載機在寶鋼湛江的順利應用，引起了國內業界的高度關注。2017年6月冷軋1550磨輥間全自動無人裝載機也順利投入使用。采用不同類型的自動化驅動及控制產品，在項目集成的過程中，我們搭建了一個可靠強壯的軟硬件系統。