熱連軋飛剪自動化控制仿真實踐教學平臺開發

孫友昭，楊 荃

（北京科技大學 工程技術研究院，北京 100083）

實踐教學是提高學生實踐能力與綜合素質的重要環節，是培養學生工程實踐能力與創新精神的有效途徑。自動化相關專業具有學科交叉性強、內容豐富、實踐性強等特點，實踐教學可以促進學生對學科知識的理解，提升工程實踐與創新能力[1-2]，但傳統自動化實踐教學中存在實踐場景與生產實際差別較大、教學設備不足、實踐機會有限等問題，影響了實踐教學的效率和質量[3]。

為解決自動化相關專業實踐教學中遇到的問題，本文根據實踐教學要求，依據熱連軋飛剪設備及其自動化控制原理，采用3DS Max與Unity3D建立三維虛擬生產場景，模擬生產設備運動與儀表檢測信號，使用 ForceControl組態軟件與西門子 SIMATIC S7-200 SMART建立自動化控制系統，并建立虛擬場景與PLC、PLC與HMI之間的數據通信，從而建立飛剪自動化控制仿真實踐教學平臺，該平臺能夠實現控制邏輯設計、HMI與PLC程序開發、實踐拓展等實踐教學功能。

1 熱連軋飛剪介紹

軋件經過粗軋后，在頭部、尾部形成不規則形狀，需要使用飛剪將其切除，以便于后續精軋的順利進行，并保證熱軋產品質量。飛剪為轉鼓式，其設備本體由傳動裝置、機架本體、剪切機構等組成。在剪切時要保證剪切精度，剪切長度過大會導致成材率降低，剪切長度過小會導致不規則形狀的殘留。另外，為了保證剪切斷面質量與保護飛剪設備，在剪切時應當使剪刃速度同步于或略超前于軋件速度[4]，這對飛剪自動化控制提出較高要求。下面以頭部剪切為例介紹其控制原理。

在圖1中，L1為切頭長度，L0為熱金屬檢測儀至飛剪中心線的距離，ΔL為從飛剪啟動到剪刃接觸軋件表面（β）期間軋件行走的距離，Lc為從飛剪剪刃接觸軋件表面（β）到剪切結束（0°）期間軋件行走的距離，β為剪刃從接觸軋件表面到剪切完成（0°）旋轉的角度。CCD成像儀用于檢測軋件頭部、尾部的不規則形狀并計算剪切長度L1，激光測速儀或輥式測速儀檢測軋件運動速度Vs，熱金屬檢測儀HMD用于檢測在其安裝位置是否有軋件。在進入頭部控制前，切頭剪刃處于270°的初始等待位置。當HMD檢測到軋件后，進入頭部剪切控制狀態，剪刃旋轉至220°的等待啟動位置，同時立即啟動軋件跟蹤程序，通過對軋件速度Vs的積分累加跟蹤軋件通過HMD的長度Lact。當Lact≥L時，飛剪剪刃立即從等待啟動位置勻加速至或略快于軋件運動速度，然后剪刃勻速運動至接觸軋件表面并完成剪切（0°）。剪切完成后，飛剪逐步減速制動并返回初始等待位置（270°）。

圖1 飛剪剪切原理示意圖

根據上述頭部剪切控制邏輯可知，為了保證剪切精度，需要精確計算并跟蹤從軋件到達HMD到飛剪啟動的軋件移動長度L。依據剪切原理與設備布置，L可由式（1）計算[5]。

式中，D為飛剪轉鼓直徑，k為剪切時剪刃線速度相對于軋件速度的超前系數，Bα為剪刃加速度。L1、Vs分別由CCD成像儀與測速儀檢測得知；L0、D、β、k取固定值，取值范圍見表1。

表1 參數取值范圍

2 平臺內容建設

熱連軋飛剪自動化控制仿真實踐教學平臺的開發包含仿真平臺搭建與實踐教學內容制作。

2.1 仿真平臺

為了使實踐教學情景與生產現場貼近，在搭建仿真平臺時，使用三維虛擬仿真技術模擬生產現場環境與設備執行動作，以及與飛剪剪切控制相關的儀表檢測信號；同時，使用組態軟件、PLC搭建與現場自動化控制相近的工業控制系統，從而建立用于自動化控制實踐教學的仿真平臺。

1）三維虛擬生產場景。

在三維虛擬生產場景的制作過程中，首先依據設備二維CAD圖紙與現場照片，使用3DS Max建立三維模型，形成靜態生產場景[6]；然后，將模型導入Unity3D中，通過編寫C#腳本模擬動態生產情景，并依據軋件位置實時仿真傳感器信號[7-8]。

在三維模型開發中，先創建設備部件模型，再根據裝配關系組裝成各設備三維模型，最后依據產線設備空間布置搭建完整三維虛擬場景。為了使三維場景與生產現場貼近，依據現場照片制作外觀材質，用于表達設備外觀細節。場景中包含飛剪本體與傳動裝置、機前輥道、對中裝置、廢料收集、精除鱗、精軋立輥與 1#精軋機等設備模型。在動態場景開發時，根據來自 PLC的設備實時控制信號，使三維模型模擬生產動作。同時，當軋件運動到檢測儀表位置時，將儀表仿真信號發送給PLC，包含剪切長度、軋件速度、HMD等信號。熱連軋飛剪三維虛擬生產場景如圖 2所示，剪切過程中，場景視角跟隨軋件位置變化并在畫面左上角添加飛剪放大視角，使表達內容更加清晰、豐富。

圖2 熱連軋飛剪三維虛擬生產場景

2）可編程邏輯控制器（PLC）。

PLC運行原理及其應用是自動化相關專業的核心專業課程，其實踐教學是課程的重要教學環節。對PLC運行原理的認識與實踐是該平臺的重要教學內容。該平臺選用西門子公司SIMATIC S7-200 SMART系列產品作為PLC控制器與信號模板，所用模塊見表2。

表2 PLC控制器與信號模板

S7-200 SMART PLC使用 STEP 7-Micro/WIN SMART作為開發軟件，支持梯形圖、語句表、功能塊圖等編程語言。在進行控制程序開發時，首先根據所選硬件模塊進行硬件與通信組態，然后根據熱連軋飛剪剪切控制原理，使用編程語言編寫控制程序，編寫完成后進行編譯并下載至PLC控制器中[9]，如圖3所示。

3）人機交互界面（HMI）。

人機交互是工業控制系統的重要組成部分，使用人員通過交互界面對系統進行監控與操作，通常使用組態軟件開發。在該平臺中，使用ForceControl作為HMI開發軟件。在開發時，首先配置與PLC的通信方式，然后根據飛剪剪切過程所需監控信號，添加通信變量并配置其在PLC中的地址，接著設計并制作監控界面、制作動畫腳本等，最后對開發界面進行編譯并運行[10]。HMI運行效果如圖4所示，界面中包含運行參數、設備與儀表狀態、軋件位置、關鍵數據實時曲線、交互按鈕等內容。

圖3 PLC控制器開發

圖4 熱連軋飛剪人機交互界面

4）數據通信。

在自動化控制中，各部分之間的數據通信是系統的重要組成部分。在熱連軋飛剪自動化控制仿真平臺中，采用不同通信方式實現三維虛擬生產場景與PLC、PLC與HMI之間的數據交換，如圖5所示。

圖5 仿真實踐教學平臺數據通信

三維虛擬生產場景用于模擬現場生產設備、檢測儀表、軋件等現場情景。一方面需要根據軋件實時位置，將檢測儀表的仿真信號發送給PLC，例如，當軋件頭部運動至HMD檢測位置時，需要向PLC發送高電平信號，表示該位置有軋件；另一方面需要從PLC接收信號，并根據該信號模擬相應設備部件的運動，例如，在剪切過程中飛剪剪刃的旋轉。三維虛擬生產場景與PLC通過信號轉換裝置實現通信，將來自生產場景計算機或 PLC的信號轉換成對應形式再轉發給對方。該裝置通過RS232與生產場景計算機連接，采用Modbus協議進行通信，并通過信號線與PLC的信號端口直接連接[11]。HMI用于對飛剪剪切過程進行監控與操作，其監控信號、操作指令通過PLC采集與執行。HMI計算機與PLC通過網線經交換機連接，采用TCP/IP協議進行通信。

為了方便該實踐教學平臺的管理與維護，將PLC、信號轉換裝置、交換機等組件進行封裝，統一安裝在金屬箱體中。該仿真實踐教學平臺如圖6所示。

圖6 熱連軋飛剪自動化控制仿真實踐教學平臺

2.2 實踐教學內容

在熱連軋飛剪自動化控制仿真實踐教學中，以上述仿真平臺為基礎，可以開展自動化控制設計、認識實踐、HMI與PLC開發實踐、實踐拓展等內容教學[12-14]。

在自動化控制設計中，使用視頻、Flash、圖片等多媒體對熱連軋飛剪設備、控制原理、檢測儀表等進行詳細介紹，用于啟發學生自主設計控制系統。在認識實踐中，通過熱連軋飛剪自動化控制演示程序使學生了解平臺的軟硬件組成，認識PLC與HMI的運行原理與應用。在PLC與HMI開發實踐中，學生使用組態軟件與PLC開發軟件完成熱連軋飛剪的自動化控制，根據不同專業的掌握程度要求，可以采用填空、完全開發等不同難度的實踐任務。在實踐拓展中，學生可以自主設計并開發尾部剪切自動化控制。熱連軋飛剪自動化控制仿真實踐教學內容示例如圖7所示。

圖7 熱連軋飛剪自動化控制仿真實踐教學內容示例

3 結語

熱連軋飛剪自動化控制仿真實踐教學平臺以生產現場飛剪控制系統及其原理為依據，通過三維虛擬生產場景、HMI、PLC及數據通信建立自動化控制仿真平臺，可以開展自動化控制設計、認識實踐、HMI與PLC開發實踐、實踐拓展等實踐教學。該平臺在實踐教學中的應用，提高了學生對實踐教學的興趣、積極性與參與度，可以明顯提升實踐教學效果。