現代機械設備中機電一體化技術應用分析

柳維垚

（本鋼集團板材股份有限公司冷軋總廠，遼寧 本溪 117000）

在現代機械設備中，采用了大量的機電一體化技術。通過實際運行，了解到機電一體化技術具有良好的實用價值，將其與機械設備相結合，有助于提高機械設備的自動化和智能化發展水平。隨著科技的飛速發展，為了保證生產效能，必須對機電一體化技術進行創新研究和推廣應用。

1 現代機械設備中機電一體化技術應用要點

從整體層面分析，將系統性技術、機械和信息處理技術結合起來，是現代機械設備中機電一體化技術應用要點。在實施機電一體化技術時，必須對其工作狀態和所具有的功能進行綜合析，把現代機械設備看成一個整體，對各個系統的各個部分進行綜合分析與研究，使之能夠最大限度地實現協同性、綜合性、同步性，從而使各部分工作效率得到最大的提高。此外，在現代機械設備中運用機電一體化技術時，協同應用機械設備和信息技術，對有關信息進行歸納與優化，以保證設備信息傳送與使用品質，進而達到最佳的控制效能與強度。在信息技術與機械裝備的結合中，應根據不同的裝備種類，采用相應的技術管理方式，使其達到最優的使用結果。

2 現代機械設備中機電一體化技術應用

2.1 建立現代化冷軋機組機電液一體化控制仿真平臺

建立現代化冷軋機組機電液一體化控制仿真平臺，可用于實際的軋制工藝、操作控制和建模分析，仿真系統包括流程控制、虛擬帶鋼、模擬管理，是一種較為精密的模擬體系。

第一個環節是建立機械形變系統數學模型，其中包括軋件變形抗力模型、軋制壓力模型、軋制力矩模型。在建立軋件變形抗力模型時，應綜合考慮屈服強度、硬化系數、出口厚度、入口厚度等要素，從而求得變形抗力值。在建立軋制壓力模型件中，必須綜合考慮軋件板寬、后張力、前張力、示軋區接觸弧長、材料應力狀態等要素，從而確定軋制壓力模型件。為了構建軋制力矩模型，必須綜合考慮壓下量、修正系數、摩擦系數等要素，形成軋制力矩模型的數學表達式。

第二個環節是電氣轉速與直接張力控制模型的構建，主要包括建立電機控制模型、主電機轉速控制模型、卷取直接張力控制模型。在建立電機控制模型中，需要考慮到電樞回路時間常數，電力拖動裝置時間常數、電樞回路電阻、電感整流裝置內阻、平波電抗器電阻、額定勵磁下轉速電壓比、電力運動部分折算到電機軸山的飛輪力矩、額定勵磁下轉矩電流比等要素。在建立主電機轉速控制模型中，速度控制采用雙閉環調速系統，內環是電流環，能對電網的電壓波進行干擾。在電動機超負荷時，電樞功率的最大限度受到約束，從而實現了安全保護。外環是一個轉速環，它可以對速度進行有效的調節，同時也可以對負荷進行干擾。在建立卷取直接張力控制模型中，一般采用恒定的力矩、恒定的功率來實現張力控制，目前，在各種儀器和設備中得到了廣泛的使用。為提高張力控制精度，可在實際應用中引入直接張力閉環控制系統，或采用智能控制技術，使其在實際應用中得到最優的效果，從而提高冷軋機組生產效能。就轉速檢測轉換、電流調節器、電流轉換等環節而言，在函數傳遞形式中，轉速調節器和主電動機是一樣的。張力調整采用了按比例的積分方法。

第三個環節是建立液壓控制系統仿真模型，根據傳感器的結構特點，將板帶厚度控制系統劃分為測厚儀反饋、磨損補償和油缸位移反饋。例如，對壓上系統的動力學特性進行研究，選取軋制力和缸位移模擬量閉環方法。壓上裝置由測厚儀、液壓管路、電液伺服閥門、壓力傳感等構成。在此系統中，采用一種將電壓轉換成電流的方式來實現對伺服閥門的控制。在解析過程中，可以將該時間常量排除。在求解增量函數過程中，應考慮電流、電壓、電流增益等要素。其次，將液壓缸與電動液力伺服閥門之間的長管相結合，管路結構采用分配參數模式進行規劃。在液壓缸的連貫關系中，必須充分地考慮缸桿腔面積、流量系數、壓壓剛體積彈性模量、缸腔容積、缸位移、控制壓力等要素。

第四個環節是進行機電液一體化系統仿真，先確定冷軋機組的工藝參數，確定開卷機、卷取機、主電機等參數，并對各參數進行調試和試驗，保證參數的正確設定。然后進行模擬操作，通過對模擬的結果進行分析，總結現代化冷軋機組機電液一體化控制仿真平臺的實際運行情況，表明模擬的效果與生產實踐相吻合，可以有效地提高冷軋機組的生產效率。

2.2 搭建冷軋廠酸軋機組自動化控制系統

冷軋廠酸軋機組自動控制系統流水線設置三間操作車間，分別為酸洗人口、酸洗出口、軋機區。包含兩個控制室、一個是酸洗區、一個是軋機區，兩個控制室都有工程師站、PDA 計算機、HMI 人機界面，在軋機區的控制室中，增加二級服務器和HMI服務器。在二級系統中，包含伺服器、工程師工作站。在一級系統中，包含相應數量的控制柜、ET200M 站、應急停車設備。在零級系統中，包括傳動系統、儀表檢測系統、部分現場執行構件。傳動系統主要包括交流傳動系統和交流輔助調速傳動系統。HMI 控制部分包括HMI 伺服器和HMI 客戶機。各柜體、服務器、HMI 采用高速網絡進行通信。

在冷軋廠酸軋機組自動化控制系統的二級系統中，一臺過程控制服務器具備參數的預設定、基于模型的軋制規程計算、基于神經網絡的最優計算與自動學習、數據處理和報告等功能作用。另一個是實際數據處理服務器，主要是收集、處理過程數據信息。利用磁盤陣列熱備份技術，將一磁盤組作為備用磁盤組，這個磁盤組平不工作，但一旦某磁盤出現問題，磁盤陣列就會對失效的磁盤組進行替換，將失效的磁盤組重新建立到備用磁盤組，磁盤反應速度快，再加上高速讀取的記憶體降低了對磁盤組的訪問，可以迅速地進行資料重構，即使出現磁盤故障問題，也不會停機。另外，還有工程師工作站供系統的研制與維修，確保冷軋廠酸軋機組自動化控制系統的穩定運行。

在冷軋廠酸軋機組自動化控制系統的一級系統中，控制柜主要應用于流水線的自動化控制、低轉速的輔助，控制柜又稱為工藝傳動控制裝置，TDC 是一種專門用于中、高速度閉環和同步化過程的多處理器自動控制系統，在單一平臺中，具有最大數目的框架、最少的運行時間等特性，高度集成的工藝和驅動自動化系統。其次，利用ET200 遠距離IO 系統，可以有效地改善系統的運行性能，并能有效地降低控制線的使用，從而降低設備的運行和維修費用。除此以外，應急停車設備在緊急情況下發揮功能效用，例如，在裝置發生故障或事故時，對緊急情況做出快速響應。PDA 則是一個流程數據采集裝置，可以采集、分析、處理數據，實現數據分配。

在冷軋廠酸軋機組自動化控制系統的傳動系統中，主要包含主傳動系統、交流輔助調速傳動系統。在主傳動系統中，主要用于對軋機和卷取機的控制，兩者都采用了同步交流電動機。同步交流電動機采用控制器實現了對其進行時鐘操作。由此可以看出，同步交流電動機的轉速調節是一個直線式的，其反應速度要優于直流機。利用交直交調速系統對主電動機定子繞組進行電流的調節，其主動前端去除了高次諧波，并增加了電源的效率。轉子的勵磁電流由全數字直流調速系統、調速柜與交流電源相連接，并可實現較高的運行效率。兩種傳動都有集成的開發工具和開發程序，并提供信息顯示、操作員控制和監測的診斷功能。交流輔助調速傳動系統主要是用于對開卷機、矯直機、張力輥、某些小傳動輥等低功耗的異步電機進行控制。

2.3 搭建ABB 工業控制系統

（1）ABB 傳動系統。ABB 傳動系統的關鍵技術是直接轉矩控制。在直接轉矩控制中，切換由定子磁通量、轉矩的值確定，轉矩直接作為被控量，直接控制轉矩。通過這種方式，直接轉矩控制切換得到了較好的響應速度，其平均切換次數只有2000Hz，與采用高頻PWM 方式進行的切換相比，損耗更小。直接轉矩控制具有最優的轉矩響應及控制，具有較低的轉速、較低的噪音、較高的效能等優勢特性。

（2）自動化系統。機組通過自動化系統來進行控制。自動化系統具有多種控制級次，各控制級有各自的獨立功能。一級是針對產業IT 領域的技術。在一級控制中，包含實時性控制、自動順序控制、邏輯控制、調整回路控制、傳動系統控制、輔助控制、報警及故障控制。在二級封閉狀態下，由一級系統對裝置進行控制，由操作員手工設定一級界面參數。二級為生產監控和生產優化的控制層，主要的參數由人工輸入、從三級接收，并由以太網與一級自動系統相聯系。三級是企業資源規劃，三級和第二層是用以太網相連的，ABB 的二級系統有三級界面，太鋼的三級網絡通過三級界面接入二級系統。

（3）故障檢測處理。在故障檢測處理中，主要分為網絡故障、程序故障。在網絡故障中，主要故障問題是全部顯示屏顯示為紅色，不能運行。對網絡故障原因進行分析，是PLC 柜主電源斷路，造成其柜內CN 網絡掉電，與PEC 和一級服務器之間的CN 網絡被切斷，服務器不能獲取PEC 的相關數據，因此顯示屏顯示為紅色，顯示屏幕不能正常工作。經進一步檢驗，主電源切換所攜帶的負荷中有一路為出口活套下層糾偏載波器，當載波開關被切斷后，主電源可以關閉，從而證實該電源的失效是由于載波線的短路造成。處理該網絡故障，主要分為暫時性操作方法和正規處置方法。在暫時性操作方法中，切斷載波的電力供應，其他開關送電，再次載入掉電的PEC 后，即可運行。在正規處置方法中，在停機維修時，對載波機的線路和載波進行重新調整，把PLC柜內的載波電源換成外接UPS 電源，以避免因外接裝置如活套糾偏造成PLC 柜掉電。

在程序故障中，主要故障問題是在焊縫經過平整器時，順控程序尚未啟動。對程序故障原因進行分析，是由于程式編制錯誤，當使用時，在投用平整器時，可以無條件不使用平整器。若在平整部位能夠穩定運轉，平整輥正常關閉，則選擇不使用平整器，焊縫經過平整器時，順控程序不能被開啟。此時，若將鋼帶焊縫經過平整輥，輥縫不能自行張開，造成輥表面損壞。處理程序故障，具體要改變程序，僅當平整器的工作輥揚升或停機時，可以對是否使用平整器進行選擇，以免在平整部位穩定運轉時，操作者出現操作失誤的情況。

3 現代機械設備中機電一體化技術的未來應用趨向

3.1 網絡化

網絡通訊技術的進步和使用的領域不斷擴大，為整個工業的生產力提升和落后的生產方式的改善提供先進技術支撐。機械裝備在機械產品設計、材料選擇、產品銷售等方面，都可以運用信息技術，使機械工作過程更加完善。隨著互聯網通訊技術的迅猛發展，使人們能夠更加方便地進行各種信息的交換，實現了真正的信息分享，既可以提高公司的核心競爭能力，又可以促進現代機械設備的發展。

3.2 智能化

為提高現代機械設備綜合性能，必須強化控制原理的落地執行，將人工智能、心理學等技術融入現代機械設備中，并充分運用人工智能技術，提高對生產過程的優化程度，從而保證現代化機械設備能夠長期發展。比如，高分辨率的檢測器件能夠提高生產率，使機械設備的精確性滿足預定的要求，因而應引起更多的關注。

3.3 綠色化

對于現代機械設備，要達到可持續發展的目的和產業發展的需要，必須把環保觀念納入其中。當前，社會發展水平不斷提升，但是對生態環境造成了嚴重的損害，因此，必須加強對機電一體化技術的應用，加強對產品的加工和研發，把環保的思想融入產品的生產中，以確保在現代機械設備使用中不存在資源浪費問題，降低對生態環境的破壞和污染。

4 結語

機電一體化的操作方式，既具有先進性，又具有實用價值，在實際使用中，如果掌握現代機械設備和機電一體化融合運用的技術要領，在實際使用中選用合適的儀器和裝備，可以確保取得較好的應用結果，從而使現代冷軋廠的生產效益與品質得到穩定發展。