基于帶頭跟蹤系統(tǒng)在防止誤穿帶的應(yīng)用

裴峻清

摘 要：帶頭跟蹤系統(tǒng)是用于冷軋機組的重要系統(tǒng)，其主要功能是在帶鋼穿帶的時候?qū)崟r跟蹤帶頭的位置，確保相關(guān)自動步可以順利的進行。但在實際的生產(chǎn)過程中，由于每種帶鋼有各自的厚度、寬度、材質(zhì)等屬性，在穿帶過程中帶鋼的帶頭經(jīng)過夾送輥后有時會發(fā)生帶頭上翹或下翹的情況，導(dǎo)致帶鋼不能正常平穩(wěn)穿帶，嚴(yán)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(guān)的機械設(shè)備，給用戶造成較大經(jīng)濟損失。基于這種情況，我們優(yōu)化了帶頭跟蹤系統(tǒng)，使它及時的自動發(fā)現(xiàn)誤穿帶，停止相關(guān)設(shè)備，發(fā)出診斷報警來提示操作人員。進而給用戶避免不必要的經(jīng)濟損失，同時提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：帶頭跟蹤；速度控制；應(yīng)用

1 概述

在一條現(xiàn)代化的連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線的自動控制系統(tǒng)中，帶頭跟蹤系統(tǒng)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(xù)生產(chǎn)線，均需配備精確的帶頭跟蹤系統(tǒng)用于控制產(chǎn)品的質(zhì)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(zhì)。入口段雖然有矯直機來矯正帶頭、但是經(jīng)過后面的夾送輥之后，帶頭依舊會發(fā)生上翹和下翹的情況，從而導(dǎo)致帶頭不能正常穿帶。在無人監(jiān)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(guān)設(shè)備，這時會導(dǎo)致大量的帶鋼堆積在相關(guān)設(shè)備處，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，同時導(dǎo)致大量的廢鋼產(chǎn)生。等待操作人員發(fā)現(xiàn)堆鋼現(xiàn)象，為時已晚。而要切除大量的廢鋼，費時費力，嚴(yán)重影響整條機組正常生產(chǎn)，造成不必要的經(jīng)濟損失。經(jīng)與現(xiàn)場人員的討論及分析，一致同意優(yōu)化帶頭跟蹤系統(tǒng)，一旦發(fā)生堆鋼、誤穿帶或誤碰撞相關(guān)設(shè)備時，系統(tǒng)自動發(fā)出診斷報警提示操作人員去處理帶頭，同時停止相關(guān)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(chǎn)生堆鋼的現(xiàn)象、防止帶頭發(fā)生誤碰撞現(xiàn)象、提高生產(chǎn)效率和減少經(jīng)濟損失。

2 帶頭自動跟蹤設(shè)計方案介紹

帶鋼帶頭跟蹤系統(tǒng)是冷軋機組基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)的一個主要的、相對高級的功能。可以實現(xiàn)對在冷軋機組入口段跟蹤區(qū)域內(nèi)運行的所有帶鋼上的精確的位置跟蹤。在一條現(xiàn)代化的連續(xù)帶鋼生產(chǎn)線上，一個優(yōu)秀的帶鋼帶頭跟蹤系統(tǒng)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(shè)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(wǎng)絡(luò)，采集到了入口段的開卷機、夾送輥、轉(zhuǎn)向輥和張力輥的速度。經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、單位換算成M/S.同時計算出每一個掃描周期內(nèi)輥子所轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)。

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(tǒng)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(jù)現(xiàn)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(shè)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(tǒng)

通過采集各類信號，經(jīng)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(jié)果顯示在HMI畫面上。

3 帶頭自動跟蹤及速度控制實現(xiàn)

3.1 編碼器在帶頭跟蹤的應(yīng)用

編碼器在機組運轉(zhuǎn)期間，隨著工作輥的轉(zhuǎn)動，所綁定的編碼器可以生成連續(xù)的脈沖信號。通過對脈沖進行連續(xù)的累積計數(shù)，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(tǒng)使用安裝在速度輥上的編碼器。對于安裝在開卷機和轉(zhuǎn)向輥上的脈沖生成器的脈沖測量精度（分辨率），其經(jīng)驗值分別為±0.1%和±1%。這些測量誤差的產(chǎn)生是由于帶鋼在輥上出現(xiàn)的不期望的滑動。在帶鋼正向牽引輥上存在負(fù)滑動，反之，在帶鋼反向拖曳輥上存在正滑動。

為了實現(xiàn)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(zhí)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(fā)生的滑動誤差。

3.2 帶鋼步長計算

通過讀取對應(yīng)傳動編碼器的值，比較上一個掃描周期編碼器的值與當(dāng)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(nèi)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(fù)值，入口剪到焊機為正值。當(dāng)開卷機開始開卷的時候，將帶鋼的位置初始化，對應(yīng)的傳動一動，即可得出帶鋼實際位置，每到一個光柵，實現(xiàn)一次實際位置校正。帶鋼跟蹤系統(tǒng)將使用安裝在開卷機或轉(zhuǎn)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(huán)周期內(nèi)編碼器反饋值的變化量Δ=New-Old

New：當(dāng)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(fā)生器的特征值，其值必須連續(xù)的發(fā)送到帶鋼跟蹤系統(tǒng)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(zhuǎn)向夾送輥到入口活套），上通道（從1號開卷機到2號轉(zhuǎn)向夾送輥），下通道（從2號開卷機到2號轉(zhuǎn)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(dāng)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(yōu)化設(shè)計

4.1 帶頭跟蹤優(yōu)化方案

在實際的冷軋機組的生產(chǎn)中，由于種種原因造成帶頭誤穿帶的現(xiàn)象。我們優(yōu)化了入口段穿帶速度控制系統(tǒng)和帶頭跟蹤系統(tǒng)。兩者巧妙的優(yōu)化結(jié)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(tǒng)計算值。

如果△值小于15%，那么我們一般認(rèn)為是正常現(xiàn)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(rèn)為是異常現(xiàn)象，極其有可能是帶頭與設(shè)備碰撞或穿入到機械縫隙中等異常現(xiàn)象，造成了生產(chǎn)安全隱患。這時我們向入口穿帶自動步發(fā)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(fā)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(xiàn)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(fā)出制動命令時系統(tǒng)所處的狀態(tài)：加速、減速、恒速。

在定位開始時，首選產(chǎn)生一個檢查，檢查定位設(shè)定是否大于最小的制動距離。如果是就發(fā)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(jié)束語

在沒有優(yōu)化帶頭跟蹤之前，穿帶在無人監(jiān)管的情況下，一旦發(fā)生誤穿帶，會導(dǎo)致大量的堆鋼，產(chǎn)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(guān)設(shè)備的可能性。

當(dāng)優(yōu)化帶頭跟蹤系統(tǒng)后，帶頭跟蹤值遠遠大于實際值后（15%），相關(guān)的穿帶自動步停止，給操作工報警提示，人工干預(yù)穿帶。排除了安全隱患，保護了相關(guān)設(shè)備，節(jié)約了穿帶時間，大幅減少了帶頭廢料的產(chǎn)生，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟價值。優(yōu)化后的帶頭跟蹤系統(tǒng)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(jīng)過長時間考核和檢驗，是一個精準(zhǔn)、高效、可靠的系統(tǒng)。

參考文獻

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