智能堆垛控制技術研究及應用

馬紅利， 王艷強， 王文忠

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司， 河北 唐山 063210）

某鋼廠熱軋產線橫切機組按照客戶需求將鋼卷剪切成為2～16 m 不同長度規格的定尺鋼板，鋼板途經加速輥道加速運輸，途徑堆垛機下方減速輥道減速，對中裝置對中后由真空吸盤吸附橫移至運輸輥道進行碼垛[1]。堆垛機控制系統采用的是西門子S7-400控制器和SIMOTION 控制系統，通過現場傳感器、編碼器測檢及計算板坯實際位置，能夠準確地將板坯整體進行碼垛。堆垛機運行的穩定性，影響著產線產能釋放，因此本文重點對其進行研究。

1 堆垛機系統組成及功能介紹

堆垛機由金屬橫梁結構、升降機構、運行機構、起升機構、真空泵裝置、真空吸盤、限速裝置、電氣控制裝置等組成。其主要功能是通過真空吸附的方式將剪切后的鋼板從輥道上吸起來，并將其送到鏈式運輸機上的垛板臺進行碼垛[2]。該系統由2 個獨立的真空堆垛機組成，每個堆垛機的長度為8 m。2 個堆垛機可聯合使用，可對8～16 m 長的定尺鋼板進行碼垛。堆垛機采用西門子伺服電機驅動，通過SIMOTION 控制器內置的驅動集成功能（SINAMICS_Integrated）控制，為獲得良好的堆垛效果，需平穩、高速地升降和碼放定尺鋼板，所有升降、橫移等動作均采用伺服電機驅動。堆垛機在極具剛性的框架內的線性導向系統中移動。

1.1 堆垛機控制系統

堆垛機是橫切產線的關鍵設備，堆垛機控制系統的工作效率、可靠性及穩定性對于成品碼垛整齊狀況起著重要的作用。堆垛機控制系統對堆垛機的直接控制和狀態記錄由PLC 完成，每個堆垛機控制系統均采用德國西門子公司S7-400 可編程控制器作為控制核心。該系統的網絡圖如圖1 所示。

圖1 堆垛機的網絡結構圖

為了確保堆垛機安全、平穩運行，并提高系統的工作效率，需要解決如下關鍵技術：

1）堆垛機必須精準地將鋼板放到指定的碼垛位置，為此，堆垛機控制系統選取西門子Simotion 伺服位置控制器。

2）速度控制：為了提高作業效率，要求堆垛機具有較高的運行速度。同時，在板坯快速運輸過程中，為了防止鋼坯表面因速度沖力導致鋼板與已成垛鋼板發生嚴重碰撞，造成表面缺陷問題，要求堆垛機在下降過程具有低速功能，故需進行速度控制。

3）方向控制：由2 臺伺服電機驅動真空堆垛完成橫移（X 方向）、升降（Z 方向）方向的運動控制。

1.2 堆垛機功能

堆垛機系統由2 個獨立的工作堆垛機組成，即SS1 與SS2，每個堆垛機的長度為8 m。SS1 與SS2 堆垛既可以單獨交替使用，又可以聯合使用，對于板長小于7.35 m 的定尺鋼板可以使用單組交替堆垛的模式。對8～16 m 長的定尺鋼板必須使用SS1+SS2 模式進行碼堆。為了獲得良好的堆垛效果，高速、平穩地進行升降和放下定尺鋼板，所有諸如升降、橫移等動作均采用伺服電機進行驅動。堆垛機在極具剛性的框架內的線性導向系統中移動，堆垛機結構如下頁圖2 所示。

圖2 堆垛機系統結構圖

本文主要研究使用單組堆垛機交替碼堆的控制方法。主要過程：依據鋼板的尺寸，自動選擇真空吸盤的個數，真空吸盤將鋼板從輥道提起橫移至運輸輥道進行碼垛。只有與當前運輸鋼板的尺寸相匹配時，相應位置的真空吸盤才能投入工作。將不同尺寸鋼板的線性移動位置輸入到控制系統中。堆垛周期包括：抽真空吸附鋼板、提升、橫移、下降、放真空、提升、倒橫移、下降，堆垛機完成一次碼垛的流程如圖3 所示。

圖3 堆垛機一次交替碼垛流程圖

2 堆垛機常見故障及原因分析

依據顧客訂單要求，將不同數量鋼板堆成垛，在鋼板成垛后必須保持長度、寬度方向整齊、無參差。因此，堆垛機控制碼垛的長度及寬度兩個方向決定著鋼板成垛的質量。

2.1 堆垛機碼垛長度方向控制

堆垛機碼垛長度方向的定位流程：堆垛機的檢測傳感器檢測到帶鋼后，PLC 在一個掃描周期內采集到該點信息，向傳動伺服控制器D445 發送減速命令。當D445 控制器接收到減速命令后，立即根據速度閉環控制對減速輥道進行減速，達到預定的速度，然后碰到活動擋板，由此實現鋼板在長度方向的一致，以保證鋼板在長度方向上的堆垛質量。

在日常生產過程中發現，當鋼板進入減速輥道后，D445 控制器對鋼板執行減速后，鋼板撞擊擋板前，鋼板的速度不為0，尤其在高速生產時，鋼板對堆垛機的活動擋板的沖擊非常大，存在反沖力，易被活動擋板反彈出去，由于每塊鋼板的反彈距離不同，造成鋼板在長度方向的不一致，從而影響鋼板長度方向的碼垛質量。

經研究發現，現場光柵檢測信號通過PLC 發送至傳動伺服控制器的響應時間為17 ms，導致D445控制器執行減速命令滯后，造成鋼板到達升降輥道后仍保留一定的速度。

2.2 堆垛機碼垛寬度方向控制

每組真空堆垛機有6 套對中裝置，共計12 套，均布置于堆垛機下方減速輥道之間。對中裝置功能是將成品定尺鋼板在寬度方向上進行糾偏，以保證鋼板在寬度方向上一致，從而確保鋼板在寬度方向上的堆垛質量。對中裝置主要驅動單元為電機減速機，執行單元是裝有車輪可沿著機架上輥道運行的對中小車，對中小車上帶有立輥，用來實現鋼板的夾持糾偏。其工作原理為：通過伺服電機驅動渦輪減速箱來帶動裝有齒條的對中小車裝置，以實現對鋼板的夾持對中。對中控制采用位置閉環控制系統，在鋼板運輸過程中，通過兩側對中小車的共同作用，將在減速輥道上偏離輥道中心的帶鋼頭部平穩地引導到堆垛機的中心線，并送入堆垛機，為了確保堆垛機碼垛整齊的控制，要求其控制過程穩定。若對中裝置動作不穩定，會造成動作超調（超出這對中極限設定），容易將帶鋼夾鼓，嚴重情況會損傷帶鋼邊部。鋼種不同、寬度不同、對中的短行程不同[3]，對堆垛及碼垛皆有直接影響，其工作狀況不良會產生卡鋼、堆垛參差不齊等問題。堆垛機下方的對中裝置結構如圖4 所示。

圖4 堆垛機下方的對中裝置

真空堆垛機下方的對中裝置主要通過伺服電機驅動渦輪減速箱來帶動裝有齒條的對中小車裝置，以實現對鋼板的夾持對中，因此，在對對中裝置進行日常檢修后，需對伺服電機的編碼器進行標定。

每套對中裝置都有軟極限位設定值及硬極限位設定值，其中，軟極限位的設定值為2 210 mm，對中裝置歸基準位置的條件是實際板寬+對中初始位設定值＜對中初始位補償值（軟極限值）；硬極限位是安裝在對中裝置傳動側最小及最大位置的接近開關處，當檢測到對中小車后，停止對中動作。

在生產過程中，對中裝置中的齒條松弛會造成檢測對中裝置的最小位置接近開關檢測不到齒條，系統認為小車已經達到最小位極限而報警，使得對中裝置無法正常工作。

經現場觀察與多次實驗，發現檢測對中裝置的IFM接近開關IM5124 的檢測距離僅為8 mm，當齒輪松弛后即不能檢測到齒輪，進而產生報警，使得鋼板在寬度方向上碼垛不齊、造成設備的非計劃停機。

2.3 影響堆垛機碼垛效果因素

因此，影響堆垛機碼垛效果的主要因素為鋼板進減速輥道觸發減速命令的響應時間及檢測對中裝置極限位置開關的精度。

3 控制策略優化

3.1 碼垛長度方向優化策略

因減速輥道減速點命令信號響應時間較長（17 ms），導致鋼板在撞擊升降擋板后才停止運動，因產生的沖力不同而造成在長度方向碼垛的參差不齊。經測試發現，D445 控制器的掃描周期為1 ms＜17 ms，因此，決定更改檢測帶鋼光柵信號的傳輸路徑，使D445控制器直接采集現場檢查光柵信號，執行減速命令，這可以提高從現場檢測光柵到D445 控制器的響應時間，確保鋼板到達升降輥道后速度恰好為0，從而實現D445 控制器減速點的硬線改造。

3.2 碼垛寬度方向改進

經核實發現，檢測對中的IFM接小車極限位置接近開關IGS204 的檢測距離為8 mm，當齒輪松弛后，檢測開關到凸起的齒輪皮帶的距離為18 mm，大于開關的檢測距離，因此，對中裝置會產生報警，進而停車。

為此，此次對對中裝置檢測開關改進的策略為選擇檢測距離大于18 mm 的開關，以確保可檢測到對中小車的齒輪齒條，這樣能滿足設備功能要求。

剪切生產線其他設備處檢測開關選用的SICK 接近開關IM18-20NPS 的檢測距離為20 mm，滿足上述要求。控制策略改進后，堆垛機碼垛質量如圖5 所示。

圖5 堆垛機碼垛質量

4 結語

通過分析真空堆垛碼垛參差不齊的問題，優化堆垛機減速輥道控制程序，改進了對中裝置檢測設備，提高了堆垛機長度、寬度方向上的碼垛質量。智能堆垛控制技術自實施至今，因碼垛參差不齊引起的質量異議事件為零，提高了剪切線產品的合格率，為公司贏得了一定的經濟效益。